Баранов И.

 

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.

При передаче пакета могут возникать различные ситуации:

- коллизия пакетов – для предотвращения данной ситуации в нашей системе используется временное разделение каналов (TDMA).

- потеря целостности структуры пакета – данная проблема решается вычислением контрольной суммы на приемной стороне(CRC). Эта задача возлагается на сервис контроля целостности сообщений.

- потеря пакета в целом – решением этой ситуации является защита типа ARQ. Т.е. если передающая сторона не получила подтверждение, что пакет принят правильно, то данные передаются снова, и так до тех пор, пока не придет положительное подтверждение.

Каждый из светильников, находящихся в сети, имеет свой уникальный номер (ID). При передаче данных от ЦУ к НАТу, в пакет данных добавляется поле, в котором содержится уникальный номер данного светильника, т.е. НАТ принимает сообщения, адресованные только ему. При передачи информации от  светильника на ЦУ в пакете данных так же указывается уникальный номер для того, чтобы ЦУ смог различать с какого НАТ поступило сообщение. ID хранятся в памяти компьютера на ЦУ.

В нашей радиосистеме канальный уровень будет иметь 2 типа сервисов:

- сервис передачи сообщений как от светильника на ЦУ, так и в обратную сторону

- сервис контроля целостности сообщений

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 радиосистеме управления освещением будут передаваться небольшие объемы информации:

- это данные о техническом состоянии светильников

- команды на изменение световых характеристик

Исходя из вышесказанного, сделаем вывод о том, что для успешного функционирования радиосистемы будет достаточно одного канала. Параметры канала будут строго определены и занесены как в память компьютера на ЦУ, так и в память НАТ. У каждого терминала будет строго определенное время, в течение которого он будет иметь доступ к каналу связи и осуществлять по нему передачу данных. В радиосети реализован метод защиты от ошибок типа ARQ. После того, как терминал передает сообщение на ЦУ, НАТу должно прийти подтверждение успешной передачи. Если этого не происходит, то  НАТ отправляет данные еще раз, и так до тех пор, пока на терминал не придет положительное подтверждение. В случае отправки команд с ЦУ на светильник действия выполняются аналогично.

Достоверность принятой информации проверяется в ходе вычисления  в поле контрольной суммы. Если CRC совпадает со значением, вычисленным из принятого сообщения, то принимается решение о правильном принятии пакета данных.

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

В разрабатываемой радиосистеме управления освещением будет иметь место один канал передачи информации. Он будет занимать 100% всей пропускной способности системы. По этому каналу будут передаваться:

1)                              1)От ЦУ на терминал:

- команды изменения световых характеристик

            2)От НАТ на ЦУ:

               - информация о температуре излучающей поверхности

               - информация о мощности, потребляемой светильниками

               - информация о температуре поверхности источника питания

Теперь оценим скорость передачи информации по каналу. Ниже, в пункте  1.6.5., в соответствие с объемом передаваемой информации, были рассчитаны размеры полей пакетов канального уровня. В пункте 1.7.5. – параметры блочного кода БЧХ. И в пункте 1.7.1. - размер пакета физического уровня, который составил 290 бит.

Мы должны исходить из того, что при запросе пользователем информации о терминалах, время, спустя которое данные придут на ЦУ, должно быть минимальным. Пусть это время будет равно 0,5 секунды. В нашей радиосети всего 56 светильников. Значит, ЦУ отправляет 56 пакетов запроса (по одному пакету каждому светильнику) и в ответ должен получить столько же. В процессе приема может оказаться, что некоторые из пакетов повреждены и требуется повторная передача этих пакетов. Мы использовали блочный код БЧХ с исправляющей способностью равной 30. Исходя из этого, можно сделать вывод о том, что количество пакетов, которых нужно передать заново, будет невелико. Но все-таки, рассмотрим такую ситуацию, когда требуется заново передать половину пакетов, т.е. 28 пакетов окажутся поврежденными и исправлению они не подлежат. В результате нужно будет отправить и принять еще по 28 пакетов. Следовательно, за 0,5 секунды нужно отправить и принять в общей сложности 168 пакетов, каждый из которых имеет размер 290 бит. Можно сделать выводы о том, что скорость передачи должна составлять примерно 168*290*2 = 97,44 Кбит/с. Выше была рассмотрена, практически самая наихудшая ситуация развития событий, потому что, поврежденных пакетов будет намного меньше, так как исправляющая способность у кода БЧХ достаточно высока и равняется 30. Т.о. пользователь может получать обновленную информацию быстрее, чем через 0,5 секунды.

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

Разрабатываемая радиосистема управления освещением имеет одну особенность: в ней нет подвижных объектов, а, следовательно, пути распространения радиоволн примерно будут сохраняться. Исходя из этого, ограничимся одним профилем настройки физического уровня. В нем будет применяться QPSK модуляция, блочное кодирование типа БЧХ(255, 63, 30).

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.

Типы пакетов, передающихся внутри радиосети, назначение их полей и процедуры обмена сообщениями между объектами канального уровня было изложено во второй части нашего курсового проекта. На данном этапе оценим размеры полей пакетов данных. Для начала рассмотрим пакет, содержащий в себе информацию о техническом состоянии светильников. В его составе будет передаваться:

- температура излучающей панели светильника

- температура поверхности источника питания

- мощность, потребляемая светильником

В техническом задании указано, что мощность светильника не должна превышать 0.15 Вт = 150 мВт. Из этого можно сделать вывод о том, что для передачи информации о мощности потребуется поле, размером 8 бит (28 = 256). Размер данного поля подойдет и для информации о температуре излучающей панели светильника и о температуре источника питания. В результате информационное поле будет иметь размер 24 бита. В данной радиосети задействовано 56 светильников. Из этого следует, что размер поля ID НАТ будет составлять 6 бит (26 = 64). Контрольную сумму(CRC) возьмем длиной 16 бит. На флаг начала и конца пакета отведем по 4 бита. Общий размер данного пакета канального уровня составит 63 бита.


Рис.1. Структура пакета канального уровня, передающегося от терминала на ЦУ, о техническом состоянии НАТ.



Рис.2. Структура пакета канального уровня, подтверждающего достоверный прием терминалом команды от ЦУ.



Рис.3. Структура пакета канального уровня, при запросе о повторной передаче данных (может посылаться как на терминал, так и на ЦУ).



Рис.4. Структура пакета канального уровня, оповещающего светильники о том, что сейчас начнется передача команд, изменяющих световые параметры.

Рис.5. Структура пакета канального уровня, изменяющего световые параметры НАТ.



Рис.6. Структура пакета канального уровня, оповещающего НАТы о том, что передача команд, изменяющих световые параметры, закончена.


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 модели предназначен для непосредственной передачи данных, поступающих из канального уровня, по физической среде. Т.е. физический уровень получает пакеты данных от канального уровня и преобразует их в соответствующий набор нулей и единиц. На физическом уровне выполняется помехоустойчивое кодирование.

Сообщение, поступившее с канального уровня на физический, представляет собой одно поле, в котором содержится некоторое количество бит информации, к которым, в свою очередь, добавляются поля физического уровня. Подобный процесс добавления новых полей при продвижении сообщения от верхнего уровня к нижнему, называется инкапсуляцией. Подобный процесс представлен на рис.7.

Рис.7. Инкапсуляция пакетов.


Сообщение канального уровня составляет 63 бита. После применения канального кодирования (БЧХ код), длина сообщения увеличится до 255 бит. Следовательно, пакет физического уровня будет иметь длину 290 бит. Описание структуры радиоинтерфейса, обеспечивающей двусторонний обмен данными, представлено во второй части КП.http://omoled.ru/publications/view/330


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

В нашей системе пропускная способность составляет 97,44 Кбит/с. Расчет этого параметра был произведен в пункте 1.6.3.


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

Разрабатываемая радиосистема управления освещением полностью расположена внутри здания. Важной конструкторской особенностью является то, что в радиосети нет подвижных объектов, а, следовательно, пути распространения лучей примерно будут сохраняться. Но в целях сохранения достоверности информации, применим помехоустойчивое кодирование. Оно добавляет избыточные биты к передаваемой информации. С их помощью появляется возможность исправления 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.

Согласно решению Государственной Комиссии по радиочастотам от 2 апреля 2001 года ПРОТОКОЛ №7/5 получаем следующее:

Типы радиоэлектронных средств

Полоса(номиналы) используемых радиочастот, МГц

Допустимая мощность излучения передатчика

Устройства дистанционного управления, охранной сигнализации и оповещения

433,075 – 434,79

 

866,15 – 869,58

До 10 мВт

 
Диапазон частот нашей радиосистемы будет лежать в пределах 866,3 – 869,5 МГц. Оценим потери при распространении радиоволн данного диапазона частот внутри помещения. Параметры данной модели определяются следующими факторами:
- типом планировки здания
- строительными материалами
- количеством этажей
- типом здания (складское помещения, жилое, производственное)
Уровень сигнала зависит от расположения антенн и от пути распространения волн. Основными явлениями при распространении волн являются:
- дифракция
- отражение
- поглощение
- рассеяние
- интерференция
Внутри музея много перегородок, стен, экспонатов и проходов между залами, что, в свою очередь, будет существенно влиять на формирование структуры электромагнитного поля внутри здания. Подходящей моделью для оценки является COST 231(indoor). Потери для диапазона 800 – 1900 МГц рассчитываются по формуле:
 L = LFS + 37 + 3.4*К w1 + 6,9*К w2 + 18,3*n
 L - ослабление сигнала в радиоканале, дБ
 LFS - потери в свободном пространстве, дБ
 n - число пройденных этажей (железобетон, но толщиной не более 30 см)
 К w1  - число внутренних стен (например, гипсокартон, окна и т.д.)
 К w2  - число внутренних стен из бетона или кирпича
 В нашем примере музей является одноэтажным зданием (n = 0). Потери в свободном пространстве для диапазона 866,5 – 869,5 МГц будут равны примерно 20 дБ. Гипсокартонные стены и окна внутри нашего музея отсутствуют (К w1 = 0), зато есть толстые стены из бетона и кирпича (К w2 = 4, число стен берем по максимуму, учитывая распространения сигнала до 4 зала). Подставим известные значения и получим следующие результаты:
Выберем вид модуляции. Исходя из особенностей  разрабатываемой радиосистемы, наиболее подходящим является QPSK, который, при невысокой скорости передачи данных, обеспечивает низкую вероятность появления ошибок.

Оценим графически зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ для QPSK модуляции:

Рис.8. График зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ
Из графика видно, что при отсутствии канального помехоустойчивого кодирования заданная по техническому заданию вероятность битовой ошибки достигается при ОСШ = 9,053 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.
Применим в нашей радиосистеме блочный код БЧХ. Рассчитаем параметры кодирования. Для этого воспользуемся средой Mathlab. Применим команду bchnumerr и получил следующие результаты:
>> bchnumerr(255)
ans = 255   247   1
         255   239   2
         255   231    3
         255   223    4
         255   215    5
         255   207    6
         255   199    7
         255   191    8
         255   187    9
         255   179   10
         255   171   11
         255   163   12
         255   155   13
         255   147   14
         255   139   15
         255   131   18
         255   123   19
         255   115   21
         255   107   22
         255    99   23
         255    91   25
         255    87   26
         255    79   27
         255    71   29
         255    63   30
         255    55   31
         255    47   42
         255    45   43
         255    37   45
         255    29   47
         255    21   55
         255    13   59
         255     9   63
Для нашей радиосистемы подходит код (255, 63) с исправляющей способностью 30. В результате график зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ изменится следующим образом:

Рис.9. График зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ без блочного кодирования (синий) и с блочным колом БЧХ(255, 63,30) (бирюзовый).
Из рисунков можно сделать вывод, что выигрыш в ОСШ составит 9,053 – 7,703 = 1,35 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).
Оценим уровень мощности излучения передающего устройства. Для этого необходимо рассчитать чувствительность приемника. Она находится по формуле:
Рпрм = Рш + Рш.к + C/N
Рш – мощность шума
Рш.к – мощность шума первых каскадов. Обычно берется равной 8 – 10 дБ.
C/N = ОСШ + 10lg(R/Пш)
ОСШ – отношение сигнал шум при заданной вероятности битовой ошибки с использованием помехоустойчивого
кодирования. 
C/N = ОСШ + 10lg(R/Пш) = 7,703 + 10 lg(97440/53592) = 10,299 дБ
Рпрм = Рш + Рш.к + C/N = -156,597 + 9 + 10,299 = -137,298 дБ
Рпрм  = 10^(-137,298/10) = 1,863*10-14 Вт
Теперь рассчитаем мощность передатчика. Она находится в соответствии с формулой:
Рпрд = Рпрм + L - Ку.прд.ант -  Ку.прм.ант
L – ослабление сигнала в радиоканале
Ку.прд.ант – коэффициент усиления передающей антенны
Ку.прм.ант – коэффициент усиления приемной антенны
Коэффициент усиления приемной и передающей антенн берется примерно равным 3 дБ. 
Рпрд = Рпрм + L - Ку.прд.ант -  Ку.прм.ант = -137,298 + 84,6 - 3 - 3 = -58,698 дБ
Рпрд = 10^(-58,698/10) = 1,48*10-6 Вт 
1.7.7. Пояснение функциональной схемы физического уровня системы.
Функциональная схема физического уровня представлена на рис.10.

Рис.10. Схема физического уровня радиосистемы управления освещением

С канального уровня на физический поступают пакеты данных. Далее они проходят процедуру кодирования блочным кодом БЧХ. После этого происходит сборка пакетов. При этом добавляются следующие поля:
- флаг начала пакета
- поле коррекции частоты
- поле синхронизации
- флаг окончания пакета
Собранный пакет модулируется и далее передается в канал связи.
1.7.8. Пояснение

назначения логических каналов связи, используемых на физическом уровне.


В разрабатываемой системе существует только один канал передачи данных, который
используется для отправки команд (с ЦУ на терминал) и информационных сообщений
о техническом состоянии НАТов (с терминала на ЦУ).



1.7.9. Определение типов пакетов физического уровня, обоснование структуры полей пакетов каждого типа, оценка размеров полей.
Пакет физического уровня представлен на рис.11.
Рис.11. Структура пакета физического уровня
Флагам начала и конца пакета отводится по 4 бита. Нужны эти поля для строгого определения границ
сообщения. Рабочая частота канала будет колебаться относительного некоторого
значения, из-за отклонения частоты задающего генератора. Для корректировки
рабочей частоты передается информация о ее подстройке. Данному полю отводится
12 бит. Поле синхронизации содержит синхропоследовательность длиной 15 бит,
после обнаружения которой, приемник готов к приему данных. Из-за этого не
возникает потерь информации и происходит точная демодуляция принятого сообщения
на приемной стороне. Поле закодированной информации содержит сами данные, в
которых содержится информация о техническом состоянии терминалов или сами
команды, с помощью которых мы будет производить управление светильниками, и
биты расширяющей последовательности, кодирующие ценную информацию.
Список литературы: