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.

На канальном уровне нашей системы необходимо выполнение двух основных задач:

-          доставка сообщений от светильников к ЦБС и в обратном направлении;

-          контроль целостности сообщений.

Первая задача выполняется с помощью уникальных id каждого имеющегося в сети светильника.. Каждый пакет должен иметь в своем составе поле с id  светильника. Это необходимо для того чтобы светильники понимали какие из сообщений адресованы им, а ЦБС понимал от какого светильника приходит информация. Уникальные номера хранятся в памяти ЦБС.

В процессе передачи по каналу связи сообщения могут быть искажены настолько, что ЦБС не сможет извлечь из них полезную информацию. Поэтому в нашей системе должен присутствовать сервис контроля целостности сообщений, который должен определять правильно принято сообщение или нет.

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 разрабатываемой системе управления освещением передаются небольшие объемы информации, чаще всего это информация о состояниях светильников и команды извлечения профиля. Исходя из этих данных, можно сделать предположение, что для функционирования системы будет достаточно использование одного канала. Информация о характеристиках этого канала изначально находится в памяти светильников и ЦБС. В канале используется метод ARQ. После каждого переданного определенному светильнику сообщения  ЦБС ожидает в ответ подтверждение успешного приема и, если подтверждение не приходит, передает сообщение снова. В обратном направлении, когда светильники передают информационные данные на ЦБС, они не ждут подтверждения успешного приема. В случае если пакет был принят неправильно или не был принят вовремя, ЦБС отправляет повторный запрос. Подробнее схема приема/передачи сообщений описана и проиллюстрирована во второй статье (http://omoled.ru/publications/view/329). 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.

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

Канал, по которому передается весь объем информации будет занимать 100% пропускной способности системы. По каналу будут передаваться команды управления световым потоком светильников, а в обратном направлении данные о мощности, потребляемой светильником и температуре излучающей панели и источника питания. Найдем скорость передачи, необходимую для передачи информации. В нижеперечисленных пунктах были  рассчитаны размеры полей пакетов канального уровня, параметры блочного кода БЧХ и пакет физического уровня, равный 162 битам.  Скорость должна быть такой, чтобы при запросе пользователем данных, задержка была минимальной. К примеру выберем задержку 0,5 секунд. В системе используется 500 светильников.  Значит ЦБС должен отправить 1000 пакетов запроса и принять столько же. Некоторые из принятых пакетов могут оказаться поврежденными. Тогда ЦБС должен запросить у них информацию повторно. Рассмотрим вариант, когда поврежденными окажутся примерно одна пятая, т. е. 200 пакетов. В результате нужно будет отправить и принять еще по 200 пакетов. Получим, что за полсекунды необходимо принять и отправить в сумме около 1400 пакетов, каждый из которых имеет размер 162 бит. Из расчетов получим что, скорость должна составлять примерно (1400*162)*2=453,6 кбит/c.

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

В нашей системе отсутствуют подвижные элементы, и помехообстановка постоянна, поэтому будем использовать только один профиль настройки физического уровня, в котором будет использоваться BPSK – модуляция и блочное кодирование БЧХ (Коды Боуза — Чоудхури — Хоквингхема) (127,71,9).

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.

Подробное описание типов пакетов и назначение полей было изложено во второй части (http://omoled.ru/publications/view/329). Оценим размеры пакетов. В пакете, в котором содержится информация о светильнике;  в нем передаются мощность, потребляемая светильником, температура излучающей панели и температура источника питания. Максимальную мощность потребления для освещения картинной галереи примем 500 Вт для одного светильника. Для передачи информации о мощности нам необходимо поле размером 9 бит (29=512). Поля такого же размера используем и для информационных данных о температурах излучающей панели и источника питания. В результате информационное поле будет иметь размер 27 бит. По заданию в системе может быть использовано до 500 светильников. Поэтому размер поля id светильника составляет 8 бит (29=512). Размер всего пакета канального уровня будет составлять 71 бит.


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


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


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 ЦБС к светильнику).


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


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


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

      Назначение физического уровня-это передача потоков данных. При получении пакетов данных от вышележащего канального уровня, он 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 представляет собой единое поле, содержащее некоторое количество битов какой-либо информации, к которому добавляются другие поля физического уровня. Такое добавление новых полей при продвижении сообщения от верхнего уровня к более низкому называется инкапсуляцией.

 

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

   Размер сообщения на канальном уровне составляет 71 бит. После кодирования кодом БЧХ его длина увеличивается до 127 битов, и пакет физического уровня будет иметь размер 162 бит.    


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

  Пропускная способность канала связи должна быть не меньше необходимой скорости передачи информации, которая в свою очередь составляет  453,6 кбит/c. Расчет этого значения был произведен в п. 1.6.3.

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

 Система расположена внутри помещения, в ней нет подвижных объектов, поэтому помехообстановка в ней практически постоянна. Но использование помехоустойчивого кодирование будем иметь значительный характер в нашей системе из-за того факта, что помехоустойчивого кодирование добавляет избыточность в информацию, на основании которой можно исправлять ошибки 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. 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);

                                  d - 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 100  +  0  –  28 = 83,622 дБ.

 

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

 

Минимальная полоса пропускания Δf:

Δf = R/ log2 (4)=453600 /1=453600 Гц;

Шумовая полоса приемника Пш:

Пш = Δf*1.1= 453600*1.1=498960 Гц;

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 * 498960 = 2,038* 10-15 Вт

Pш = 2,038 * 10-15 Вт = - 146,907 дБ.

Вероятности символьной ошибки от Eb/N0:


 Рисунок 8.  Вероятность символьной ошибки от Eb/N0 для BPSK.

Чтобы обеспечить необходимую вероятность ошибки на бит необходимо иметь отношение сигнал/шум на выходе не менее Eb/N0 =7,66 дБ в условиях отсутствия канального помехоустойчивого кодирования.

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, 71,9).


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

 Выигрыш составил около 7,66-7,101=0,559 дБ ( исзодя из графика).

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) = 6,68 дБ,

Pпрм = - 146,907  + 10 + 6,68= -130,22 дБ,

Pпрм = 10 ( Pпрм дБ/10) = 9,506*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 = -130,22 +83,622  – 2 – 2 = 50,598 дБ,

Pпрд = 10( Pпрд дБ/10 = 9,207 мкВт.

 

1.7.7. Пояснение функциональной схемы 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.


Рисунок 10. Схема физического уровня системы.

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

В системе есть только один канал, который необходим для передачи команд и информационных сообщений.

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


  Рисунок 11. Структура пакета физического уровня.        

 

Список литературы:

·      http://omoled.ru/publications/view/314 - первая часть курсового проекта

·      http://omoled.ru/publications/view/329 - вторая часть курсового проекта

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

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

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

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