1.8.Разработка физического уровня системы.
1.8.1.Расчет полной пропускной способности физического КС соединения «терминал-БС».
Зададимся пропускной способностью физического канала, равной 32 кбит/с.
1.8.2.Анализ и обоснованный выбор мер по защите физического уровня от многолучевости.
При распространении радиоволн всегда крайне важной проблемой является проблема многолучевого распространения. Многолучевое распространение подразумевает приход нескольких лучей с разными фазами и амплитудами в приемное устройство. Из-за этого могут возникать быстрые и медленные замирания. Ввиду специфики разрабатываемой системы, ей будут больше присущи медленные замирания. Для эффективной борьбы с ними будет использоваться помехоустойчивое кодирование совместно с перемежением. Перемежение позволит избежать пакетов ошибок, а блочный кодер исправит все обнаруженные однобитовые ошибки. Для борьбы с межсимвольной интерференцией каждый приемник будет оснащен эквалайзером. Идея такого рода борьбы сводится к измерению текущей ЧХ канала и ее соответствующей коррекции [1]. Фактически, эквалайзер (рис.1) представляет собой адаптивный фильтр, настраиваемый таким образом, чтобы компенсировать амплитудно-частотную характеристику канала. Для настройки эквалайзера в пакете физического уровня (п.1.4.1) предусмотрена передача специальной настроечной последовательности.
Рис.1. Структурная схема эквалайзера.
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.
Приведем выдержку из Решения ГКРЧ «О выделении полос радиочастот в диапазоне 450 МГц для радиоэлектронных средств фиксированной и сухопутной подвижной радиосвязи гражданского назначения» [2]:
Государственная комиссия по радиочастотам решает:
1.Выделить гражданам Российской Федерации и российским юридическим лицам полосы радиочастот 403-410 МГц, 417-422 МГц и 433-447 МГц для разработки, производства и модернизации радиоэлектронных средств фиксированной и подвижной радиосвязи гражданского назначения (без оформления отдельных решений ГКРЧ для каждого конкретного типа РЭС) при условии, что основные технические характеристики разрабатываемых, производимых и модернизируемых РЭС соответствуют основным техническим характеристикам, указанным в приложении к настоящему решению ГКРЧ.
2.Выделить гражданам Российской Федерации и российским юридическим лицам полосы радиочастот 403-410 МГц, 417-422 МГц и 433-447 МГц для применения на территории Российской Федерации РЭС фиксированной и подвижной радиосвязи гражданского назначения.
3.Использование выделенных настоящим решением ГКРЧ полос радиочастот для применения РЭС фиксированной и подвижной радиосвязи гражданского назначения должно осуществляться без оформления отдельных решений ГКРЧ для каждого конкретного пользователя РЭС при выполнении следующих условий:
–соответствия технических характеристик используемых РЭС основным техническим характеристикам, указанным в приложении к настоящему решению;
–применения РЭС, использующих полосы радиочастот 403-410 МГц и 417-422 МГц, только за пределами зоны радиусом 350 км от центра г. Москвы;
–при применении РЭС должны быть исключены излучения от передатчиков этих РЭС в полосе частот 406-406,1 МГц;
–при эксплуатации РЭС должна быть обеспечена защита от помех средств радиоастрономической службы в полосе частот 406,1-410 МГц;
–получения в установленном порядке разрешения Федерального агентства связи на использование радиочастот или радиочастотных каналов на основании заключения экспертизы радиочастотной службы о возможности использования заявляемых РЭС;
–регистрации указанных РЭС установленным в Российской Федерации порядком.
4.Ввоз из-за границы на территорию Российской Федерации конкретных типов РЭС должен осуществляться в установленном порядке.
5.Срок действия настоящего решения ГКРЧ до 01.12.2016.
Исходя из этого, выберем для разрабатываемой системы частотный диапазон 417-422 МГц. Несущая частота передаваемых сигналов будет 420 МГц.
В разрабатываемой системе предусмотрено 2 профиля функционирования на физическом уровне, которые предполагают два вида модуляции. Для канала плохого качества выберем модуляцию BPSK (PSK-2), как обладающую наилучшей помехоустойчивостью из всех видов фазовой модуляции, хотя и наименьшей скоростью передачи, так как один символ несет информацию об одном бите [1]. Для канала хорошего качества (профиль работы по умолчанию) выберем модуляцию PSK-16. Она обладает в 4 раза больше скоростью передачи данных, но меньшей помехоустойчивостью. Возможно и дальнейшее повышение скорости передачи с увеличением индекса модуляции M. Но требуемое ОСШ с дальнейшим увеличением M становится чересчур большим, поэтому фазовая манипуляция с M> 16 редко используется [5]. Да и к тому же в данной системе связи слишком большая скорость не требуется.
Далее необходимо произвести расчет отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки для выбранного вида модуляции. Выполним это в среде MATLAB 7.9 с помощью встроенного инструмента BERTool. Получаем графики для BPSK(синий, exact0) и PSK-16 (зеленый, exact1) (рис.2):
Рис.2. Зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ.
В соответствии с ТЗ, вероятность ошибки на бит .Таким образом, получаем требуемое ОСШ для BPSK 9,125 дБ, а для PSK-16 – 16,95 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.
Обязательным для современной системы связи является применение помехоустойчивого кодирования. По способу работы с данными коды, исправляющие ошибки, делятся на блоковые, делящие информацию на фрагменты постоянной длины и обрабатывающие каждый из них в отдельности, и сверточные, работающие с данными, как с непрерывным потоком [6]. Сверточное кодирование достаточно простое в реализации, но декодирование сверточного кода, выполняемое, как правило, по алгоритму Витерби, – сложная операция. Поэтому воспользуемся блочным кодом, который эффективно справится с проблемой исправления ошибок. Линейные блочные коды могут быть общего вида или циклическими. Циклический код обладает более простым декодированием, поэтому выберем для нашей системы его, а именно код БЧХ. Коды Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ) являются подклассом циклических кодов [7]. Их отличительное свойство — возможность построения кода БЧХ с минимальным расстоянием не меньше заданного. Это важно, потому что, вообще говоря, определение минимального расстояния кода есть очень сложная задача. Код обозначается в общем виде (n, k), где k – размер информационной части кодового слова, n – общее число бит после кодирования (вместе с избыточными битами). Размерность информационной части кодового слова должна выбираться исходя из размера кодируемого поля данных пакета физического уровня, а это есть пакет канального уровня. Самый большой пакет канального уровня, пакет данных, имеет размерность 47 бит. Выберем два кода для двух разных профилей функционирования физического уровня системы. Для этого воспользуемся командой bchnumerr(N) среды MATLAB 7.9, где N – общее число бит после кодирования. Учтем при этом, что k должно быть не меньше 47 бит. Получаем два варианта кода: для хорошего канала (по умолчанию) код (63, 57) с небольшим числом избыточных бит и способностью исправить 1 ошибку; для плохого канала код (63, 51) с немного большим количеством избыточных бит, имеющий способность исправить 2 ошибки. Более мощного кодирования не потребуется, так как высокое качество передачи для плохого канала обеспечится модуляцией BPSK, да и размер информационного поля не такой большой. При неудачной попытке передачи не составит никаких проблем произвести повторную передачу сообщения.
Произведем оценку эффективности кодирования с помощью того же инструмента BERTool. Получаем графики: BPSK без кодирования (синий, exact0), BPSK с кодированием (63, 51) (зеленый, upperBound1), PSK-16 без кодирования (красный, exact3), PSK-16 с кодированием (63, 57) (голубой, upperBound4) (рис.3):
Рис.3. Зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ без и с помехоустойчивым кодированием.
При использовании кодирования для BPSK требуемое ОСШ составило 4,704 дБ. Энергетический выигрыш 9,125 – 4,704 = 4,421 дБ. Для PSK-16 совместно с кодированием получаем ОСШ 13 дБ. Выигрыш в этом случае 16,95 – 13 = 3,95 дБ. Видим, что использование двух разных видов модуляции с двумя различными помехоустойчивыми кодами, использующимися в зависимости от текущего качества канала связи, дает нам выигрыш и в достоверности принимаемых данных, и в требуемом ОСШ. Соответственно, в данной системе необходимо наличие двух профилей функционирования физического уровня, предложенное в п.1.4.1.
Для борьбы с возникновением пакетов ошибок вследствие замираний служит процедура перемежения. На передающей стороне осуществляется перестановка бит по определенному закону. На приемной стороне выполняется деперемежение, т.е. обратная перестановка. В данной системе будет использоваться блочное перемежение. Его суть была описана в п.1.4.1. Пакет ошибок будет преобразован в группу из M одиночных ошибок, которые легко устранятся используемым блочным кодом.
1.8.5.Оценка уровня мощности излучения передающего устройства, сравнение с заданным значением ; сделать выводы, при необходимости вернуться к п.1.8.3, 1.8.4. Расчет чувствительности приемников АС (БС).
Сначала произведем расчет для модуляции BPSK. Порядок расчета [8]:
Далее повторим расчет для модуляции PSK-16:
1.8.6.Пояснение структурной схемы физического уровня системы.
Структурная схема физического уровня системы была представлена в п.1.4.1. Преобразуем схему в соответствии с проведенным расчетом физического уровня (рис.4):
Рис.4. Структурная схема физического уровня.
Передающая и приемная части имеют сходную структуру. С канального уровня на физический поступает пакет канального уровня (один из шести типов), представляющий собой набор битов. Далее производится помехоустойчивое кодирование в соответствии с требуемым профилем функционирования. При этом блок битов пакета MAC-уровня дополняется нулевыми битами для достижения размерности информационной части кодового слова (51 или 57). После этого производится блоковое перемежение – перестановка битов по определенному правилу. Далее формируется пакет физического уровня: к закодированным данным добавляется поле подстроки частоты (FCCH), поле синхронизации (SCH), настроечная последовательность для эквалайзера и флаг окончания пакета. Теперь, уже над пакетом физического уровня, производится процедура модуляции, определяемой профилем функционирования. После этого происходит передача сформированного радиосигнала в физический канал. На приеме сначала происходят операции подстройки частоты гетеродина, синхронизации и подстройки эквалайзера с помощью соответствующих полей пакета физического уровня. Далее производится демодуляция сигнала, после которой происходит выделение поля Data, т.е. пакета MAC-уровня, для его дальнейшей обработки. После этого выполняется деперемежение – обратная перестановка битов по тому же известному закону. На выходе блочного декодера мы получаем уже готовый пакет MAC-уровня в виде набора битов. На канальном уровне в результате обработки пакета MAC определяется требуемый профиль функционирования физического уровня. Команда об этом подается на блок выбора профиля работы, который и управляет выбором вида кодирования и модуляции.
1.8.7.Обоснование видов и назначения логических каналов связи, используемых на физическом уровне.
На физическом уровне будут использоваться следующие логические каналы:
1.FCCH – канал коррекции частоты, он необходим дляподстройки несущей частоты,  так как из-за движения или из-за разницы в работе генераторов частоты могут не совпадать.
2.SCH– канал синхронизации, служит для передачи меток синхронизации, таймерного сигнала, по которым будет происходить тактовая и кадровая синхронизация и настройка ФАПЧ приемников.
3.Канал настроечной последовательности, выполняет передачу известной на приемной и передающей стороне последовательности для настройки эквалайзера.
1.8.8.Определение типов пакетов физического уровня, обоснование структуры полей пакетов каждого типа, оценка размеров полей, длительности пакета.
В разрабатываемой системе используется один тип пакета на физическом уровне. Его структура и ее обоснование были описаны в п.1.4.1. Теперь же оценим размерности полей и длительность пакета (рис.5).
Рис.5. Структура пакета физического уровня.
Размеры полей: FCCH 16 бит, SCH 32 бита, настроечная последовательность эквалайзера 11 бит, поле Data 63 бита (закодированный пакет MAC-уровня), флаг окончания пакета 4 бита. В итоге получаем размер пакета физического уровня 126 бит. Таким образом, исходя из пропускной способности физического канала 32 кбит/с, получаем длительность одного пакета 3937,5 мкс, т.е. около 4 мс.
Теперь произведем расчет пропускной способности ЛКС MAC-уровня, предусмотренный п.1.7.4, с учетом избыточности сообщений канального уровня. Учтем, что, несмотря на разницу в размерах пакетов трех ЛКС канального уровня, все они дополняются нулевыми битами до размера 51 или 57 бит. Далее они кодируются с получением 63 бит данных для любого пакета. Значит, с учетом избыточности сообщений канального уровня пропускная способность всех ЛКС будет одинаковой. Поле Data составляет половину от всего пакета физического уровня. Получаем пропускную способность каналов BCCH, TCH и SiCH 16 кбит/с.
Использованная литература:
1.Лекции по дисциплине «Основы теории систем связи с подвижными объектами».
2.http://www.rfcmd.ru/sphider/docs/GKRCh/GKRCh_06-18-04-001_ot_11_12_2006.htm
3.Весоловский К. Системы подвижной радиосвязи/Пер. с польск. И.Д. Рудинского; под ред. А.И. Ледовского. – М.: Горячая линия-Телеком, 2006. – 536 с.
4.Слайды по дисциплине «Системы и сети связи с подвижными объектами».
5.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.
6.http://ru.wikipedia.org/wiki/Обнаружение_и_исправление_ошибок
7. wiki о кодах БЧХ
8.Курсовая работа по дисциплине «Основы теории систем связи с подвижными объектами».