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 из
параметров.
Передача
данный между терминалами в разрабатываемой сети происходит через АР. Переданные
данные с терминала записываются в буфер информационной системы АР. После этого с
АР передаются на соответствующий терминал. Для осуществления маршрутизации при
входе в сеть каждому терминалу присваивается временный идентификатор. То есть,
для правильной адресации, нам необходимы только идентификаторы оборудования.
Это возможно, поскольку в сети используются только простые соединения.
АР так же имеет свой
идентификатор. Он рассылает широковещательно. Терминалы сохраняют данную информацию.
Необходимость в этом существует, так как возможна передача в используемом
диапазоне с «чужих» станций (АР). При приеме данных терминал сравнивает
имеющийся в свое «памяти» идентификатор АР с
выделенным из сообщения. Если
терминал, сравнив, получил положительный результат, происходит последующие
операции с сообщением. В ситуации отрицательного результата – сообщение считает
невостребованным и игнорируется. В составе передаваемых данных фиксируется
идентификатор передающего терминала для правильной работы системы.
Терминалы, борясь за выделение им канала связи, участвуют в
конкурентной борьбе. Для этого используется метод CSMA/CA. Суть его заключается в следующем. Для получения канала в свое
распоряжение терминал передает запрос на передачу. Канал предоставляется
терминалу, запрос которого пришел первым .Он сообщает время, которое ему
необходимо на передачу. В это время другие терминалы и АР не имеют право начать
передачу. Т.е. в это время терминалы переходят в пассивный режим.
Пока терминал не получил ответ от АР, он не знает передались ли
данные. В случае отсутствие ответ принимается решение о том, что произошла
коллизия или данные не были приняты. Терминал выжидает некоторое время и
пытается завладеть каналов для повторной передачи.
Запрос на передачу содержит идентификаторы передающего и принимающего
терминалов и время, которое необходимо
для передачи.
Ответ на запрос содержит в себе время передачи и идентификатор терминала, который будет
осуществлять передачу.
1.7.2.
Обоснование необходимости управление потоком сообщений. Оценка возможности
примененияARQ(AutomaticRepeat-reQuests
).
Разработка и пояснение способа адаптивного изменения скорости передачи
данных.
Необходимости в управлении потоком
сообщений нет. Поскольку терминал
получает весь общими канал связи на определенное время, остальные - ожидают
окончания передачи.
Применение
ARQнеобходимо. В разрабатываемой сети приемная сторона
формирует подтверждение получения. Т.е. после окончания передачи
приемная сторона сообщает передающей о том, прошла ли успешна передача. Если
передача прошла успешна и не нужна повторная передача передающая сторона
получает положительное подтверждение - ACK. В обратном случае - приходит
отрицательное подтверждение – NAK.
Это свидетельствует о том, что необходима повторная передача.
Адаптивное изменение скорости предусматривать не нужно.
1.7.3.
Обеспечение (оценка) достоверности принимаемых сообщений.
Достоверность передаваемых сообщений обеспечивается
с помощью помехоустойчивого кодирования, которое незначительно освещено во
второй статье. Так же используется контрольная сумма CRC.Алгоритм CRC
базируется на свойствах деления с остатком двоичных многочленов. Значение CRC
является по сути остатком от деления многочлена, соответствующего входным
данным, на некий фиксированный порождающий многочлен (полином). Циклический
избыточный код применяется для проверки целостности передачи данных. Прост в
реализации, при этом обеспечивает низкую вероятность возникновения коллизии,
когда разные данные имеют одну и ту же контрольную сумму. Для вычисления
используются побитовый сдвиг и исключающее ИЛИ.
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:
·BCCH -широковещательный канал для
передачи служебной информации от АР всем
терминалам сети(вниз);
·TCH - канал трафика
обмен данными между терминалами(вниз/вверх);
·SCH- канал
сигнализации. Установление и поддержание синхронизации(на физическом), а
так же нем
передается подтверждение передачи. (ACK/NAK)(вниз/вверх);
·RACH-канал случайного доступа. По
данному каналу терминал передает запрос на регистрацию в сети. А также передает
запрос на выделение общего канала для передачи сообщений абонента(вверх).
Пропусканая способность каналов равна:
BCC
Н: (14 бит/812бит)*5 Мбит/с=0,08 Мбит/с ;
SC
Н: (20бит/812бит)*5 Мбит/с=0,12 Мбит/с;
TCH
: (522бит/812бит)*5 Мбит/с=3,21 Мбит/с;
RACH
: (26бит/812бит)*5Мбит/с=0,15 Мбит/с.
1) Пакет сигнала
опроса на данном уровне будет включать в себя поля:
- флаг(Fl): 3 бита-защитный интервал;
- ID АР:
4 бита -идентификатор точки доступа ;
- поле
управления: 4 бита - определяет тип пакета;
- поле
контрольной суммы: 3 бита -обеспечивает достоверность принимаемых данных;
Итого-14
бит
2) Пакет
сигнала подтверждения/ошибки включает в себя следующие поля:
-флаг(Fl): 3 бита-защитный интервал;
-ID терминала: 6 бит(26=64
терминала)- идентификатор терминала, участвующий в передаче;
-ID АР: 4 бита-идентификатор точки доступа;
-поле
управления: 4 бита- определяет тип пакета;
-поле
контрольной суммы: 3 бита-обеспечивает достоверность принимаемых данных;
Итого-20
бит
3) Пакет
данных будет включать в себя следующие поля:
-флаг(Fl): 3 бита-защитный интервал;
-ID терминала: 6 бит(26=64
терминала)-идентификатор терминала, участвующий в передаче;
-ID AP: 4 бита-идентификатор точки доступа;
-поле
управления: 4 бита-определяет тип пакета;
-данные:512
бит-пользовательская информация;
-поле
контрольной суммы: 3 бита-обеспечивает достоверность принимаемых данных;
Итого-
522 бита
4)
Пакет регистрации включает в себя
следующие поля:
-флаг(Fl): 3 бита-защитный интервал;
-ID терминала: 6 бит(26=64
терминала)-идентификатор терминала;
-ID АР: 4 бита -идентификатор точки доступа;
-поле
управления: 4 бита-определяет тип пакета ;
-код
доступа/ответ: 6 бит- содержит код, который предоставляется каждому терминалу. В случае ответа-содержит подтверждение или отказ в регистрации;
-поле
контрольной суммы: 3 бита- обеспечивает достоверность принимаемых данных;
Итого:26 бит.
1.7.5. Пояснение
организации доступа к физическому каналу. Управление профилями физического
уровня.
Физический канал предоставляется в соответствии с методом CSMA/CA.Терминал выигравший конкурентная борьбу сообщает время, которое ему
необходимо на передачу. Терминалы не участвующие в передаче переходят в
пассивный режим. После передачи приемная сторона формирует сообщение о состоянии
сообщения(принят или нет).
В разрабатываемой сети
будет использоваться только один профиль физического уровня. Т.к. будет использована модуляция обеспечивающая достаточно высокие скорости и кодирование, имеющее высокие показатели помехоустойчивости. В случае ухудшения условий приема выигрыш, которой будет обеспечивать кодирование, обеспечить возможность нормального функционирования системы без каких-либо(например,повышение мощности).
1.7.6. Пояснение структуры сообщения
(пакета) канального уровня: описание предполагаемых видов пакетов и необходимых
полей.
Далее опишем структуры пакетов канального уровня.
Пакет опроса:
·Рисунок 1. Пакет опроса.
Флаг(3 бита) выполняет
функцию защитного интервала.
IDAP(4 бита)-идентификатор точки доступа. Он необходим для
идентификации терминалами.
Поле управления(4
бита)определяет типа передаваемого пакета.
CRC(3 бита)-контрольная сумма. Обеспечивает
достоверность принимаемых данных.
Пакет подтверждения/ошибки :
Рисунок 2. Структура пакета подтверждения/ошибки.
Флаг(3 бита) выполняет
функцию защитного интервала.
ID терминала(6 бит) – идентификатор терминала, который
передавал информацию и ожидает ответ подтверждения.
IDAP(4 бита)-идентификатор точки доступа. Он необходим для
идентификации терминалами.
Поле управления(4
бита)определяет типа передаваемого пакета.
CRC(3 бита)-контрольная сумма.
Пакет данных:
Рисунок 3.Структура пакета данных.
Флаг(3 бита) выполняет функцию защитного
интервала.
ID терминала(6 бит) – идентификатор терминала, который
передавал информацию и ожидает ответ подтверждения.
ID AP(4 бита)-идентификатор точки доступа. Он необходим для
идентификации терминалами.
Поле управления(4 бита)определяет типа
передаваемого пакета.
Данные(512 бит) содержат пользовательскую
информацию.
CRC(3 бита)-контрольная сумма.
Пакет на запроса регистрации:
Рисунок
4.Структура пакета на запроса регистрации.
.
Флаг(3 бита) выполняет
функцию защитного интервала.
ID терминала(6 бит) – идентификатор терминала, который
передавал информацию и ожидает ответ подтверждения.
IDAP(4 бита)-идентификатор точки доступа. Он необходим для
идентификации терминалами.
Поле управления(4
бита)определяет типа передаваемого пакета.
Код доступа(6 бит)
предоставляется каждому пользователю. Если пришедший код совпадает с тем, что
хранится в ИС АР, то доступ данному терминалу предоставляется. В противном
случае – отказ.
CRC(3 бита)-контрольная сумма.
Пакет ответа на запроса
регистрации:
Рисунок 5.Структура пакета ответа на запроса регистрации.
Флаг(3 бита) выполняет
функцию защитного интервала.
ID терминала(6 бит) – идентификатор терминала, который
передавал информацию и ожидает ответ подтверждения.
IDAP(4 бита)-идентификатор точки доступа. Он необходим для
идентификации терминалами.
Поле управления(4
бита)определяет типа передаваемого пакета.
Ответ(6 бит) содержит
ответ на регистрацию. Если код доступа совпал, то терминал регистрируется в
сети. Если нет, то ответ содержит отказ в регистрации.
CRC(3 бита)-контрольная сумма.
1.7.7. Описание типовых схем обмена сообщениями между объектами
канального уровня.
Полноформатный рисунок-
Рисунок 6. Обмен данными между Т и ТД на канальном уровне.
По широковещательному
каналу BCCH ТД транслирует информацию о себе. В то время, как терминал производит
поиск сети. По каналу RACHотправляет код доступа.
Код сопоставляется с тем, что хранится в ИС АР и в соответствии с этим
формируется разрешение/отказ регистрации.
Сформированное решение отправляется так же по каналу RACН. Перед передачей
терминал отправляет запрос на передачу по TCН. Если терминал первым
передал этот запрос, то он получает канал в свое распоряжение. Широковещательно
ТД сообщает о том какой терминал будет осуществлять передачу и то, сколько он
будет занимать канал. После осуществляется передача. Для того, что терминал знал
нужна ли повторная передача ТД передает сообщение о состоянии переданной
информации.
1.8. Разработка физического уровня
системы.
1.8.1. Расчет полной пропускной способности физического канала связи
соединения «терминал – БС».
Если принять пропускную
способность физического канала за 100%, то на канал передачи данных будет
приходиться 90 %, остальная пропускная способность будет использоваться
служебными каналами, которые обеспечивают функционирование сети. Поскольку TCH имеет пропускную способность 5 Мбит/с, что составляет
90 % от всего физического канала, то без учета помехоустойчивого кодирования
общая пропускная способность системы будет равна 5,5 Мбит/с.
Поскольку кодирование выбрано со скорость ½ это означает, что каждому входному
биту после кодирования будет соответствовать 2 бита на выходе кодера. Согласно вышеизложенному гарантируемая скорость
передачи данных в обоих направлениях должна составлять 5,5 Мбит/с. Применяя сверточное
кодирование, необходимо обеспечивать пропускную способность уже 11 Мбит/с, это
необходимо, что бы обеспечивать требуемую информационную скорость.
1.8.2.
Анализ и обоснованный выбор мер по защите физического уровня от многолучевости.
В
разрабатываемой системе с многолучевостью будем бороться применением
эквалайзера на приемной стороне. Это устройство компенсирует искажения затухания и групповой задержки. Он искажает сигнал таким образом, чтобы скомпенсировать искажения, вносимые линией передачи, и в результате сложения искажений, вносимых эквалайзером и линией, общая характеристика системы становится достаточно линейной по частоте.
Для функционирования эквалайзера будет использоваться настроечная
последовательность. Данная последовательность будет передаваться в пакетах
физического уровня. На приемной стороне эта последовательность известна.
1.8
.3.Энергетический расчет системы: обоснованный выбор частотного
диапазона (на основе документов ГКРЧ); оценка уровня потерь при
распространении радиоволн выбранного диапазона; обоснование выбора метода
модуляции; расчет отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения заданной
вероятности битовой ошибки для выбранного и типа модуляции/демодуляции.
Разрабатываемая
сеть основана стандарте IEEE
802.11а. В соответствии с сертификацией предусмотрено использование частотного
диапазона 2,4 ГГц и 5 ГГц. В связи с тем, что диапазон 2,4 ГГц не лицензируем и
получить разрешение намного проще. По этому остановимся на этом диапазоне.
Несущая
частота- 2,4 ГГц.
Потери рассчитаем в соответствие с модель расчет, которая определяет потери в помещении(ITU-R 1238). Т.е. когда базовая и абонентская станции находятся внутри здания.
Затухание вычисляется по
следующей формуле:
Выберем модуляцию QAM-16.
Данный тип
модуляции подразумевает, что информация кодируется не только за счёт изменения
фазы сигнала, но и за счёт его амплитуды. Минусом метода является более низкая
помехоустойчивость, чем, например, у QPSK. Но несомненым плюс является более
высокая скорость.
Δf=R/log2 (16)=1250000 Гц- минимальная полоса
пропускания;
Пш=Δf*1.1= 1 375 000Гц – шумовая полоса
приёмника;
Nk=10 дБ –коэффициент шума каскадов приемника;
T= 296 К –шумовая температура;
Рисунок 7. Зависимости
вероятности битовой ошибки от Eb/N0 для QAM-16.
Для обеспечения заданной
вероятности на бит(10-7) необходимо иметь отношение сигнал/шум на
выходе не менее 15,16 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 физического уровня.
Помехоустойчивое кодирование будет реализовано с
помощью свердочного кода со скоростью ½. При использовании кодированию мы
получим выигрыш в ОСШ, но при этом кодер внесет избыточность.
Рисунок 8. Зависимости вероятности битовой
ошибки от Eb/N0 для QAM-16 с кодированием(зеленая линия) и без кодирования(синяя линия).
С применением сверточного кодирования
имеем выигрыш 3,81 дБ.
Кодер великолепно
справляется с одиночными ошибками. Из-за многоучевости могут возникнуть
пакетные ошибки. Для исправления этой ситуации применяется в сети процедура перемежения.
. Она состоит в
перестановке символов кодированной последовательности до ее модуляции и
восстановлении исходной последовательности после демодуляции. Перестановка
позволяет так разнести рядом стоящие символы, чтобы они оказались разделены
группой других символов, передаваемых в том же блоке данных. Данная операция не
вносит избыточности, а только изменяет порядок следования символов или бит.
Однако чем больше глубина перемежения (т.е. максимальное расстояние, на которое
разносятся соседние символы входной последовательности), тем больше задержка. Интервалы
перемежения выбираются в зависимости от глубины перемежения, а численно равным
нескольким миллисекундам
1.8.5. Оценка уровня мощности излучения передающего устройства,
сравнение с заданным значениеP
излАС; сделать выводы, при
необходимости вернуться к п.1.8.3, 1.8.4. Расчет чувствительности приемников
АС(БС).
Чувствительность приемника:
Pпм дБ = Pш дБ + Nk + C/N, где
Nk=10 дБ – мощность шума первых каскадов.
C/N = Eb/N0+10*log(R / Пш) = 11,35 + 5,607
= 16,957 дБ
Pпм дБ = -152,51 +10+16,957= -125,553 дБ
Переведем полученное значение в Вт:
Pпм = 10( Pпм дБ/10)=10-12,55=2,818*10-13Вт
Мощность передатчика:
Pпд дБ = Pпм+L-GT-GR, где
GT = 1 дБ-коэффициент усиления передающей антенны,
GR = 1 дБ-коэффициент усиления приемной
антенны,
L=107, дБ-затухание в радиоканале
Pпд дБ = -125,553+107,9-1-1= -19,653 дБ
Переведем полученное значение в Вт:
Pпд = 10( Pпд дБ/10)=10-1,9=0,013 Вт.
1.8.6. Пояснение структурной схемы физического уровня
системы.
Рисунок 9. Структурная схема физического уровня системы.
Буферы до и после сверточного
кодера предназначены для накопления блоков данных соответствующего размера для
обеспечения работы кодера и перемежителя. В перемежителе происходит разнесение
соседних бит информационной последовательности. После перемежителя данные
поступают на формирователь пакетов, который по командам блока управления
формирует соответствующие типы пакетов. С формирователя пакетов данные
поступают на модулятор(осуществляется перенос на несущую частоту), а затем на РМ(радиомодуль)-требуемое
усиление.На приемной стороне принимаемый сигнал поступает на РМ . Он работает в
радиочастотном диапазоне и усиливает радиосигнал до требуемого уровня. Ширина
полосы зависит от выбранного типа модуляции и используемого метода
многостанционного доступа. После этого сигнал поступает на демодулятор, в
котором осуществляется перенос на промежуточную частоту. В состав приемника
входит блок ФАПЧ(таким способом реализуется битовая синхронизация), также необходима
тактовая синхронизация. Тактовая синхронизации будет осуществляться путем
извлечения таймерного сигнала из принимаемой информации непосредственно в
демодуляторе. После РМ включен эквалайзер, выравнивающий частотную
характеристику канала связи. Затем происходит демодуляция сигнала, данные с
которого поступают на блок разборки пакетов, на выходе которого поток битов.
Далее осуществляются обратные операции: деперемежение и декодирование. Принятые
данные проходят на дальнейшую обработку.
Прослушивание канала на физическом уровне осуществляется путем сравнения мощности с пороговым значением. Измеряется уровень мощности в канале связи. В случае, если измеренное значение меньше порогового,принимается решение о незанятости КС. Если измеренное значение больше порогового, то канал считается занятым.
1.8.7.
Обоснование видов и назначения логических каналов связи, используемых на
физическом уровне.
··FCCH -канал подстройки частоты. Необходим для
передачи данных, необходимых для реализации битовой синхронизации.
·SCH- канал
сигнализации. Установление и поддержание синхронизации.
·Для правильной работы эквалайзера
необходимо передавать настроечную последовательность. Необходим канал для этого .
1.8.8. Определение типов пакетов физического уровня, обоснование
структуры полей пакетов каждого типа, оценка размеров полей, длительность
пакета.
Пакет физического уровня выглядит следующим образом:
Рисунок
10. Пакет физического уровня.
FCCH(8 бит) содержит данные необходимые
для битовой синхронизации.
Поле синхронизация(8 бит) содержит в себе
данные необходимы для установления и поддержания кадровой и временной
синхронизаций.
Поле настроечная последовательность(10 бит)
содержит параметры для эквалайзера.
Данные(522 бит). Максимальный размер- 522
бит(в случае передачи данных).
Избыточность(261 бит) необходима для
выявления ошибок на приемной стороне.
Флаг(3 бит) выполняет функцию защитного
интервала.
Максимальный размер пакета физического
уровня:812 бит.
Список литературы:
1.Скляр
Б. «Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение». - М.:
Вильямс, 2003 г.
2.Лекции по курсу ССПО
3. http://ru.wikipedia.org/wiki/ Контрольная_сумма
4.Весоловский К. Системы подвижной радиосвязи/Пер. с польск.
И.Д. Рудинского; под ред. А.И.Ледовского.-М.:Горячая линия -Телеком, 2006.-530с.
5.Методические указания к лабораторной работе: «Изучение сигналов физического уровня
PLCP стандарта 802.11a (УП)»;
6.Лекции по курсу ОТССПО.
.
