1.6. Построение канального уровня системы.

1.6.1. Описание назначения сервисов канального уровня исходя из контекста решаемых задач. Определение способов адресной и широковещательной доставки сообщений канального уровня.

  Исходя из концепции проектируемой радиотелефонной системы, проведем анализ сервисов канального уровня. Так как основная услуга проектируемой системы  – передача речевой информации, то выделенный канал закрепляется за мобильной станцией на время проведения сеанса связи. Основной трафик системы – речевой, передается по каналу TCH. Он идет мимо канального уровня и приходит непосредственно на физическую подсистему, где преобразовывается в пакет физического уровня. На канальном уровня уместны следующие сервисы: сервис оценки целостности – не что иное как вычислитель контрольных сумм (CRC), а так же сервис сборки/разборки сообщений. 

Каждый сервис работает со своим сообщением (имеющим свою структуру, рассмотренную далее в п.1.6.5), и выполняет свою конкретную задачу. Все сервисы  канального уровня свои сообщения инкапсулируют и вставляют в сообщение канального уровня. 

1.6.2. Выделение типов логических каналов связи, используемых на канальном уровне. Назначение сообщений, передаваемых по каждому ЛКС. Оценка возможности применения ARQ в ЛКС. Способ обеспечения достоверности принимаемых сообщений.

1.6.2.1. Выделение типов логических каналов связи, используемых на канальном уровне. Назначение сообщений, передаваемых по каждому ЛКС.

Типы логических каналов связи, используемых на канальном уровне сформулированы в соответствии с сценариями, отраженными  в п.1.5.4. После включения, абонентский терминал ищет  несущую той сети, в которой он был зарегистрирован до момента выключения. Следовательно, для передачи широковещательной информации необходим широковещательный канал  - BCCH.  После выбора  сети МС из двух доступных сот выбирает соту, с наивысшим уровнем сигнала. По окончании процедуры выбора соты МС должна заявить о себе. Следовательно, необходима процедура обновления местоположения. МС передает запрос на регистрацию в сети, то есть на предоставление ему индивидуального физического канала для передачи информации. Для передачи запроса необходимо наличие в сети канала случайного доступа – RACH. В случае, если запрос терминала был обработан базовой станцией верно, МС получает пакет оповещения об этом. Пакет оповещения передается по каналу разрешенного доступа -  AGCH. В его составе кроме оповещения о правильно принятой заявке от МС также передается номер индивидуального физического канала (SDCCH), на который далее перестраивается МС для освобождения канала случайного доступа (RACH) и  для обмена служебной информацией с БС. Если регистрация прошла успешно, базовая станция передает подтверждение регистрации по каналу SDCCH. В случае, если абонент необходимо воспользоваться услугами данной сети, абонент передает по каналу SDCCH  в сеть номер вызываемого абонента и код запрашиваемой услуги. Далее сеть должна послать запрос на соединение с вызываемым терминалом. Этот запрос передается по каналу вызова (PCH) от БС к вызываемому терминалу.

Таблица 1. Сводная таблица ЛКС канального уровня.

В концепции рассматриваемой системы исправление ошибок по методу ARQ не представляется возможным, так как основная задача проектируемой системы – передача голосового трафика, а следовательно,  пакеты сообщений должны передаваться  в режиме реального времени. Если же речь идёт о передаче коротких текстовых сообщений, то есть реализация дополнительной услуги сети, то при ошибочном приеме sms-сообщения, отправленного с БС на мобильный терминал, абонент сам отправит запрос на повторную передачу. Следовательно, и в этом случае применение  ARQ нецелесообразно.

 

1.6.2.3. Рассмотрим способ обеспечения достоверности принимаемых сообщений.

 

В разрабатываемой системе, в сущности, присутствуют 2 уровня – канальный уровень и физический. На каждом необходимы свои функции контроля за достоверностью принимаемых сообщений. На физическом уровне за достоверность принимаемых сообщения отвечает FEC и перемежение (вопрос о необходимости перемежения рассмотрен в п.1.7.7), а на канальном уровне  контроль за достоверностью принимаемых сообщений осуществляется с помощью  поля контрольной суммы – CRC. Таким образом, для оценки достоверности принимаемых сведений вычисляем контрольную сумму на передающей стороне, а полученное значение заносим в конец пакета, в поле контрольной суммы. На приемной стороне известен алгоритм, по которому должна быть вычислена контрольная сумма. После приема пакета данных, по принятым битам вычисляется новая контрольная сумма уже на приемной стороне и полученное значение контрольной суммы сравнивается с принятым. Если результаты совпадают, значит, целостность данных сохранена. Если совпадения не произошло, то пакет будет отброшен. 

1.6.3. Долевая оценка пропускной способности ЛКС, оценка полного трафика системы. Составить сводную таблицу ЛКС с указанием наименования, назначения и типа КС.

 Сводная таблица ЛКС с указанием наименования, назначения и типа КС рассмотрена ранее, в п.1.6.2. 

Проведем оценку полного трафика системы.  Как было отмечено отмечено в п.1.1, количество одновременно проводимых сеансов связи на одну БС – 6 сеансов. Так же был выбран речевой кодек – G 723.1, со скоростью кодирования – 6.4 Кбит/с [2]. Произведение скорости кодирования на числа проводимых сеансов связи дает общий несжатый  поток.

R1 = 6 * 6, 4 = 38, 4   Кбит/с.

К значению необходимо добавить дополнительно 20% - на избыточность канального уровня. Под избыточностью в данном случае понимается (CRC, адрес услуги – addr, код запрашиваемой услуги – code).

R2 = 38, 4 + (38, 4 * 0, 2) = 38, 4 + 7, 68 = 46, 08   Кбит/с.

Так как планируется использование помехоустойчивого кодирования, то учитываем, что на каждый информационный бит приходится один избыточный (при скорости кодирования ½). А следовательно, получившуюся величину R2 необходимо умножить на 2 . 

R3 = 46, 08 * 2 = 92, 16   Кбит/с.

 Для использования логических каналов управления , например – BCCH, AGCH,  добавляем дополнительно ещё 10%.

R4 = 92, 16 + (92, 16 * 0, 1) = 96    Кбит/с.

Полученную пропускную способность доводим до ближайшей степени двух.

R5 = 96 + 32 = 128  Кбит/с.

 Таким образом, зададимся пропускной способностью  канального уровня  128 Кбит/с. 

1.6.4. Анализ необходимости наличия разных профилей настройки физического уровня. Способ оперативного управления профилями ФУ.

 

Так как проектируемая система – речевая, то имеет смысл рассмотреть наличие на физическом уровне двух профилей работы. Отдельно для каналов управления и для канала трафика. Так  как по логическим каналам связи передается управляющая информация, требуется надёжная защита от внешних воздействий и помех. То есть, для каналов управления используем наиболее эффективные методы модуляции, по сравнению с каналом трафика. Так как при наличии ошибок в канале трафике существует возможность отбрасывания пакета. В сущности, система не будет адаптироваться к изменениям, происходящим в каналах связи, так как существует четкое различие профилей. Анализ функционирования профилей проведен в п. 1.7.4.

1.6.5.  Пояснение структуры сообщения (пакета) канального уровня: описание предполагаемых видов пакетов и необходимых полей. Описание процедуры типового обмена сообщениями между объектами КУ.

 

Канальный уровень и физический уровень оперируют сообщениями, каждое из которых имеет свою длину. С одной стороны – у нас непрерывная связь, с другой – в системе происходит передача дискретных сообщений. Необходимо определиться, какой объем речевого трафика мы будем передавать в одном сообщении.

Как говорилось ранее, длина речевого сообщения должна быть не слишком большой, во избежание искажений звука. Искажения происходят в результате появления ошибок, которые невозможно исправить. 2 мс – слишком несущественный интервал, 40 мс – велик. Остановимся на интервале в 20 мс. Таким образом,

 Vtch = 64 000 * 0.02 = 1280 [бит].

С учётом речевого сжатия (как было указано в п.1.4, коэффициент сжатия выбранного речевого кодека равен 10), в одной посылке передаем 128 бит (рис.1).

                                                            Рис.1. Блок данных, поступающий на вход ФУ канала управления.

1.6.5.1. Пояснение структуры сообщения (пакета) канального уровня. 

Проанализируем структуру сообщения канального уровня. Длина информационного поля DATA составит 128 бит. Поле, содержащее номер запрашивающего терминала,  состоит из трех бит. Такое же количество бит отведем для поля, определяющего код услуги. Так как основная услуга – передача речевых сообщений не проходит через канальный уровень, то под кодом услуги понимается один из вариантов дополнительных услуг. В концепции проектируемой системы реализована одна дополнительная услуга – передача короткого текстового сообщения, ей присвоен код – 1.

 

Если сети необходимо передать короткое сообщение от терминала к терминалу, то оно передается в составе информационного поля DATA, на что терминал по каналу RACH ответит, что сообщение было принято. Если терминалу необходимо передать в сеть сообщение, то по каналу RACH  будет передан текст короткого сообщения.

В качестве CRC будем использовать CRC – 16. Соответственно поле контрольной суммы будет состоять из 16 битов. Общая длина пакета канального уровня составит 150 битов. Полученная структура пакета канального уровня представлена на рис.2.

                                                                 Рис.2. Структура пакета канального уровня.

Как было рассмотрено выше, эти пакты выдаются в канал со скоростью 128 Кбит/с.

1.6.5.2.  Описание типовых схем обмена сообщениями между объектами канального уровня. 

 Описание схемы обмена сообщения между объектами канального уровня происходит исходя из наличия сервисов на канальном уровне (рассмотренных в п.1.6.1).  Рассмотрим схему обмена одного из сообщение канала управления – BCCH. Исходя из сказанного в п.1.6.2, оно предназначено для передачи системной информации всем пользователям, находящимся в соте. Формирование сообщения BCCH происходит в информационной система базовой станции.  На канальном уровне с происходит подсчет контрольной суммы – не что иное, как CRC, а затем осуществляется сборка пакета.  В терминале, получившем сообщение BCCH, на канальном уровне необходимо провести процедуру разборки пакета и произвести оценку целостности (CRC) принятого сообщения.

1.7 Разработка физического уровня системы.

 

1.7.1. Назначение физического уровня, проработка структуры радиоинтерфейса, обеспечивающего двусторонний обмен данными. Пояснение инкапсуляции  сообщений ЛКС в радиоинтерфейсе.

1.7.1.1. Назначение физического уровня.

                       Рис.3. Посылка ЛКС с канального уровня на физический.

С канального уровня на физический поступает сообщение канала управления. А  сообщение трафика (TCH) поступает на физический уровень, не проходя через канальный. Под сообщениями канала управления  подразумеваются сообщения  BCCH, PCH, AGCH, SDCCH, RACH. Каждому пользователю выделяется свой канал связи, причем на 100 сообщений  трафика приходится одно сообщение канала управления.

1.7.1.2. Проработка структуры радиоинтерфейса.

Поясним саму идею радиоинтерфейса. В  нашем случае имеется 6 физический каналов (6 слотов). Они образуют один кадр. Введём понятия мультикадра и суперкадра. Мультикадр состоит из трех кадров. Группа из шести мультикадров составит суперкадр. Именно в нулевом суперкадре в нулевом кадре и в нулевом слоте передается только одно сообщение канала управления. И оно будет идти со скважностью 1/100. И после окончания одного периода передачи: 

6*3*6   ~ 100 слотов,  наступает момент передачи ещё одного сообщения канала управления – канал синхронизации, далее по такому же принципу, в нулевом слоте, каналы BCCH, PCH.

                      Рис. 4. Структура радиоинтерфейса.

1.7.3 Анализ и обоснованный выбор мер по защите физического уровня от многолучевости.

Как уже было сказано в первом сообщении [1], речь идет о обеспечении связью пользователей, находящихся на территории завода радиусом 800 м. При этом сотрудники изменяют регулярно своё местоположение. Значит, имеет место быть рассмотренным вопрос 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. В проектируемой системе будем использовать фильтр – эквалайзер (рис.5). Для его работы необходимо наличие обучающей последовательности, следовательно в структуре  сообщения физического уровня будем учитывать поле настройки фильтра эквалайзера.

                                   Рис.5. Применение эквалайзера на ФУ.

 

1.7.4 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 модуляции/демодуляции.

1.7.4.1. Выбор частотного диапазона на основании документов ГКРЧ.

 

Выберем диапазон частот из частот,890-915 МГц/935-960 МГц и 1710-1785 МГц/1805-1880 МГц,разрешенных для применения на территории субъектов Российской Федерации радиоэлектронных средств стандарта GSM. Предоставление данных частот, в том числе по заявлениям российских юридических лиц, указанных в ряде пунктов информационного листа, должно осуществляться по результатам конкурсов, проводимых в соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации от 12 января 2006 г. № 8 «Об утверждении Правил проведения торгов (аукциона, конкурса) на получение лицензии на оказание услуг связи»[4].

 

Выбранный диапазон: 890-915 МГц.

Несущая частота: 900 МГц.

1.7.4.2. Оценка потерь при распространении радиоволн выбранного диапазона.

 

Проведем оценку уровня потерь при распространении радиоволн выбранного диапазона. рассчитаем потери на заданных частотах с учетом расстояния между объектами сети и типа местности. Прежде всего, рассчитаем потери  на заданной частоте и расстоянии. Это нужно для того, чтобы проверить правильность последующего расчета, так как затухание в реальных условиях всегда должно быть больше .

 

В условиях  :

     

Таким образом, потери в составят 99 дБ.

Для расчета потерь в реальных условиях применяем модель COST-231 – Уолфиш – Икегама. В его основе лежат обобщенные статистические формулы затухания радиосигнала в различных типах застройки (городская, пригородная, сельская). Точность расчета зависит от тщательного подбора эмпирических коэффициентов, основанного на анализе карт местности. В настоящий момент большинство операторов сотовой связи используют для планирования сетей программные продукты, основанные именно на этих моделях [3].

Основные параметры, необходимые при расчете по методу  COST-231 – Уолфиш – Икегама: 

d – расстояние от БС до МС,

ф– угол, учитывающий ориентацию улиц,

w – расстояние между зданиями или сооружениями завода,

b – расстояние между центрами зданий,

hroof – высота здания,

Δhm – разница между высотой здания и высотой  МС,

Δhb – разница между высотой БС и высотой здания.

Рис.6. Учет ориентации улиц по методу COST-231 – Уолфиш – Икегама.

На рис. 7 представлена методика определения угла ф, с учетом ориентации улиц.

Рис.7. Методика определения угла ф  , с учетом ориентации улиц.

Необходимый для расчета параметр   находится из следующего выражения:

Потери от многократных отражений от рядов зданий рассчитываются из приведенных ниже выражений.

Для дальнейшего расчета необходимо иметь ввиду следующие значения:

Значения, полученные при расчете, сведены в таблицу 2.

Таблица 2. Результаты измерений.

Делаем вывод, что потери при распространении радиоволн в реальном пространстве существенно превышают потери, при распространении радиоволны в условиях , а следовательно, методика расчета верна.

1.7.4.3. Определение вида модуляции.

Исходя из сказанного в п.1.6.4,необходимо определиться с видами модуляции для двух профилей функционирования физического уровня.

При выборе вида модуляции руководствуемся тем, чтобы передаваемый модулированный сигнал занимал как можно более меньшую полосу частот.

Выбор основывается на рассмотрении нескольких видов модуляции. Например, PSK–8, QPSK, FSK и MSK. Расчет ОСШ, требуемого для достижения  заданной вероятности битовой ошибки Рв = 1*10e-5, определим по графику. Воспользуемся для его построения системой Matlab (рис. 8). 

    Рис.8.  Зависимости вероятности ошибки от Eb/Nо без использования помехоустойчивого кодирования.

На рис.8 красным цветом обозначена зависимость вероятности ошибки от Eb/Nо для модуляции QPSK, зелёным – для модуляции  FSK, модуляция   PSK–8 представлена синим цветом, а по голубой кривой можно оценить зависимость вероятности ошибки от Eb/Nо для модуляции  MSK.

Из анализа рис.8 видно, что заданную в техническом задании вероятность ошибки  при модуляции QPSK можно обеспечить при отношении Eb/Nо равным 9 дБ, а при модуляции PSK–8 потребуется 12 дБ.  Следовательно, для передачи каналов управления используем модуляцию QPSK (профиль №1), а для передачи канала трафика - PSK–8 (профиль №2).   

1.7.5. Обоснованный выбор помехоустойчивого кодирования, перемежения, деперемежения, оценка эффективности кодирования.

Необходимо выбрать параметры помехоустойчивого кодера, скорость кодирования, а так же вид перемежения и оценить эффективность используемого кода. Сверточный кодер в данной системе потребует сложной реализации, так как, если требуется скорость кодирования, отличная от ½, будет требоваться дополнительный блок прореживания битов, для выравнивании скоростей. В проектируемой же системе будем использовать блоковый кодер, так как необходимо закодировать и передать сразу все сообщение типа «данные». Это удобно делать с помощью блокового кодера. Используем код Хэмминга (150, 255).  Пояснение выбранных значений представлено на рис.9. Данный блочный код применяем для каждого из профилей функционирования физического уровня.

Рис.9. Пояснение выбранных значений полинома помехоустойчивого кода (150,255).

 Рассмотрим применение помехоустойчивого кодирования для модуляции PSK–8, профиль №2 (рис.10).

Рис. 10. Зависимости вероятности ошибки от Eb/No без использования и с использованием помехоустойчивого кодирования.

На рисунке 10 голубая кривая показывает зависимости вероятности ошибки от Eb/N0 без кодирования, а фиолетовая – с использованием помехоустойчивого кодирования. 

Можно сделать вывод, что при модуляции PSK–8  достижение заданной вероятности ошибки, при использование кода (150,255), возможно при отношении Eb/Nо = 11 дБ. Следовательно, энергетический выигрыш при модуляции PSK–8  при применении помехоустойчивого кода (150,255) составит 1 дБ. Оценка производится на уровне заданной в техническом задании вероятности ошибки Рв =  1*10e-5.

Применение помехоустойчивого кодирования для модуляции QPSK, профиль №1, приведено на рис.11.

Рис.11. Зависимости вероятности ошибки от Eb/No без использования и с использованием помехоустойчивого кодирования.

На  представленном графике зависимости вероятности ошибки от Eb/Nо красным цветом обозначена зависимость без кодирования, а желтым цветом  - с использование помехоустойчивого кодирования.

Можно сделать вывод, что при модуляции  QPSK  достижение заданной вероятности ошибки, при использование кода (150,255), возможно при отношении Eb/Nо = 8 дБ. Следовательно, энергетический выигрыш при модуляции QPSK, при применении помехоустойчивого кода (150,255) составит 1 дБ. Оценка производится на уровне заданной в техническом задании вероятности ошибки Рв =  1*10e-5.

1.7.6. Оценка уровня мощности излучения передающего устройства, сравнение с заданным значением Ризл АС.

Проведем оценку уровня мощности передатчика и сравним полученное значение с заданным.

 

1.7.6.1.   Оценка уровня мощности передатчика при модуляции PSK–8 .

                   

По техническому заданию, мощность излучения подвижной станции  < 0, 15 Вт.  Полученное значение , равное 0,00019 Вт не противоречит условию. 

1.7.6.2.   Оценка уровня мощности передатчика при модуляции QPSK.

По техническому заданию, мощность излучения подвижной станции  < 0, 15 Вт.  Полученное значение, не противоречит условию. 

В произведенном расчете учтено, что в п.1.7.6.1 и в п.1.7.6.2 при нахождении Pпм результат отношений R/Пш для QPSK составит 0.5 (3 дБ), а для PSK-8: 3 ( 4.7 дБ).

1.7.7. Пояснение структурной схемы физического уровня системы.

  

Так как на физический уровень поступает сообщение канала управления и сообщение трафика, а правило их обработки на физическом уровне одно, то применяем один кодер, кодирующий данные с одной и той же скоростью. Применение блока перемежителя позволяет преобразовать групповые ошибки к одиночным. Далее, после завершения синхронизации производится сборка пакетов. Модулирующих блока в системе предусмотрено два, так как в системе реализуется два профиля работы физического уровня. С одинаковым помехоустойчивым кодированием и разными видами модуляции. Так же в передающем устройстве предусмотрена оценка качества КС, с целью оценки уровня сигнала, поступающего от БС. После блока УРЧ сигнал поступает непосредственно в канал связи. На приемной стороне (МС) учено использование фильтра эквалайзера ,остальные блоки аналогичны передающей стороне и выполняют обратные операции (рис.12).

Рис.12. Структурная схема физического уровня системы.

 

1.7.8. пояснение назначения логических каналов связи, используемых на физическом уровне.

 

На физическом уровне существует пакет синхронизации (FCCH + SCH), а с канального уровня поступают каналы: управления и трафика.  Как было сказано ранее в п.1.7.1, канал управления составляет 1  из 100%. , на канал трафика приходится 99%.

 

1.7.9. Определение типов пакетов физического уровня, обоснование структуры полей пакетов каждого типа, оценка размеров полей.

 

Так как  в проектируемой системе радиотелефонной связи используется блоковый код, то в структуре пакетов физического уровня учитываем наличие поля FEC (блок избыточных разрядов). В работе системы присутствует эквалайзер, значит, имеет место быть поле настройки фильтра эквалайзера. Так же в структуре пакета  (рис.13) присутствуют флаги начала, конца пакета и информационное поле Data.

Использовала следующую литературу:

1. Компактная система радиотелефонной связи. 1 этап., http://omoled.ru/publications/view/290;

2.  Компактная система радиотелефонной связи. 2 этап., http://omoled.ru/publications/view/315;

3.Лекции по дисциплине "Системы и сети связи с подвижными объектами";

4.  Протокол заседания ГКРЧ от 11.12.2006., http://minsvyaz.ru/ru/doc/index.php?id_4=304