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.

 В разрабатываемой системе канальный уровень решает задачи адресной доставки сообщений, поступающих с уровня управления, проверка целостности принимаемых с физического уровня сообщений, а также управление доступом к физическому КС. В связи с этим на канальном уровне должны быть реализованы соответствующие службы.

Служба адресации реализует адресную передачу сообщений, путем вставки адреса РМ или ТС в соответствующее поле пакета канального уровня. Адреса всех радиомаяков известны всем точкам сбора. Эти адреса представляют собой уникальные идентификаторы радиомаяков ID_РМ. Радиомаяки не хранят в своей памяти адреса ТС, т.к. они могут получить адрес точки сбора, в зоне действия которой они находятся, в составе широковещательного сообщения. Изначально было заложено, что в соревнованиях будет участвовать не более 30 человек. Т.е. это не менее 30 радиомаяков, а значит и не менее 30 уникальных идентификаторов ID_РМ (адресов). Т.к. адрес каждого РМ на канальном уровне представляется в двоичной форме, то поле адреса сообщения канального уровня должно состоять из 5 битов (2⁵=32). Но также ранее было оговорено, что необходимо иметь несколько запасных РМ, в случае выхода из строя основных. С учетом форс-мажорных обстоятельств на каждого спортсмена необходимо предусмотреть по 2 РМ, что в целом дает использование шестидесяти РМ, 30 основных и 30 запасных. Поэтому поле адреса должно состоять не из 5, а из 6 битов (2⁶=64). Различие адресов ТС радиомаякам не принципиально, т.к. они могут передавать сообщения только той ТС, в зоне которой они находятся. Поэтому в поле адреса сообщения канального уровня, формируемое точкой сбора, можно было указывать одно и то же значение. Но, т.к. ТС должна получать сообщения подсистем управления и сигнализации, расположенных в ЦСИ, необходимо каждой ТС присвоить свой адрес (уникальный идентификатор ID_ТС). Всего в данной системе используется 15 ТС (каждые 10 км вдоль 150 км трассы), т.е. к 60 ID_РМ необходимо добавить еще 15 ID_ТС. С учетом того, что в системе существует возможность обслуживания «посторонних» терминалов, то окончательно поле адреса должно состоять из 7 бит (2⁷=128). Нумерацию ТС целесообразно начинать с номера 100 (в десятичной системе).

Помимо адресных сообщений в системе используются также широковещательные сообщения канального уровня. Широковещательное сообщение содержит в себе идентификатор сети ID_С и уникальный идентификатор ТС ID_ТС. Поле адреса такого сообщения должно содержать 7 нулей, т.е. не должно быть предназначено конкретному РМ.

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-12, поэтому соответствующее поле пакета канального уровня будет содержать 12 битов.

На канальном уровне используется несколько типов логических каналов связи (ЛКС). Наличие того или иного типа ЛКС определим исходя из сценария взаимодействия РМ с ТС [Система сбора данных с подвижных станций. Часть 2.]. После включения, ТС начинает излучать широковещательную информацию о сети. Соответственно для передачи этой информации необходимо организовать широковещательный канал (BCCH). Широковещательное сообщение содержит в себе идентификатор сети ID_С и уникальный идентификатор ТС ID_ТС. При получении такого сообщения РМ должен определить, имеет ли он право на обслуживание в этой сети. Право на обслуживание определяется исходя из сравнения полученного ID_С и записанного в его памяти. Если они совпадают, то РМ, по указанному в широковещательном сообщении адресу, может сделать запрос на ТС о предоставление ему канала передачи данных. При несовпадении ID_С, РМ должен продолжить поиск сети в которой он зарегистрирован.  Если приняв широковещательное сообщение РМ определит, что в его памяти не записан идентификатор сети ID_С, то он может послать запрос на регистрацию в этой сети. При успешной регистрации, РМ сохраняет в памяти идентификатор сети ID_С.

Запрос на регистрацию в сети или на предоставление канала передачи данных, РМ может сделать по каналу случайного доступа (RACH). Поскольку этот канал является общим для всех радиомаяков, его захват осуществляется на основе конкурентной борьбы. Сообщение, передаваемое по каналу RACH содержит в себе адрес РМ (ID_РМ), информацию о профиле функционирования и информацию о том, какие услуги он хотел бы получить. Выигравший конкурентную борьбу РМ, должен получить от ТС пакет оповещения, в котором содержится информация о том, что заявка этого РМ была принята, и что ему предоставляется канал для передачи данных. Пакет оповещения формируется только в том случае, если принятое по каналу RACH сообщение, содержит уникальный идентификатор ID_РМ, совпадающий с сохраненным в памяти ТС. Пакет оповещения передается по каналу разрешенного доступа (AGCH). Этот пакет также содержит информацию о профиле функционирования ТС. Приняв пакет оповещения, и перестроившись на профиль в нем указанный, РМ начинает передачу данных по каналу трафика (TCH). После передачи накопленных данных, РМ должен получить пакет подтверждения правильного приема сообщений. Пакет подтверждения передается по каналу сигнализации (SCH). Если в процессе передачи произошла ошибка, то такого подтверждения РМ не получает и он должен снова вступить в конкурентную борьбу за канал для повторной передачи данных. Соответственно в данной системе нет смысла использовать ARQ, т.к. для повторной передачи данных радиомаяку нужно снова бороться за КС. Достоверность принимаемых сообщений будет оцениваться на основе расчета контрольным сумм CRC службой проверки целостности.

Главным атрибутом передачи сообщений по различным ЛКС является то, что сообщения каждого ЛКС на физическом уровне должны быть дополнены данными синхронизации и коррекции частоты. 

Таблица 1. Сводная таблица ЛКС канального уровня.

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

 Анализ необходимости наличия разных профилей настройки физического уровня, был проведен в предыдущей статье [Система сбора данных с подвижных станций. Часть 2.]. Выбор того или иного профиля осуществляется на основании результатов работы подсистемы радиоизмерений, расположенной на физическом уровне. По умолчанию можно устанавливать профиль с высокой скоростью и низкой помехозащищенностью передачи данных. При выявлении ухудшения качества КС, подсистема радиоизмерений посылает сообщение сигнализации на уровень управления. В ответ уровень управления должен сформировать сообщение управление и отправить его подсистеме управления профилями (рис.4. Система сбора данных с подвижных станций. Часть 2). Подсистема управления профилями должна изменить вид модуляции, кодирования и перемежения на низкоскоростной и более помехозащищенный.  Информация о профиле функционирования РМ, передается по каналу RACH вместе с запросом на предоставление индивидуального КС. Информация о профиле функционирования ТС, передается по каналу AGCH в пакете оповещения. Прежде чем осуществить передачу данных, РМ и ТС должны настроиться на одинаковый профиль функционирования физического уровня.

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

Проведем анализ структур сообщений канального уровня. Для удобства взаимодействия РМ и ТС целесообразно все типы пакетов канального уровня привести к одинаковой длине.

Общими полями для всех пакетов будут являться: поле адреса, поле с указанием типа пакета, поле данных, поле контрольной суммы, поле с указанием размера информационной части пакета.

Рис. 1. Общая структура пакетов канального уровня.

Ранее, при описании службы адресации, было отмечено, что поле адреса должно состоять из 7 бит. Поскольку в системе возможна передача 5 видов сообщений (таблица 1), то поле с указанием типа пакета должно состоять из 3 битов (2³=8). В качестве CRC будем использовать CRC – 12. Соответственно поле контрольной суммы будет состоять из 12 битов. Общая длина пакета канального уровня, в зависимости от профиля настройки физического уровня, должна составлять 106 или 120 битов (п.4.). Соответственно поле длины информационной части пакета должно содержать 7 бит (2⁷=128).

Основным видом сообщений, передаваемых в системе, являются сообщения канала трафика TCH, поэтому разработку структур пакетов начнем с описания пакета этого вида. Помимо основных полей, сообщения канала трафика должны содержать в себе поле с указанием номера пакета. Это поле необходимо для того, чтобы при повторной передаче данных радиомаяком, передавались не все пакеты, а только те, которые были приняты с ошибкой. В поле адреса будет указываться идентификатор ТС ID_ТС, в зоне обслуживания которой находится РМ. Поле «данные» будет содержать в себе непосредственно передаваемые телеметрические данные. Размерность этого поля будет составлять либо 120 – 7 – 7 - 7 – 3 - 12 = 84 бита, либо 106 – 7 – 7 - 7 – 3 – 12 = 70 битов.

Рис.2. Структура сообщения канала трафика TCH.

 Широковещательное сообщение (BCCH). В поле адреса этого типа сообщений будет установлена последовательность из 7 нулей, т.е. оно не будет адресовано конкретному РМ (нулевой терминал). Пакет широковещательного сообщения вместо поля данных, будет иметь 2 поля, в которых передаются идентификатор сети ID_С и идентификатор (адрес) ТС ID_ТС. Чтобы привести в равенство размеры пакетов широковещательного ЛКС и канала трафика, необходимо в конец пакета добавить несколько нулевых бит.

Рис.3. Структура сообщения широковещательного канала BCCH.

Сообщение канала случайного доступа (RACH). В поле адреса такого типа сообщений будет указан адрес (идентификатор) ТС ID_ТС,  в зоне действия которой, находится РМ. В составе этого сообщения будет передаваться идентификатор (адрес) РМ ID_РМ, делающего запрос на предоставление ему индивидуального КС. В информационном поле будет содержаться код запрашиваемой РМ услуги.

Рис.4. Структура сообщения канала случайного доступа RACH.

Сообщение канала разрешенного доступа (AGCH). В поле адреса такого типа сообщений будет указан адрес (идентификатор) РМ ID_РМ, выигравшего в конкурентной борьбе за КС. В информационном поле будет содержаться код, отражающий дальнейшие действия РМ.

Рис.5. Структура сообщения канала разрешенного доступа AGCH.

Сообщение канала сигнализации (SCH). Структура этого сообщения такая же, как и у сообщения канала AGCH. Единственным отличием является, соответственно, тип пакета.

Рис.6. Структура сообщения канала сигнализации SCH.

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.

Описание назначения физического уровня и задействованных на нем сервисов, было изложено в предыдущей статье [Система сбора данных с подвижных станций. Часть 2.].

Опишем структуру радиоинтерфейса. Временные интервалы сбора данных с РМ будут представлять собой мультикадры. Поскольку всего в системе используется 15 ТС, то соответственно сбор данных будет осуществляться 15 раз за весь период соревнования. Т.е. полный цикл передачи данных всеми РМ будет состоять из 15 мультикадров. 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 РМ будут вступать в конкурентную борьбу за предоставление им индивидуального канала связи. Количество временных слотов, предоставляемых каждому типу ЛКС, можно определить исходя из долевой оценки пропускной способности ЛКС. Долевую оценку удобно провести, используя процентное соотношение времени предоставления того или иного типа ЛКС и общей пропускной способности. Если общую пропускную способность принять за 100%, то на широковещательный канал (BCCH) отводится 1% от всей пропускной способности, на канал случайного доступа (RACH) приходится 3%, на канал разрешенного доступа (AGCH) приходится 1% , на канал сигнализации (SCH) отводится 1% от общей пропускной способности ЛКС. Все остальные временные слоты в рамках кадра занимает передача данных по каналу трафика (ТСН). На канал передачи данных отводится 94% от общей пропускной способности (100%-1%-3%-1%-1%). 

Расчет полной пропускной способности физического КС будет произведен в п. 1.7.5.

Структура радиоинтерфейса была приведена на рисунке 3, предыдущей статьи (Система сбора данных с подвижных станций. Часть 2.).

Важную роль, при передаче сообщений ЛКС по радиоинтерфейсу, играет инкапсуляция этих сообщений. Процесс инкапсуляции состоит в добавлении, к пришедшему с верхнего уровня сообщению, дополнительной служебной информации текущего уровня. Т.е. на физическом уровне сообщение канального уровня, состоящее из полей адреса, типа пакета и т.д., рассматривается как единый блок данных. Физический уровень должен только осуществить передачу этого блока данных по радиоинтерфейсу, предварительно дополнив его служебной информацией, которая имеет значение только в рамках физического уровня различных сетевых устройств.

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

Как отмечалось в предыдущей статье (Система сбора данных с подвижных станций. Часть 2.) для борьбы с многолучевым распространением будем использовать сигналы с ортогональной частотной модуляцией (OFDM). Технология OFDM построена таким образом, что сама по себе является эффективной мерой защиты физического уровня от многолучевости. Поэтому разработка дополнительных мер по борьбе с многолучевым распространением не требуется.

1.7.3. 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.

 В соответствии с решением ГКРЧ № 06-18-04-001 «О выделении полос радиочастот в диапазоне 450 МГц для радиоэлектронных средств фиксированной и сухопутной подвижной радиосвязи гражданского назначения», выберем для функционирования разрабатываемой системы полосу частот 403-410 МГц. Этот диапазон не является лицензируемым и может использоваться для организации диспетчерской радиосвязи, производственной телеметрии, сухопутной подвижной радиосвязи [5].

Проведем энергетический расчет системы на основании выбранного диапазона частот.

Оценку уровня потерь при распространении радиоволн между РМ и ТС будем осуществлять, используя модель предсказания потерь Окамуры-Хата [6]. Т.к. разрабатываемая система будет использоваться преимущественно в сельской местности с небольшим количеством строений, то общие потери распространения будут рассчитываться по формуле (1):

Здесь f0  - несущая частота, МГц;  r – расстояние между антенной ТС и антенной РМ, км;  hТС– высота антенны ТС;  hРМ– высота антенны РМ.

Поправочный коэффициент a(hРМ) вычисляется по формуле (2):

Приняв f0 = 410 МГц, r = 0,07 км, hРМ = 1 м, hТС = 10 м , получим, что общие потери распространения радиоволн на трассе РМ-ТС составляют:

L = 118,4 дБ.

Правильность полученного результата проверим на основе сравнения с потерями  распространения радиоволн в свободном пространстве (LOS). При этом затухание радиоволн в свободном пространстве должно быть меньше затухания радиоволн, на пути распространения которых, имеются препятствия.

В соответствии с условием LOS:

Приняв f = 410 МГц и r = 70 м, получим, что потери распространения в свободном пространстве составляют:

На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что затухание радиоволн в свободном пространстве меньше затухания в сельской местности, т.е.  расчет потерь распространения радиоволн был сделан без ошибок.

 В зависимости от качества канала связи предусматривается 2 профиля функционирования физического уровня. Эти профили будут отличаться видом модуляции, типом кодирования и глубиной перемежения (Система сбора данных с подвижных станций. Часть 2.).

Вначале определимся с видом модуляции, используемой в каждом из профилей. Для канала с низким качеством будем использовать модуляцию QPSK. Этот вид модуляции обеспечивает относительно небольшую скорость передачи сообщений, но и характеризуется малой вероятностью возникновения ошибок. Для канала с хорошим качеством будем использовать модуляцию QAM-16, т.к. этот вид модуляция обеспечивает более высокую скорость передачи сообщений, нежели QPSK, но, соответственно, характеризуется более высокой вероятностью возникновения ошибок, по сравнению все с той же QPSK – модуляцией. 

Рис.8. Зависимости вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и QAM-16 модуляций.

Из приведенных зависимостей вероятностей битовой ошибки от ОСШ можно сделать вывод о том, что для достижения необходимой вероятности ошибки на бит (Pb =  10^-5 по ТЗ), нужно обеспечить ОСШ равный 9,56 дБ при использовании QPSK модуляции и ОСШ равный 13,41 дБ при использовании  QAM-16  модуляции. Т.о. каналом с хорошим качеством будет являться КС обеспечивающий ОСШ не ниже 13,41 дБ, каналом с плохим качеством – обеспечивающий ОСШ в интервале от 9,56  до 13,41 дБ.

1.7.4. Обоснованный выбор метода помехоустойчивого кодирования, перемежения, деперемежения, оценка эффективности кодирования.

Определимся с методами помехоустойчивого кодирования и перемежения. Поскольку физический уровень будет работать только с блоками данных, поступающих с физического уровня, удобно воспользоваться блоковым кодером. Кодирование будет осуществляться с использованием БЧХ кодов. Необходимо произвести расчет размерностей блоков данных до и после кодирования, а также, сколько ошибочных бит данный код будет обнаруживать, и исправлять при заданных размерностях. С этой целью воспользуемся встроенной функцией MATLAB  bchnumerr(). В результате для канала с хорошим качеством будеv использовать код (127,120,1), где 120 бит – размерность блока данных до кодирования, 127 бит – размерность блока данных после кодирования. Данный код вносит 7 избыточных бит и способен исправить 1 ошибку в блоке данных. Для канала с плохим качеством будем использовать код (127,106,3). Данный код вносит избыточность в размере 21 бита и способен исправить 3 ошибки на блок данных. На основании полученных данных необходимо скорректировать полученные ранее размерности сообщений канального уровня.

Рис.9. Зависимости вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и QAM-16 модуляций при использовании помехоустойчивого кодирования.

Для достижения заданной вероятности ошибки на бит, необходимо обеспечить ОСШ равное 6,87 дБ, при использовании QPSK модуляции, и ОСШ равное 11,89 дБ, при использовании QAM-16 модуляции. 

Таким образом, при использовании помехоустойчивого кодирования достигается энергетический выигрыш в ОСШ для каналов с плохим качеством – 2,69 дБ, для каналов с хорошим качеством выигрыш в ОСШ составляет 1,52 дБ.

Для борьбы с пакетами ошибок в системе используется блочное перемежение. 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 строке, 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.

В данной системе исходная закодированная последовательность размером 127 бит поступает на вход блочного перемежителя. К этой последовательности добавляется один нулевой хвостовой бит, с целью приведения длины последовательности к кратной степени двойки (выполнение этой операции также необходимо для корректной работы модулятора). Эта последовательность разбивается на 16 блоков по 8 бит в каждом. Далее происходит сама процедура перемежения.

Максимальное расстояние, на которое разносятся соседние символы, называется глубиной перемежения. Если время, в течение которого происходил сбой сигнала, меньше глубины перемежения, то любой пакет ошибок будет преобразован в группу из M одиночных ошибок, которые легко устраняются блоковым кодом. Для оценки глубины перемежения необходимо определить длительность одного бита. Для оценки глубины перемежения необходимо определить время когерентности канала связи.

Время когерентности определяется по формуле:

Где F_d – доплеровское смещение частоты.

Смещение частоты определим по формуле:

Где f₀ = 410 МГц – несущая частота, v_{d max} – максимальная скорость движения, которую могут развить спортсмены, с = 3·10⁸ м/с – скорость распространения радиоволн (скорость света).

Предположим, что максимальная скорость движения спортсменов равна v_{d max}  = 60 км/ч = 16,7 м/с.          Тогда максимальное смещение частоты будет равно:

Таким образом, глубина перемежения:

d = T_ког = 0,022 с.

1.7.5. Оценка уровня мощности излучения передающего устройства, сравнение с заданным значением Pизл АС. Расчет чувствительности приемника.

 Оценим уровень мощности излучения передающего устройства  Pизл РМ при использовании QPSK  модуляции.

1.7.6. Пояснение функциональной схемы физического уровня системы. Пояснение назначения логических каналов связи, используемых на физическом уровне.

 Функциональная схема физического уровня приведена в предыдущей статье (Система сбора данных с подвижных станций. Часть 2.).

На физическом уровне будут использоваться следующие виды логических каналов связи:

1. Канал временной синхронизации  (SCH). Реализуется в виде преамбулы, добавляемой к пакету физического уровня и предназначен для обеспечения временной синхронизации.

2. Канал частотной синхронизации (FCH). Входит в состав преамбулы сообщения и предназначен для обеспечения частотной синхронизации.

3. Канал трафика (TCH). Предназначен для непосредственной передачи сообщений физического уровня.

4. Канал радиоизмерительной службы (FACCH). Входит в состав преамбулы сообщения и предназначен для оценки качества сигнала в канале связи.

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

Пакет физического уровня в общем случае будет состоять из трех полей: поля преамбулы, сервисного поля и поля данных. Преамбула предназначена для временной и частотной синхронизации, а также для работы подсистемы радиоизмерений. Преамбула будет передаваться посредством двух символов OFDM с использованием QPSK модуляции. Сервисное поле будет содержать информацию о параметрах пакета, например, используемом виде модуляции. Это поле будет содержать 8 бит и передаваться посредством одного символа OFDM с использованием QPSK модуляции. Поле данных будет содержать закодированные помехоустойчивым кодером данные, и иметь длину, равную 128 битам. 

Рис.10. Структура пакетов физического уровня и формирование OFDM сигнала.

При использовании профиля с модуляцией QPSK, параметрами кодирования (127,106) и глубиной перемежения d = 0,022 с, поле «данные» будет состоять из 106 бит данных канального уровня, 21 избыточных бит и 1 нулевого бита, необходимого для приведения длины пакета к кратной степени 2. В данном случае число битов, передаваемых в одном OFDM символе, будет соответствовать 8 битам пакета физического уровня. Всего будет передаваться 19 OFDM символов.

При использовании профиля с модуляцией QAM-16, параметрами кодирования (127,120) и глубиной перемежения d = 0,022 с, поле «данные» будет состоять из 120 бит данных канального уровня, 7 избыточных бит и 1 нулевого бита. В этом случае число битов, передаваемых в одном символе OFDM, будет соответствовать 16 битам пакета физического уровня. Всего будет передаваться 11 OFDM символов.

Передача одного OFDM символа будет осуществляться с использованием 9 поднесущих: 4 поднесущие используются для передачи данных, 2 – для передачи пилот сигналов, 2 – для использования защитных интервалов и 1 нулевая поднесущая для идентификации центральной частоты OFDM сигнала.

1. А.В. Бакке. «Лекции по курсу ССПО», Рязань, РГРТУ 2012.

2. Основы построения беспроводных сетей стандарта 802.11: методические указания к лабораторной работе / Рязан. гос. радиотехн. ун-т; сост.: А.В. Бакке. -Рязань, 2008. -52 с.

3. Система сбора данных с подвижных станций. Часть 1.

4. Система сбора данных с подвижных станций. Часть 2.

5. Решение ГКРЧ № 06-18-04-001 «О выделении полос радиочастот в диапазоне 450 МГц для радиоэлектронных средств фиксированной и сухопутной подвижной радиосвязи гражданского назначения». 

http://www.rfcmd.ru/sphider/docs/GKRCh/GKRCh_06-18-04-001_ot_11_12_2006.htm

6. "Модели распространения радиоволн"

Ламтев К.М.