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.

 

Канальный уровень отвечает за адресную доставку сообщений, поступающих с уровня управления, проверка целостности принимаемых с физического уровня сообщений, а также управление доступом к физическому КС. Поэтому на канальном уровне будут реализованы следующие службы:

Служба адресации реализует адресную передачу сообщений, путем вставки адреса терминала или точки доступа в соответствующее поле пакета канального уровня. Адреса всех терминалов известны точку доступа. Эти адреса представляют собой уникальные идентификаторы терминалов ID терминала. Терминалы «запоминают» в своей памяти адрес точки доступа ID ТД, в зоне действия которой они находятся, передающийся в составе широковещательного сообщения. Поле адреса точки доступа будет состоять из 6 бит. Так как данная система рассчитана на 55 терминалов, то мы имеем 55 уникальных идентификаторов ID терминала (адресов). Поле адреса терминала также будет состоять из 6 битов. Сценарий организации доступа к физическому каналу связи (рис.4. п.1.5.2.). [13]

Служба проверки целостности осуществляет проверку достоверности принимаемых сообщений канального уровня на основе расчета контрольных сумм CRC.  В данной системе в качестве CRC предположительно будем использовать CRC-16, поэтому соответствующее поле пакета канального уровня будет содержать 16 бит.

Канальный уровень можно разделить на MAC и САС – подуровни. На МАС – подуровне помимо описанных выше служб, должны быть предусмотрены также службы сбора и разбора пакетов канального уровня. На САС – подуровне реализуется служба управления доступом к физическому КС. Подробно алгоритм множественного доступа описан в предыдущих статьях [12,13].

 

 

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

 

В данной системе используются следующие логические каналы связи, используемые на канальном уровне:

1.                          BCCH - широковещательный канал (Broadcast Control Channel) - предназначен для широковещательной передачи общей информации о сети. Также используется для рассылки общей информации о сети, необходимой для вновь подключающихся терминалов.

2.                   RACH - канал случайного доступа (Random Access Channel). Терминалы, зарегистрированные в сети, вступают в конкурентную борьбу  за канал передачи данных по каналу случайного доступа RACH.

3.                   AGCH (Access Channel) – канал разрешенного доступа. На нем формируются пакеты оповещения точки доступа, которые передаются всем терминалам по каналу разрешенного доступа AGCH. Пакет оповещения включает в себя идентификатор терминала, выигравшего борьбу за канал и время передачи данных этим терминалом, чтобы все остальные терминалы смогли перейти в спящий режим на этот интервал времени.

4.                   TCH Канал трафика - предназначен для передачи данных, а так же передачи соответствующих пакетов подтверждения о приеме или передачи данных (рис.4. п. 1.5.2.) [13].

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.

Чтобы обеспечить гарантированную передачу будем использовать метод ARQ с остановками (stop – and - wait ARQ) . Так как передаются данные, это упрощает определение ошибок и автоматический повтор передачи испорченных блоков данных. Суть метода заключается в том, что передатчик ожидает от приемника подтверждения успешного приема предыдущего блока данных, перед тем как начать передачу следующего. В случае, если блок данных был принят с ошибкой, приемник передает отрицательное подтверждение (negative acknowledgement, NAK), и передатчик повторяет передачу блока. Если передача прошла успешно, то передает сообщение о подтверждении (Acknowledge, ACK). При получении NAK передающая сторона делает вывод о необходимости повторной передачи пакета.

Чтобы оценить достоверность принимаемых данных используем поле контрольной суммы. Суть заключается в том, что контрольная сумма вычисляется на передающей стороне. С математической точки зрения, контрольная сумма представляет собой хэш-функцию, вычисленную по небольшому количеству бит, внутри блока данных. Полученное значение заносится в конец пакета, в поле контрольной суммы. На приемной стороне известен алгоритм, по которому будет вычислена контрольная сумма. После приема пакета данных, по принятым битам вычисляется новая контрольная сумма на приемной стороне, полученное значение контрольной суммы сравнивается с принятым. При совпадении результатов модно сделать вывод, что  целостность данных сохранена. Защите от ошибок должны подлежать все типы сообщений, которые существуют в системе.

 

 

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




τ1 - широковещательный канал (BCCH). Если принять пропускную способность физического канала за 100%, то на широковещательный канал  отводится 1% от всей пропускной способности.

τ2 - канал случайного доступа (RACH). Если пропускная способность физического канала  100%, то на канал случайного доступа  отводится 2% от всей пропускной способности.

τ3 - канал разрешенного доступа (AGCH). На канал разрешенного доступа  отводится 1% от всей пропускной способности.

τ4 - Канал трафика (TCH). На канал передачи данных будет приходиться 96%, остальная пропускная способность будет использоваться служебными каналами (BCCH – 1%, RACH – 2%, AGCH – 1%), которые обеспечивают функционирование сети.

 

         TCH имеет пропускную способность 4,8 Мбит/с (без учета помехоустойчивого кодирования). Гарантируемая скорость передачи данных в обоих направлениях составляет 4 Мбит/с (из условий ТЗ), «плюс» 20 % от общей гарантируемой скорости, которая приходится на канальный уровень, а именно: CRC, флаги, адресацию и ARQ. С учетом помехоустойчивого кодирования, которое происходит на физическом уровне, общая пропускная способность 9,6 Мбит/c (так как скорость кодирования 1/2), плюс 10 %, затрачиваемые в физическом уровне на реализацию синхронизации (преамбула) и защитных интервалов (более подробно в п. 1.7.9). Следовательно, общая пропускная способность канала трафика будет составлять 10 Мбит/c. Это 96 % пропускной способности от всего канала связи.

         Следовательно, общие пропускные способности остальных каналов:

 

τ1 - широковещательный канал (BCCH)- 0,1 Мбит/с.

τ2 - канал случайного доступа (RACH) - 0,2 Мбит/с.

τ3 - канал разрешенного доступа (AGCH) - 0,1 Мбит/с.

τ4 - Канал трафика (TCH) - 10 Мбит/с.

Суммируя все полученные выше пропускные способности каналов, общая пропускная способность ЛКС составит 10,4 Мбит/с. 

        

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

 

Выбор того или иного профиля осуществляется на основании результатов работы подсистемы радиоизмерений, расположенной на физическом уровне. По умолчанию установим профиль с высокой помехозащищенностью передачи данных. При выявлении ухудшения качества КС, подсистема радиоизмерений посылает сообщение сигнализации на уровень управления. В ответ уровень управления должен сформировать сообщение управления и отправить его подсистеме управления профилями (рис.3. п.1.4). Подсистема управления профилями должна изменить вид модуляции, кодирования и перемежения на менее помехозащищенный.  Информация о профиле функционирования терминала, передается по каналу RACH вместе с запросом на предоставление индивидуального КС. Информация о профиле функционирования точки доступа передается по каналу AGCH в пакете оповещения. Прежде чем осуществить передачу данных, терминал и ТД должны настроиться на одинаковый профиль функционирования физического уровня. Профили физического уровня разрабатываемой сети приведены в таблице 4. С целью оперативного управления профилями физического уровня введем специальное поле служебной информации в передаваемое сообщение (п.1.7.9).

 

 

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

 

Рассмотрим структуру пакета канального уровня для проектируемой сети. В общем случае она будет иметь фиксированную длину, не зависимо от типа передаваемой информации, и будет иметь следующий вид :


Поле «FL» служит индикатором начала пакета.

«Поле адреса»  – содержит адрес получателя пакета. Т.к. в системе используются 2 типа пакетов (пакет трафика – 111111 и служебный пакет – 000000), то информация о типе передаваемого пакета содержится в поле «Тип пакета».

«Номер пакета» необходим для того, чтобы вследствие получения ошибочных данных, передачу можно было осуществлять с потерянного пакета.

«Поле данных» содержит непосредственно пользовательские данные.

 Поле «CRC» служит для определения целостности пакета.

 Поле «Нулевые биты» содержит в себе нулевые биты для работы помехоустойчивого декодера.

 

Опишем процедуры типового обмена сообщениями  между объектами канального уровня (рис.4. п. 1.5.2.) [13]:

– в момент τ1 (рис.1.) осуществляется передача пакета, содержащего служебную информацию от ТД, которая отражена в соответствующих полях передаваемого сообщения («Тип пакета» - указывает на служебную информацию, а «Поле данных» - содержит разрешение на начало конкурентной борьбы).

– В момент τ2 (рис.1.) терминалы производят отправку служебного сообщения, содержащего запрос на предоставление физического канала связи в свое распоряжение на время передачи («Тип пакета» -указывает на служебную информацию, а «Поле данных» - содержит запрос на предоставление канала связи и время его использования).

– В момент τ3 (рис.1.) ТД отправляет служебное сообщение, содержащее информацию о том, кто получил доступ к каналу связи либо кому необходимо готовиться к приему сообщений («Тип пакета» - указывает на служебную информацию, а «Поле данных» - содержит необходимую для терминалов информацию).

– В момент τ4 (рис.1.) происходит непосредственная передача сообщений трафика и отчета о состоянии доставки от приемной стороны («Тип пакета» -указывает на то, что данное сообщение является пакетом трафика, а «Поле данных» - содержит пользовательскую информацию).

В независимости от типа пакета в поля «Номер пакета» и «Поле адреса» записываются номер блока и адрес получателя. При широковещательной рассылке в «Поле адреса» записываются все 0.

 

 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.

 

Краткий анализ физического уровня системы с обоснованием основных выполняемых задач был изложен в предыдущей статье [13].

Опишем структуру радиоинтерфейса. Временные интервалы сбора данных с терминала будут представлять собой мультикадры. Всего в системе используется одна точка доступа. Каждый мультикадр разбивается на некоторое количество кадров. В рамках одного кадра происходит передача широковещательной информации, конкурентная борьба, передача данных и передача пакета подтверждения. Соответственно каждый кадр должен быть разделен на временные слоты, в каждом из которых происходит передача сообщений определенных типов. Количество используемых временных кадров нельзя определить заранее, т.к. неизвестно, какое количество раз терминалы будут вступать в конкурентную борьбу за предоставление им индивидуального канала связи (рис.4. п.1.5.2.) [13]. Количество временных слотов, предоставляемых каждому типу ЛКС, можно определить исходя из долевой оценки пропускной способности ЛКС. Долевую оценку проводится, используя процентное соотношение времени предоставления того или иного типа ЛКС и общей пропускной способности (п.1.6.3). 

 

1.7.2. Расчет полной пропускной способности физического КС соединения «терминал - БС».

        

Общая пропускная способность логических каналов составляет 10,4 Мбит/с (п. 1.6.3.). Расчет пропускной способности так же включал в себя учет помехоустойчивого кодирования, и дополнительные 10% пропускной способности, необходимой для реализации «преамбулы» и защитных интервалов на физическом уровне (рис.12,13. п.1.7.9.). Поэтому общая пропускная способность физического канала связи 10,4 Мбит/с.

 

 

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

 

Эффективной мерой защиты физического уровня от многолучевости является использование технологии OFDM (сигналы с ортогональной частотной модуляцией). Эта технология  обладает высокой спектральной эффективностью. Во избежание многолучевого распространения, в технологии OFDM поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных ортогональных друг другу подканалов. Передача ведется параллельно на всех подканалах. Технология OFDM построена таким образом, что является эффективной мерой защиты физического уровня от многолучевости. Поэтому разработка дополнительных мер по борьбе с многолучевым распространением не требуется.

 

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 обеспечения заданной вероятности битовой ошибки для выбранного вида и типа модуляции/демодуляции.

 

Разрабатываемая сеть основана на стандарте IEEE 802.11a/ 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, это позволяет нам существенно снизить затраты на построение системы.

Ниже приведена выдержка из решения от 06 декабря 2004 г № 04-03-04-003 г.Москва Об использовании полосы радиочастот 2400-2483,5 МГц для внутриофисных систем передачи данных [11]:

1. Утвердить прилагаемые основные технические характеристики радиоэлектронных средств (РЭС) внутриофисных систем передачи данных (приложение № 1).

2. Разрешить гражданам Российской Федерации и российским юридическим лицам использование на вторичной основе полосы радиочастот 2400-2483,5 МГц для разработки, производства, модернизации и эксплуатации на территории Российской Федерации РЭС внутриофисных систем передачи данных без оформления частных решений ГКРЧ для каждого конкретного типа РЭС, при выполнении следующих условий:

- технические характеристики разрабатываемых, производимых, модернизируемых и ввозимых из-за границы РЭС внутриофисных систем передачи данных должны соответствовать основным техническим характеристикам, указанным в пункте 1 настоящего решения;

3. Разрешить гражданам Российской Федерации и российским юридическим лицам использование на вторичной основе радиочастот в пределах полосы радиочастот 2400-2483,5 МГц для эксплуатации внутриофисных систем передачи данных, указанных в прилагаемом Перечне (приложение № 2), на территории Российской Федерации без оформления разрешений на использование радиочастот, при выполнении условий.

Использование модели потерь передачи внутри помещения предполагает, что и точка доступа и терминал находятся внутри одного и того же здания. Потери на трассе между точкой доступа и подвижным терминалом внутри помещения можно оценить с помощью модели - обобщенной, не зависящей от места, поскольку она не требуют большого объема информации относительно трассы или особенностей места, где работает система. Модель ITUR 1238 учитывает потери при многократном прохождении сигнала через пол, что позволяет предусмотреть такие характеристики, как повторное использование частоты на различных этажах здания. Дистанционные коэффициенты потери мощности, приводимые ниже, включают в неявном виде поправку на потери при прохождении сигнала через стены и над или через препятствия, а также на остальные механизмы возникновения потерь, которые могут возникнуть в пределах одного этажа здания [см. приложенный документ].

 

Модель потерь имеет следующий вид:

 

Ltotal  =  20 log10 f  +  N log10 d  +  Lf  (n)  –  28 дБ,                            (1)

 

N - дистанционный коэффициент потерь мощности;

f - частота (МГц);

d - расстояние разнесения (м) между базовой станцией и переносным терминалом (где d > 1 м);

Lf - коэффициент потерь за счет прохождения сигнала через пол (дБ);

n – максимальное количество этажей между точкой доступа и терминалами (n ³ 1).






 Проектируемая нами сеть будет располагаться в пределах трех этажей. Учитывая данные проекта, а именно:

 

N = 28 - дистанционный коэффициент потерь мощности для офисного помещения;

f = 2,4 ГГц - частота несущего колебания;

d = 170 м - дальность связи;

Lf = 23 - коэффициент потерь за счет прохождения сигнала через пол (дБ);

n = 3 – максимальное количество этажей между точкой доступа и терминалами (n ³ 1).

 

Тогда:

 

Ltotal  = 20 * log10 f  +  N * log10 d  +  Lf  (n)  –  28 =

=20 * log10 (2400) + 28 * log10 (170) + 23 – 28 = 125,057 дБ,

 

           Исходя из особенностей нашей системы,  будет использоваться один из двух видов модуляции, в зависимости от выбранного профиля: BPSK или QAM-16 (п.1.6.4.).

         Постоим график зависимости вероятности символьной ошибки от Eb/N0 для BPSK и QAM-16:


Для обеспечения заданной вероятности на бит Pb = 10-6 необходимо иметь отношение сигнал/шум на выходе не менее Eb/N0 =10.5 дБ для BPSK и Eb/N0 =14,37 для QAM-16.

 

 

1.7.5. Обоснованный выбор метода помехоустойчивого кодирования, перемежения, деперемежения, оценка эффективности кодирования. Коррекция данных расчета п. 1.7.4. и проверка на соответствие исходным данным.

 

В проектируемой сети для реализации помехоустойчивого кодирования воспользуемся сверточным кодом со скоростью  1/2 (каждому входному биту соответствуют два выходных) с целью получения выигрыша в ОСШ.

В процессе оценки эффективности кодирования в среде Matlab воспользуемся средством bertool: для сверточного кодирования запишем порождающий многочлен (171,133), который был найден Р. Оденвальдером (R.Odenwalder) на заре эры активного освоения техники сверточного кодирования. Этот код вошел во многие стандарты спутниковой и космической связи и получил статус «Planetary Standard Code»(стандартный код для планетных исследований), и в настоящее время широко используется во многих телекоммуникационных системах [14].

Сверточный код не исправит все ошибки, поэтому необходимо применение прямой коррекции ошибок (Forward Error Correction - FEC), позволяющей исправлять ошибки методом упреждения. Применяется для исправления сбоев и ошибок при передаче данных, путём передачи избыточной служебной информации, на основе которой может быть восстановлено первоначальное содержание посылки. В данной системе будет использован сверточный код с длиной кодового ограничения равного 7.

Перемежение в данной сети используется для обеспечения борьбы с пакетными ошибками. В данной сети будем использовать случайное перемежение. При данном типе перемежения символы расставляются в случайном порядке по всей длине пакета по псевдослучайному закону, который вычисляется только один раз.

Для оценки эффективности кодирования в среде Matlab воспользуемся средством bertool и построим графики зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ:




До применения сверточного кодирования, вероятность битовой ошибки:

BPSK: Eb/N0 =10,5 дБ, с применением сверточного кодирования со скоростью 1/2 Eb/N0 = 7,168 дБ, следовательно, выигрыш составит 1,47 дБ.

QAM 16: Eb/N0 =14,37 дБ, с применением сверточного кодирования со скоростью 1/2 Eb/N0 = 10,7 дБ, следовательно, выигрыш составит 3,67 дБ.

С учетом сверточного кодирования со скоростью 1/2, скорость битового потока станет 10,4 Мбит/с (п. 1.6.3.).

 

 

1.7.6. Оценка уровня мощности излучения передающего устройства, сравнение с заданным значением PизлАС; сделать выводы, при необходимости вернуться к п. 1.7.4. и 1.7.5. Расчет чувствительности приемников АС (БС).









1.7.7. Пояснение функциональной схемы физического уровня системы.



Рассмотрим рис.18. Блоки битов, поступающие с канального уровня,  кодируются сверточным кодером со скоростью кодирования ½, и поступают на перемежитель, который осуществляет перестановку бит по заданному алгоритму. Полученная последовательность бит поступает на блок сборки пакетов физического уровня, где формируется сам пакет данных. При формировании пакета к нему добавляется так называемая «преамбула» для реализации временной и частотной синхронизации. Затем данные поступают на блок модуляции,  где они преобразуются в модуляционные символы, которыми модулируются информационные поднесущие OFDM сигнала в блоке ОFDM модулятора и  передаются в канал. Вид модуляции определяется используемым профилем (таблица 2). На приемной стороне осуществляются обратные операции.

 

 

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

 

На физическом уровне проектируемой сети будут использоваться следующие логические каналы связи (ЛКС):

- Виртуальный канал синхронизации, предназначенный для установления и поддержания временной и частотной синхронизации. Реализовывается в виде преамбулы, добавляемой к передаваемому сообщению (направление вниз).   

- Канал трафика, предназначенный для непосредственной передачи сообщений (направление вниз/вверх).

 

 

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

 

Для передачи пакетов используется OFDM с модуляцией поднесущих BPSK и QAM-16 в зависимости от типа профиля (основной или дополнительный). В пакет физического уровня входят:

– Преамбула состоит из 12 OFDM символов, необходимых для временной и частотной синхронизации приемных устройств.

– Служебное поле состоит из одного OFDM символа, содержащего информацию о профиле, в соответствии с которым выбирается вид модуляции последующих символов.

– Поле данных и поле FEC состоят из 11 или 3 OFDM символов, в зависимости от используемого профиля. Эти поля необходимы для непосредственной передачи пользовательской информации и исправления ошибок в процессе передачи.

В одном символе OFDM содержится 58 информационных поднесущих и 6 пилот сигналов, необходимых для синхронизации. Также используется циклический префикс  равный 1/16 длительности символа OFDM. В преамбуле использованы 10 «укороченных» по времени и 2 полных OFDM символов.

Поле служебной информации и преамбула модулируются BPSK с целью повышения помехоустойчивости. Модуляция последующих символов зависит от содержания служебного поля.

Рассмотрим пакет физического уровня проектируемой сети:






Список используемой литературы:

 

1.                А.В. Бакке. «Лекции по курсу ССПО».

2.                А.А. Зайцев. «Лекции по курсу ОТССПО».

3.                Скляр Б. «Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение». - М.: Вильямс, 2003 г.

4.                Феер К. «Беспроводная цифровая связь», пер. с англ./под ред. В.И. Журавлева, М.: Радио и связь, 2000 г.

5.                 Современные телекоммуникации.

6.                 Системы радиосвязи SAGA.

7.                 Семейство протоколов ALOHA.

8.                 Уровневый обзор радиоинтерфейса.

9.                 Описание радиоинтерфейса GPRS.

10.            Сайт цифровых учебно-методических материалов ВГУЭС.

11.            Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ).

12.     КП на тему "Локальная радиосеть" п. 1.1-1.3 (часть №1).

13.     КП на тему "Локальная радиосеть" п. 1.4-1.5 (часть №2).

14.            Анализ характеристик сверточных кодов.