1.7. Построение канального уровня системы.
1.7.1. Определение способов адресной доставки сообщений канального уровня. Обоснование способа назначения идентификаторов сетевым устройствам системы и определение их параметров.
Сообщения в системе передаются по схеме «точка-точка» (сообщения регистрации, выделения канала, данных), либо «точка-многоточка» (широковещательные сообщения). Для реализации адресной доставки конкретному терминалу каждому устройству присваивается уникальный идентификатор (ID), БС также имеет свойID
.
ID МС хранятся в абонентском регистре на удалённом сервере, при попытке подключения нового МС блок управления БС делает запрос в этот регистр и если данный ID присутствует, то переносит его в список активных абонентов, расположенный в блоке управления БС. Каждому ID списке активных абонентов ставится в соответствие один или несколько каналов трафика (если есть свободные временые слоты), каждый из которых имеет свой профиль. Пакеты, получаемые от устройств с неизвестным для БС ID игнорируются. Аналогично для МС: пакеты, в которых содержится ID
отличное от идентификатора родной БС игнорируются.
1.7.2. Обоснование необходимости управления потоком сообщений. Оценка возможности примененияARQ (Automatic Repeat-reQuest). Разработка и пояснение способа адаптивного изменения скорости передачи данных.
В разрабатываемой системе будет использоваться процедура подтверждения приёма пакетов. На основе определённой части пакета данных вычисляется контрольная сумма и она передаётся в составе пакета канального уровня. На приёмной стороне после декодирования проверяется безошибочность принятого кодового слова. Для этого также вычисляется контрольная сумма и если вычисленная из пакета данных контрольная сумма совпадает с принятой, то пакет считается принятым без ошибок и получатель отправляет отправителю квитанцию подтверждения (ACK), в противном случае – сообщает об ошибочно принятом пакете (NAK
).
Каждый поток трафика может в зависимости от класса может либо требовать повторной передачи ( для пульсирующего трафика), либо не требовать (передача потокового видео). При получении NAK
передающая сторона делает вывод о необходимости повторной передачи пакета.
При получении подряд трёх NAK
передатчик делает вывод о том, что следует сменить тип модуляции на более помехоустойчивый.
1.7.3. Обеспечение (оценка) достоверности принимаемых сообщений.
Определение правильности принятия пакета осуществляется на основе описанного выше метода отправки пакетов ACK-NAK
. Некоторое количество ошибок можно исправить, используя помехоустойчивое кодирование. При этом в пакете передаётся некоторое количество избыточных символов. При этом в том случае если на приёмной стороне удалось исправить все ошибки передаётся квитанция подтверждения, несмотря на ошибки в принятом пакете.
1.7.4. Обоснование логических каналов связи (ЛКС), используемых на канальном уровне. Пояснение основных видов сообщений, передаваемых по каждому ЛКС. Расчет (оценка) пропускной способности ЛКС с учетом избыточности сообщений канального уровня. Расчет основного трафика системы. Составить сводную таблицу ЛКС с указанием наименования, назначения и типа КС.
Логические каналы связи, которые используемые в системе на канальном уровне:
- BCCH (Broadcast Control Channel) широковещательный канал для передачи сервисной информации от БС ко всем МС, которые подключены к сети, либо хотят получить к ней;
- TCH (Traffic Channel) канал трафика предназначен для передачи данных: передача данных;
- SCH (Signaling Channel) канал сигнализации, который предназначен для передачи пакетов правильного/неправльного приёма данных (ACK/NACK), а также необходимости повторной передаче;
- ACH (Access Channel) канал для запроса регистрации в сети.
Расчёт основного трафика
- BCCH. Пакеты данного канала будут передаваться в начале каждого кадра. Кадры будут следовать с периодом в 50мс. Следовательно пропускная способность данного канала должна быть не менее 40 кбит/с.
- ACH. Пакеты данного канала отправляются каждый раз в кадр во время промежутка конкурентной борьбы. Пропускная способность 1кбит/с.
- SCH. Данные по этому каналу передаются после каждой передачи данных. Пропускная способность 5 кбит/с
- TCH. Через канал трафика передаётся наибольшее количество данных. Это данные непосредственно пакеты информации, которые доставляются пользователю из сети интернет, так и дополнительная служебная информация, добавляемая системой. Так как разделение временое, то пропускная способность канала трафика составляет сумму скоростей всех абонентов, как вверх (64 кбит/с), так и вниз (256 кбит/с). Пропускная способность составляет (64+256)*65 кбит/с = 20,4 Мбит/с
1.7.5. Пояснение способа организации доступа к физическому каналу. Управление профилями физического уровня.
В разрабатываемой системе все устройства(БС и МС) работают в одном частотном диапазоне. При этом каждому устройству выделяются промежутки времени как для приёма, так и для передачи данных. Основным принципом доступа к каналу является то, что ни одна МС не имеет права на передачу, пока БС не разрешит ей этого, то есть пока не отведёт для МС временой интервал для передачи. Исключением являются запросы на регистрацию и на дополнительный канал передачи.
Для запроса на регистрацию ( запрос канала) отводится специальный промежуток времени, в который действует конкурентная борьба за канал. При этом в широковещательной посылке БС указывает временой интервал для этой борьбы. При этом каждый терминал, которому необходимо передать запрос, для уменьшения вероятности коллизии загадывает случайное число, отсчитывает его и только после этого начинает передачу. Если передача прошла успешно, то БС принимает пакеты регистрации и отправляет МС пакет подтверждения регистрации. Если МС не получила подтверждения, либо не выиграла в конкурентной борьбе, то она считает попытку неудачной и повторит процедуру в следующий промежуток конкурентной борьбы.
Выделение временых промежутков для передачи/приёма организуется с помощью передачи карт распределения интервалов передачи UL-Map (uplink map) и DL-Map (downlink map), в которых содержится информация о том какая МС и в каком временом интервале будет передавать и принимать данные соответственно.
1.7.6. Пояснение структуры сообщения (пакета) канального уровня: описание предполагаемых видов пакетов и необходимых полей.
На канальном уровне формируются пакеты данных, которые затем передаются на физический уровень, вставляются в пакеты физического уровня и передаются по каналу связи.
Все пакеты состоят из заголовка, поля данных (различается для конкретного вида пакета), поля контрольной суммы.
Пакет состоит из следующих полей:
1) Заголовок, который содержит:
· ID передающей станции ( 7 бит)
· ID приёмной станции (7
бит)
·
Индекс ключа шифрования ( 3 бита)
·
Номер потока данных ( 10 бит)
·
Контрольная сумма заголовка ( 8 бит)
2) Поле данных, который может содержать:
·
Данные
·
Сервисное сообщение
3) Поле контрольной суммы пакета
Рассмотрим пакеты канального уровня, которые используются в разрабатываемой системе.
Пакет данных. Поле данных содержит собственно данные, передающи информацию (рисунок 1).
Рисунок 1. Структура пакета данных
Пакет регистрации в поле данных содержит ID
МС и ключ доступа к сети, на основании которых БС принимает решение о подлинности МС и регистрации её в сети.
Рисунок 2. Структура пакета запроса на регистрацию.
Пакет ответа на запрос регистрации в поле данных содержит поле подтверждения
регистрации, в котором последовательность из 3 бит указывают на успех или отказ в регистрации и в случае отказа причину.
Рисунок 3. Структура пакета ответа на регистрацию.
Пакет ACK/NACK в поле данных передаёт номер потока, номер пакета, признак ACK или NAK. Пакет передается
сразу после получения пакета данных.
Рисунок 4. Структура пакета подтверждения приема пакета.
Пакет распределения временых слотов. В заголовке в поле ID приёмной станции признак широковещательнойрассылки (0000000). В поле данных содержится UL-Map и DL-Map. Которые представляют собой списоки номеров временых слотов, выделяемых для каждой МС, а также начало и длительность в OFDM символах интервала конкурентной борьбы (UL-Map).
Рисунок 5. Структура пакета распределения временых слотов.
1.7.7. Описание типовых схем обмена сообщениями между объектами канального уровня.
Обмен сообщениями между объектами канального уровня ( в системе это МС и БС) представлен на рисунке 6.
Рисунок 6. Обмен сообщениями между объектами канального уровня.
МС по широковещательному каналу принимает пакет, из которого извлекает информацию о промежутке начала конкурентной борьбы. Далее МС выигрывает конкурентную борьбу и по каналу регистрации отправляет запрос. БС принимает данный запрос и отправляет подтверждение. Из следующего широковещательного сообщения МС узнаёт промежутки времени, в которые она должна принять от БС данные и когда имеет право передавать. В процессе передачи БС и МС обмениваются пакетами успешной передачи данных.
1.8. Разработка физического уровня системы.
1.8.1. Расчет полной пропускной способности физического КС соединения «терминал-БС».
Общая пропускная способность логических каналов составляет около 20,5 Мбит/с. Однако для достоверной передачи данных на физическом уровне до передачи пакетов в канал добавляется избыточность. Пусть канальное кодирование будет производиться со скоростью 1/2 ,
Также необходимо учитывать служебную информацию физического канала. В итоге зададим скорость потока физического канала порядка 42 Мбит/с.
1.8.2. Анализ и обоснованный выбор мер по защите физического уровня от многолучевости.
В системах широкополосного беспроводного доступа BWA основным разрушающим фактором для цифрового канала являются помехи от многолучевого приема. Этот вид помех возникает из-за многократных отражений радиосигнала от зданий и других сооружений.
Решением этой проблемы является применение технологии ортогонального частотного мультиплексирования OFDM, которая специально разработана для борьбы с помехами при многолучевом приеме При OFDM последовательный цифровой поток преобразуется в большое число параллельных потоков (субпотоков), каждый из которых передается на отдельной несущей.
Группа несущих частот, которая в данный момент времени переносит биты параллельных цифровых потоков, называется "символом OFDM". Благодаря тому, что используется большое число параллельных потоков, длительность символа в параллельных потоках оказывается существенно больше, чем в последовательном потоке данных. Это позволяет в декодере задержать оценку значений принятых символов на время, в течение которого изменения параметров радиоканала из-за действия эхо-сигналов прекратятся, и канал станет стабильным.
Таким образом, при OFDM временной интервал символа субпотока TS делится на две части - защитный интервал TG, в течение которого оценка значения символа в декодере не производится, и рабочий интервал символа TU, за время которого принимается решение о значении принятого символа. Для правильной работы системы эхоподавления необходимо, чтобы защитные интервалы находились в начале символов субпотоков, то есть в защитном интервале продолжается модуляция несущей предшествующим символом.
Рисунок 7. Применение циклического префикса
Одним из ключевых преимуществ метода OFDM является сочетание высокой скорости передачи с эффективным противостоянием многолучевому распространению. Если говорить точнее, то сама по себе технология OFDM не устраняет многолучевого распространения, но создает предпосылки для устранения эффекта межсимвольной интерференции. Дело в том, что неотъемлемой частью технологии OFDM является охранный интервал (Guard Interval, GI) — циклическое повторение окончания символа, присоединяемое в начале символа. Охранный интервал является избыточной информацией и в этом смысле снижает полезную (информационную) скорость передачи, но именно он служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции. Эта избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приеме символа в приемнике.
Наличие охранного интервала создает временные паузы между отдельными символами, и если длительность охранного интервала превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольной интерференции не возникает.
Рисунок 8. Применение OFDM против многолучевости
1.8.3. Энергетический расчет системы: обоснованный выбор частотного диапазона (на основании документов ГКРЧ); оценка уровня потерь при распространении радиоволн выбранного диапазона; обоснование выбора вида модуляции; расчет отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки для выбранного вида и типа модуляции/демодуляции.
На основании решения ГКРЧ «Об использовании полос радиочастот радиоэлектронными средствами фиксированного беспроводного доступа» от 28 ноября 2005 г № 05-10-01-001, для радиоэлектронных средств фиксированного беспроводного доступа. признаётся возможным использование полос радиочастот 2400-2483,5 МГц, 3400-3450 МГц, 3500-3550 МГц, 5150-5350 МГц и 5650-6425 МГц
Выберем диапазон частот в районе 2400-2483,5 МГц
Оценим потери при распространении радиоволн в канале при помощи модели Окамуры.
Произведём расчёт для частоты 2450 МГц Примем высоты БС 20м, высоту МС 1,5 метра, расстояние до абонента 3000м.
Область применения модели Окамуры: 1км < r <100км, 100МГц < f <3ГГц. Что удовлетворяет нашим условиям.
Основной для системы выберем модуляцию QAM
16 данный вид модуляции является широко используемым в системах передачи данных, обеспечивает достаточно высокую скорость передачи данных и в тоже время относительно помехоустойчив.
График зависимости битовой ошибки от ОСШ для QAM16 Q(Eb/N0) изображен на рисунке 9.
Рисунок 9. График зависимости битовой ошибки от ОСШ для QAM16
Для заданной в ТЗ вероятности ошибки(Pb=7*10^-7) имеем Eb/N
0=14.5 дБ
Второй вид модуляции QPSK будет применяться при ухудшении условий приёма. QPSK является гораздо более помехоустойчивым видом модуляции, но обеспечивает в два раза меньшую скорость передачи относительноQAM16.
График зависимости битовой ошибки от ОСШ для QAM16 Q(Eb/N0) изображен на рисунке 10.
Рисунок 10. График зависимости битовой ошибки от ОСШ для QPSK
Для заданной в ТЗ вероятности ошибки(Pb=7*10^-7) имеем Eb/N0=10.6 дБ
1.8.4. Обоснованный выбор метода помехоустойчивого кодирования, перемежения, деперемежения, оценка эффективности кодирования. Коррекция данных расчета п.1.8.3 и проверка на обеспечение исходных данных. Анализ необходимости наличия разных профилей настройки физ. уровня.
В системе будет использоваться свёрточный код со скоростью кодирования ½ он даёт приличный выигрыш в ОСШ, при этом на каждый информационный бит добавляется один избыточный.
На рисунке 11 приведён график зависимости битовой ошибки от ОСШ для QAM16 Q(Eb/N0) как для случай с применением кода, так и без него.
Рисунок 11. График зависимости битовой ошибки от ОСШ для QAM16
Для заданной в ТЗ вероятности ошибки(Pb=7*10^-7) при использовании кода имеем Eb/N0=10.8 дБ.
Выигрыш при этом составляет 3.7 дБ.
На рисунке 12 приведён график зависимости битовой ошибки от ОСШ для QPSK Q(Eb/N0) как для случай с применением кода, так и без него.
Рисунок 12. График зависимости битовой ошибки от ОСШ для QPSK
Для заданной в ТЗ вероятности ошибки(Pb=7*10^-7) при использовании кода имеем Eb/N0=7.3 дБ
Выигрыш при этом составляет 3.3 дБ.
После сверточного кодирования поток бит подвергается операции перемежения. Суть ее заключается в изменении порядка следования бит в пределах одного OFDM-символа. Для этого последовательность входных бит разбивается на блоки, длина которых равна числу бит в OFDM-символе (NCBPS
). Далее по определенному алгоритму производится двухэтапная перестановка бит в каждом блоке.
На первом этапе биты переставляются таким образом, чтобы смежные биты при передаче OFDM-символа передавались на несмежных поднесущих. Алгоритм перестановки бит на этом этапе эквивалентен следующей процедуре. Первоначально блок бит длиной NCBPS построчно (строка за строкой) записывается в матрицу, содержащую 16 строк и NCBPS/16 рядов. Далее биты считываются из этой матрицы, но уже по рядам (или так же, как записывались, но из транспонированной матрицы). В результате такой операции первоначально соседние биты будут передаваться на несмежных поднесущих. Смена профиля модуляции производится в случае, описанном выше в п.1,7,2
1.8.5. Оценка уровня мощности излучения передающего устройства, сравнение с заданным значением Ризл АС; сделать выводы, при необходимости вернуться к п.1.8.3, 1.8.4. Расчет чувствительности приемников АС (БС).
Так как применяется технология передачи OFDM. Необходимо провести расчёт для символа. Структура поднесущих символа представлена на рисунке 13.
Рисунок 13. Структура поднесущих символа OFDM
Количество поднесущих N=64, Число поднесущих, используемых для передачи данных Ndata=48, Число пилот-сигналов Npi=4. C
лева 6 и справа 5 нулевых символа.
Скорость передачи данных по физическому каналу задана Rb
=42 Мбит/с.
Поскольку для передачи данных используется QPSK
, то на формирование одного отсчета канального модулятора требуется
kb=log2 (4)= 2 бит,
следовательно, длительность символов I ( j) и Q ( j) будет в 2 раза больше длительности бита
Tsymb = 2*Tb
=0.04мкс,
Для передачи символов канального модулятора в OFDM сигнале отводится 48 поднесущих. Следовательно, длительность OFDM сигнала T0 будет соответствовать длительности 48 символов QPSK
:
Tblock = T
0=48*0.04=1.92мкс.
Длительность циклического префикса задается относительно длительности OFDM
сигнала T
0. Примем циклический префикс равный 1/4 длительности символа.
Tcp=T0( Kcp/1+Kcp
)= 384 нс.
Общая длительность блока:
T= Tblock+ Tcp
=2.3 мкс
Полоса частот на поднесущую равна:
F = 1/ T0 = 520 кГц
Ширина спектра OFDM
сигнала:
= 520 Кгц * 64= 33,3 МГц
1.8.6. Пояснение структурной схемы физического уровня системы.
Схема представлена на рисунке 14.
Рисунок 14. Схема физического уровня системы.
Входящий поток данных поступает на
свёрточный кодер, где производится помехоустойчивое кодирование. После этого
данные с избыточностью поступают на перемежитель, который производит
перемежение по заданному закону. Затем кодированные блоки данных поступают на
квадратурный модулятор (QAM16 или QPSK), где они преобразуются в модуляционные символы. Этими символами модулируются
поднесущие OFDM сигнала. После формирования пакета и сдвига спектра сигнала в район 2,5
ГГц OFDM символ, который включает в себя
блоки данных, пилот-сигналы (с модуляцией BPSK
) и защитные интервалы, передаётся в
канал. В приёмной части происходит обратная процедура.
При поступлении
широковещательного пакета на МС в регистрах счётчиков блока управления
фиксируются временые слоты для приёма и передачи данных, а также время начала
конкурентной борьбы.
Если МС необходимо
получить доступ к каналу во время конкурентного доступа, то генератор случайных
чисел конкурентной борьбы выбирает случайное
число в момент начала, отсчитывает его, затем блок проверки состояния канала
оценивает занятость канала. Если канал занят, то МС ожидает следующего слота
конкурентной борьбы, если свободен –начинает передачу запроса на регистрацию.
В БС блоку управления не
необходимости иметь данных счётчиков, так как БС сама решает когда и какое
устройство имеет право на передачу.
1.8.7. Обоснование видов и назначения логических каналов связи, используемых на физическом уровне.
На физическом уровне будут использоваться:
1) Канал подстройки частоты (синхронизация по частоте и времени). Для синхронизации в каждом пакете будет передаваться преамбула.
2) Канал для передачи профиля физического уровня (вид модуляции).
1.8.8. Определение типов пакетов физического уровня, обоснование структуры полей пакетов каждого типа, оценка размеров полей, длительности пакета.
Рисунок 15. Пакет физического уровня
Пакет физического уровня включает в
себя преамбулу, поле данных, которое может содержать любой из пакетов MAC уровня и поле окончания. Кроме того, в конце пакета добавляются
специальные биты заполнения Pad (равны нулю), так чтобы общая длина поля данных
оказалась кратной числу бит в OFDM-символе при выбранной скорости передачи
данных. Поле данных при использовании модуляции QPSK
в два раза больше бит данных. Скорость
передачи возрастает почтив два раза. Информационные биты при любом виде модуляции содержаться только в половине бит, так как применём сверточный кодер, который работает со скоростью 1/2, то есть на каждый информационный бит приходится один бит избыточности.
Преамбула включает в себя два OFDM символа(служит для обнаружения сигнала и синхронизации по
частоте), также преамбула включает в себя поле управления, которое состоит из
одного OFDM символа и содержит информацию о виде
модуляции, применяемой в пакете данных и типе пакета. Преамбула всегда
передаётся с помощью модуляции QPSK
.
Список литературы:
1)Весоловский К. Системы подвижной радиосвязи/Пер. с польск. И.Д. Рудинского; под ред. А.И.Ледовского.-М.:Горячая линия -Телеком, 2006.
2)Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. М.: Издательский дом "Вильямс", 2003
3) Шахнович И.В. Современные технологии беспроводной связи. Изд. 2-е, испр. и доп. М: Техносфера, 2006
4)
Основы построения беспроводных сетей стандарта 802.11: методические указания к лабораторной работе / Рязан. гос. радиотехн. ун-т; сост.: А.В. Бакке. -Рязань, 2008
5) Маковеева М.М., Шинаков Ю.С. Системы связи с подвижными объектами. Учебное пособие для вузов. М: Радио и связ, 2002
6)Лекции по курсу ОТССПО
7) Электронный ресурс
http://rfcmd.ru/sphider/docs/GKRCh/GKRCh_28_11_2005.htm
8) Электронный ресурс http://lgp.kz/pages/ofdm.php