СИСТЕМА СБОРА ДАННЫХ

С ПОДВИЖНЫХ СТАНЦИЙ

(часть 3)

 

С.А. Милованов, РГРТУ, гр.8110

КАКОВЫ СПОСОБЫ АДРЕСНОЙ И ШИРОКОВЕЩАТЕЛЬНОЙ ДОСТАВКИ СООБЩЕНИЙ КАНАЛЬНОГО УРОВНЯ?. 1

КАКИЕ ТИПЫ ЛОГИЧЕСКИХ КАНАЛОВ (ЛКС) ИСПОЛЬЗУЮТСЯ НА КАНАЛЬНОМ УРОВНЕ?. 2

ВОЗМОЖНО ЛИ ПРИМЕНЕНИЕ ARQ (AUTOMATIC REPEATRE QUEST) В ЛКС?. 2

КАКОВА СТРУКТУРА СООБЩЕНИЙ (ПАКЕТОВ) КАНАЛЬНОГО УРОВНЯ?. 3

КАКОЙ ЧАСТОТНЫЙ ДИАПАЗОН БУДЕТ ИСПОЛЬЗОВАН В СИСТЕМЕ? КАКОВЫ ПОТЕРИ ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ РАДИОВОЛН В ДАННОМ ДИАПАЗОНЕ?. 4

КАКОВО ЗНАЧЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ/ШУМ, ТРЕБУЕМОЕ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАДАННОЙ ВЕРОЯТНОСТИ БИТОВОЙ ОШИБКИ ДЛЯ ВЫБРАННЫХ ТИПОВ МОДУЛЯЦИИ/ДЕМОДУЛЯЦИИ?. 5

КАКИЕ МЕРЫ ПРИНИМАЮТСЯ В СИСТЕМЕ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ФИЗИЧЕСКОГО УРОВНЯ ОТ МНОГОЛУЧЕВОСТИ?. 6

КАК ПРОИСХОДИТ ОПЕРАТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОФИЛЯМИ ФИЗИЧЕСКОГО УРОВНЯ?. 8

КАКОВО НАЗНАЧЕНИЕ ЛОГИЧЕСКИХ КАНАЛОВ СВЯЗИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ НА ФИЗИЧЕСКОМ УРОВНЕ?. 8

ЧТО ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ РАДИОИНТЕРФЕЙС, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЙ ДВУСТОРОННИЙ ОБМЕН ДАННЫМИ?. 9

КАКОВА СКОРОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В СИСТЕМЕ?. 10

КАКОВ УРОВЕНЬ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ ПЕРЕДАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА? КАКОВА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ПРИЕМНИКОВ АС (БС)?. 10

Каковы способы адресной и широковещательной доставки сообщений канального уровня?

 

Описание сервисов канального уровня, применимо к нашей системе, а так же их назначение было рассмотрено во второй статье [6] в разделе описания канального уровня в составе модели OSI. Определим способы адресной и широковещательной доставки сообщений канального уровня.

Для обеспечения адресной доставки сообщений в системе, на канальном уровне используются уникальные идентификационные номера (id) устройств, участвующих в информационном обмене. В нашей системе такими устройствами являются подвижные терминалы и стационарные точки доступа. Идентификационные номера «жестко» прописываются в память устройств главным управляющим узлом сети – центром сбора информации (ЦСИ), имеющим возможность их оперативного изменения. Естественно, идентификационные номера устройств прописаны в двоичном формате. Диспетчер системы имеет возможность безошибочно различать устройства благодаря представленному ему сопоставлению двоичных идентификационных номеров устройств их интуитивно понятному текстовому или графическому представлению. Количество терминалов в нашей системе – десять, а количество точек доступа – двадцать (десять маршрутных такси работают на маршруте с двадцатью остановками). Соответственно, для представления идентификационного номера терминала необходимо и достаточно четырёх бит, для точки доступа – пяти бит. Однако с целью унификации длины адресных полей, считаю целесообразным выделять под адреса всех объектов сети пять бит.

С целью организации широковещательной передачи информации от точек доступа терминалам, широковещательное сообщение будет содержать специальный идентификационный номер, который каждый терминал так же будет считать «своим», например – «10111». Благодаря специальному идентификатору терминал не только имеет возможность принять широковещательную информацию, но и идентифицировать её именно как широковещательную.

 

Какие типы логических каналов (ЛКС) используются на канальном уровне?

 

Типы логических каналов, а так же их предназначение были рассмотрены во второй статье [6] в разделе описания сценария взаимодействия выделенных узлов сети. Вспомним, о чем шла речь, и перечислим используемые в системе логические каналы.

Канал широковещательной информации (ШВИ) - BCCH, предназначен для передачи от точки доступа терминалам своего уникального идентификационного номера (id_ТД), номеров каналов случайного и разрешенного доступа.

Канал случайного доступа, RACH, находится в монопольном владении всеми терминалами, предназначен для отправки на точку доступа заявки о предоставлении индивидуального канала для передачи информации, содержащей уникальный идентификатор терминала, посылающего заявку.

Канал разрешенного доступа, AGCH, необходим для передачи разрешенным терминалам, победившим в конкурентной борьбе за канал RACH и отправившим заявку, номеров индивидуальных каналов DTCH и DCCH.

Выделенный канал трафика, DTCH, предназначен для передачи «телеметрических» данных от терминала к точке доступа.

Выделенный канал управления, DCCH , предназначен для передачи команд управления от точки доступа терминалам. Это будут команды на смену профиля помеховой обстановки, команды на редактирование и очистку памяти, разрыв соединения, повторный запрос ошибочно принятого пакета, запрос информации о расходе топлива, а так же флаг успешного приема.

 

Ниже приведена сводная таблица логических каналов.

 

 

Возможно ли применение ARQ (Automatic Repeatre Quest) в ЛКС?

 

Во второй статье [6] при рассмотрении канального уровня системы OSI применительно к нашей сети был описан способ обеспечения достоверности принимаемых сообщений с использованием CRC в составе канального пакета. Результатом работы данного процесса является либо флаг успешно принятого кадра по завершению его приема, либо автоматически формируемые запросы на повторную передачу (ARQ) каждого ошибочно принятого пакета, содержащие номера данных пакетов. Если при передаче сообщений от терминала к точке доступа появились ошибочно принятые пакеты и три попытки повторной передачи не позволили от них избавиться, то сообщение считается не принятым, терминал получает соответствующее уведомление, выжидает две секунды (с целью возможного улучшения характеристики канала) и заново передает всё сообщение в рамках текущего сеанса. Такая процедура повторяется до тех пор, пока терминал не получит от точки доступа подтверждение успешного приема сообщения, либо пока терминал не выйдет из зоны взаимодействия с текущей точкой доступа (радиус – 200 м).

 

Какова структура сообщений (пакетов) канального уровня?

 

По каждому из перечисленных выше логических каналов канального уровня передаются собственные специфические по функциональности сообщения. Рассмотрим их структуру:

 

1.        Сообщение канала BCCH:

- тип сообщения (TYPE) – 3 бита;

- длина информационной части (LEN)– 8 бит;

- идентификационный номер точки доступа (ID_AP) – 5 бит;

- номер канала RACH (NUM_RACH) – 4 бита;

- номер канала AGCH (NUM_AGCH) – 4 бита;

- CRC – 4 бита;

- биты заполнения (FILL) – 43 бита.

 

2.        Сообщение канала RACH:

- тип сообщения (TYPE) – 3 бита;

- длина информационной части (LEN)– 8 бит;

- идентификационный номер терминала (ID_T) – 5 бит;

- CRC – 4 бита;

- биты заполнения (FILL) – 51 бит.

 

3.        Сообщение канала AGCH:

- тип сообщения (TYPE) – 3 бита;

- длина информационной части (LEN)– 8 бит;

- номер канала DTCH (NUM_DTCH) - 4 бита;

- номер канала DCCH (NUM_DCCH) – 4 бита;

- CRC – 4 бита;

- биты заполнения (FILL) – 48 бит.

 

4.        Сообщение канала DTCH:

- тип сообщения (TYPE) – 3 бита;

- длина информационной части (LEN)– 8 бит;

- номер пакета (NUMBER) – 8 бит;

- «телеметрические» данные (DATA) – 48 бит;

- CRC – 4 бита.

 

5.        Сообщение канала DCCH:

- тип сообщения (TYPE) – 3 бита;

- длина информационной части (LEN)– 8 бит;

- флаг успешного приема (FL) – 1 бит;

- команда управления (DIRECT) – 15 бит (в случае использования ARQ, команда управления будет так же содержать номер запрашиваемого пакета);

- CRC – 4 бита;

- биты заполнения (FILL) – 40 бит.

 

Из перечисленных выше полей, входящих в состав сообщений, речь еще не шла о полях «TYPE», «LEN» и «FILL». Тип сообщения - «TYPE» - поле, идентифицирующее принадлежность сообщения определенному логическому каналу. Всего 5 логических каналов, поэтому для данного поля достаточно 3 бита. Для того чтобы привести сообщения различных логических каналов к одинаковой длине, необходимо в конец сообщения поместить поле «пустых» битов (битов заполнения) – «FILL» - размерностью, позволяющей дополнить сообщение до длины самого «длинного» сообщения канала трафика (71 бит). Так же необходимо предусмотреть поле «LEN», определяющее размер «информационной» части сообщения, т.е. части, не содержащей битов заполнения. Отведем на данное поле 8 бит.

 

 

Рисунок 1. Обобщённая структура сообщений канального уровня

Процедуры типового обмена сообщениями между объектами канального уровня описаны во второй статье [6] при описании сценария взаимодействия терминала с точкой доступа.

 

Какой частотный диапазон будет использован в системе? Каковы потери при распространении радиоволн в данном диапазоне?

 

Для работы нашей системы целесообразно использовать диапазон 403-410 МГц, так как согласно решению ГКРЧ от 11.12.2006, данный диапазон выделяется гражданам Российской Федерации и российским юридическим лицам для разработки, производства и модернизации радиоэлектронных средств фиксированной и подвижной радиосвязи гражданского назначения без оформления отдельных решений ГКРЧ для каждого конкретного пользователя РЭС [2].

Если принять некую «идеализацию» антенных трактов терминала и базовой станции, то для изотропных передающей и приёмной антенн с коэффициентами усиления, равными 1 (т.е. для идеальных всенаправленных антенн), и при отсутствии препятствий в пределах прямой видимости (LOS), основные потери передачи рассчитываются по формуле [1, стр.81]:

 

                 (1)

 

- максимальный радиус действия радиомаяка, установленного на терминале. В соответствии с этим, потери в свободном пространстве для нашей системы равны:

 

 

Наша система, как и большинство сухопутных сотовых систем подвижной связи, работает в условиях распространения радиоволн при отсутствии прямой видимости (NLOS). Из (1) видно, что при работе в пределах прямой видимости (LOS), принимаемая мощность уменьшается по закону 1/r² по мере увеличения расстояния r между антеннами. Другими словами, средние потери при распространении растут пропорционально степени n рассеяния. Показатель степени n для систем прямой видимости при отсутствии препятствий на трассе распространения радиоволн равен 2 (n=2) [1, стр.83].

На основании экспериментальных данных была разработана и используется большинством инженеров достаточно общая модель для оценки потерь при распространении радиоволн при отсутствии прямой видимости. Эта модель описывается следующим выражением [1, стр.83]:

 

             (2)

 

и показывает, что средние потери при распространении (L) возрастают пропорционально некоторой степени расстояния. В формуле (2) символ ~ означает «пропорционально», а так же использованы следующие обозначения [1, стр.84]:

 

n – показатель степени, 3,5 ≤ n ≤ 5 (для нашей системы примем n = 3,5);

d – расстояние между передающей и приемной антеннами (для нашей системы d = 200 м);

d₀ – эталонное расстояние или длина отрезка трассы до первого препятствия (для нашей системы, учитывая среднюю плотность потока транспортных средств на городских улицах, d₀ = 10 м);

L_B – потери при распространении на трассе LOS для d₀ (формула (1));

L – суммарные потери комбинированной трассы, состоящей из NLOS и LOS.

 

Абсолютные средние потери при распространении L(d), выраженные в децибелах, определяются как потери при распространении от передатчика до точки на эталонном расстоянии L(d₀) плюс дополнительные потери при распространении, описываемые выражением (2). Таким образом [1, стр.84],

 

                 (3)

 

Вычислим абсолютные средние потери для нашей системы.

Для потерь распространения в свободном пространстве на расстоянии d₀ = 10 м используем (1):

 

 

Дополнительное расстояние d = 200(м) – 10(м) = 190(м). Это трасса распространения непрямой видимости (NLOS) с n = 3,5. Из (3) получаем:

 

 

 

Итак, полные средние потери на комбинированной LOS и NLOS трассе длиной 200 м для нашей системы, работающей на частоте 403 МГц, составляют -89 дБ.

 

Каково значение отношения сигнал/шум, требуемое для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки для выбранных типов модуляции/демодуляции?

 

Во второй статье [6], при рассмотрении физического уровня модели, был обоснован выбор двух различных видов модуляции/демодуляции, являющихся основой профилей адаптации к помеховой обстановке в канале связи. Это модуляции QPSK и 16-PSK.

Согласно техническому заданию, вероятность битовой ошибки при обмене информацией в нашей системе не должна превышать 3*10-5. С помощью системы MATLAB и инструмента Bit Error Rate Analysis Tool рассчитаем, при каком ОСШ обеспечивается заданная вероятность ошибки для используемых видов модуляции. Результаты расчетов представлены на рисунке 1.