1.6. Разработка физического уровня (PHY) системы.
1.6.1. Формулирование требований к физическому уровню системы. Описание концепции взаимодействия абонентских терминалов с базовой станцией или другими терминалами сети на физическом уровне предварительный анализ радиоинтерфейса.
Как уже было сказано, на PHY происходит установление, разъединение и поддержание физического соединения по радиоканалу. Основное требование, которое предъявляется к физическому уровню – надежная передача символа по каналу связи. Помимо этого ФУ должен быть гибким в плане конфигурирования его под различные виды физических соединений и легко настраиваемым под постоянно меняющиеся параметры канала связи.
Итак, взаимодействие МС и БС на физическом уровне происходит по нескольким различным сценариям. Концепции этих взаимодействий уже упоминались ранее. В системе существуют несколько видов абонентских терминалов, и под каждый из них PHY настраивается определенным образом. Канальный ресурс делится между терминалами, как во временной, так и в частотной области. Во времени кадр поделен на слоты, которые выделяются в том или ином количестве в зависимости от типа трафика и требуемой скорости передачи. Для передачи речи и видео происходит резервирование временных слотов, т.к. подобный трафик чувствителен к задержкам и требует синхронных соединений. Слоты не занятые под синхронные каналы предоставляются пользователям модемов для передачи данных. В частотной области весь ресурс представлен множеством частотных каналов, на которые перестраиваются устройства в соответствии с псевдослучайным частотно-временным кодом (ЧВК или ЧВМ – частотно-временная матрица). В данной системе связи каждому скачку частоты будет соответствовать один переданный пакет физического уровня, занимающий один временной слот.
1.6.2. Обоснованный выбор параметров модуляции и FHSS, определение требуемого ОСШ на входе приемника. Оценка необходимости использования методов помехоустойчивого кодирования перемежения, деперемежения, оценка эффективности кодирования, проработка функциональной схемы физического уровня приемного устройства.
PHY в частотной области:
Для того чтобы лучше понять, что собой представляет ЧВМ приведем пример (рис. 10).
Рисунок 1. ЧВМ для 3-х кодов.
На данном рисунке изображены три ЧВК, которые можно сопоставить с тремя МС ведущими передачу одновременно. В каждый момент времени МС находятся на разных частотных каналах, которые изменяются по псевдослучайному закону и не мешают друг другу. Данные псевдослучайные последовательности удобно генерировать с помощью регистра сдвига. На выходе данного устройства имеем М-последовательность с периодом L = 2k - 1. Для нашей системы наиболее актуальны последовательности с периодом 63 (k = 6), генератор которых представлен на рис. 2. Элементы памяти содержат в себе двоичный код десятичного числа, которое соответствует номеру частотного канала. Следует отметить, что различные характеристические многочлены, в соответствии с которыми устанавливаются линии отводов на элемент XOR
, порождают различные псевдослучайные последовательности. Также различные коды можно получить, меняя начальное состояние элементов памяти.
Рисунок 2. Формирование ПС кода.
В системах с FHSS обычно применяют MFSK модуляцию. Различают когерентную и некогерентную FSK.  При некогерентной частотной манипуляции минимальное расстояние между тонами составляет:
f1-f2=log2M/Tc
В свою очередь при когерентном детектировании:
f1-f2=log2M/2Tc
Видим, что при когерентной MFSK расстояние между тонами в 2 раза меньше. Это значит, что при одной и той же полосе частот можно использовать большие значения M, хотя при этом сложность приемника возрастает.
Зададим основную скорость передачи данных для самого простого случая (для FSK-2). Пусть R=250кбит/с, тогда длительность одного символа равна Tc=4мкс, а расстояние между тонами f1-f2=125 кГц. При этом требуемая полоса будет в два раза больше Ffsk2=250 кГц.
Очевидно, если использовать диапазон ISM-2.4 ГГц то можно рассчитывать на 63 частотных канала шириной 1МГц. Поэтому в данном случае целесообразно использовать FSK-8. При этом один символ (одна частота) несет информацию сразу о трех битах, следовательно, R будет в три раза выше чем при FSK-2, т.е. R=750 кбит/с. Наиболее наглядно ситуация представлена на рис. 3.
Рисунок 4. иллюстрация двух частотных каналов при FSK-8.
Как видим полоса частот, занимаемая FSK-8 сигналом Ffsk8=1 МГц (но в каждый момент времени передается только один символ/тон ширина которого Fтона = 125 кГц). Также считаю необходимым учесть защитные интервалы на расфильтровку между частотными каналами (допустим, это будут 125 кГц с каждой стороны). Тогда полоса одного частотного канала будет равна Fканала=1,25 МГц. Общая используемая полоса частот, занимаемая системой связи в таком случае: F = 1.25*63 = 78.75 МГц. По условию ТЗ выделенная полоса не должна превышать 10МГц, однако это несоответствие можно обосновать тем, что используется не лицензируемый диапазон частот, в котором доступная полоса составляет 83,5 МГц. К тому же при использовании только 10МГц полосы не получится обеспечить передачу больших объемов информации.
Следует отметить, что в один момент времени (в рамках одного слота) могут вести передачу не более 63 абонентов, иначе будут происходить коллизии из-за одновременного нахождения 2х или более абонентов на одном частотном канале. Таким образом, в системе должны существовать 63 псевдослучайных кода для разделения абонентов или логических каналов между собой. Необходимо также пояснить, что в пределах одной БС не могут использоваться сразу все 63 кода, так как зоны БС сильно перекрываются, что неизбежно будет приводить к нахождению нескольких абонентов на одних и тех же частотных каналах. В связи с этим необходимо провести некий аналог частного планирования, если быть точнее, то кодового планирования. Для этого весь набор из 63 кодов необходимо разделить на 3 группы и присваивать их БС, чьи зоны обслуживания не перекрываются (рис. 5). Таким образом, получим, что каждая БС в системе будет располагать набором из 21 кода, при этом абонентам в зависимости от требуемой скорости передачи может выделяться более одного кода.
Рисунок 5. распределение кодов между БС.
PHY во временной области:
Итак, ситуация в частотной области немного прояснилась, теперь опишем как происходит работа системы во времени.
Пусть временная ось разбита на кадры длительностью 10мс. В свою очередь кадры разбиты на временные слоты, которые выделяются абонентам. Скорость голосового трафика в системе является наименьшей. Предположим, что для организации голосового соединения в одном направлении (дуплекс можно реализовать использованием разных кодов) будет выделяться один слот. Таким образом, используя всего один слот в 10мс кадре, должна обеспечиваться приемлемая скорость для передачи речи. Проведя некоторые прикидки, приходим к следующему варианту (рис. 6). Кадр разделен на 20 слотов длительностью 500 мкс. Полная физическая скорость системы при использовании всех 20 слотов R=750 кбит/с. При выделении одного слота на канал, скорость будет составлять 37,5 кбит/с, чего вполне достаточно для передачи речи от одного абонента. Данные значения скоростей справедливы при использовании одного ЧВК. Для более гибкой подстройки скорости канала в рамках одного слота, могут выделяться несколько ЧВК. Подробнее данная ситуация будет описана при рассмотрении различных профилей функционирования системы.
Рисунок 6. структура кадра.
В данной системе помеха от ближайшей соты, работающей на тех же кодах смены частот, будет влиять на Pb в большей степени. Следовательно, целесообразней пользоваться отношением сигнал/интерференция (ОСИ). ОСИ определяется как:
%%%Дальше не уверен правильно ли я все понял. Параметр n очень сильно влияет на Qси. При n=4 получается, что Qси = 11дБ и влияет на Pb меньше чем Eb/N0 (там для Pb = 5*10^-6 нужно 8,5 дБ), а при n = 2.5 Qси = 4,5дБ и в этом случае ни одно FEC не спасает%%%
где, n – параметр учитывающий среду распространения. Примем n = 3,2.
Построим зависимость Pb от Eb/N0 для когерентной FSK-8 (рис. 15).
Рисунок 7. График зависимости Pb от Eb/N0.
Как видим из графика, для обеспечения  Pb = 5*10-6 требуется, чтобы сигнал превышал шум на 8,65дБ, однако ОСИ = 7,5дБ. Это значит, что интерференция влияет на полезный сигнал в большей степени и заданная Pb не обеспечивается. В связи с этим, появляется необходимость в использовании схем канального кодирования.
Оценка  методов помехоустойчивого кодирования.
На данном этапе мы вновь сталкиваемся с проблемой разных типов трафика в системе. Очевидно, что для каждого из них приемлемы будут разные схемы помехоустойчивого кодирования. Для передачи речи нет возможности использовать методы ARQ, поэтому в данном случае нужно применять мощный канальный код. Поступим по аналогии с решением, применяющимся в GSM, и скажем, что будет использоваться сверточный код со скоростью 1/2. Необходимо иметь в виду, что сверточный кодер не предоставляет сведений о неисправленных ошибках, впрочем, для передачи речи и видео этого и не требуется. Проведя исследование зависимостей Pb от ОСШ для различных параметров сверточного кодера (используя утилиту bertool), выберем код с параметрами poly2trellis(7, [171 133]), т.к. он дает наибольший энергетический выигрыш.
Здесь:
7 – длина кодового ограничения;
171 и 133 - представление векторов связи в восьмеричной системе счисления;
Зависимость Pb от Eb/N0 представлена на рисунке 16 (зеленая линия).
Рисунок 8. Зависимость Pb от Eb/N0 с использованием кодирования и без.
Получаем, что для Pb = 5*10-6 необходимое ОСИ теперь составляет 6,5 дБ, соответственно выигрыш равен 7,5 - 6,5 = 1дБ.
Таким образом, эффективная скорость передачи информации по одному речевому каналу уменьшится в 2 раза и будет составлять 18,75 кбит/с (если не учитывать то, что часть скорости будет отведена под системные задачи). Однако, опять же, проведя аналогию с GSM (где речь передается со скоростью 13 кбит/с), можем предположить, что этого будет вполне достаточно. Также следует не забыть о том, что каждый пакет должен оканчиваться 6-ю нулевыми битами для сброса сверточного кодера перед отправкой следующего пакета.
Для передачи данных важна скорость, поэтому более уместным, на мой взгляд, является применение блочного кода с относительно небольшой избыточностью. Такой код способен и исправлять и обнаруживать ошибки. Если ошибок в пакете больше чем удается исправить, то применяется повторная передача пакета.
Учитывая, что в пакете, помимо поля с данными, должна находиться и системная информация, предположим, что из 375 бит в пакете на данные и избыточность приходится 300 бит. Следует отметить, что поля данных и избыточности должны быть кратны 3, т. к. применяется FSK-8. Поэтому выберем блочный код с параметрами K=270 и N=300. Т.е. на 270 бит данных (90 символов) приходится 30 бит избыточности (10 символов).
Этот же метод кодирования будем применять и для передачи видеоинформации. Хоть в этом случае и нет возможности повторной передачи, появления ошибок будут не столь критичными, т.к. во-первых вряд ли охранник 100% времени смотрит на монитор и во-вторых, даже если исказятся несколько пикселей на экране, вряд ли кто-то это вообще заметит.
Таким образом, зависимость Pb от Eb/N0 в данном случае примет вид как на рис. 16 (красная линия).
Получаем, что для Pb = 5*10-6 требуемое ОСИ в данном случае теперь составляет 7,027 дБ, соответственно выигрыш равен 0,473дБ.
Оценка методов борьбы с замираниями.
Специфика FHSS такова, что сам по себе метод является неплохим способом борьбы с частотно-селективными замираниями, однако это утверждение справедливо, если скорость передачи символов не превосходит скорость перестройки частоты [1 стр. 998]. В нашей же системе происходит 1с/500мкс = 2000 скачков в секунду (каждый пакет передается в своем слоте, на своей частоте). Поэтому необходимо применение фильтра-эквалайзера, который уже был упомянут выше.
Нельзя также забывать и о возможности использования перемежения. Для передачи по многолучевому каналу основным преимуществом перемежения является осуществление временного разнесения. Чем больше интервал времени, в течение которого канальные символы разделены, тем больше шансов, что смежные биты (после деперемежения) будут подвержены некоррелированным проявлениям замирания, т. о. больше шансов достичь эффективного разнесения [1 стр. 1005]. Произведем оценку интервала времени чередования Tд:
Определим время когерентности канала связи:
Очевидно, что для того чтобы получить один переданный пакет необходимо принять несколько пакетов с перемеженными битами. В результате этого возникает задержка в передаче информации. В [1 стр. 1005] говориться, что при Tд/T0 = 10 составляет предел, при котором еще не наблюдается задержки (при передачи речи). Учитывая этот факт, выберем Тд = 50 мс. Это значит, что каждый пакет из 375 бит будет разбит на блоки по 75 бит и перераспределен между 5-ю пакетами (для передачи речи – между 5-ю кадрами) рис. 9.
Рисунок 9. Перемежение блоков по 60 бит при передаче речи.
Таким образом, функциональная схема физического уровня для передающего устройства примет вид рис. 10, а для приемного устройства рис. 11.
Рисунок 10. Функциональная схема физического уровня передающего устройства.
Рисунок 11. Функциональная схема физического уровня приемного устройства.
1.6.3. Анализ необходимости наличия разных профилей настройки физ. уровня.
Итак, сделаем обобщение по различным профилям настройки PHY. Для каждого типа трафика в системе будет предусмотрен отдельный профиль.
Для видео предполагается выделение сразу 4-х временных слотов и 4-х кодов по смене частот. Таким образом, физическая скорость в таком канале будет составлять 37,5*4*4 = 750 кбит/с, чего вполне достаточно для передачи картинки надлежащего качества. Также здесь применяется блочное кодирование с относительно небольшой избыточностью.
Для речевого трафика каждому абоненту будет выделяться один временной слот и один код по смене частот. Скорость в таком канале составляет 37,5 кбит/с. Отличаем от передачи данных и видео здесь является применение сверточного кода со скоростью 1/2.
Остальные незарезервированные слоты и коды скачков частоты будут отдаваться под передачу данных, причем при увеличении количества активных модемов в зоне действия одной БС весь доступный частотно-временной ресурс будет делиться поровну. Здесь также будет применяться блочное кодирование. Следует отметить, что для всех профилей будет применяться модуляция FSK-8, т. к. уменьшение позиционности модуляции в данном случае не делает сигнал менее уязвимым к шуму [1 стр. 252].
1.6.4. Расчет бюджета канала связи системы: обоснованный выбор частотного диапазона (на основании документов ГКРЧ); оценка уровня потерь при распространении радиоволн выбранного диапазона.
Как уже много раз упоминалось, будет использоваться свободный от лицензирования диапазон ISM (Industrial, Scientific, Medical) 2.4 – 2.4835 ГГц, т.к. для реализации данной системы связи требуется широкая полоса частот. Плюс ко всему наибольшая часть беспроводных устройств доступная для гражданского использования работает именно в этом диапазоне. Это значит, что не должно возникнуть проблем с поиском элементной базы для реализации системы.
Для оценки уровня потерь при распространении воспользуемся моделью Окамуры, т.к. она основана на экспериментальных данных и охватывает диапазон частот от 100 до 3000 МГц.
1.6.5. Оценка уровня мощности излучения передающего устройства, сравнение с заданным значением Ризл; сделать выводы, при необходимости вернуться к п.1.6.1. Расчет требуемой чувствительности приемников АС (БС).
Таким образом, получили, что мощность передатчика не превышает заданного в ТЗ максимального значения, следовательно, перерасчет не требуется.
1.6.6. Обоснование видов и назначения логических каналов связи, используемых на физическом уровне.
На физический уровень отображаются следующие логические каналы:
Канал временной синхронизации SCH:
Необходим для тактовой синхронизации. По нему также передается информация о номере кадра в мультикадре (например для успешного деперемежения).
Канал частотной синхронизации FCCH:
Необходим для коррекции частоты и фазы принимаемого сигнала.
Канал подстройки фильтра-эквалайзера:
Необходим для оценки ИХ канала связи и оперативной её подстройки.
Канал передачи данных:
Основной переносчик информации в системе. Помимо видео, голоса и данных здесь же могут передаваться сигналы управления и системная информация.
1.6.7. Определение типов пакетов физического уровня, обоснование структуры полей пакетов каждого типа, оценка размеров полей, длительности пакета.
На данный момент можно сказать, что передача данных на физическом уровне осуществляется с помощью двух типов пакетов.
Первый тип пакетов применяется для передачи речи, а также широковещательной рассылки и содержит в себе поле данных длиной 300 бит, закодированных сверточным кодом (рис. 12).
Рисунок 12. Структура пакета PHY для передачи речи.
 Второй – для передачи данных и видео (рис. 13). Здесь информационное поле содержит в себе 270 бит плюс 30 бит избыточности.
Рисунок 13. Структура пакета PHY для передачи данных и видео.
Поля FCCH, SCH, TS и Data образуют логические каналы, описанные в предыдущем пункте.
Поля TB служат для обозначения начала и конца пакета.
Поле FL – флаг обозначающий несет ли в себе пакет речевую информацию или же информацию сигнализации.
Список литературы:
1. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. – 1104 с.: ил. – Парал. Тит. Англ.
2. Весоловский К. Системы подвижной радиосвязи/Пер. с польск. И.Д. Рудинского; под ред. А.И. Ледовского. – М.: Горячая линия-Телеком, 2006. – 536 с.
3. Лекции и слайды по курсу ССПО 2011 год.
Последние версии предыдущих сообщений:
КП "Помехозащищенная сеть передачи данных" Часть 2