Радиосеть передачи данных.
Часть 3
(Саутина М.Ю., РГРТУ, гр.9110)
1. Построение канального уровня системы.
1.1. Описание назначения сервисов канального уровня исходя из контекста решаемых задач. Определение способов адресной и широковещательной доставки сообщений канального уровня.
Канальный уровень отвечает за адресную доставку сообщений, поступающих с уровня принятия решения; проверку целостности сообщений принимаемых с физического уровня; управление доступом к физическому КС. На канальном уровне реализованы следующие службы:
· Служба адресации осуществляет адресную передачу сообщений, за счет помещения адреса Т или АР в соответствующее поле пакета канального уровня. Адреса всех терминалов известны АР. Эти адреса представляют собой уникальные идентификаторы терминалов (IDTerm). Каждый терминал содержит в своей информационной системе (ИС) адрес АР (IDАР), в зоне которой он обслуживается. Поле адреса АР будет состоять из семи бит. Данная система рассчитана на 100 терминалов, так как каждый терминал обладает уникальным идентификатором, то имеем 100 IDTerm. Идентификаторы прописаны в двоичном коде. Поле адреса терминала будет состоять из 7 бит (27=128). С целью организации широковещательной передачи информации от АР к терминалам, широковещательное сообщение будет содержать специальный идентификатор, который каждый терминал так же будет считать «своим», к примеру – «0000000». За счет специального идентификатора терминал не только имеет возможность принять широковещательную информацию, но и идентифицировать её именно как широковещательную.
· Служба проверки целостности осуществляет проверку достоверности принимаемых сообщений канального уровня на основе расчета контрольных сумм CRC. В данной системе в качестве CRC предположительно будем использовать CRC-16, в таком случае пакет канального уровня будет содержать 16 бит.
Канальный уровень можно разделить на МАС и САС – подуровни. На МАС – подуровне помимо описанных выше служб, предусматриваются службы сбора/разбора пакетов канального уровня. На САС - подуровне реализуется служба управления доступом к физическому КС.
Рассмотрим подробнее реализацию службы управления доступом к физическому каналу (рис.1). Для получения доступа к физическому подканалу в проектируемой сети, терминалу необходимо отправить заявку на предоставления подканала.
После включения АР, она начинает излучать широковещательную информацию о сети по широковещательному каналу BCCН, включающую IDАР. Терминалы раннее зарегистрированные в сети принимают эту информацию, так же эту информацию принимают терминалы, осуществляющие поиск сети, если IDАР, полученный по каналу ВССН, совпадает с IDАР, с хранящимся в ИС терминала, то терминал по каналу RACH передает свой идентификатор IDTerm. При получении идентификатора точка доступа сравнивает его с идентификатором, хранящимся в её ИС, если идентификаторы совпали, то терминалу отправляется сообщение по каналу AGCH, что он зарегистрирован, в противном случае, терминал не зарегистрирован. Далее точка доступа осуществляет опрос активных терминалов для предоставления им подканалов по каналу AGCH, так же если для Т есть сообщения из внешней сети, АР оповещает его, что ему нужно «проснуться» (розовая стрелка). Следует отметить, что каждый терминал, будет отвечать в отведенный ему промежуток времени, интервалы времени для ответа терминалов, передаются так же по каналу AGCH, это сделано с целью избежания коллизий. По каналу АСН терминалы будут отвечать. Из рисунка видно, что первый терминал осуществляет запрос на передачу пульсирующего трафика, второй терминал резервирует подканал на определенный промежуток времени, для передачи постоянного трафика, по окончанию этого времени Т освобождает подканал. Следует отметить, что пока не истечет время резервирования, АР не будет опрашивать данный терминал. Третий терминал отправляет сообщений, что он активен и подканал ему не нужен. Терминал под номером сто по каналу АСН отправляет сообщение «готов», это означает что терминал готов к приему информации. После каждому терминалу выделяется подканалы трафика. По подканалу трафика сначала передаются номера временных слотов по, которым может осуществляться прием/передача сообщений, далее осуществляется непосредственный обмен данными. Прием/передача отчета о верном приеме осуществляется также по каналу TCH.
Рис.1. Сценарий организации доступа к физическому каналу связи
1.2. Выделение типов логических каналов связи (ЛКС), используемых на канальном уровне. Пояснение назначения сообщений, передаваемый по каждому ЛКС. Оценка возможности применения ARQ (Automatic Repeat-reQuest) в ЛКС. Способы обеспечения достоверности принимаемых сообщений в каждом ЛКС.
В рамках разрабатываемой системы используются следующие логические каналы связи, на канальном уровне:
1. BCCH (Broadcast Control Chanel) – канал широковещательной информации, необходим для передачи от АР к терминалам сообщения, содержащего уникального идентификатора (IDАР).
2. RACH (Random Access Channel) – канал случайного доступа, предназначен для отправки точке доступа заявки на регистрацию, содержащую IDTerm.
3. AGCH (Access Grant Channel) – канал разрешенного доступа, предназначен для опроса терминалов на предмет их активности и режима работы; оповещения терминала, о предоставление ему подканала связи.
4. ACH (Access Channel) – канал доступа, предназначен для информирования точки доступа на предмет активности и режим работы.
5. TCH (Traffic CHannels) – канал трафика, предназначен для передачи данных. Отчеты о доставки сообщений, как от АР, так и от терминалов, будут передаваться также по каналу трафика.
Для пульсирующего трафика, можно обеспечить гарантированную передачу, для этого будем использовать метод непрерывного запроса ARQ с остановками (stop-and-wait ARQ). Так как передаются данные, это упрощает определение ошибок и автоматический повтор передачи испорченных блоков данных. Суть метода заключается в том, что передатчик ожидает от приемника подтверждения успешного приема предыдущего блока данных, перед тем как начать передачу следующего. В случае, если блок данных был принят с ошибкой, приемник передает отрицательное подтверждение (negative acknowledgement, NAK), и передатчик повторяет передачу блока. Если передача прошла успешно, то передает сообщение о подтверждении (Acknowledge, ACK). При получении NAK передающая сторона делает вывод о необходимости повторной передачи пакета.
Для оценки достоверности принимаемых данных используется поле контрольной суммы. Контрольная сумма вычисляется на передающей стороне, с математической точки зрения, контрольная сумма – это хэш-функция, вычисленная по небольшому количеству бит, внутри блока данных. Полученное значение помещается в конец пакета, в поле контрольной суммы. На приемной стороне известен алгоритм вычисления контрольной суммы. После приема пакета, по принятым битам вычисляется новая контрольная сумма на приемной стороне, полученное значение сравнивается с принятым. Если результаты совпали, то целостность пакета сохранена, в противном случае – пакет поврежден.
1.3. Пояснение структуры сообщения (пакета) канального уровня: предполагаемых видов пакетов и необходимых полей. Описание процедуры типового обмена сообщениями между объектами канального уровня.
По каждому из
перечисленных выше логических каналов канального уровня передаются
специфические по функционированию сообщения. Рассмотрим их структуру:
· тип сообщения (TYPE) – 3 бита;
· идентификатор АР (IDАР) – 7 бит;
· идентификатор Т (IDTerm) – 7 бит;
· контрольная сумма (CRC) – 12 бит;
· биты заполнения (FILL) – 56 бит.
2. Сообщение канала RACH:
· тип сообщения (TYPE) – 3 бита;
· идентификатор Т (IDTerm) – 7 бит;
· запрос на регистрацию (DATA) – 4 бита;
· контрольная сумма (CRC) – 12 бит;
· биты заполнения (FILL) – 59 бит.
3. Сообщение канала AGCH:
· тип сообщения (TYPE) – 3 бита;
· идентификатор Т (IDTerm) – 7 бит;
· опрос Т на предмет активности и режима работы или оповещение о предоставлении канала (DATA) – 4 бита;
· контрольная сумма (CRC) – 12 бит;
· биты заполнения (FILL) – 59 бит.
4. Сообщение канала ACH:
· тип сообщения (TYPE) – 3 бита;
· идентификатор Т (IDTerm) – 7 бит;
· запрос на предоставление подканала или ответ на опрос АР (DATA) – 4 бита;
· контрольная сумма (CRC) – 12 бит;
· биты заполнения (FILL) – 59 бит.
5. Сообщение канала ТCH (пульсирующий трафик):
· тип сообщения (TYPE) – 3 бита;
· идентификатор Т (IDTerm) – 7 бит;
· идентификатор потока (m) – 5 бит;
· номер пакета (N) – 6 бит;
· информационное сообщение (DATA) – 52 бит;
· контрольная сумма (CRC) – 12 бит;
6. Сообщение канала ТCH (постоянный трафик):
· тип сообщения (TYPE) – 3 бита;
· идентификатор Т (IDTerm) – 7 бит;
· идентификатор потока (m) – 5 бит;
· информационное сообщение (DATA) – 56 бит;
Тип сообщения «TYPE» - поле, идентифицирующее принадлежность сообщения определенному логическому каналу. Всего 5 логических каналов, поэтому для данного поля достаточно 3 бит. Поле «IDАР» идентификатор АР. Для адресной передачи необходимо знать адрес терминала, он указан в поле «IDTerm». При широковещательном сообщение поле «IDTerm» заполняется семью нулями. Поле «CRC» необходимо для определения целостности пакета на приемной стороне, для сообщений постоянного трафика не требуется. Поле «DATA» для каждого логического канала содержит разную информацию. Поле «m» идентификатор потока. Поле «N» отображает номер пакета, необходимо при ARQ. Для того чтобы привести сообщения различных логических каналов к одинаковой длине, необходимо в конец сообщения поместить поле битов заполнения – поле (FIIL).
Рис.2. Обобщенная структура сообщений канального уровня
Процедуры типового обмена сообщениями между объектами канального уровня описаны во второй статье при описании сценария взаимодействия Т и АР.
1.4. Долевая оценка пропускной способности ЛКС, оценка полного трафика системы.
Рис.3. Распределение пропускной способности физического канала связи на долевые интервалы.
τ1 + τ2 + τ3 + τ4 + τ5+ τ6 =100%
Для долевой оценки отведем каждому интервалу свое процентное соотношение:
τ1 - BCCH (широковещательный канал). На широковещательный канал отводится 1% от всей пропускной способности физического канала, равной 100%.
τ2 - RACH (канал случайного доступа). На канал случайного доступа отводится 1% от всей пропускной способности физического канала, равной 100%.
τ3, τ4 – AGCH (канал разрешенного доступа). На канал разрешенного доступа отводится 2% от всей пропускной способности физического канала, равной 100%.
τ5 – ACH (канал доступа). На канал доступа отводиться 1% от всей пропускной способности физического канала, равной 100%.
τ6 – ТСН (канал трафика). На канал трафика отводится 95% от всей пропускной способности физического канала, равной 100%.
Оценка полного трафика системы будет приведена для случая, когда ста терминалам предоставляется канал трафика. В данном случае гарантируемая скорость передачи в направлении от АР к терминалам будет равна 80 кбит/с для каждого терминала. Скорость передачи от Т к АР будет равна 10кбит/с.
Максимальная скорость передачи для ста терминалов равна 8 Мбит/с (из условия ТЗ). «Плюс» 38% от общей максимальной скорости на канальный уровень: CRC, адресацию. Получаем пропускную способность равную 11.04 Мбит/с. С учетом помехоустойчивого кодирования, которое осуществляется на физическом уровне, пропускная способность будет равна 22.08 (для скорости кодирования ½). Общая пропускная способность канала трафика составляет ~22.08Мбит/с. Это 95% пропускной способности от всего канала.
1.5. Анализ необходимости наличия разных профилей настройки физического уровня.
В зависимости от качества подканалов связи необходимо реализовать два профиля функционирования системы: для подканалов с высоким и низким качеством. Соответственно эти профили будут отличаться видом модуляции сообщений. При использовании фазовой манипуляции с малой позиционностью обеспечивается низкая скорость передачи, но и низкая вероятность ошибочного приема сообщений, по сравнению с высокой позиционностью. Целесообразно для подканалов с плохим качеством использовать модуляцию с малой позиционностью, а для каналов с высоким качеством – модуляцию с высокой позиционностью.
Выбор того или иного профиля осуществляется на основании измерений модуля проведения оперативных измерений, расположенном на физическом уровне. По умолчанию можно установить профиль с высокой скоростью. При выявлении ухудшения качества подканала связи, модуль проведения оперативных измерений посылает сообщение сигнализации на модуль обработки каналов сигнализации и принятия решения. В ответ модуль обработки каналов сигнализации и принятия решения, должен изменить вид модуляции. Информация о профиле функционирования Т передается по каналу ACH, вместе с заявкой на предоставление подканала. Информация о профиле функционирования АР, передается по каналу AGCH в пакете оповещения. Перед передачей АР и Т должны настроиться на одинаковый профиль функционирования физического уровня.
2. Разработка физического уровня системы.
2.1. Назначение физического уровня, описание способа организации физических каналов и вида доступа к ним. Обоснованный выбор мер по защите физического уровня от многолучевости.
Физический уровень решает две глобальные задачи: организация физических каналов связи (ФКС) и безошибочная передача/приём потока битов. ФКС – это элементарные «контейнеры» физической среды передачи, на базе которых будут строиться все остальные подканалы связи. Существуют различные способы организации «контейнеров», то есть виды доступа к физической среде. В системе будет использоваться множественный доступ с разделением по времени (Time Division Multiple Access - TDMA). Технология TDMA выбрана так же для того, чтобы использовать минимальный диапазон частот (требование ТЗ).
Специальных каналов для частотной подстройки и временной синхронизации, необходимые для синхронизации АР и терминалов не требуется. Это объясняется тем, что в разрабатываемой радиосети будет использоваться технология OFDM, в этой технологии предусмотрены специальные поля, выполняющие функцию синхронизации.
В разрабатываемой радиосети будет использоваться схема множественного доступа с распределение физических каналов по запросу (Demand Assigned Multiple Access, DAMA). По сути, работа системы происходит в два этапа. Первый этап – резервирование временных интервалов для будущей передачи. На этом этапе АР будет последовательно опрашивать зарегистрированные терминалы на предмет необходимости им подканала связи. Если не все временные интервалы будут зарезервированы, то АР может разделить оставшиеся временные интервалы между Т. На втором этапе идет непосредственная передача данных в отведенные интервалы времени.
Для борьбы с многолучевым распространением будем использовать сигналы с ортогональной частотной модуляцией (OFDM). Технология OFDM построена таким образом, что сама по себе является эффективной мерой защиты физического уровня от многолучевости. Поэтому разработка дополнительных мер по борьбе с многолучевым распространением не требуется.
2.2. Энергетический расчет системы: обоснованный выбор частотного диапазона (на основании документации ГКРЧ); оценка уровня потерь при распространении радиоволн выбранного диапазона; обоснование выбора вида модуляции; расчёт отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки для выбранного вида и типа модуляции/демодуляции.
В соответствии с приложением «Инструкции о порядке регистрации и эксплуатации любительских радиостанций» : полоса частот 1260-1300 МГц может использоваться любительской службой с мощностью передатчика до 5 Вт на вторичной основе. В отдельных случаях (для любительских ретрансляторов) допускается использование передатчиков с мощностью до 100 Вт при условии согласования станций в установленном порядке. Мощность излучения по ТЗ менее 5 Вт. В соответствии с «Приложением к решению ГКРЧ от 10 марта 2011 г. №11-11-03» уточним выбранный диапазон: 1270.000 – 1290.994 МГц, предназначенный для всех видов модуляции и использования с уровнем излучаемой мощности до 5 Вт.
Принято решение выбрать диапазон УВЧ, потому что распространение волн данного типа возможно только в пределах прямой видимости, практически полностью отсутствуют явления интерференции волн, следовательно, искажения сообщений. Так же важным преимуществом для данного диапазона является использование антенн малых размеров.
Произведем оценку уровня потерь при распространении радиоволн выбранного диапазона с помощью модели Окамуры-Хата
На основании полученных результатов делаем вывод, что затухание радиоволн в свободном пространстве меньше затухания в пригороде, то есть расчет потерь распространения радиоволн был сделан правильно.
Как говорилось ранее, в зависимости от качества канала связи предусматривается два профиля функционирования физического уровня. Эти профили будут отличаться видом модуляции.
Определимся с видами модуляции. Для подканала с «плохим» качеством будем использовать модуляцию QPSK. Этот вид модуляции обеспечивает относительно небольшую скорость передачи сообщений, так же характеризуется малой вероятностью возникновения ошибки. Для подканала с «хорошим» качеством, считаю целесообразно использовать модуляцию QAM-16, потому что этот вид модуляции обеспечивает более высокую скорость передачи сообщений, в отличии от QPSK, но приходится платить за высокую скорость передачи, высокой вероятностью возникновения ошибки, по сравнению с QPSK модуляцией.
С помощью инструмента BERTool пакета MATLAB рассчитаем, при каком ОСШ обеспечивается заданная вероятность ошибки (по ТЗ Pb=3∙10-7) для используемых видов модуляций. Результаты расчетов представлены на рис.4.
Рис.4. Зависимости вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и QAM-16 модуляций.
Из приведенных зависимостей вероятностей битовой ошибки от ОСШ можно сделать вывод о том, что при использовании QPSK модуляции нужно обеспечить ОСШ не менее 11 дБ, а при использовании QAM-16 модуляции – не менее 14.5 дБ
Применимо к нашей статье было принято решение об использовании кодов BCH(код Боуза-Чоудхури-Хоквейгейма - БЧХ), позволяющий исправить множественные ошибки. Коды ВСН составляют мощный класс блочных кодов, которые обеспечивают достаточную свободу длины блоков, степени кодирования, размеров алфавита и возможностей коррекции ошибок. Относительно широкий максимум эффективности кодирования, в зависимости от степени кодирования при фиксированном n, для кодов ВСН находится между степенью ¼ и ¾. Считаю разумным, использовать код (127, 85), способный исправить 6 ошибок.
С помощью инструмента BERTool пакета MATLAB оценим выигрыш, достигаемый введением кодирования. Рис.5
Рис. 5. Зависимости вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и QAM 16 модуляций при использовании помехоустойчивого кодирования.
Из приведенных зависимостей вероятностей битовой ошибки от ОСШ с использованием кодирования, можно сделать вывод о том, что при использовании QPSK модуляции нужно обеспечить ОСШ 6.8 дБ, а при использовании QAM-16 модуляции –10.6 дБ. Таким образом, при использовании помехоустойчивого кодирования достигается энергетический выигрыш в ОСШ для подканалов с «плохим» качеством ~ 4.2 дБ, а для подканалов с «хорошим» качеством ~ 4.4 дБ.
Для борьбы с пакетами ошибок в системе используется блочное перемежение. В данной системе исходная закодированная последовательность размером 127 бит. К закодированной последовательности размером 127 бит добавляется один нулевой бит.
Таким образом, сообщения физического уровня имеет следующую структуру:
· нулевой бит, для приведения размера сообщения к числу кратному 2 или 4 (следует из определения позиционности QPSK и QAM-16 модуляции ).
· сообщение, поступившее с канального уровня, закодированное канальным кодером (CODE_DATA) – 127 бит.
Данную структуру имеют все пакеты физического уровня вне зависимости от назначения и профиля функционирования. Полученный пакет из 128 бит поступает на вход блочного перемежителя, где происходит процедура перемежения. Максимальное расстояние, на которое разносятся соседние символы, называется глубиной перемежения. Если время, в течение которого происходил сбой сигнала, меньше глубины перемежения, то любой пакет ошибок будет преобразован в группу из M одиночных ошибок, которые легко устраняются блоковым кодом. Для оценки глубины перемежения необходимо определить длительность одного бита. Для нахождения длительности 1 бита умножим размер слота (128) на количество слотов, содержащих данные от одного и того же терминала (1) и разделим на пропускную способность одного физического канала на 165 кбит/с (п. 2.4). В итоге получаем, что длительность 1 бита равна 0.77 мс. Для оценки глубины перемежения необходимо определить время когерентности канала связи. Время когерентности определяется по формуле:
Таким образом, глубина перемежение находится, как ТКОГ поделенное на длительность одного бита, и глубина перемежения равна 0.071/0.77е-3=92 Для обеспечения такой глубины перемежения блочный код должен имеет размеры 16 строк на 8 столбцов. Размеры блочного перемежителя согласованы с размером сообщения физического уровня (сообщение с выхода кодера + один нулевой бит).
2.3. Проработка структуры радиоинтерфейса, обеспечивающего двусторонний обмен данными.
В разрабатываемой радиосистеме в качестве способа организации физических каналов связи выбрано TDMA. И тогда для организации дуплексной связи необходимо симплексные физические каналы связи, соответствующие направлению передачи от АР к Т и от Т к АР, разнести по времени. Для каналов ВССН, AGCH, соответствующих направлению передачи от АР к Т (DownLink, ↓), выделяется 1 временной слот в кадре. В кадрах под номерами 4,6,8,10 опрашиваются по 25 терминалов. Для каналов RACH, ACH соответствующих направлению передачи от Т к АР (UpLink, ↑), выделяется 1 временной слот в кадре. Для канала TCH, соответствующего направлению передачи от Т к АР и АР к Т (↑↓), выделены 2 – 26 временной слоты. Таким образом, самой «крупной» единицей радиоинтерфейса является «мультикадр» длиной 36608 бит. Мультикадр включает 11 кадров по 3328 бит. Каждый кадр включает в себя 26 слотов. Структура изображена рис.6.
Рис.6. Структура радиоинтерфейса
2.4 Оценка полной пропускной способности физического КС соединения «терминал –БС»
Рассмотрим направление от АР к Т (DownLink). Максимальная скорость передачи данных в направление DownLink равна 8 Мбит/с (по ТЗ). На канальном уровне к сообщению, пришедшему с L3-уровня добавляется поля, добавляющие к пропускной 38%. Скорость передачи увеличивается до 110.4 кбит/с (сообщение канала TCH). Это сообщение поступает на физический уровень, где над ним осуществляется канальное кодирование со скоростью 0.669 (85/127) и скорость передачи увеличивается до 165 кбит/с; К этому сообщению добавляется нулевой бит, но он значительно не повлияет на скорость передачи. Число таких каналов равно 100 (по числу возможно функционирующих терминалов в сети) и тогда скорость передачи равна 16.5 Мбит/с. С учетом скорости, приходящейся на каналы ВССН и AGСН, скорость передачи увеличивается на 660 кбит/с, это объясняется тем, что на 25 сообщений канала TCH приходится одно сообщения канала ВССН или AGСН. С учетом этого пропускная способность будет равняться 17.16 Мбит/с.
По ТЗ в качестве метода борьбы с многолучевостью необходимо использовать технологию OFDM, тогда итоговая пропускная способность учитывает OFDM-символы, приходящиеся на преамбулу. Из п.2.7 видно, что из всего количества OFDM-символов, входящих в мультикадр, доля, приходящаяся на преамбулу, составляет 0.33 и доля, приходящаяся на данные, составляет 0.66. Если 0.66 соответствует пропускная способность 17.16 Мбит/с, то пропускная способность с учетом преамбулы увеличит до 26 Мбит/с.
Рассмотрим направление от Т к АР (UpLink). Максимальная скорость передачи данных в направление UpLink равна 1 Мбит/с (по ТЗ). На канальном уровне к сообщению, пришедшему с L3-уровня добавляется поля, добавляющие к пропускной 38%. Скорость передачи увеличивается до 13.8 кбит/с (сообщение канала TCH). Это сообщение поступает на физический уровень, где над ним осуществляется канальное кодирование со скоростью 0.669 (85/127) и скорость передачи увеличивается до 20.62 кбит/с. К этому сообщению добавляется нулевой бит, но он значительно не повлияет на скорость передачи. Число таких каналов равно 100 (по числу возможно функционировающих терминалов в сети) и тогда скорость передачи равна 206.2 кбит/с. С учетом скорости, приходящейся на каналы RACH и AСН, скорость передачи увеличивается на 824.8 бит/с, это объясняется тем, что на 25 сообщений канала TCH приходится одно сообщения канала RACH или AСН. С учетом этого пропускная способность будет равняться 214.4 кбит/с.
По ТЗ в качестве метода борьбы с многолучевостью необходимо использовать технологию OFDM, тогда итоговая пропускная способность учитывает OFDM-символы, приходящиеся на преамбулу. Из п.2.7 видно, что из всего количества OFDM-символов, входящих в мультикадр, доля, приходящаяся на преамбулу, составляет 0.33 и доля, приходящаяся на данные, составляет 0.66. Если 0.66 соответствует пропускная способность 214.4 кбит/с, то пропускная способность с учетом преамбулы увеличит до 324.84 кбит/с.
2.5. Оценка уровня мощности излучения передающего устройства, сравнение с заданным значением Ризл АС. Расчет чувствительности приемников АС (БС).
Минимальная полоса пропускания будет определяться исходя из канальной скорости передачи данных и количества поднесущих сигнала OFDM, использующихся для передачи данных. Как будет показано в п.2.7 для передачи данных будет использоваться 32 поднесущих. Отсюда следует, что скорость передачи данных по каждому из 32-х параллельных каналов будет равна:
2.6. Пояснение функциональной схемы физического уровня системы.
Функциональная схема физического уровня изображена на Рис. 7 (а – передающая часть, б – приемная часть)
Рис. 7. Функциональная схема физического уровня (а – передающая часть, б – приемная часть).
Поступающее с канального уровня сообщение проходит процедуры помехоустойчивого кодирования с использованием кода BCH(127.85), далее, осуществляется блочное перемежение (16х8) и модуляции. Вид модуляции зависят от выбранного системой профиля функционирования (QPSK или QAM-16).
Профиль функционирования выбирается исходя из качества КС. Качество связи оценивает приемной частью АР, для этого в АР реализована подсистема радиоизмерений. Подсистема радиоизмерений сообщает уровню принятия решений о качестве КС. Если необходима смена помехоустойчивого кодирования и модуляции, то на кодер и модулятор с уровня принятия решений приходит соответствующая команда.
С выхода модулятора сообщение поступает на вход модулятора OFDM - символов, где оно разбивается на блоки равной длины. Далее, к полученным символам OFDM в виде преамбулы добавляются сообщения синхронизации и коррекции частоты, поступающих в модулятор OFDM – символов от соответствующих подсистем.
Приемная часть выполняет обратные операции: демодулирование OFDM – символов, демодуляция, деперемежение, декодирование. Приемная часть Т отличается отсутствие подсистемы радиоизмерений.
2.7. Определение типов пакетов физического уровня, обоснование структуры полей пакетов каждого типа оценка размерности.
В общем случае пакет физического уровня будет состоять из двух полей: поля преамбулы и поля данных. Преамбула осуществляет временную и частотную синхронизации. Преамбула будет передаваться посредством одного OFDM символа.
Поле данных будет содержать закодированные помехоустойчивым кодером данные, и иметь длину, равную 127 битам. Приходя с канального уровня, сообщение проходит процедуру помехоустойчивого кодирования с использованием кода BCH (127, 85). Далее, к этому сообщения добавляется нулевой бит, для приведения длины пакета кратности степени 2. Далее сообщение подвергается перемежению. Таким образом, сообщение ФУ имеет длину равную 128 бита:
128 бит – это данные с выхода помехоустойчивого кодера;
1 бит – нулевой бит.
При использовании профиля с модуляцией QPSK число битов, передаваемых в одном OFDM символе, будет соответствовать 32 IQ-символам (или 64 бита) пакета физического уровня. Всего будет передаваться 2 OFDM символа. Для временной и частотной синхронизации приемных устройств необходимо предусмотреть специальное поле – преамбула, которое стоит из короткой и длинной преамбулы. При использовании профиля с модуляцией QAM-16 битов, передаваемых в одном OFDM символе, будет соответствовать 32 IQ-символам (или 128 битам) пакета физического уровня. Всего будет передаваться 1 OFDM символ. Для временной и частотной синхронизации приемных устройств необходимо предусмотреть специальное поле – преамбула, которое стоит из короткой и длинной преамбулы.
При QPSK-модуляции пакет физического уровня будет состоять из одного OFDM-символа преамбулы и двух OFDM-символов данных (рис.8). При QAM-16 модуляции пакет физического уровня будет представлен одного OFDM-символа преамбулы и одного OFDM-символа данных.
Рис. 8. Структура пакетов физического уровня и формирование OFDM сигнала.
Передача одного OFDM символа осуществляется с использованием 54 поднесущих: 32 поднесущие для передачи данных, 8 – для пилот сигнала, 6 и 7 – для использования защитных интервалов и 1 нулевая поднесущая для идентификации нулевой частоты OFDM сигнала. Структура поднесущих изображена на рис. 9.
GI – защитный интервал
PI – пилот-сигнал
Data – данные
Рис. 9. Структура поднесущих (OFDM символов).
Проведем оценку ширины спектра полученного OFDM символа. Расстояние между поднесущими равно при использовании QPSK модуляции – 406.3 кГц, а при QAM-16 – 203.1 кГц. Ширина спектра по уровню половинной мощности равна при использовании QPSK модуляции –16.66 МГц, при QAM-16 – 8.327 МГц (Таблица 2). Ширина спектра по уровню 0.1 мощности равна при использовании QPSK модуляции –21.94 МГц, при QAM-16 – 10.97 МГц. Спектральная маска полученного OFDM символа изображена на Рис. 10.
Сведем в общую таблицу скорость передачи данных на ФУ, и структуру OFDM символов в зависимости от профиля функционирования (Таблица 2).
GI carrier – поднесущие защитного интервала
PI carrier – поднесущие пилот-сигнал
Data carrier – поднесущие данных
Рис.10. Спектральная маска полученного OFDM символа
Список используемой литературы:
1. Мария Саутина «Радиосеть передачи данных. Часть 1» http://omoled.ru/publications/view/460
2. Мария Саутина «Радиосеть передачи данных. Часть 2» http://omoled.ru/publications/view/463
3. Скляр Б. «Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение». - М.: Вильямс, 2003 г.
4. Иван Лукашин «Радиосистема дистанционного видеоконтроля. Часть 3» http://omoled.ru/publications/view/447
5. Сергей Милованов "Система сбора данных с подвижных станций. Часть 2" http://omoled.ru/publications/view/324
6. Сергей Милованов "Система сбора данных с подвижных станций. Часть 3"
http://omoled.ru/publications/view/339
7. Константин Ламтёв "Система сбора данных с подвижных станций. Часть 3" http://omoled.ru/publications/view/338
8. Приложение к решению ГКРЧ от 10 марта 2011 г. №11-11-03 http://www.grfc.ru/grfc/norm_doc/verdict/index.htm?region1_element1_NextRow=51