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 нашей системе канальный уровень будет включать в себя два типа сервисов:

-          сервис доставки сообщений от светильников к ТУС и в обратном направлении;

-          сервис контроля целостности сообщений.

Каждый светильник в сети имеет свой уникальный номер (УН). При передаче сообщения какому-либо светильнику от ТУС в пакет добавляется поле с этим уникальным номером. Таким образом, светильник выделяет среди всего множества сообщений только те, которые адресованы именно ему и принимает их. Сообщения с чужими УН светильником не принимаются. Если рассматривать передачу информации в направлении от светильников к ТУС, то в этих сообщениях также должно быть поле с УН, так как ТУС должен определять от какого светильника пришла информация. Уникальные номера хранятся в памяти ПК, который входит в состав ТУС.

Очевидным является тот факт, что передаваемые пакеты в нашей системе могут быть подвержены разнообразным повреждениям, а, следовательно, необходимо выполнять контроль их целостности. Это задача возлагается на сервис контроля целостности сообщений, который вычисляет их контрольные суммы.

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 нашей радиосистеме управления освещением передаются небольшие объемы информации. В основном это данные о состоянии светильников и команды изменения профиля освещения. В связи с этим для функционирования нашей системы будет вполне достаточно использования одного канала. Информация о характеристиках этого канала будет изначально записана в память светильников и ТУС. Для каждого светильника строго установлено время, в течение которого он будет иметь доступ к каналу и может передавать по нему данные. В канале передачи фактически реализован метод ARQ. После каждого переданного определенному светильнику сообщения  ТУС ожидает в ответ подтверждение успешного приема и, если подтверждение не приходит, передает сообщение снова. В обратном направлении, когда светильники передают информационные данные на ТУС, они не ждут подтверждения успешного приема. В случае если пакет был принят неправильно или не был принят вовремя, ТУС отправляет повторный запрос. Подробнее схема приема/передачи сообщений описана и проиллюстрирована во второй статье (http://omoled.ru/publications/view/325). Решение о том достоверна ли информация в полученном пакете принимается на основе значения в поле контрольной суммы. Если это значение совпадает со значением, вычисленным по принятым битам, то выносится решение, что пакет принят правильно.

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

            Единственный канал, по которому передается весь объем информации будет занимать 100 % всей пропускной способности системы. По каналу будут передаваться команды управления световым потоком светильников (от ТУС), а в обратном направлении данные о мощности, потребляемой светильником и температуре излучающей панели и источника питания. Оценим какая скорость необходима нам для передачи информации. Ниже, в пункте  1.6.5., исходя из объемов передаваемой информации были рассчитаны размеры полей пакетов канального уровня. В пункте 1.7.5. – параметры блочного кода БЧХ. И в пункте 1.7.1. был рассчитан размер пакета физического уровня, который составил 157 бит. Скорость в нашей системе должна быть такой, что при запросе пользователем данных о показателях температуры и мощности, информация должна быть предоставлена с минимальной задержкой. Пусть эта задержка будет составлять 1 секунду. В нашей системе 200 светильников. Значит ТУС должен отправить 200 пакетов запроса (по одному каждому светильнику) и принять столько же. Некоторые из принятых пакетов могут оказаться поврежденными. Тогда ТУС должен запросить у них информацию повторно. Мы используем блочный код БЧХ с высокой исправляющей способностью равной 10, учитывая это можно сделать вывод, что число поврежденных пакетов, которые потребуется передать повторно будет невелико. Однако рассмотрим вариант, когда поврежденными окажутся примерно одна четвертая, т. е. 50 пакетов. В результате нужно будет отправить и принять еще по 50 пакетов. Получим, что за одну секунду необходимо принять и отправить в сумме около 500 пакетов, каждый из которых имеет размер 157 бит. Таким образом, скорость должна составлять примерно 157*500=78,5 Кбит/c. Выше был рассмотрен вариант достаточно неблагоприятного развития событий. Светильников в системе может быть меньше, также как и поврежденных в процессе передачи пакетов, и пользователь может получить обновленные данные даже быстрее чем за 1 секунду.

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

            Наша система достаточно проста, в ней нет подвижных элементов, а помехообстановка преимущественно постоянна. В связи с этим будет вполне достаточно одного профиля настройки физического уровня. В нем будет применяться QPSK модуляция, блочное кодирование БЧХ (127, 64) с исправляющей способностью равной 10.

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.

            Описание типов пакетов и назначения их полей, а также процедуры типового обмена сообщениями между объектами канального уровня было изложено во второй части курсового проекта (http://omoled.ru/publications/view/325). Теперь же оценим размеры полей пактов. Начнем с пакета в котором содержится информация о состоянии светильника. В нем должны передаваться три показателя: мощность, потребляемая светильником, температура излучающей панели и температура источника питания. Для освещения нашего склада будем использовать светильника, максимальная мощность потребления которых не будет превышать 1000 Вт. Тогда для передачи информации о мощности нам необходимо поле размером 10 бит (210=1024). Поля такого же размера используем и для информационных данных о температурах излучающей панели и источника питания. В результате информационное поле будет иметь размер 30 бит. По ТЗ в нашей системе может быть использовано до 200 светильников. Поэтому размер поля УН светильника составляет 8 бит (28=256). Размер всего пакета канального уровня будет составлять 64 бита.


Рисунок 1. Структура пакета канального уровня с информацией о состоянии характеристик светильника (передача осуществляется от светильника к ТУС).

 

Рисунок 2. Структура пакета, подтверждающего успешный прием светильником команды от ТУС  (передача осуществляется от светильника к ТУС).


Рисунок 3. Структура пакета, запрашивающего повторную передачу данных о состоянии светильника в случае если обновленные данные по какой-либо причине не были приняты или были приняты с ошибкой. (передача осуществляется от ТУС к светильнику).


Рисунок 4. Структура пакета, оповещающего светильники о том, что сейчас начнется передача команд, изменяющих профиль освещения (передача осуществляется от ТУС к светильнику).


Рисунок 5. Структура пакета, изменяющего профиль освещения светильника (передача осуществляется от ТУС к светильнику).


Рисунок 6. Структура пакета, оповещающего светильники о том, что передача команд, изменяющих профиль освещения закончена (передача осуществляется от ТУС к светильнику).

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 предназначен непосредственно для передачи потока данных. Он получает пакеты данных от вышележащего канального уровня и преобразует их в сигналы, соответствующие 0 и 1 бинарного потока. Эти сигналы посылаются через среду передачи на приемный узел. На физическом уровне выполняется помехоустойчивое кодирование.

Сообщение, поступившее с канального уровня на физический, уже не рассматривается как набор полей. Оно представляет собой одно поле, содержащее некоторое количество битов какой-либо информации, к которому добавляются другие поля физического уровня. Подобное добавление новых полей при продвижении сообщения от верхнего уровня к более низкому называется инкапсуляцией. Этот процесс изображен на рисунке 7, где нижний пакет представляет собой пакет нижнего физического уровня, пакет, располагающийся над ним – канального, и так далее вверх по модели OSI.


Рисунок 7. Инкапсуляция пакетов при переходе с верхнего уровня на более низкий.

            Размер сообщения на канальном уровне составляет 64 бита. После кодирования кодом БЧХ его длина увеличивается до 127 битов, и пакет физического уровня будет иметь размер 157 бит.

Описание структуры радиоинтерфейса, обеспечивающего двусторонний обмен данными представлено во второй части КП (http://omoled.ru/publications/view/325)

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

            Пропускная способность канала связи должна составлять 78,5 кбит/c. Расчет этого значения был произведен в пункте 1.6.3.

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

            Наша система расположена внутри помещения, в ней нет подвижных объектов, поэтому помехообстановка в ней практически неизменна. Однако мы все же используем помехоустойчивое кодирование. Помехоустойчивое кодирование добавляет избыточность в информацию, благодаря которой возможно исправление ошибок на приемной стороне.

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.

            На основании решения ГКРЧ № 04-03-04-003 от от 06 декабря 2004 года мы можем использовать для нашей системы полосу радиочастот 2400-2483,5 Мгц [6]. Выберем диапазон частот 2400-2410 МГц.

Оценим потери при распространении волн выбранного диапазона. Модели,  используемые при описании канала связи внутри зданий, отличаются от традиционных моделей канала мобильной тем, что размеры зоны покрытия существенно меньше, чем в городских условиях и условия распространения радиоволн более многообразны. Распространение радиоволн внутри зданий в основном определяется следующими параметрами: планировкой здания, строительными материалами, типом здания. Основные явления при распространении внутри зданий те же, что и в условиях города: отражение, дифракция, поглощение, рассеяние. Уровень сигнала зависит от того, где расположены антенны.  Внутри нашего склада множество перегородок, различных предметов, пиломатериалов, которые существенно влияют на формирование структуры электромагнитного поля внутри здания. Для расчета потерь будем использовать модель ITU  R 1238.

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

где:

N- дистанционный коэффициент потерь мощности;

f - частота (МГц);

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

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

n - количество этажей между базовой станцией и переносным терминалом (n ³ 1).

Таблица 1. Коэффициенты потери мощности, N, используемые 
при расчете потерь передачи внутри помещения

Частота

Жилые дома

Офисы

Промышленные здания

900 МГц

33

20

1,2–1,3 ГГц

32

22

1,8–2 ГГц

28

30

22

4 ГГц

28

22

5,2 ГГц

31

60 ГГц1

22

17

70 ГГц1

22

            В нашем помещении всего один этаж. Поэтому коэффициент потерь за счет прохождения сигнала через пол будем считать равным нулю. Подставим значения, соответствующие нашей системе:

Ltotal  =  20 log10 2405 +  22 log10 200  +  0  –  28 = 90,245 дБ.

            Выберем вид модуляции. Исходя из особенностей нашей системы,  оптимальным типом модуляции для нее будет QPSK, который при невысокой скорости обеспечивает малую вероятность возникновения ошибок. Рассчитаем другие параметры нашей системы:

Минимальная полоса пропускания Δf:

Δf = R/ log2 (4)=78500/2=39250 Гц;

Шумовая полоса приемника Пш:

Пш = Δf*1.1= 39250*1.1=43175 Гц;

Шумовая температура:

T= 296 К;

Постоянная Больцмана:

k = 1.38*10-23 Дж/К;

Мощность шума Pш:

= k*T*Пш = 1.38 * 10-23 * 296 * 43275 = 17676972 * 10-23 = 17,7 * 10-17 Вт;

= 17,7 * 10-17 Вт = - 157,52 дБ.

Постоим график зависимости вероятности символьной ошибки от Eb/N0 для QPSK:


Рисунок 8. График зависимости вероятности символьной ошибки от Eb/N0 для QPSK.

            Чтобы обеспечить необходимую вероятность ошибки на бит необходимо иметь отношение сигнал/шум на выходе не менее Eb/N0 =8,372 дБ

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.

            Используем в нашей системе блочный код БЧХ (Боуза –Чоудхури - Хотвентгема). Чтобы рассчитать параметры кодирования воспользуемся командой bchnumerr(127). Получим:


            Выберем для нашей системы код (127, 64) с исправляющей способностью равной 10. В результате график зависимости вероятности символьной ошибки от Eb/N0 изменится следующим образом:


Рисунок 9. Графики зависимости вероятности символьной ошибки от Eb/N0 без блочного кодирования (синий) и с блочным кодированием БЧХ (127, 64, 10)(зеленый).

            Из графиков видно, что выигрыш составил около 8,372-7,879=0,479 дБ.

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,

где Nk = 10 дБ – мощность шума первых каскадов.

C/N = Eb/N0 + 10 * lg (R / Пш) = 7,8 + 2,596 = 10,396 дБ,

Pпрм = - 157,52  + 10 + 10,396= -136,604 дБ,

Pпрм = 10 ( Pпрм дБ/10) = 10 -13,7 = 1,995*10 -14 Вт.

Мощность передатчика рассчитывается по формуле:

Pпрд = Pпрм + L – GT - GR,

где GT = 2 дБ - коэффициент усиления передающей антенны, GR = 2 дБ - коэффициент усиления приемной антенны, L = 90,245 дБ - затухание в радиоканале;

Pпрд = -136,604 +90,245  – 2 – 2 = 50,359 дБ,

Pпрд = 10( Pпрд дБ/10)=10-5,359 = 4,375 мкВт.

1.7.7. Пояснение функциональной схемы физического уровня системы.

Функциональная схема физического уровня системы будет выглядеть следующим образом:


Рисунок 10. Схема физического уровня системы.

Пакеты с канального уровня поступают на физический, где кодируются блочным кодом БЧХ. Далее происходит сборка пакетов с добавлением поля синхронизации, поля канала коррекции частоты и поля индикатора завершения пакета. Полученный пакет модулируется и отправляется в канал связи.

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

            В нашей системе существует только один канал, который необходим для передачи команд (в направлении от ТУС к светильникам) и информационных сообщений (в направлении от светильников к ТУС).

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

            На физическом уровне пакеты не будут отличаться и будут выглядеть следующим образом:


                                         Рисунок 11. Структура пакета физического уровня.        

 

 

Список литературы.

1.    Вторая часть КП http://omoled.ru/publications/view/325

2.      Первая часть КП http://omoled.ru/publications/view/319

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

4.      http://stavkombez.ru/conf/2012/05/15/обеспечение-целостности-файлов-алго/

5.      http://electricalschool.info/main/lighting/70-naskolko-pozharoopasny-jelektricheskie.html

6.      http://elstav.narod.ru/articles/el/shema_osvescheniya.htm

7.      http://www.cellular-network.ru/content/view/35/4/

8.      Решение ГКРЧ № 04-03-04-003 «Об использовании полосы радиочастот 2400-2483,5 МГц для внутриофисных систем передачи данных»:

http://rfcmd.ru/sphider/docs/GKRCh/GKRCh_04-03-04-003.htm

9.      http://www.unn.ru/pages/e-library/aids/2007/25.pdf