3. Разработка канала передачи данных (L2).


3.1. Пояснение идеи логического соединения L2 уровня: назначение, основание для установления, контроль функционирования, завершения соединения. Виды логических соединений в проектируемой радиосети.


В данной работе канальный уровень необходим для установления логического соединения между сетевыми объектами. В предыдущей части говорилось о том , что взаимодействие точки доступа (ТД) и мультимедийного сервера (МС) будет осуществляться на L3 уровне, следовательно на данном уровне будет устанавливаться логическое соединение между оборудованием пользователя(ОП) и точкой доступа(ТД). Основанием для логического соединения будет являться вещание BCCH ТД. ОП, найдя ВССН с параметрами сети сделает заявку на установление логического соединения. В случае одобрения заявки между этими сетевыми объектами установится логическое соединение. Контроль функционирования будет обеспечивать служба контроля качества. Прекращение соединения будет осуществлено, когда МС прекратит передачу данных.

В проектируемой сети можно выделить следующие виды логических каналов:

·Канал трафика (TCH) – предназначен для односторонней широковещательной передачи пакетов мультимедийного трафика(аудиопотока);

·Канал получения доступа(RACH) – предназначен для передачи запросов от ОП на ТД с целью регистрации в сети ;

·Канал разрешенного доступа(AGCH) — ответ на запрос в регистрации в сети ;

·Канал передачи служебных сообщений;

·Канал BCCH — предназначен для вещания BCCH ТД, с целью обозначения своего присутствия в пределах зоны обслуживания. По этим сообщениям будет передаваться параметры сети, ОП осуществляет поиск этих сообщений , с целью установления логического соединения.


3.2. Задачи службы передачи данных канального уровня в виде пояснения обработки информационных и служебных сообщений на L2 уровне: фрагментация/дефрагментация сообщений, нумерация блоков данных L2 уровня, обеспечение целостности и определение назначения блоков и т.п..


Для служебных и информационных сообщений, в сети вводится проверка целостности принимаемых сообщений. Это осуществляется путем ввода в сообщение 16- битного поля CRC кода. Фрагментация будет отсутствовать вследствие небольшого объема передаваемых по канальному уровню сообщений. Структура сообщения L2 уровня будет включать в себя:

  • поле P (битовый флаг) целью которого является идентификация вида сообщения: служебное или трафика. (Р=0 для сообщений трафика и Р=1 – сообщение для служб L3 уровня). На него будет отводиться 1 бит.

  • поле А — будет показывать адрес источника и получателя сообщений. Т.к максимальное число абонентов в сети 2000, то 20 бит будет достаточно, чтобы вместить адреса всех абонентов.

  • поле номера канала NP (в данной сети используется 3 канала, поэтому на это поле будет иметь размер 2 бита).

  • Поле I - поле идентификации служебного сообщения, которое будет содержать информацию о службе, которой предназначается сообщение.

Обобщив выше сказанное структура сообщений L2 уровня будет иметь вид(Рисунок 1):



Рисунок 1. Структура сообщения L2 уровня


Далее поясним задачи дополнительных служб, которые включены в служебный уровень, расположенный на L2:

  • служба установления соединения - формирует широковещательное сообщение (BCCH), предназначенное для терминалов и содержащее информацию о сети.

  • служба контроля качества — отвечает за качество связи, при необходимости формирует необходимые служебные сообщения о смене профиля сетевого протокола

  • служба доступа — если рассматривать задачи на ТД, то она решает какому ОП выделить ресурс, а если на ОП, то она отвечает за доступ к ресурсам и предотвращение коллизий.



3.3. Характеристика информационного трафика, поступающего на L2 уровень, виды сигнальных сообщений плоскости управления. Обоснованный анализ необходимых логических каналов (ЛКС), оценка пропускной способности ЛКС в обоих направлениях.


В данной радиосети к информационному трафику, поступающему на L2 уровень, относятся команды управления. А именно, когда пользователь выбирает необходимый ему канал или при переходе с 1 канала на другой.


Служебные (сигнальные) сообщения включают в себя сообщения, предназначенные для L3 уровня :

1)Служба контроля качества – формирует необходимые служебные сообщения о смене профиля сетевого протокола, более подробно о данной службе было сказано ранее.

2)Служба установления соединения – формирует широковещательное сообщение (BCCH), содержащее информацию о ТД, с которой устанавливает логическое соединение ОП.

3)Служба предоставления услуг – данная служба отвечает за предоставление услуг пользователю.

4)Служба доступа – отвечает за предоставление доступа ОП к сети, то есть осуществляет проработку механизма взаимодействия ОП с ТД.

Основная пропускная способность будет уходить на вещание BCCH, т. к. вещание осуществляется постоянно. Поэтому этот канал будет занимать 50% пропускной способности. Аудиотрафик с МС поступает на L1 уровень, поэтому по каналу трафика будут передаваться только команды управления, под которыми подразумевается выбор канала или его смена. Канал может быть активен больше 1 раза, следовательно ему отведем 20% пропускной способности. Канал служебных сообщений , по которому передаются сообщения о выходе пользователя с канала, также может быть активен несколько раз, пожтому на него отведем также 20%. Остальные каналы, такие как запрос и ответ на регистрацию будут посылаться только один раз, поэтому их пропускная способность 5%.


Рисунок 2. Логические каналы связи



3.4. Выделение типов сообщений L2 уровня, анализ их атрибутов (адресные/широковещательные, уведомительные или требующие обязательного ответа/шифрования, служебное/информационное и т.п). Обоснование гарантированной/негарантированной доставки указанных видов сообщений. Назначение ЛКС к типам сообщений L2 уровня (результаты п.3.2,3.3 свести в таблицу).

Вначале ТД вещает сообщения BCCH , которые передаются по каналу BCCH и несут информацию о сети. ОП, обнаружив BCCH, отправит сообщение , которое содержит запрос на регистрацию в сети по каналу RACH. Данное сообщение является адресным , поэтому обязательно должен быть на него ответ. ТД, получив запрос , даст ответ по каналу AGCH. Данное сообщение ответа не требует, но является адресным. Сообщения трафика и служебные адресными являться не будут.

BCCH постоянно вещается ТД и не требует ответа. В свою же очередь сообщение запроса на организацию соединения сообщения требуют обязательный ответ от принимающего терминала, то есть если такого ответа не последует в течение определенного промежутка времени, то будет осуществлена повторная передача сообщения.


3.5. Обоснованный выбор алгоритма доступа к канальным (физическим) ресурсам, пояснение структуры физических ресурсов. Описание стратегии планирования распределения канальных ресурсов. Анализ предлагаемого алгоритма доступа к ресурсам на предмет возникновения коллизий и пояснение решения по их устранению. Формирование правила распределения физических ресурсов между ЛКС (п.3.4).

Алгоритмом доступа к канальным ресурсам, исходя из ТЗ, я выбрал OFDM. Следовательно, каждому каналу будет соответствовать тайм слот в составе кадра.

Рассмотрим кадр, который будет передаваться с ОП на ТД. Нулевой тайм слот будет выделяться под RACH( запрос на регистрацию в сети). Далее будет располагаться несколько нулевых слотов, так как аудиотрафик поступает сразу на L1 уровень, минуя L2. И последний тайм слот выделяется под канал RACH, в котором будет передаваться служебное сообщение , которое будет информировать о выходе из канала. Структура кадра показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Структура кадра в направлении ОП – ТД.

Далее рассмотрим кадр, который передается в направлении ТД — ОП.

Первый тайм слот предназначен для канала BCCH. Далее идет ответ на регистрацию в сети, следовательно слот используется каналом AGCH. Потом аналогично предыдущему случаю используются нулевые слоты. Структура кадра представлена на рисунке 4.


Рисунок 4. Структура кадра в направлении ТД-ОП.

3.6. Построение временной диаграммы, отражающей использование физических ресурсов для L2 соединений (логических каналов).

Построим временную диграмму, которая отражает использование физических ресурсов для L2 соединений. Сначала будет осуществляться вещание BCCH ТД. ОП обнаружив его, сделает запрос на регистрацию в сети по каналу RACH. ТД, даст ответ на запрос в сообщении по каналу AGCH. Далее будут передаваться пустые слоты до тех пор пока ОП не пошлет служебное сообщение по каналу RACH о выходе с канала. Временная диаграмма представлена на рисунке 5.


Рисунок 5. Временная диаграмма, отражающая использование физических ресурсов для L2 соединений.


3.7. Пояснение назначения и размерности полей пакетов канального уровня (п.3.4,3.5). Согласование транспортных возможностей пакетов и информационной емкости сообщений.



Далее подробнее рассмотрим структуру сообщений:


1)Сообщение BCCH – будет иметь простую структуру , т. к. ему не нужно поле адреса, битового флага и др. Оно будет иметь только поле данных. И в данном случае я выбрал его размерность 70 бит. Структура изображена на рисунке 6.


Рисунок 6. Структура сообщения BCCH.



2)Сообщение RACH. Данное сообщение имеет поле адреса, которое занимает 20 бит, так как максимальное число пользователей равно 2000. Данное поле необходимо для учета активных пользователей. Поле NP, которое будет определять : это сообщение для регистрации в сети или сообщение о выходе с канала. Размерность данного сообщения 1 бит. Проверка целостности сообщений (поле CRC) размерностью 16 бит. И поле данных(27 бит). Структура представлена на рисунке 7.


Рисунок 7. Структура сообщений RACH.


3)Сообщение AGCH имеет схожую структуру с RACH, только нет необходимости использовать поле NP. Структура представлена на рисунке 8.


Рисунок 8. Структура сообщений AGCH.


3.9. Разработка функциональной схемы L2 уровня.

На рисунке 9 представлена функциональная схема передающего тракта. Сообщения, которые содержат команды управления, а также сообщения служб, находящихся на служебном уровне будут сначала подвергаться шифрованию для засекречивания данных. Далее происходит добавление служебного поля (идентификатора ОП ). Далее происходит расчет и добавление CRC. Затем сообщение L2 уровня будет поступать на физический уровень. Аудиопоток будет сразу поступать на физический уровень.


Рисунок 9. Функциональная схема передающего тракта L2 уровня.



Рассмотрим функциональную схему L2 уровня принимающего тракта. Аудиопоток будет сразу поступать в приложение. У остальных же сообщений сперва будет осуществляться проверка целостности, то есть проверка CRC. Далее будет осуществляться считывание данных служебных полей ,после чего данные сообщение отправятся либо на служебный уровень, либо на приложение.Функциональная схема принимающего тракта L2 уровня примет следующий вид (Рисунок 10). 


Рисунок 10. Функциональная схема принимающего тракта L2 уровня.



4. Разработка физического уровня (L1). Реализация необходимых уровню L2 физических ресурсов.

4.1. Обоснование характеристик требуемых физических ресурсов (пропускная способность, качество доставки).

Т.к. в рассматриваемой радиосети используется 3 канала и ранее указывалось, что скорость на каждый канал 200 Кбит/с , можно рассчитать пропускную способность логических каналов, исходя из процентного соотношения, указанного в пункте 3.3. Для канала BCCH пропускная способность будет составлять 100 (Кбит/с) т. е. 50% . Для канала передачи служебных сообщений (RACH) и канала трафика TCH пропускная способность будет составлять по 40 Кбит/с (т. к. пропускная способность этих каналов по 20%) . Для каналов получения доступа и разрешенного доступа по 10 Кбит/с ( т. к. пропускная способность этих каналов по 5%).


4.2. Обоснованный выбор частотного диапазона (на основании документов ГКРЧ); аргументированный выбор модели оценки потерь распространения радиоволн, расчет уровня потерь.

На основании таблицы распределения частот ГКРЧ (Постановление Правительства РФ от 21 декабря 2011 г. №1049-34 «Об утверждении Таблицы распределения полос радиочастот между радиослужбами Российской Федерации и признании утратившими силу некоторых постановлений Правительства Российской Федерации») выберем диапазон 432 - 438 Мгц, с несущей частотой 435МГц. Данный диапазон отведен для любительской связи и радиолокации.

Для оценки уровня потерь будем использовать модель предсказания Окамуры-Хата, т.к. эта модель хорошо адаптирована для определения потерь при распространении радиоволн в условиях плотной городской застройки.

L=Lгород-2 (lg(f/ 28))2- 5,4

Здесь Lгород характеризует потери в условиях плотной городской застройки формула:

Lгород = 69,55 +26,16 lg(f)-13,82 lg(hБС)-α(hAC)+(44,9 – 6,55 lg(hБС))*lg (R)

В данной формуле:

f  = 435 МГц – несущая частота;

R = 8000 м = 8 км – радиус зоны обслуживания (в соответствии с ТЗ).

hБС = 15 м – высота антенны ТД. 

hАС = 1,5 м – типовая высота антенны ОП.

a(hAC)– поправочный коэффициент, учитывающий высоту антенны абонентской станции в зависимости от местности. 

Рассчитаем поправочный коэффициент по формуле:

a(hAC)= 6,81

Рассчитаем потери:

Lгород =69,55 + 26,16 lg(435) – 13,82 lg(15) + 0,98 + (44,9 – 6,55 lg(15)) *lg (8) =149 (дБ)

Таким образом, уровень потерь на границе зоны радиопокрытия в условиях плотной городской застройки в выбранном частотном диапазоне от 432 до 438 МГц составляет 157дБ.


4.3. Обоснование выбора мер по обеспечению синхронизации и по защите приема от многолучевости и помех в канале связи. При необходимости, проработка профилей физического уровня и сценария их выбора (п.2.5). Оценка требуемой избыточности, вносимой указанными факторами.


Исходя из ТЗ разрабатываемая система может использоваться в городской застройке, то есть будет существовать риск многократного переотражения радиоволн на пути от передатчика к приёмнику от различных препятствий (жилые дома, производственные здания). В результате на приемную сторону придут несколько отраженных волн с разной фазой, что может привести к снижению мощности принимаемого сигнала на заранее неопределенную величину и замираниям. В качестве средств по борьбе с многолучевым распространением радиоволн будем использовать технологию OFDM, которая эффективно борется как с межсимвольной интерференцией (МСИ), так и с замираниями. Вследствие этого мы откажемся от использования в реализуемой системе сложных и дорогостоящих адаптивных фильтров-эквалайзеров и широкополосных сигналов, недостатком которых является необходимость в резервировании широкой полосы частот, что в условиях загруженности радиочастотного ресурса усложняет выбор частоты несущего колебания и повышает стоимость лицензии на пользование радиочастотным ресурсом.

Для борьбы с помехами, возникающими в канале связи необходимо применять мверточное кодирование, вносящего необходимую избыточность для обеспечения безошибочного приема. Избыточность определяется скоростью кодирования, то есть отношением числа бит, поступивших на вход кодера, к числе бит, получаемых для данной входной последовательности на выходе кодера.

В системе используются два типа модуляции — QPSK и QAM-16. Модуляция QPSK характеризуется малой вероятностью возникновения ошибок и небольшой скоростью передачи данных. Модуляция QAM-16 имеет более высокую скорость передачи, но и высокая вероятность возникновения ошибок.


4.4. Оценка пропускной способности физического канала с учетом избыточности, вносимой на L1 уровне.


Необходимая избыточность будет вноситься с помощью сверточного кодирования. Скорость кодирования будет ½, поэтому кодирование будет называться сверточным полускоростным помехоустойчивом кодировании  . Вследствие этого пропускная способность увеличится в 2 раза.

Для QAM-16 будет следующее распределение канального ресурса: 1 поднесущая OFDM будет переносить 4 бита информации . Таким образом, для обеспечения работы потребуется 56 поднесущих .Так же необходимо добавить пилоты и защитные интервалы, суммарное количество которых примем 8, что бы добиться кратности 2 Поэтому один OFDM-символ должен состоять из 64 поднесущих. При использовании полускоростного кодирования потребуется 2 OFDM- символа для передачи 1 пакета данных. Для QPSK 1 поднесущая OFDM переносит 2 бита. Из этого следует , что для передачи одного пакета данных после кодирования потребуется 4 OFDM- символа. Число поднесущих будет составлять 128.


Рис. 11. Структура OFDM символа.


4.5.        Расчет отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения необходимого качества приема без помехоустойчивого кодирования. Обоснованный выбор метода и скорости помехоустойчивого кодирования, расчет эффективности кодирования, пояснение влияния выбора на структуру пакета L1 уровня. Повторный расчет отношения сигнал/шум с учетом метода помехоустойчивого кодирования. Окончательная оценка требуемой полосы частот.  

Для определения отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки для модуляции QPSK QAM -16 без помехоустойчивого кодирования воспользуемся утилитой bertool среды Matlab. Полученный график зависимости вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум приведен на рис. 12 На основании полученного графика можно сделать вывод, что указанная в задании к курсовой работе вероятность битовой ошибки P= 10-6ош достигается при ОСШ = 10,5 дБ у QPSK и 14.5 у QAM – 16.



Рисунок 12.Зависимость вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и QAM-16 без помехоустойчивого кодирования.


Построим зависимости вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и QAM-16 с помехоустойчивым кодированием (Рисунок 13).По рисунку видно, что при модуляции QPSK заданная вероятность битовой ошибки обеспечивается при 7,1 дБ, а при модуляции QAM - 16 - при 10,5 дБ.

.

Рисунок 13. Зависимость вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и QAM-16 с помехоустойчивым кодированием.  

Таким образом, выигрыш при использовании помехойстойчивого кодирования при модуляции QPSK составляет 3.4 дБ, а при использовании модуляции QAM-16 составляет 4 дБ. Для наглядности построим четыре графика в одной плоскости (Рисунок 14), а полученные значения для наглядности занесем в таблицу.


Рисунок 14. Зависимость вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и QAM-16 с помехоустойчивым кодированием и без помехоустойчивого кодирования.  


4.6. Определение структуры и расчет размерности полей пакетов L1 уровня.


Рассмотрим структуру пакета L1 уровня, который представлен на рисунке на рисунке 15. С L2 уровня поступает пакет, который включает в себя следующие поля:

  • preamble – преамбула, которая выполняет функции частотной и временной синхронизации

  • Type modulation – данное поле говорит о типе используемой модуляции (QPSK или QAM – 16)

  • Data – к информационной части добавляются избыточные биты, полученные в результате сверточного кодирования

  • Pad – биты заполнения, необходимые для приведения размерности пакета к числу, кратному 2.


Рисунок 15. Структура сообщения L1 уровня.



4.7. Оценка уровня мощности передачи с учетом необходимого запаса мощности сигнала для его уверенного приема с вероятностью PR% на границе радиопокрытия, оценка размера зоны радиопокрытия.


Произведем оценку уровня мощности передачи при испоьзовании модуляции QPSK:

Эффективная полоса: Δf=R/log2(M) = 100 КГц 

Добавим защитный интервал OFDM, к примеру 10% =110 КГц

Произведем расчет шумовой полосы приемника:

Δfш= 1,1* Δf = 121 КГц.

Мощность шума на входе приемника:

Pш= k*T* Δfш= 44*10-17Вт=-159 дБВт.

Где k = 1,23*10-23Дж/К – постоянная Больцмана; T=296 К – шумовая температура.

Чувствительность приемника:

Pпрм= Pш+ Nк+ SNR.

Eb/N0= 7.8 дБ;

SNR=Eb/N0+10*lоg(Δffш)= 7,4 дБ

Коэффициент шума первых каскадов приемника примем равным Nк= 2 дБ,

Pпрм=Pш+Nk+SNR= -159+ 2 + 7,4 = - 150,4 дБ

Рассчитаем мощность излучения подвижного объекта:

Pизл=Pпрм+LGtGr;

L = 149 дБ – рассчитано ранее в п.4.2

Gt =7 дБ – КНД передающей антенны;

Gr = 0 дБ – КНД приемной антенны;

Pизл= - 150,4 +149 — 7 = -8,4дБ =0,14 Вт

Полученное в результате расчетов значение излучаемой подвижной станцией

мощности с большим запасом удовлетворяет указанному в задании к курсовой работе

условию Pизл < 0,5 Вт.

Произведем оценку уровня мощности передачи для QAM-16:

Эффективная полоса:Δf=R/log2(M) = 50 КГц 

Добавим защитный интервалOFDM - 10%= 55 КГц

Шумовая полоса приемника:

Δfш= 1,1* Δf = 60,5 КГц.

Мощность шума на входе приемника:

Pш= k*T* Δfш= -159 дБВт .

Чувствительность приемника:

Pпрм= Pш+ Nk + SNR.

Eb/N0= 11.4 дБ;

SNR=Eb/N0 + 10*lgffш) = 12,3 дБ

Коэффициент шума первых каскадов приемника примем равным Nk = 3 дБ,

Pпрм= -159 + 3 + 12,3 = - 143,7 дБ

Рассчитаем мощность излучения подвижного объекта:

Pизл=Pпрм+LGtGr;L = 149 дБ

Gt = 7 дБ – КНД передающей антенны;

Gr = 0 дБ – КНД приемной антенны;

Pизл= - 143,7 +149 -7=-2,3дБ =0.48 Вт.

В результате было получено расчетное значение мощности, которое удовлетворяет указанному в задании к курсовой работе условию: Pизл < 0.5 Вт.

Далее необходимо произвести оценку мощности передатчика для обеспечения

уверенного приема сигнала с вероятностью PR = 75% на границе зоны радиопокрытия,

радиус которой указан в задании к курсовой работе и равен 8000 м.Радиус зоны

радиопокрытия рассчитывается по формуле :



Здесь W – функция Лапласа, σ – дисперсия по местоположению, n – коэффициент

потерь, r50 – радиус зоны радиопокрытия с вероятностью уверенного приема сигнала PR =

75%. Так как анализируемая система будет функционировать в условиях городской

застройки, примем σ = 10 и n = 5.

Значение функции Лапласа определяется по соответствующей таблице. В данном

случае W((100 – PR) / 100) = W(0,25) = 0,85 согласно таблице значений функции Лапласа.

Тогда радиус зоны радиопокрытия при PR = 50% согласно формуле :


4.8. Разработка и описание функциональной схемы L1 уровня.

Функциональная схема L1 уровня преставлена на рисунке 16. Сначала пакет L2 уровня будет кодироваться в полускоростном режиме, затем будет происходить перемежение, которое необходимо для борьбы с замираниями. Далее будет происходить модуляция (QPSK или QAM – 16 ) , тип которой выбираться в блоке выбор типа модуляции. После чего будет и формирование OFDM символов и добавление преамбулы для отправки сообщения в канал связи.

В принимающем тракте будут осуществляться обратные операции.



Рисунок 16. Функциональная схема L1 уровня.


Библиографический список:

1)1.Бакке А.В. – лекции по курсу "Системы и сети связи с подвижными объектами".

2)Викулов В. -КП на тему : «Интерактивная радиосеть мультимедийного вещания (часть 3).

3)Виноградов Н.С. -Радиосеть сбора данных с ПО (часть 3).

4)Рихард А.И. -Радиосистема управления подвижными объектами. Часть 3.