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 в данной системе связи должен выполнять такие функции как проверка целостности сообщений и адресную передачу пакетов. Таким образом, в состав канального уровня входят следующие сервисы:
- Сервис оценки целостности – не что иное как вычислитель контрольных сумм (CRC);
- Сервис адресной доставки сообщений. Реализуется с помощью временных идентификаторов – канальных адресов, назначаемых абоненту после прохождения пользователем аутентификации. В пакеты, формируемые на канальном уровне, сервис добавляет адрес терминала (MAC) отправителя/получателя. Вставка такого идентификатора необходима при передаче пакетов по обоим каналам в обоих направлениях. Если пакет служебный, то в нем должно быть четко определено, кому предназначена данная команда, или от кого пришел данный ответ. Если пакет информационный, то адрес необходим, чтобы терминал не принял пакет, адресованный не ему. Это что касается способов адресной доставки сообщений канального уровня. Также в системе есть широковещательные сообщения - идентификатор сети, запрос на регистрацию от терминала, ответ от точки доступа при регистрации терминала в сети, а также ответ на опрос ТД активных абонентов. Все эти сообщения в поле адреса могут содержать вместо номера конкретного адресата другую комбинацию, например нули. Таким образом, если в сообщении адресная часть содержит такую комбинацию, то сообщение будет обработано терминалом/точкой доступа.
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.
Наличие тех или иных ЛКС будет неразрывно связано со сценарием взаимодействия ТД – Т, изложенным в предыдущей статье. В данной системе будут присутствовать следующие типы логических каналов связи:
1. Поскольку первый пункт сценария – рассылка широковещательной информации, нам необходим BCCH - широковещательный канал (Broadcast Control Channel) - предназначен для широковещательной передачи общей информации о сети, необходимой подключаемым терминалам, проверка зарегистрированных на активность. Так как передача по этому каналу будет происходить с определённой периодичностью, то нет особой нужды в применении ARQ к этому каналу.
2. Далее по сценарию – регистрация. Для неё нам необходим RACH (Random Access Channel) – канал случайного доступа. По нему будет посылаться запрос на регистрацию, а также дальнейшее выделение абоненту каналов (к вопросу об увеличении скорости). Применять здесь ARQ нет необходимости, поскольку пользователь может сделать перезапрос на регистрацию, а выделение дополнительных каналов происходит периодично.
3. Выявление активных пользователей предполагает наличие FACCH – быстрого совмещенного канала управления (Fast Associated Control Channel). Предназначен для передачи обслуживания Т другой ТД, ответа Т на опрос ТД активных абонентов, запроса на повторную передачу, ответ ТД на запрос Т о регистрации, аутентификации. Здесь, если будут ошибки в принятом по этому каналу сообщении, терминал «лишится» сети, поэтому необходим ARQ.
4. Выделение пользователям каналов предполагает наличие AGCH (Access Grant Channel) – канал гарантированного доступа, по которому точка доступа сообщает терминалу параметры выделяемого под сеанс связи канального ресурса. Здесь также необходимо предусмотреть ARQ, поскольку Т может остаться без канала.
5. TCH – канал трафика. Предназначен непосредственно для передачи данных абоненту.
Чтобы обеспечить гарантированную передачу будем использовать метод ARQ SAW (stop – and - wait). Суть метода заключается в том, что передатчик ожидает от приемника подтверждения правильности 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 Т/ТД повторяет передачу блока. Если принятый блок без ошибки, то передается сообщение о подтверждении (Acknowledge, ACK). При получении NAK передающая сторона делает вывод о необходимости повторной передачи пакета. Такой режим характерен для полудуплексных систем, таких, как данная (рисунок 1).
Рисунок 1. Иллюстрация принципа ARQ SAW.
Но решение о том, была ли ошибка в принятом блоке или нет должно быть на чём-то основано. В данной работе оценкой достоверности сообщения будет служить контрольная сумма (CRC). Сущность этого метода заключается в том, что в поле контрольной суммы записывается значение, полученное путём преобразования битов данных. На приёмной стороне по принятым битам вычисляется новая контрольная сумма, и полученное значение сравнивается с принятым. При совпадении результатов можно сделать вывод о том, что целостность данных сохранена. Поскольку для передачи данных нужно точно определить, был ли принят пакет верно или нет, нужно достаточно большое количество бит, отведённое на CRC, например 16.
1.6.3. Долевая оценка пропускной способности ЛКС, оценка полного трафика системы. Составить сводную таблицу ЛКС с указанием наименования, назначения и типа КС.
Рисунок 2. Распределение пропускной способности ЛКС на долевые интервалы.
Для долевой оценки отведем на каждому интервалу свое процентное соотношение.
1. τ1 - широковещательный канал (BCCH). Если принять пропускную способность ЛКС за 100%, то на широковещательный канал отводится 1% от всей пропускной способности.
2. τ2 - канал разрешённого доступа (AGCH). Если пропускная способность физического канала 100%, то на канал разрешённого доступа отводится 1% от всей пропускной способности.
3. τ3 - канал случайного доступа (RACH). На канал случайного доступа отводится 2% от всей пропускной способности.
4. τ4 – быстрый совмещённый канал управления (FACCH). На него выделяется 4% общей пропускной способности.
5. τ5 - канал трафика (TCH). На канал передачи данных будет приходиться 92 % от всей пропускной способности.
Оценим полный трафик системы.
Гарантированная скорость передачи данных(линия вниз) по ТЗ = 256 Кбит/с.
Прибавляем 20% на CRC, флаги, ARQ и адресацию. Получаем 307,2 Кбит/с. С
учётом худшей помехообстановки, т. е. того варианта, где необходимо применить
скорость кодирования = 1/2, получим
614,4 Кбит/с, что будет составлять 92% общего трафика. Таким образом, общий
трафик 667,83 Кбит/с. Зададимся значением скорости передачи данных, равной 672 Кбит/с.
Таблица 1. Сводная таблица ЛКС канального уровня.
Наименование канала связи |
Назначение канала связи |
Тип канала связи |
ВССН |
Широковещательная передачи общей информации о сети, необходимая подключаемым терминалам, «опрос» зарегистрированных терминалов |
Широковещательный канал (направление вниз ) |
RACH |
Канал запроса о назначении индивидуального канала связи, запрос на регистрацию |
Канал случайного доступа (направление вверх ) |
AGCH |
Канал обеспечения прямого доступа к индивидуальному каналу связи |
Канал разрешенного доступа (направление вниз ) |
ТСН |
Канал передачи данных |
Канал трафика (направление, вверх/вниз ) |
FACCH |
Ответ Т на запрос активности, запрос на повторную передачу, ответ на регистрацию/аутентификацию |
Канал управления (направление вверх/вниз ) |
1.6.4. Анализ необходимости наличия разных профилей настройки физического уровня. Способ оперативного управления профилями физического уровня.
Как было отмечено в предыдущей статье, в данной системе будут присутствовать две возможные конфигурации физического уровня. Отличаться они будут лишь скоростями кодирования – ¾ и ½ соответственно. Переключение между ними будет происходить на основе КИС, находящейся на физическом уровне. Решение будет принято исходя из значения счётчика ARQ. Счётчик автоматически обнуляется после каждого правильно принятого пакета. Зададимся пороговым значением счётчика ARQ. Для того, чтобы существенно не снизить скорость передачи данных у пользователя, это значение должно быть не слишком большим, но и не слишком маленьким, чтобы не входить в более затратный, опять же с точки зрения скорости передачи, режим кодирования. Также следует предусмотреть переключение между режимами обратно. Переключение будет происходить в случае, когда Т правильно принимает несколько подряд идущих пакетов (счётчик ARQ не увеличивается на протяжении нескольких циклов приёма). То есть нам нужен ещё один счётчик, учитывающий количество подряд идущих нулей счётчика ARQ. Возьмём предварительно и то и другое значение равным пяти, так как оно вполне удовлетворяет предыдущим условиям (рисунок 3).
Рисунок 3. Условия переключения между режимами.
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.
В данной системе предполагается наличие следующих пакетов канального уровня:
1. Пакет широковещательной информации.
Рисунок 4. Структура пакета широковещательной информации.
- Адресное поле для широковещательных сообщений будет заполнено нулями.
- FL – флаги окончания и начала пакета.
- Информационное поле – содержит информацию о сети, упомянутую в предыдущей статье.
- Поле активных абонентов – содержит команду откликнуться всем Т, ранее занесённых в список активных абонентов.
Всего 26 бит (BCCH).
2. Пакет запроса на регистрацию.
Рисунок 5. Структура пакета запроса на регистрацию.
Всего 16 бит (RACH).
3. Пакет ответа на запрос о регистрации.
Рисунок 6. Структура пакета ответа на запрос о регистрации.
Всего 30 бит (FACCH). Поля ID терминала и MAC-адреса имеют размерность 6, так как 26=64, а у нас по ТЗ – 50 абонентов. Поэтому 6 бит достаточно для присвоения адреса каждому абоненту.
4. Пакет необходимый для прохождения аутентификации.
Рисунок 7. Структура пакета прохождения аутентификации.
Размерность – 20 бит (RACH).
5. Пакет подтверждения/отклонения аутентификации.
Рисунок 8. Структура пакета прохождения аутентификации.
Размерность – 31 бит (FACCH).
- Поле AUC-NAUC принимает значение один или ноль в зависимости от того, пройдена ли была аутентификация, или нет. После пройденной аутентификации Т знает, что он может требовать от сети канал (ТД записала его в список активных абонентов)
6. Пакет ответа Т на выявление активности (поле опроса пакета BCCH) активность.
Рисунок 9. Структура пакета подтверждения активности
Размерность – 30 бит (FACCH)
7. Пакет запроса канала.
Рисунок 10. Структура пакета запроса канала
Размерность – 22 бита (RACH).
8. Пакет присвоения канала.
Рисунок 11. Структура пакета присвоения канала.
Размерность – 38 бит (AGCH).
Поле управления содержит информацию о длительности сообщения, которое может передать терминал. (фактически число выделенных каналов).
9. Пакет правильности/ошибочности приёма (ACK/NAC).
Рисунок 12. Структура пакета правильности/ошибочности приёма.
Размерность – 38 бит (FACCH).
10. Пакет с данными.
Рисунок 13. Структура пакета данных.
Размерность – 1058 бит (TCH). Хвостовые биты нужны для обнуления свёрточного кодера на физическом уровне.
Опишем типовую процедуру обмена
сообщениями на канальном уровне. Терминал ловит пакет широковещательной
информации (BCCH), после чего по каналу RACH
посылает
запрос на регистрацию с последующей аутентификацией. ТД по каналу FACCH отвечает положительно или отрицательно на запросы о
регистрации и аутентификации. Если и та, и другая процедуры завершились
успешно, ТД назначает Т MAC – адрес,
передавая его пакетом канала FACCH, и заносит Т в
список активных абонентов. В режиме ожидания Т принимает широковещательную
информацию, с помощью которой ведётся опрос активных абонентов. По каналу FACCH Т отвечает ТД, что он активен. В начале режима
передачи Т по каналу RACH передаёт пакет
запроса ФК. ТД проверяет наличие свободных каналов, или же забирает каналы у
других терминалов, и присваивает их Т, посылая соответствующий пакет с командой
управления по каналу AGCH. И далее Т
ведёт передачу данных пакетами по каналу TCH. По окончании приёма каждого пакета, Т отвечает точке доступа пакетом правильности/ошибочности приёма. Если сигнал в пакете - NAC, то осуществляется перепосылка пакета.
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.
Физический уровень выполняет задачу преобразования потока бит в радиосигнал с параметрами, соответствующими ТЗ, и обратно. На данном уровне ведётся борьба с ошибками (помехоустойчивое кодирование/декодирование, перемежение/деперемежение), выполняются задачи синхронизации/подстройки частоты. Также здесь реализована измерительная подсистема, требующая передачи известного на приёмной стороне сигнала и измерения его уровня. Если говорить о радиоинтерфейсе, то он будет организован следующим образом:
Каждый физический канал представляет собой мультикадр. 50 мультикадров образуют кадр. Каждый мультикадр разбивается на 300 слотов, в которых и передаётся информация либо канала трафика, либо канала управления. Так как скорости передачи данных по линии вверх и вниз отличаются в два раза, то и временной дуплекс будет осуществлён путём образования линии вверх сотней слотов, а линией вниз – двумя сотнями слотов. Число выделяемых каналов управления по сравнению с каналами трафика будет соответствовать пропорции 1 к 100 (рисунок 14).
Рисунок 14. Структура радиоинтерфейса.
Важным процессом при передаче данных является
инкапсуляция данных. При продвижении пакета данных по уровням сверху вниз, каждый уровень добавляет нужную для работы этого уровня на приёмной стороне информацию в виде заголовка или "прицепа", а нижележащий уровень работает с пакетом как с единым, не разбитым на части, добавляя в свою очередь к нему свою служебную информацию. Таким образом, исходное сообщение дополнительно обрастает служебной информацией.
1.7.2. Расчет полной пропускной способности физического КС соединения «терминал-БС».
Пропускная способность составляет 672 Кбит/с. При получении данного значения были учтены помехоустойчивое кодирование и добавлено 10% на формирование преамбулы физического уровня.
1.7.3. Анализ и обоснованный выбор мер по защите физического уровня от многолучевости.
Очень эффективную меру защиты от многолучевости несет в себе сама технология OFDM. Дело в том, что неотъемлемой частью этой технологии является циклический префикс – циклическое повторение окончания символа, переставляемое в начало символа. Циклический префикс является избыточной информацией и снижает полезную скорость передачи, но именно он служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции. Эта избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приеме символа в приемнике. Наличие циклического префикса создает временные паузы между отдельными символами, и если длительность циклического префикса превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольной интерференции не возникает.
Так что, разработка дополнительных мер защиты от многолучевости 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 выбранного вида и типа модуляции/демодуляции.
В соответствии с приложением 1 “Инструкции о порядке регистрации и эксплуатации любительских радиостанций” [2], полоса частот 1260-1300 МГц может использоваться любительской службой с мощностью передатчика до 5 Вт на вторичной основе. В отдельных случаях (для любительских ретрансляторов) допускается использование передатчиков с мощностью до 100 Вт при условии согласования мест размещения станций в установленном порядке. Мощность излучения подвижной станцией по ТЗ менее 3 Вт. В соответствии с “Приложением к решению ГКРЧ от 10 марта 2011 г. № 11-11-03” [3]
, уточняем выбранный диапазон: 1270,000-1290,994 МГц, предназначенный для всех видов модуляции и использования с уровнем излучаемой мощности до 10 Вт.
Наш выбор пал на УВЧ, так как в этом диапазоне можно разместить большое число поднесущих , из-за высокой несущей частоты. Благодаря распространению волн только в пределах прямой видимости и отсутствию поверхностной волны практически полностью исключены явления интерференции волн и, следовательно, искажения сообщений. Так же важным преимуществом данного диапазона является использование антенн малых размеров. Найдём задухание по соответствующей модели:
Ltotal = 20 * log10 f + N * log10 d + Lf (n) – 28 (1)
d – расстояние между Т и ТД. Примем его равным 200 м.
N = 28 - дистанционный коэффициент потерь мощности для офисного помещения;
n = 3 – максимальное количество этажей между точкой доступа и терминалами (n >1).
Ltotal= 157.505 дБ.
Выберем модуляцию QPSK:
Минимальная полоса пропускания Δf:
Δf = R/ log2 (4)=670000/4=167500 Гц; (2)
Шумовая полоса приемника Пш:
Пш
= Δf*1.1= 167500*1.1=184300 Гц ; (3)
Шумовая температура:
T= 296 К ;
Постоянная Больцмана:
k = 1.38*10-23 Дж/К;
Мощность шума Pш:
Pш=
k*T*Пш=1.38*10-23*296*184300 =1168252800*10-23 = 0.75*10-15Вт; Pш=0.75*10-15Вт
= - 151,233 дБ; (4)
Постоим график зависимости вероятности символьной ошибки от Eb/N0 для QPSK:
Рисунок 15. Зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ.
Как видно из рисунка, нам необходимо 11 дБ, чтобы обеспечить нужную нам вероятность битовой ошибки.
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 (худший случай) с целью получения выигрыша в ОСШ.
Суть свёрточного кодирования заключается в том, что к последовательности передаваемых битов добавляются служебные биты, значения которых зависят от нескольких предыдущих переданных битов. Сверточный кодер добавляет определенную избыточную информацию к исходной последовательности, что позволяет исправить ошибки, возникающие при передаче на приемной стороне. Плюс сверточного кодирование намного лучше борется с одиночными ошибками. Свёрточные коды эффективно работают в канале с белым шумом, но плохо справляются с пакетами ошибок. Декодирование свёрточных кодов, как правило, производится по алгоритму Витерби, который пытается восстановить переданную последовательность согласно критерию максимального правдоподобия. 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. Для оценки количества дополнительных битов, необходимых для исправления ошибок, нужно знать расстояние Хемминга между разрешенными комбинациями кода (расстояние Хемминга – минимальное число битовых разрядов, в которых отличается любая пара разрешенных кодов).
Для обеспечения борьбы с пакетными ошибками, в данной системе будем использовать перемежение, а именно блочное. Идея блочного перемежения в том, что исходная кодовая последовательность из L символов разбивается на M блоков по N символов в каждом и преобразуется в матрицу размером L = [ N x M ], где N — число символов в строк, а M — число столбцов. Операция блочного перемежения заключается в последовательной построчной записи входных данных и считывании этой информации по столбцам. На приемной стороне выполняется деперемежение: запись производится по столбцам, а чтение по строкам. При этом происходит восстановление исходного порядка следования символов.
Максимальное расстояние, на которое разносятся соседние символы (глубина перемежения) определяется как d = T * M (где T — длительность символа). Если время, в течение которого происходил сбой сигнала, меньше глубины перемежения, любой пакет ошибок будет преобразован в группу из M одиночных ошибок, которые легко устраняются сверточным кодом.
В общем случае выбор глубины перемежения зависит от двух факторов:
1. Чем больше расстояние между соседними символами, тем большей длины пакет ошибок может быть исправлен.
2. Чем больше глубина перемежения, тем сложнее аппаратно-программная реализация оборудования и больше задержка сигнала.
Для оценки эффективности кодирования в среде Matlab воспользуемся средством bertool и построим графики зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ (рисунок 16).
Рисунок 16. Зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ в случаях с кодированием и без.
Как мы видим из рисунков, выигрыш составил около 3.3 дБ.
С учетом сверточного кодирования со скоростью 1/2, скорость битового потока станет 672 Кбит/с (п. 1.6.3.).
1.7.6. Оценка уровня мощности излучения передающего устройства, сравнение с заданным значением Ризл АС; сделать выводы, при необходимости вернуться к п.1.7.4, 1.7.5. Расчет чувствительности приемников АС (БС).
Чувствительность приемника:
Pпрм = Pш + Nk + C/N,(5)
где Nk = 10 дБ – мощность шума первых каскадов.
C/N = Eb/N0 + 10 * log (R / Пш) = 8,7 + 5,605 = 14,305 дБ; (6)
Pпрм = - 151,233 + 10 + 14,305=
-126,928 дБ; (7)
Pпрм = 10( Pпрм дБ/10) = 10 -12,7 = 1,995*10 -13 Вт; (8)
Мощность передатчика рассчитывается по формуле:
Pпрд
= Pпрм + L – GT - GR, (9) где
GT = 2 дБ - коэффициент усиления передающей антенны,
GR = 2 дБ - коэффициент усиления приемной антенны,
L = 157,505 дБ - затухание в радиоканале;
Pпрд
= -126,928 +157,505 – 2 – 2 = 26,577дБ; (10)
Pпрд
= 10( Pпрд дБ/10)=10-2,657 = 2,2 мВт; (11)
1.7.7. Пояснение функциональной схемы физического уровня системы.
Функциональная схема физического уровня системы будет выглядеть следующим образом (рисунок 17).
Рисунок 17. Функциональная схема физического уровня.
На приёмной стороне будут проходить обратные операции. Поток
бит поступает на кодер (скорость кодирования 1/2 или 3/4 в зависимости от
помехообстановки). После чего кодированные биты идут на перемежитель. Далее происходит
QPSK-модуляция и OFDM
модуляция со вставкой преамбулы для синхронизации.
1.7.8. Пояснение назначения логических каналов связи, используемых на физическом уровне.
На физическом уровне используются такие каналы как FACCH, SCH, FCH и TCH. FACCH используется для работы контрольно-измерительной службы. На основании битов, означающих уровень сигнала, уровень принятия решений делает вывод о том, нужно ли ему переключиться на другую точку доступа. SCH и FCH нужны для временной и частотной синхронизации. По каналу TCH передаётся трафик.
1.7.9. Определение типов пакетов физического уровня, обоснование структуры полей пакетов каждого типа, оценка размеров полей.
Пакеты физического уровня будут представлять собой OFDM символы. Каждый OFDM символ будет содержать преамбулу, необходимую для частотной и временной синхронизации, и информационную часть. Зададимся числом поднесущих OFDM, равным 16. Общая пропускная способность канала - 672 Кбит/с. Тогда пропускная способность каждой поднесущей должна быть не менее 672/16=42 Кбит/с. Исходя из значения спектральной эффективности 1 бит на Герц, полосу в 42 КГц. С учётом применяемой модуляции (QPSK), которая ставит двум битам 1 OFDM символ, получим 42/2=21 КГц - ширина полосы. Однако это ширина полосы половины главного лепестка OFDM символа, поэтому в итоге полоса OFDM символа равна 21*2=42 КГц. На 16 информационных поднесущих нужно хотя бы 4 пилотных, и 2 защитных интервала. Всего получаем 22 поднесущих. Таким образом, общая полоса, занимаемая каналом трафика, равна 22*42=924 КГц (Рисунок 18).
Рисунок 18. Структура OFDM символов.
Список литературы:
1. Бакке А. В. Конспект лекций по курсу СССсПО, РГРТУ, Рязань, 2012 г.
2. http://www.srr.ru/DOCUMENTS/suppl1.php
4. http://pro3gsm.com/logicheskie-kanalyi-v-gsm/
5. http://l49-167-228.cn.ru/publica/netst/2.2.9.1.4.htm
6. http://www.iso27000.ru/chitalnyi-zai/kriptografiya/mehanizmy-kontrolya-celostnosti-dannyh