Система сбора данных с подвижных станций. Часть 4.

Целью данного этапа курсового проектирования является построение и описание модели передачи сообщения логического канала случайного доступа (RACH), (Система сбора данных с подвижных станций. Часть 3 п.1.6.2.).

Сообщение случайного доступа формируется радиомаяком и затем посылается на точку сбора. В результате приема этого сообщения ТС должна определить дальнейший сценарий взаимодействия с РМ. Поэтому в рамках моделирования существует необходимость построения как передающей, так и приемной частей.

Передающая часть.

На первом этапе выполняется формирование пакета канального уровня, содержащего поле с указанием размера информационной части пакета, поле адреса, поле с указанием типа пакета, поле данных и поле контрольной суммы (Система сбора данных с подвижных станций. Часть 3. п.1.6.4.)

Рис.1. Структура сообщения канала случайного доступа RACH.

Сообщения канала RACH будут являться вторым типом сообщений в системе. В поле адреса указывается идентификатор ТС, полученный радиомаяком в результате приема широковещательного сообщения (BCCH). Поле DATA будет содержать код запрашиваемой радиомаяком услуги. В качестве CRC будет использовано CRC-12. Неотъемлемой частью пакета будет являться идентификатор (адрес) радиомаяка, делающего запрос (Система сбора данных с подвижных станций. Часть 3. п.1.6.1.).

Соответственно необходимо задать параметры каждого из полей.

%% Формирование сообщения канального уровня

%Формируется сообщение канала случайного

%доступа RACH

% Получение длины информационной

%части пакета в двоичном 7-и разрядном виде

L_inf = my_de2bi(40,'left_msb',7);

% Получение адреса ТС в двоичном 7-и разрядном виде

ID_TC = my_de2bi(118,'left_msb',7);

% Получение типа пакета в двоичном 3-х разрядном виде

%пакет RACH является 2-ым типом пакетов

packet_type = my_de2bi(2,'left_msb',3);

%Идентификатор РМ делающего запрос

ID_RM = my_de2bi(30,'left_msb',7);

% Поле data содержит код запрашиваемой услуги

DATA =my_de2bi(1,'left_msb',4);

% Сборка части L2-сообщения

msg_Lev2 = [L_inf ID_TC packet_type ID_RM DATA];

% Получение CRC кода

% Вставка нулей в поле CRC (сдвиг влево на величину st.n)

m=[msg_Lev2 zeros(1,st.y-1)];

% Поиск частного и остатка от деления

% информационной части на порождающий полином CRC кода

[q r] = deconv(m,st.poly);

r = mod(abs(r),2);

%расчет CRC

CRC = r(length(msg_Lev2) + 1:end);

% Сборка сообщения

msg_Lev1 = [msg_Lev2 CRC];

% Массив нулевых битов

tail_bits = zeros(1,106-length(msg_Lev1));

% Сообщение канального уровня

trx = [msg_Lev1 tail_bits];

На втором этапе происходит формирование сообщения физического уровня (Система сбора данных с подвижных станций. Часть 3. п.1.7).

Вначале сообщение канального уровня проходит процедуры помехоустойчивого кодирования, блочного перемежения и модуляции. В зависимости от качества канала связи в системе реализовано два профиля настройки физического уровня ( Система сбора данных с подвижных станций. Часть 3. п.1.7.1). В данном случае для передачи сообщения RACH будем использовать профиль с QPSK модуляцией и БЧХ кодированием (127,106,3). Этот код вносит избыточность в размере 21 бита и способен исправлять 3 ошибки в блоке данных (Система сбора данных с подвижных станций. Часть 3. п.1.7.4). Для эффективной реализации процедур блочного перемежения и модуляции, необходимо в конец сформированного сообщения добавить один нулевой бит для приведения длины этого сообщения к кратной степени 2.

%% Формирование сообщения физического уровня

% Помехоустойчивое кодирование БЧХ

code_word = encode(trx,st.n,st.k,'bch/binary');

% Добавление к сообщению нулевого бита с целью

%приведения длины сообщения к кратной степени 2

code_word = [code_word 0]';

%Блочное перемежение

intrlved_bits = matintrlv(code_word, 8, 16);

% Тип модуляции

h = modem.pskmod(st.mPos);

% Параметры модуляции

h.inputtype = 'bit';

h.SymbolOrder = 'gray';

h.PhaseOffset = pi/4;

% Модуляция

IQ_signal = modulate(h, intrlved_bits);

Рис.2. Сигнально кодовое созвездие сигнала с QPSK модуляцией.

Далее сформированное сообщение необходимо отразить в виде OFDM символов (Система сбора данных с подвижных станций. Часть 3. п.1.7.7). Как было отмечено ранее передача одного OFDM символа должна осуществляться с использованием 9 поднесущих. В данной модели поднесущие, необходимые для использования защитных интервалов и идентификации центральной частоты сигнала, задействованы не будут. Поэтому передача одного символа OFDM будет осуществляться с использованием 6 поднесущих: 4 поднесущие используются для передачи данных, 2 – для передачи пилот сигналов. На каждую из 4 поднесущих, использующихся для передачи данных, будет отводится 2 бита сообщения канального уровня (QPSK модуляция).

Рис.3. Структура поднесущих OFDM символа.

% номера пилотных поднесущих в OFDM-символе

pilotIndexes = [2 5 0];

Во время процедуры формирования OFDM символов появилась необходимость добавления в массив номеров пилотных поднесущих одного нулевого значения. Это сделано для того, чтобы индекс номера пилотной поднесущей не выходил за границы массива.

%Размерность OFDM-символа

Nc=6;

% количество поднесущих с данными

Ndata = Nc - (length(pilotIndexes)-1);

% количество битов, передаваемых в одном OFDM-символе

s_length = Ndata * log2(st.mPos);

% Количество OFDM-символов

ns = floor(length(intrlved_bits)/s_length);

%формирование OFDM-символов

ofdmFrame = makeOfdmFrame(IQ_signal, ns);

В начало каждого сформированного символа OFDM необходимо добавить циклический префикс. Т.к. изначально было задано небольшое количество поднесущих символа OFDM, то в данном случае размер циклического префикса составит половину длины символа. Таким образом один OFDM символ будет передаваться с использованием 9 поднесущих.

%символы пилотных поднесущих промодулированы псевдослучайным кодом Баркера

seqBarker = [-1 -1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 1]*4/3;

ofdmSymbol = [];

ofdmFrame = [];

indexOfPilot = 1;

indexOfData = 1;

for i=1:Nofdm

for j=1:Nc % собираются IQ-символы будущего OFDM-символа

if (j==pilotIndexes(indexOfPilot))

ofdmSymbol(j)=seqBarker(indexOfPilot);

indexOfPilot=indexOfPilot+1;

else

ofdmSymbol(j) = dataMod(indexOfData);

indexOfData=indexOfData+1;

end

indexOfPilot=1;

ofdmSymbol = ifft(ofdmSymbol);

%формирование циклического префикса, как часть OFDM-символа,

%используется 1/2 часть символа

cp = ofdmSymbol(Nc-Nc/2+1:Nc);

% добавление ЦП в начало OFDM-символа

ofdmSymbol=[cp ofdmSymbol];

% Сборка информационных OFDM-символов пакета физического уровня

ofdmFrame=[ofdmFrame ofdmSymbol];

ofdmSymbol=[];

end

В соответствии с описанной ранее структурой сообщения физического уровня (Система сбора данных с подвижных станций. Часть 3. п.1.7.7), необходимо к сформированным OFDM символам добавить поле преамбулы, предназначенное для синхронизации по частоте и по времени (данные процедуры в рамках модели не рассматриваются) и сервисного поля, содержащего информацию о параметрах сформированного сообщения физического уровня.

Рис.4.Структура пакетов физического уровня и формирование OFDM сигнала.

%Формирование символов преамбулы

%Идея построения заимствована из спецификации 802.11а

%Короткие символы - для подстройки частоты (синхронизация по частоте)

ShortTrainingSymbols = sqrt(13/6)*[0 0 1+j 0 0 0 -1-j 0 0 0 1+j 0 0 0 -1-j 0 0 0 -1-j 0 0 0 1+j 0 0 0 0 0 0 -1-j 0 0 0 -1-j 0 0 0 ...

1+j 0 0 0 1+j 0 0 0 1+j 0 0 0 1+j 0 0];

short_symbols = ifft(ShortTrainingSymbols);

% выделение первых 16 отсчетов

Strs = short_symbols(1:16);

% Формирование 10 кототких символов преамбулы на основе выбранного набора

short_trs= 3*[Strs Strs Strs Strs Strs Strs Strs Strs Strs Strs];

%длинный символ преамбулы

LongTrainingSymbols=[0 0 0 0 0 0 1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 1 1 1 1 ...

1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0];

long_symbol = ifft(LongTrainingSymbols);

long_trs = 3*[long_symbol(64-2*16+1:64) long_symbol long_symbol];

%Формирование сервисного поля

service_type = [1 1 0 0 1 0 0 1]';

IQ_service = modulate(h, service_type);

service = ifft(IQ_service)';

% Пакет физического уровня (символы преамбулы и OFDM-символы)

phy_frame = [short_trs long_trs service ofdmFrame];

Рис.5. Сформированный OFDM кадр.

Моделирование передачи сигнала по каналу связи.

% Наложение шума на сигнал

noise_sgn = awgn(phy_frame,15);

Приемная часть.

Рис.6. Сигнально-кодовое созвездие принимаемого OFDM сигнала.

Переданное радиомаяком сообщение случайного доступа должно быть принято и обработано ТС.

Вначале происходит выделение из принятого сигнала сервисного поля и символов OFDM, содержащих непосредственно передаваемые данные.

% Выделение из принимаего OFDM сигнала полей service

% и ofdmFrame

phy_frame_R = noise_sgn(321:length(noise_sgn));

IQ_service = phy_frame_R(1:4);

ofdmFrame = phy_frame_R(5:length(phy_frame_R));

% Извлечение данных содержащихся в поле service

service_type = fft(IQ_service');

service = demodulate(h,service_type)';

Далее происходят процедуры удаления циклического префикса из OFDM символа, отображение символов в частотной области и удаление пилот сигналов.

%Выделение промодулированных данных из принятого

% OFDM сигнала

% Удаление циклического префикса из OFDM символов

n=1;

for i=1:6:91

ofdmSymbol(i:i+5) = ofdmFrame(n+3:n+8);

n=n+9;

end

%БПФ,перевод сигнала в частотную область

for i=1:6:91

ofdmSymbol_ifft = ofdmSymbol(i:i+5);

ofdmSymbol(i:i+5) = fft(ofdmSymbol_ifft);

end

% Удаление пилот сигналов

indexOfPilot=1;

k=0;

for i=1:6:91

IQ_signal = ofdmSymbol(i:i+5);

for j = 1:6

if j == (pilotIndexes(indexOfPilot));

indexOfPilot = indexOfPilot+1;

else

IQ_signal_2 = IQ_signal(j);

k=k+1;

IQ_signal_3(k) = IQ_signal_2;

end

indexOfPilot=1;

end

IQ_signal = IQ_signal_3;

После прохождения процедур демодуляции, блочного деперемежения и декодирования, сообщение с физического уровня поступает на канальный уровень, где происходит проверка целостности и выделение необходимых полей пакета.

% Демодуляция

deintrlved_bits = demodulate(h,IQ_signal);

deintrlved_bits = reshape(deintrlved_bits,128,1);

% Блочное деперемежение

code_word = matdeintrlv(deintrlved_bits,8,16)';

%Устранение лишнего нулевого бита

code_word = code_word(1:127);

%Декодирование

trx = decode(code_word,st.n,st.k,'bch/binary',st.errocorr);

% Выделение информационной части пакета

% Определение длины информационной части

L_inf = my_bi2de(trx(1:7),'left_msb');

%Собственно выделение ИЧ

received_mes_L1 = trx(1:40);

%Подготовка к проверке CRC

[q r]=deconv(received_mes_L1,st.poly);

%Проверка остатка

r=mod(abs(r),2);

if r == zeros(1,length(received_mes_L1));

detect=0;% ошибок нет

else

detect=1;% обнаружены ошибки

end;

% Принятое сообщение

received_mes_L2 = received_mes_L1(1:(length(received_mes_L1)-12));

% Адрес ТС

ID_TC = my_bi2de(received_mes_L2(7:14),'left_msb');

%Тип принятого пакета

packet_type = my_bi2de(received_mes_L2(14:17),'left_msb');

%Идентификатор РМ делающего запрос

ID_RM = my_bi2de(received_mes_L2(17:24),'left_msb');

% Код запрашиваемой услуги

DATA = my_bi2de(received_mes_L2(25:28),'left_msb');

В результате разбора пакета ТС получает следующие данные:

Идентификатор ТС

118

Тип пакета

Идентификатор РМ

Код запрашиваемой услуги

Точка сбора должна сравнить полученный идентификатор РМ с записанным в своей памяти, и на основании этого сравнения определить дальнейший сценарий взаимодействия с РМ.

В результате моделирования было установлено, что надежная доставка сообщения возможна при ОСШ не менее 14 дБ.

Список литературы:

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. Система сбора данных с подвижных станций. Часть 3.

Ламтев К.М.