1.7 Построение канального уровня системы.
.
        1.7.1Определение способов адресной доставки сообщений канального уровня.Обоснование способа назначения идентификаторов сетевым устройствам системы и определение их параметров.
         Для однозначного определения терминала в сети используется индивидуальный номер мобильной станции, номер базовой станции, обслуживающей в данный момент терминал. На сервере периодически происходит обновление записи в памяти этих денных и в случаи необходимости выполняет роль коммутатора. 
                    Мобильная станция —> Базовая станция —> Сервер.
              Адресация канального уровня, требуется в том случае когда сообщение могут получить сразу несколько получателей. В нашем случае МС могут передавать только в строго отведенные для них временные слоты.
              БС в свою очередь отправляют на разных частотах на сервер информацию о находящихся в их зоне обслуживания МС, что также исключает коллизию. Для точного определения адресата необходимы следующие идентификаторы сети:
              1)Заводской идентификатор МС — определяет аппаратные возможности МС при регистрации.
              2)Абонентский идентификатор — используется для уникальной идентификации каждого абонента внутри сети.
              3)Идентификатор базовой станции — определяет аппаратные возможности БС и уникальный идентификационный номер БС.
              4)Идентификатор сети — включает в себя код мобильной сети под которую прошит аппарат абонента.
              Используется для уникальной идентификации каждого абонента внутри сети.
              1.7.2 Обоснование необходимости управления потоком сообщенийОценка возможности применения ARQ (Automatic Repeat-reQuest). Разработка и пояснение способа адаптивного изменения скорости передачи данных.
              Задача алгоритмов ARQ - повтор передачи пакета, если тот был принят с ошибкой. Но у нас вещание в режиме реального времени поэтому в этом случае ARQ не используется. Воспользуемся прямой коррекцией ошибок, которой можно добиться исправления части ошибок на приемной стороне. Если же этого будет недостаточно, то можно увеличить степень сжатия речевого сообщения и добавить болшьше избыточности ценой ухудшения качества звука на приемной стороне. В каждом пакете трафика содержится информация о степени сжатия сообщения и количестве избыточных битов. В случае когда количество ошибок станет больше чем декодер может исправить, по каналу управления будет отправлено уведомление для передающей МС о том, чтобы она использовала более эффективный код.
              1.7.3 Обеспечение  (оценкадостоверности принимаемых сообщений
              Оценкой достоверности в системе связи служит коэффициент ошибок. Согласно рекомендации МККТТ[1] допустимой нормой для ТЛФ связи является не более трех ошибок на 100000 переданных символов. Обеспечение достоверности осуществляется комплексом мер. Пользовательские данные передаются по каналам трафика. Поэтому в целях обеспечения безопасноти сообщения канала трафика необходимо закодировать. Кроме того к закодированным данным добавляется контрольная сумма.
              Информация по широковещательному каналу передается с максимально возможной мощностью. Эта информация является общедоступной, поэтому применять кодирование системных сообщений и широковещательных сообщений  нет смысла. В сообщениях данного типа применяется CRC.
              1.7.4 Обоснование логических каналов связи (ЛКС), используемых на канальном уровнеПояснение основных видов сообщенийпередаваемых по каждому ЛКС.
              В данной системе будут использоваться 3 группы собщений:
        • Системные сообщения
        Сообщения содержащие информацию о заявках мобилльных станций, информацию о подтверждении или отказе заявок обработанных центром коммутации. 
        • Широковещательные сообщения
        Сообщения содержащие информацию о параметрах мультикадра, каналах управленя и трафика, а также информацию необходимую для синхронизации.
        • Пользовательские данные
        Сообщения содержащие закодированные пользовательские данные и адресацию. 
        Широковещательная информация передаётся по каналу BCCH. Системные сообщения передаются по каналам FCCH, SCH,ACH,ACCH. Пакеты пользовательских данных передаются по каналу TCH.
        Количество абонентов в сети: 35Требуемая вероятность отказа — 4%. То есть система должна поддерживать как минимум 33 каналов. Кодек G723.1[2]работает с минимальной скоростью 5.3 кбит/сек. 5.3*33=174.9 кбит/сек Также необходима дополнительная пропусканая способность для каналов управления.
        Зададимся пропускной способностью 512 Кбит/сек
        1. Канал BCCH.
          BCСH (Broadcast Channel) – Широковещательный общий транспортный канал в направлении DL. Используется для передачи широковещательной сигнальной информации для конкретной соты. Излучается на большой мощности, т.к МС не сможет зарегистрироваться в соте, если не декодирует этот канал.
          Пакет этого уровня состоит из следующих полей: 3 бита - идентификатор сети, , 4 бита параметров мулитькадра, 8 бит — информация о каналах управления и трафика, 4бита CRC, 2 бит защитного интервала.
          Итого: 21 бит 32 кбит/сек
        1. Канал FCCH.
          Канал синхронизации - для передачи информации о частотной синхронизации на МС.Направление:  DL
          Пакет этого уровня состоит из следующих полей:
          3бита — флаг, бита -информация о синхронизации частоты. 3 бита — CRC. 2 бита — защитный интервал.
          Итого: 12 бит 32 кбит/сек
        2. Канал SCH
          Канал синхронизации - для передачи информации о временной синхронизации на МС.Направление: DL
          Пакет этого уровня состоит из следующих полей:
          3бита — флаг, бита -информация о синхронизации времени. 3 бита — CRC. 2 бита — защитный интервал.
          Итого: 12 бит 32 кбит/сек
        3.  Канал ACHACH (Access Channel) - Канал доступа. Используется для передачи сигнализации от МС, например запрос на установлениесоединения или регистрацию МС в сети. И для опроса центром коммутации всех МС.Направление: UL  Пакет этого уровня состоит из следующих полей:3 бита — флаг, 8 бит — запрос,3 бита — CRC. 2 бита — защитный интервал. Итого: 16 бит 50 кбит/сек
        4. Канал ACCH Совмещенный канал управления, по которому от BTS передаются команды при переходе МС из соты в соту и для передачи от BTS команд установления мощности передатчика МС.Направление: DL. Пакет этого уровня состоит из следующих полей:3 бита — флаг, 6 бит — идентификатор МС, 6 бит - адрес соты, 5 бит — информация о требуемой мощности передатчика. 3 бита — CRC. 2 бита — защитный интервал. Итого: 22 бита 50 кбит/сек
        5. Канал TCH
          TCH (Traffic  Channel) – выделенный двунаправленный транспортный канал, переносит данные, предназначенные для данного МС, поступающие с уровней выше физического. Используется для передачи данных сервиса, например речи, так и для сигнализации высокого уровня, например команды на хэндовер. Направление:  DL/UL
            Флаг начала - 2 бита, Степень уплотнения речевого трафика 4 бита, Адрес отправителя и получателя 12 бит, 48 бит пользовательских данных, 12 бит CRC, 2 бит флаг конца. Итого: около 78 бит. Пропускная способность- 316 кбит/с, так как канал двунаправленный — то 158 кбит/сек UL, и 158 кбит/сек DL
              Рисунок 1. Полученные каналы Связи.
              1.7.5 Пояснение способа организации доступа к физическому каналуУправление профилями физического уровня.
                  Доступ к физическому каналу будет происходить по принципу «запрос–ответ».
                   На сервере собираются данные о состоянии МС,в результате поочерёдного опроса базовой станцией всех участников сети на наличие сформированного запроса. Если запроса нет, то МС отправляет в отведенное ей время пакет ACH с нулевым полем запроса.Если запрос есть то программа администрации на сервере  проверяет возможность выполнения запроса, и через некоторое время отправляет станции ответ. В зависимости от ответа станция либо получает доступ к каналу трафика, либо нет.
                  В данной системе только существует несколько профилей физического уровня. Это обусловлено необходимостью адаптации физического уровня к существующему каналу связи с целью получения необходимого Eb/N0.
                       1.7.6 Пояснение структуры сообщения (пакета) канального уровня: описание предполагаемых видов пакетов и необходимых полей.
                  Канальный уровень отвечает за организацию передачи данных между абонентами через физический уровень, поэтому на данном уровне предусмотрены средства адресации, позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем множестве абонентов, подключенных к общему физическому каналу. В п.1.7.4 был рассмотрен состав различных пакетов канального уровня, их размерности и назначения полей.
                  8 типов пакетов:
                  - пакет частотной синхронизации(FCCH);
                  - пакет временной синхронизации(SCH);
                  - пакет совмещенного канала управления (ACCH);
                  - пакет опроса (ACH);
                  - пакет ответа(ACH);
                  - пакет запроса регистрации (АCH);
                  - пакет служебной информации (BCCH);
                  - пакет данных (TCH);
                          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 2.
                  1)Как только МС находит широковещательный канал BCCH производится временная и частотная синхронизация.
                  2)МС отправляет заявку на регистрацию по каналу ACH.
                  3)По каналу ACH в обратном напрвлении передается подтверждение.
                  4)По каналу SACCH производится подстройка выходного уровня мощности на выходе передатчика МС.
                  5)МС отправляет заявку на обслуживание по каналу ACH.
                  6)Проверка свободного канального ресурса сети.
                  7)Сообщение содержащее подтверждение или отказ по каналу ACH
                  8)Передача пользовательских данных по каналу TCH
                1.8 Разработка физического уровня системы.
                  1.81. Расчет полной пропускной способности физического КС соединения«терминал-БС».
                  Расчет был произведен в п.1.7.4
                  1.8.2 Анализ и обоснованный выбор мер по защите физического уровня от многолучевости
                  Для борьбы с многолучевостью,  может использоваться выравнивание характеристик канала на приемной стороне.Использование методов, собирающих рассеянную энергию символа в ее исходный временной интервал позволит избавиться от проблем многолучевости. Поскольку в мобильных системах характеристика канала меняется со временем, выравнивающий фильтр должен изменяться или приспосабливаться к нестационарным характеристикам канала. Эквалайзер (устройство выравнивания) является обратным фильтром канала. Если канал является частотно-селективным, эквалайзер усиливает частотные компоненты с малыми амплитудами и ослабляет с большими. устройствами, которые предназначены не только для борьбы с искажениями; они также обеспечивают разнесение.
                  В данной системе адаптивный эквалайзер с обратной связью(рис 3) по решению.
                        Рисунок 3. Адаптивный эквалайзер с обратной связью.
                  На рис.3 выходы взвешенных отводов усиливаются, суммируются и подаются на устройство принятия решения. Весовые коэффициенты отводов должны выбираться так, чтобы вычитать эффекты интерференции из символов, соседствующих во времени с искомым символом.
                  Коэффициэнты эквалайзера выбираются исходя из информации полученной по каналам FCCH и SCH.
                  1.8.3 Энергетический расчет системы: обоснованный выбор частотного диапазона (на основании доку-
                  ментов ГКРЧ); оценка уровня потерь при распространении радиоволн выбранного диапазона; обос-
                  нование выбора вида модуляции; расчет отношения сигнал/шум,
                  Для данной системы целесообразно использовать любительский диапазон с целью уменьшения затрат на лицензирование.Решение ГКРЧ от 15 июля 2010 г. N 10-07-01 Для применения на территории Российской Федерации РЭС любительской службы физическими и юридическими лицами[3]
                        Выберем диапазон - 1260 - 1300 МГц,.
                  Для примера частоту 1280 МГц.
                  Рассчитаем затухание в канале связи. Для описания данной системы выберем модель Хата. Модель Хаты в виде математической записи основана на экспериментальных данных Окамуры и просто реализуется на ЭВМ.
                  Зададимся
                  где f - несущая частота (в мегагерц), hbs - высота антенны (в метрах) передатчика, hms -  высота антенны приемника (в метрах), d - расстояние (в километрах) между базовой станцией и подвижным пользователем.
                  Поправочный коэффициент для высоты антенны подвижного объекта, зависящий от типа местности:
                  a(hms) = 3.2[log(11.75hms)]2 – 4.97
                  и  K0= 3dB  для города с плотной застройкой.
                  Коэффициенты K1 и  K2 используются, чтобы учесть частотный диапазон.
                  K1= 69.55, K2= 26.16
                  Из приведенных выше формул получаем a = 2.491
                Занимаемые полосы частот должны занимать небольшой диапазон. Требуемая скорость передачи речевого трафика не высокая. Необходим помехоустойчивый вид модуляции. Выберем модуляцию DBPSK.
                Δf=R/2=42000 Гц- минимальная полоса пропускания
                Пш= Δf*1.1= 46200 Гц –шумовая полоса приёмника
                Следует учесть, что коэффициент шума в основном определяется коэффициентом шума первых каскадов. Зададимся коэффициэнтом шума Nk=10 дБ
                T= 296 К –шумовая температура
                Pш= k*T*Пш=1.38*10^-23 *296*46200 = -157.24 дБ – мощность шума
                Рисунок 4 Зависимость битовой ошибки Eb/N0 для DPSK и MSK.
                Для вероятности ошибки 2*10^-6 ОСШ = 10.94 дБ.
                На рисунке: зеленая спадающая линия — DBPSK
                Синяя — MSK. Как align= видно из графика у MSK более высокая помехоустойчивость.Для получения той же вероятности битовой ошибки необходимо на 0.5 дБ меньше.
                Модуляция DBPSK позволяет избавиться от необходимости когерентного приема. Некогерентный приём ускорит обработку сигнала МС, ценой требуемого значения ОСШ. Поэтому остановимся на DPSK.
                1.8.4. Обоснованный выбор метода помехоустойчивого кодирования,перемежениleftядеперемежения,
                оценка эффективности кодирования. Коррекция данных расчета п.1.8.3 и проверка на обеспечение
                исходных данных. Анализ необходимости наличия разных профилей настройки физ. Уровня.
                Размер пользовательских данных канального уровня составляет 48 бит. Будем использовать код Рида Соломона(48, 63). Такой декодер будет исправлять одиночные ошибки в q-ичных символах , когда же возникнут пакетные ошибки и некоторые пакеты q-ичных символов будут декодированы неправильно, тогда внешний декодер Рида - Соломона исправит пакеты этих ошибок. Таким образом будет достигнута требуемая надежность передачи информации.
                Рисунок 5. Зависимость битовой ошибки Eb/N0 для DPSK с применением помехоустойчивого кодирования и без.
                На графике зеленая линия — код Рида-соломона. Красная — аналогичный блочный код Хемминга. Синяя — без кодирования.
                Как видно из графика получаемый выигрыш существенный - 2 дБ.
                При вероятности битовой ошибки 10e-6 отношение Eb/N0= 8 дБ.
                Eb/N0=8дБ
                Pпрм=Pш+ Nk+Eb/N0+10*Lg(R/Пш) – чувствительность приёмника
                Pпрм= -157.24 + 10 + 8 +1.385=-137.855 дБ= 1.639*10^-14 Вт ,  
                Зададимся Pпрм=2*10^-14= Вт = -136.9 дБ 
                Gпрд = 2 дБ- коэффициент усиления передатчика
                Gru-RUfont face=font size=ru-RU прм = 2 дБ- коэффициент усиления приёмника
                Pпрд= 97.9-136.9-2-2= -42.57 дБ= 25 мкВт < 0.2 Вт
                1.8.6. Пояснение структурной схемы физического уровня системы.
                Рисунок 6. Физический уровень системы.
                На вход передатчика поступает поток бит. Сначала производится кодирование и формирование пакетов данных. Потом полученный результат переводится в аналоговый вид. На приёмной стороне происходят обратные операции. Приёмник и Передатчик имеются в каждом устройстве системы. Это две параллельные ветви. Необходимость и принцип работы отдельных блоков были описаны во второй статье[6].
                1.8.7. Обоснование и назначение видов логических каналов, используемых на физическом уровне.
                На физическом уровне будут использоваться следующие логические каналы:
                1) канал FCCH для подстройки частоты 
                2) канал SCH  для синхронизации времени.  
                3) канал ACCH для регулировки уровня выходной мощности.
                1.8.8. Определение типов пакетов физического уровня, обоснование структуры полей пакетов каждого типа, оценка размеров полей, длительности пакета.
                Рисунок 7. Пакет физического уровня.
                Пакет физического уровня включает в себя Флаг начала, поле данных, поле "адрес отправителя и получателя",Пользовательские данные, поле "степень сжатия речевого трафика", CRC, флаг конца. Флаг начала сигнализирует о начале пакета. Адрес отправителя и получателя необходим для контроля передачи и рекогнисцировки отправителя на приемной стороне. Степень сжатия показывает параметры сжатия речевого трафика и используемый тип кодирования. Пользовательские данные передаются в зашифрованном виде. CRC - контрольное число необходимое для проверки правильности приема пакета. Флаг конца указывает на окончание пакета.
                Литература:
                1. статья А.А. Попова 
                    http://omoled.ru/post/231