Радиосистема дистанционного видеоконтроля.

Часть 3

(Лукашин И.В., 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. 

 

          В разрабатываемой системе канальный уровень (КУ) решает следующие задачи:

формирование пакетов, выделение пакетов из потока бит, организация доступа к физическому каналу связи, возможность обнаружения и коррекции ошибок, адресация сообщений, управление доступом к физическим каналам.

Для решения этих задач на КУ должны быть реализованы  следующие сервисы:

- сервис адресации;

- сервис проверки целостности;

          Сервис адресации осуществляет адресную доставку сообщений. Следует сказать о том, что передача и получение сообщений осуществляется строго в отведенный временной интервал согласно шкале распределения временных интервалов (ШРВИ) между терминалами. Для обеспечения адресной доставки сообщений в системе, на канальном уровне используются уникальные идентификационные номера терминалов (IDТ) и точки доступа (IDТД). Присвоение идентификационных номеров осуществляется на этапе подготовки радиосети к работе, т.е. с момента установления или обновления информационной системы терминалов и точки доступа.  Следует отметить, что список возможных идентификационных номеров терминалов (IDТ) хранится в информационной системе точки доступа. Т, в свою очередь, также  известен список  идентификационные номеров ТД (IDТД).

            Помимо адресных сообщений в системе используются также широковещательные сообщения (ШВС). Состав и назначение ШВС приведено в п. 2.3 [2]. С целью организации широковещательной передачи информации от точек доступа терминалам, широковещательное сообщение передается в специально отведенный временной интервал (согласно структуре мультикадра, описанной в п.2.6).

            Сервис проверки целостности осуществляет проверку достоверности принимаемых сообщений канального уровня на основе алгоритма  расчета контрольных сумм CRC. В данной системе будет использоваться CRC-4 и CRC-8. Выбор CRC-4 и CRC-8 объясняется наименьшим временем, затрачиваемым на вычисления контрольной суммы.

          На канальном уровне следует предусмотреть сервис  формирования / расформирования пакетов КУ и службу управления доступом  к физическому каналу связи. Доступ к физическим каналам будет осуществляться на основе метода множественного доступа с фиксированным распределением – FAMA (Fixed Assigned Multiple Access). Метод FAMA, как известно, эффективен в системах, работающих в реальном масштабе времени. Разрабатываемая система видеонаблюдения как раз является такой. Метод FAMA основан на постоянном закреплением терминалов за определенным физическим каналом. Для реализации этого метода ТД формирует шкалу распределения временных интервалов, эта шкала содержит сведения о том какой временной интервал закреплен за каким терминалом. И передается терминалам в составе широковещательного сообщения. Для возможности выбора модификации стандарта MPEG-4 с лучшим качеством видеоизображения необходимо предусмотреть некоторые дополнения метода FAMA. Основным дополнением является возможность резервирования дополнительного КС для того, чтобы терминал имел возможность передачи видеопотока в соответствии с модификацией с лучшим качеством видеоизображения. Резервирование дополнительного КС возможно, если в радиосети не функционирует хотя бы один терминал. В случае, если в сети зарегистрировался новый терминал, то дополнительно назначенные КС сбрасываются, и далее передача видеопотока осуществляется в соответствии со шкалой распределения временных интервалов (ШРВИ).

           

1.2. Выделение типов логических каналов связи (ЛКС), используемых на канальном уровне. Пояснение  назначения сообщений , передаваемых по каждому ЛКС. Оценка возможности применения ARQ (Automatic Repeat-reQuest) в ЛКС. Способ обеспечения достоверности принимаемых сообщений. Составить сводную таблицу ЛКС с указанием наименования, назначения и типа КС.

 

           Выделение различных типов логических каналов связи осуществим на основе ранее рассмотренного сценария взаимодействия Т и ТД [2]. ТД передает всем терминалам ШВС. Для передачи этой информации  необходимо организовать широковещательный канал BCCH. После нахождения ШВС Т фиксирует в информационной системе (ИС), что он в сети с IDТД, и что осуществлять передачу на ТД нужно в обозначенный интервал. Также широковещательное сообщение будет использоваться для проведения процедуры регистрации т.к., инициатором проведения регистрации является ТД. Процедура регистрации осуществляется следующим образом: активные терминалы, получив ШВС, осуществляют подтверждение по каналу ACH о том, что они активны, и эти сведения заносятся в ИС ТД. Такая процедура периодически повторяется. Подтверждение наличия терминалов в сети осуществляет в тот интервал времени, который определен ШРВИ.  В случае, если Т принял ШВС с ошибками, то он продолжает поиск интервала, в котором передается ШВС, и, далее, осуществляет прием этого сообщения.

           После проведения процедуры регистрации может осуществляется передача терминалам команд управления видеокамерой. Подробная процедура поведения сети при осуществлении управления видеокамерой описана в [2, см. активный режим]. Для передачи команд управления видеокамерой, а также для передачи сообщений сигнализации (сообщение о смене профиля функционирования системы или сообщение  об изменении мощности передачи терминала) необходимо организовать канал управления CCH. Следует сказать  о том, что необходимо предусмотреть два различных канала управления. Канал ССH/video  для передачи команд управления видеокамерой. Канал ССH/profile  для передачи сообщений сигнализации. В случае, если одновременно появилась необходимость передачи сообщения сигнализации и команды управления видеокамерой, то сообщения сигнализации имеют высокий приоритет, а команды управления видеокамерой – низкий. Для команд управления видеокамерой и для сообщений сигнализации требуется гарантированная доставка. Для этого в системе следует предусмотреть автоматический запрос повторной передачи (англ. Architectural Research Quarterly – ARQ). В проектируемой системе будет использоваться так называемая ARQ с остановками. ТД перед началом очередной передачи ожидает подтверждения об успешном приеме предыдущей. Если передаваемое сообщение принято с ошибкой, то Т передает отрицательное подтверждение приема (NAK); ТД повторяет передачу ошибочно принятого сообщения и только после этого передает следующий по очередности сообщение. Для передачи сообщений подтверждения о доставке в сообщении канала DTCH, о котором будет сказано ниже, необходимо предусмотреть специальный флаг, в котором будет отмечаться нужна повторная передача или нет. Если ТД приняла с ошибками сообщение канала DTCH, то ТД повторяет передачу не подтвержденного сообщения канала ССH.

           При поступлении на ТД команды на активацию видеокамеры Т осуществляется резервирование КС, в этот момент в ИС ТД в журнале активных терминалов ставится флаг, что этот канал, закрепленный за этим терминалом, занят. Номер этого канала соответствует номеру интервала закрепленного за этим  терминалом в ШРВИ. При поступлении на ТД команды на смену модификации стандарта MPEG-4 в журнале активных терминалов проверяется, сколько терминалов сейчас осуществляют передачу видеопотока, и какая у этих потоков модификация стандарта MPEG-4. Если есть возможность сменить модификацию, ТД  резервирует первый не занятый канал связи. И ТД сообщает номер этого канала терминалу.

           Сведем все указанные ЛКС в общую таблицу (Табл. 1) в которой отражены наименование канала, его назначение и тип. В графе тип предусмотрено отражение направления передачи: F-forward(от ТД к Т) и R-reverse (от Т к ТД).

 Таблица 1. ЛКС, используемые в радиосети.

 

Наименование

Назначение

Тип

ВССН (Broadcast Control Channel)

Передача широковещательной информации о сети (IDТД, шкала распределения временных интервалов между терминалами), для осуществления процедуры регистрации

Широковещательный (F↓)

ACH

(Access Channel)

Подтверждение наличия терминалов в сети

Канал доступа (R↑)

ССH/video  (Control channel)

Передача команд управления видеокамерой 

Канал управления и сигнализации (F↓)

ССH/profile (Control channel)

Передача сообщений сигнализации

Канал управления и сигнализации (F↓)

DTCH (Dedicated Traffic Channel)

Передача видеопотока, передача сообщений подтверждения о доставке ССН

Выделенный канал трафика (R↑)

 

1.3. Пояснение структуры сообщения (пакета) канального уровня: описание предполагаемых видов пакетов и необходимых полей. Описание типового обмена сообщениями между объектами канального уровня.

 

            Основной ЛКС, используемый в разрабатываемой радиосети, является канал трафика DTCH. Определим размер информационной части такого кадра исходя из следующей модификаций стандарта MPEG-4:  расширение 640*480 точек, 20 fps и с настройкой качества 1024Kbps. Выбранная настройка качества примерно соответствует  степени сжатия равной 15[5, 6]. В разрабатываемой системе видео наблюдения используются видеокамеры с глубиной цвета 24 бита. Таким образом размер одного видеокадра без учета аудио информации равен . Поскольку в MPEG-4 аудио и видео информация объединены в единую иерархическую структуру необходимо учесть долю аудио информации. Исходя из [7] доля аудио информации составляет доли процентов (0.01-0.1%). Таким образом размер N+аудио=491520+0.001*491520=491570 бит. Для передачи по радиоканалу нецелесообразно передавать кадры такой длины, ошибочный приема такого кадра может привести к искажению всего видеокадра. Чтобы избежать подобной ситуации целесообразно разделить кадр на несколько участков. Искажение такого участка приведет к искажения (артефакту) небольшой части видео изображения. Для удобства дальнейших расчетов других сообщений канального уровня примем размер кадра равным 492500 бит. Размер кадра 492000 бит разобьем на 2700 участков. В итоге на КУ размер информационной части сообщения канала трафика DTCH составляет приблизительно 182 бита. Также следует предусмотреть поле FL_ARQ, в котором в котором содержатся сведения о подтверждении/не подтверждении приема, достаточно 1 бита. Сообщения канала  DTCH будут выполняют роль сообщений канала ACH. Итак, при получении ШВС, в случае, если Т не осуществляет передачу видеопотока, Т формирует сообщение канала DTCH, где поле отведенное под информационную часть заполняется нулями. Если осуществляется передача видеопотока, то сообщение канала  DTCH, содержащие видео информацию, будет являться сообщением подтверждения наличия. В структуре сообщения канала трафика DTCH необходимо предусмотреть наличие поля, выполняемого задачи сервиса проверки целостности. Размерность этого поля 4 бит т.к в разрабатываемой системе используется CRC-4.

            Размер сообщений каналов BCCH, ССН равен 179 битам.

            Сообщение канала ВССН состоит из полей:

- TS (Training sequence), поле которое необходимо терминалам для обнаружения ШВС – 80 бит.

- N, поле которое необходимо терминалу для точного определения начала мильтикадра – 2бит (см п. 2.4).

- DATA, в котором содержится IDТД (состоит из 4 бит) и ШРВИ для 10 терминалов (4бита на IDТ и 4 бита на номер, соответствующего временного интервала).

- CRC, необходимо для выполнения задач сервиса проверки целостности, размерность поля – 8 бит;

- нулевые биты, необходимо для того чтобы привести сообщения различных каналов к одинаковой длине – 95 бит.

            В сообщение канал ССН входят поля

- DATA, в этом поле содержится код выполняемой команды управления, размерностью 178 бит;

- TYPE, поле которое необходимо Т для того чтобы знать это новое сообщение или повторно передаваемое. Для этого поля достаточно 1 бита;

- CRC, размерность поля – 8 бит.

            Отсутствие полей адреса отправителя и получается, а также типа сообщения объясняется тем, что передача сообщений будет осуществляется по неизменной структуре мультикадра и известной ШРВИ. Структура мультикадра будет описана в пункте 2.2. Иными словами, терминалам и ТД в любой момент времени известно сообщение какого типа и кому оно предназначается.

            Исходя из скорости передачи видеопотока в канале DTCH длительность сообщений каналов ВССН, ССН и DTCH составляет 134 мкс.

 

 Рис. 1. Структура сообщений различных логических каналов связи.

 

          Процедура обмена сообщениями между терминалами и точкой доступа во всех  режимах работы соответствует сценарию, описанному в п. 2.3 и 2.4 [2]. Процедура, соответствующая режиму регистрации представлена на Рис. 2. Процедура, соответствующая активному режиму представлена на Рис. 3.

 

 

Рис. 2. Процедура, соответствующая режиму ожидания и регистрации.

  

Рис.3. Процедура, соответствующая активному режиму.

  

           В [п.2.3 см. «активный режим», 2] говорится о том, что в разрабатываемой системе предусмотрена возможность смены модификации стандарта MPEG-4. Рассмотрим сценарий,  описывающий смену модификации стандарта MPEG-4. Терминал находится в активном режиме. На ТД с рабочего места оператора поступает команда на смену модификации. ТД в журнале активных терминалов проверяет есть ли возможность сменить  модификацию т.е. есть ли не занятый канал DТCH. Если ТД обнаруживает, что есть не занятый канал DТCH, то ТД резервирует этот канал. Далее, ТД по ранее присвоенному каналу ССH/profile (который присвоен в соответствии с ШРВИ) сообщает Т номер дополнительного канала DТCH*. Далее, следует команда Т на смену модификации по каналу ССH/profile, и потом осуществляется передача видеопотока с выбранной модификацией по каналам DТCH и DТCH*. В случая если с сегмента управления поступает команда на активацию камеры, то ТД осуществляет смену текущих модификаций стандарта MPEG-4 на модификацию с минимальными требованиями. Об этом уведомляются все активные терминалы. И потом все дополнительно присвоенные каналы DТCH* перераспределяются согласно ШРВИ. И об этом сообщается всем активным терминалам. 


1.4. Пояснение способа организации доступа к физическому каналу.

 

             Доступ к физическому каналу осуществляется на основе метода множественного доступа с фиксированным распределением – FAMA. В получаемой терминалами ШВС содержится ШРВИ, в которой указано за каким терминалом закреплен тот или иной временной интервал. Далее, ТД осуществляет поочередный опрос всех терминалов. Терминалы отправляют сообщения подтверждения о своем наличии в сети согласно ШРВИ. В этот момент  ТД по принятому сообщению канала DTСН с помощью модуля проведения оперативных измерений осуществляет оценку мощности (радиоизмерения) в каждом временном интервале. После того, как терминалы передали сообщения подтверждения по каналу DTСН, они переходят в режим энергосбережения [см.2 п.2.2]. Отразим вышеописанный доступ к физическому каналу в виде временных диаграмм (Рис. 4, а). Вышеописанные доступ к физическому каналу соответствуют режимам поиска сети и регистрации, а также активному режиму, в случае если используется модификация стандарта MPEG-4  с минимальными требованиями. Результатом работы этих режимов ТД выявлено, что в сети нет терминала 2.

          Когда на ТД поступает команда с СУ на смену модификации с лучшим качеством видеоизображения. ТД проводит действия, описанные в  [2 п.2.2]. Потом ТД резервирует первый не занятый канал для передачи видеопотока, а так же канал для передачи команды управления (КУ), в нашем случае это каналы, которые были отведены под Т2. Команда на смену модификации, а также номер дополнительно назначенного канала передается Т10. После этого Т10 отправляет сообщение подтверждения об успешном приеме команды и переходит на модификацию MPEG-4  с лучшим качеством видео изображения.

  

 

Рис. 4. Временная диаграмма, соответствующая доступу к ФКС в различных режимах работы Т: а – режим поиска сети и режим регистрации; б – активный режим (смена профиля функционирования).

 

1.5. Долевая оценка пропускной способности ЛКС, оценка полного трафика системы.

  

            Проведем долевую оценку пропускной способности ЛКС. Сумма всех интервалов, приходящихся на каждый ЛКС, равна 100%.

             Для долевой оценки отведем  каждому интервалу свое процентное соотношение:

- на широковещательный канал BCCH отводится 0.1% от всей пропускной способности физического канала;

- на каналы BCCH, ССН  отводится 2 %;

- на канал трафика DTCH отводится 98%.

Сообщения канала АСН не учитываются т.к. его функции выполняет канал DTCH.

            Скорость для передачи по каналу трафика DTCH, согласно выбранной модификации MPEG-4, составляет 1400кбит/с. Следует отметить, что для передачи по каналу CCH достаточно скорости 5 кбит/с.

            Суммарная скорость передачи по каналу трафика DTCH  для 10 терминалов равна 14 Мбит/с. С учетом того, что на физическом уровне будет осуществляться помехоустойчивое кодирование со скоростью кодирования 1/2, то общая пропускная способность канала трафика DTCH составляет ~18Мбит/с. Это 98%  пропускной способности от всего канала.

 

1.6. Анализ необходимости наличия разных профилей настройки физического уровня. Проработка иллюстраций способа оперативного управления профилями физического уровня.

 

            Выбор того или иного профиля осуществляется на основании результатов работы подсистемы радиоизмерений, расположенной на физическом уровне. Эти профили отличаются видом модуляции сообщений и типом помехоустойчивого кодирования. В разрабатываемой системе ТД принимает решение о смене профиля функционирования. По умолчанию устанавливается профиль с низкой скоростью и высокой помехозащищенностью передачи данных. Подсистема радиоизмерений осуществляет измерение мощности на входе приемника в каждом подканале, в котором осуществляется передача сообщений канала DTCH. Результаты измерения направляются на уровень принятия решений, где происходит сравнение мощности сигнала в подканале со стандартным уровнем мощности. При выявлении улучшения ли ухудшения качества КС уровень принятия решений формирует команду на смену профиля функционирования, которая передается на Т. Далее, Т формирует сообщение подтверждения о доставке. Это сообщение передается ТД с помощью текущего профиля функционирования, и после этого терминал меняет профиль функционирования. После того, как ТД получила подтверждение, происходит смена профиля функционирования ТД. В случае, если  в течении нескольких мультикадров (см.2.4) Т не получил от ТД сообщений канала ACH или ССН, то Т меняет профиль функционирования на тот, который обладает наибольшей помехоустойчивостью. Также и ТД, в случае неполучения сообщений канала DTCH, меняет профиль функционирования на наиболее помехоустойчивый.

 

2. Разработка физического уровня системы.

 

2.1. Назначение физического уровня, пояснение способа организации физических анналов и вида доступа к ним. Пояснение инкапсуляции сообщений ЛКС канального уровня на физические каналы. Отражение на физическом уровне практических решений п. 1.2 [2]. Анализ и обоснованный выбор мер по защите физического уровня от многолучевости.

            

        Физический уровень предназначен для решения трех задач это организация физических каналов связи (ФКС), безошибочная передача/приём потока битов и выполнение радиоизмерений. 

            В [2] сказано, что в качестве метода доступа к среде будет использован TDMA. В качестве метода множественного доступа к ФКС будет использоваться множественный доступ с фиксированным распределением – FAMA (Fixed Assigned Multiple Access).

            В [п. 2.2, 2] говорилось о том, что на физическом уровне присутствует специальная служба, которая оценивает качество физического канала связи – это подсистема радиоизмерений. Данная подсистема входит только в состав ТД. Анализ качества производится на основе сообщений физического уровня, содержащих сообщения канала DTCH. И далее, предоставляет сведения об измеренном уровне мощности уровню принятия решений. На этом уровне происходит сравнение значения уровня мощности терминала со стандартным значением уровня мощности, значение которого хранится в информационной системе ТД. И после этого уровень принятия решений может дать следующие команды:

- команда на изменение мощности;

- команда на смену профиля функционирования.

Для обеспечения возможности смены профиля функционирования на физическом уровне Т и ТД необходимо предусмотреть систему управления профилями функционирования.

Отметим, что команда на изменение мощности предназначается только Т. А команда на смену профиля функционирования в равной степени относится как к ТД, так и Т. Эти команды передаются по каналу ССH/profile. Смена профилей функционирования осуществляется лишь после получения ТД подтверждения по каналу DТCH. Как уже говорилось ранее, предполагается использовать 2 профиля функционирования.

            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 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.

           

            В соответствии с решением ГКРЧ при Минкомсвязи РФ от 15.07.2010 № 10-07-01 «О выделении полос радиочастот для радиоэлектронных средств любительской и любительской спутниковой служб» выберем для функционирования разрабатываемой радиосети полосу частот 1260-1300 МГц. Этот диапазон предназначен для любительской и любительской спутниковой служб [8].

            Произведем оценку уровня потерь при распространении радиоволн между Т и ТД в выбранном диапазоне частот. Разрабатываемую систему видеонаблюдения предполагается использовать в условиях городской застройки и в производственных помещениях. 

            Для оценки потерь в производственных помещениях воспользуемся моделью, предложенной в рекомендации МСЭ-R P.1238-5 [9]. Потери при распространении рассчитываются по следующей формуле

 

             Из полученных результатов видно, что потери в производственных помещениях и потери в условиях городской застройки приблизительно равны. В дальнейших расчетах будем использовать значение потерь, полученных в условиях городской застройки, равное 108.355 дБ.

            В зависимости от качества канала связи предусматривается 2 профиля функционирования физического уровня. В разрабатываемой радиосистеме будет использоваться QPSK и QAM-16 модуляции. DTCH обеспечивает относительно небольшую скорость передачи сообщений, но и характеризуется малой вероятностью возникновения ошибок. Выбор QAM-16 модуляции  связан с эффективным использованием отводимой полосы частот и, как следствие, высокой скоростью передачи. Для каналов с низким качеством связи будет использоваться QPSK т.к. этот вид модуляции характеризуется малой вероятностью возникновения ошибок по сравнению с QAM-16.

            Из приведенных зависимостей вероятностей битовой ошибки от ОСШ (Рис. 5) можно сделать вывод о том, что для достижения необходимой вероятности ошибки на бит РВ=1е-6 , нужно обеспечить ОСШ равный 10.6 дБ для QPSK модуляции и ОСШ равный14.5 дБ для QAM-16.

 

 

Рис. 5. Зависимости вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и QAM-16 модуляций.

 

2.3. Обоснованный выбор метода помехоустойчивого кодирования, перемежения, деперемежения, оценка эффективности кодирования.

 

            В качестве  метода помехоустойчивого кодирования будут использоваться коды Боуза-Чоудхури-Хоквенгейма (Bose-Chadhuri-HocquenghemBCH, БЧХ), являющиеся результатом обобщения кодов Хэмминга, которое позволяет исправлять множественные ошибки. Они составляют мощный класс циклических кодов, который обеспечивает достаточную свободу длины блока, степени кодирования, размеров алфавита и возможностей коррекции ошибок. При блоках, длина которых равна порядка несколько сотен, коды БЧХ превосходят своими качествами все другие блочные коды с той же длиной блока и степенью кодирования [3].

          Известно, что относительно широкий максимум эффективности кодирования, в зависимости от степени кодирования при фиксированном n, для кодов БЧХ находится примерно между степенью 1/3 и 3/4 [3]. В разрабатываемой системе будет использовать одна модификация кода и это код (255, 187), исправляющий 9 ошибок. 

 

 

Рис. 6. Зависимости вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и QAM-16 модуляций при использовании помехоустойчивого кодирования.

 

            Из зависимостей, показанных на Рис. 6, видно, что для QPSK с кодом (255, 187) необходимо обеспечить ОСШ равное 6.2 дБ, для QAM-16 с кодом (255, 187) ОСШ равное 9.8 дБ. Таким образом, при использовании помехоустойчивого кодирования достигается энергетический выигрыш в ОСШ для QPSK с кодом (255, 187)  – 4.4 дБ и для QAM-16 с кодом (255, 187)  – 4.7 дБ.

            Для борьбы с пакетами ошибок в системе используется блочное перемежение.

В данной системе исходная закодированная последовательность размером 255 бит

К закодированной последовательности размером 255 бит добавляется один нулевой бит.

Таким образом, сообщения физического уровня имеет следующую структуру:

- информационная часть DATA_L2 – это сообщение, пришедшее с канального уровня, размерность 187 бит;

- избыточная часть FEC, необходима для реализации кода BCH (255, 187);

- нулевой бит, для приведения размера сообщения к числу кратному 2 или 4 (следует из определения позиционности QPSK и QAM-16 модуляции ).

            Такую структуру имеют все пакеты физического уровня вне зависимости от назначения и профиля функционирования. Полученный пакет из 256 бит поступает на вход блочного перемежителя [11].  Далее, происходит сама 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 1бита умножим размер слота (256) на количество слотов, содержащих данные от одного и того же терминала (5)  и разделим на пропускную способность одного ФК (1.91Мбит/с) (см п. 2.5). Итого получается что длительность 1 бита равна 0.67 мс. Для оценки глубины перемежения необходимо определить время когерентности канала связи [11]. Время когерентности определяется по формуле:

 

Таким образом, глубина перемежение находится, как  ТКОГ поделенное на длительность одного бита, и глубина перемежения равна 0.072/0.67е-3=107.46. Для обеспечения такой глубины перемежения блочный код должен имеет размеры 16 строк на 8 столбцов. Следует сказать, сказать что размеры блочного перемежителя должны быть согласованы с размером сообщения физического уровня (сообщение с выхода кодера + нулевой бит), для этого размеры блочного перемежителя примем 32 строки на 8 столбцов.

 

2.4. Проработка структуры радиоинтерфейса, обеспечивающего двусторонний обмен данными. Обоснование и реализация вспомогательных каналов связи физического уровня реализация профилей физического уровня.

 

            В разрабатываемой радиосистеме в качестве способа организации ФКС выбрано TDMA. И тогда для организации дуплексной связи необходимо симплексные ФКС, соответствующие направлению передачи от ТД к Т и от Т к ТД, разнести по времени. Для симплексного канала ВССН, CCH соответствующие направлению передачи от ТД к Т (DownLink),  выделены 2 временной слот в каждом кадре и второй слот в первом кадре, тип канала определяется номером кадра. Отметим, что для обнаружения ШВС канала ВССН не нужно проводить демодуляцию всех сообщений. Обнаружение осуществляется путем нахождения взаимной корреляционной функции между IQ-символами принятой последовательности и IQ-символами поля TS, сформированными в приемнике. Структура первого и второго слота постоянна и не меняется даже в случае выбора модификации MPEG-4  с лучшим качеством видеоизображения. Для симплексного канала DTCH, соответствующий направлению передачи от Т к ТД (UpLink), выделены 3 – 53 временной слоты. Служебная информация, содержащаяся в сообщении канала DTCH (поле FL_ARQ) одинакова во всей группе сообщений, исходящей от Т. Таким образом, самой «крупной» единицей радиоинтерфейса является «мультикадр» длиной 176389 бит. Мультикадр включает 11 кадров по 13568 бит. Каждый кадр включает в себя 53 слота. Получившаяся структура отображена на Рис.7.

 

 
Рис. 7. Структура радиоинтерфейса.

          

            Специальных каналов для частотной подстройки и временной синхронизации, необходимые для синхронизации ТД и терминалов не требуется. Это объясняется тем, что в разрабатываемой радиосети будет использоваться технология OFDM, в этой технологии предусмотрены специальные поля, выполняющие функцию синхронизации.

            Исходя из скорости передачи видеопотока в канале DTCH после помехоустойчивого кодера – 1.91 Мбит/с, длительность сообщений каналов ВССН, ССН и DTCH составляет 134 мкс.

            Также отметим, что после прохождения процедуры кодирования к полученным сообщениям добавляется один нулевой бит. В дальнейшем это необходимо для успешного прохождения процедуры модуляции т.к. один символ QPSK представляется 2 битами, а QAM-16,соответственно, 4 битами.

 

2.5. Оценка пропускной способности ФКС соединения «терминал-ТД».

            

            На канальном уровне к сообщению, содержащему аудио и видео данные (со скоростью 1,4Мбит/с), добавляется поле CRC и FL_ARQ, добавляющие к пропускной 2.7%. Скорость передачи увеличивается до 1.44Мбит/с (сообщение канала DTCH). Это сообщение поступает на физический уровень, где над ним осуществляется канальное кодирование по скорость 0.733 (187/255) и скорость передачи увеличивается до 1.91 Мбит/с. Число таких каналов равно 10 (по числу возможно функционирующих терминалов в сети) и тогда скорость передачи равна 19.1 Мбит/с. С учетом скорости, приходящейся на каналы ВССН и ССН, скорость передачи увеличивается на 720кбит/с, это объясняется тем, что 51 сообщение канала  DTCH приходится два сообщения канала ВССН или ССН (см. Рис.7). С учетом этого пропускная способность увеличивается до 19.82 Мбит/с.

            Поскольку в качестве метода борьбы с многолучевостью используется технология OFDM, то в итоговой пропускной способности необходимо учитывать OFDM-символы приходящиеся на преамбулу. Из п.2.8 видно, что из всего количества OFDM-символов, входящих в мультикадр, доля, приходящаяся на преамбулу, составляет 0.109 и доля, приходящаяся на данные, составляет 0.891. Если 0.891 это 19.82 Мбит/с, то пропускная способность с учетом преамбулы увеличит до 22.222 Мбит/с.

           

2.6. 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 ятя передачи данных. Как будет показано в п.2.8 для передачи данных будет использоваться 32 поднесущих. Отсюда следует, что скорость передачи данных по каждому из 32-х параллельных каналов будет равна:

 

 
Требование по мощности излучения подвижной станции (< 2 Вт) соблюдается в обоих профилях.

 

2.7. Пояснение функциональной схемы физического уровня системы.

 

            Функциональная схема физического уровня изображена на Рис. 8 (А – передающая часть, Б – приемная часть).

 

Рис. 8. Функциональная схема физического уровня (А – передающая часть, Б – приемная часть).

 

Поступающее с канального уровня сообщение проходит процедуры помехоустойчивого кодирования с использованием кода  BCH (255, 187), далее, осуществляется блочное перемежение (32х8), добавление 8 незначащих бит 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 ТД, для этого в ТД реализована подсистема радиоизмерений. Подсистема радиоизмерений сообщает уровню принятия решений о качестве КС. Если необходима смена модуляции, то на модулятор с уровня принятия решений приходит соответствующая команда.

С выхода модулятора сообщение поступает на вход формирователя OFDM сигналов, где оно разбивается на блоки равной длины. Далее, к полученным символам OFDM в виде преамбулы добавляются сообщения синхронизации и коррекции частоты, поступающих в формирователь OFDM – сигнала от соответствующих подсистем. Передающая часть Т выполнена таким же образом.

Приемная часть выполняет обратные функции: демодулирование OFDM – сигнала, демодулирование, демодуляция, деперемежение, декодирование. Приемная часть Т отличается отсутствие подсистемы радиоизмерений.

 

2.8. Определение типов пакетов физического уровня, обоснование структуры полей пакетов каждого типа оценка размерности. 

 

            Пакет физического уровня в общем случае будет состоять из двух полей: поля преамбулы и поля данных. Преамбула предназначена для временной и частотной синхронизации. Преамбула будет передаваться посредством двух символов OFDM с использованием QPSK модуляции.

          Поле данных будет содержать закодированные помехоустойчивым кодером данные, и иметь длину, равную 255 битам. Сообщение, приходящее с КУ, проходит процедуру помехоустойчивого кодирования с использованием кода  BCH (255, 187). Далее, к этому сообщения добавляется нулевой бит, для приведения длины пакета кратности степени 2. Это сообщение подается на перемежитель. Таким образом, сообщение ФУ имеет длину равную 256 бита:

255 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 4 OFDM символа. Для временной и частотной синхронизации приемных устройств необходимо предусмотреть специальное поле – преамбула, которое стоит из одного OFDM символа короткой преамбулы, и одного OFDM символа длиной 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 2 OFDM символа. Для временной и частотной синхронизации приемных устройств необходимо предусмотреть специальное поле – преамбула, которое стоит из одного OFDM символа короткой преамбулы, и одного OFDM символа длиной преамбулы.

          Пакет ФУ для передачи сообщений каналов ВССН, ССН, DTCH будет состоять из двух 2 OFDM символов преамбулы и 2 или 4 OFDM символов данных (Рис.9, а). Существуют некоторые особенности передачи сообщений канала DTCH. Обратимся к структуре мультикадра, из нее видно, что пять сообщений  канала DTCH объединены в общую группу, таких групп – 10. И тогда пакет ФУ для канала DTCH (с 4 по 53 слот) имеет следующую структуру: два символа преамбулы и от 10 или 20 символов данных (Рис. 9, б). Таким образом, при использовании QPSK модуляции мультикадр будет состоять из 2618 OFDM символов из них 198 OFDM символов для передачи 1-3 слота и 2420 OFDM символов для 4-53 слот.

 

  

Рис. 9. Структура пакетов физического уровня и формирование OFDM сигнала (а – слот 1-3; б – слот 4 -53).


 

            Передача одного OFDM символа будет осуществляться с использованием 48 поднесущих: 32 поднесущие для передачи данных, 2 – 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. 10.

            Сведем в общую таблицу скорость передачи данных на ФУ, и структуру OFDM символов в зависимости от профиля функционирования (Таблица 2).

 

Рис. 10. Структура поднесущих (OFDM символов).

 

 Оценим ширину спектра полученного OFDM символа. Расстояние между поднесущими равно при использовании QPSK модуляции – 347.2 кГц, при QAM-16 – 173.6 кГц. Ширина спектра по уровню половинной мощности равна при использовании QPSK модуляции –12.15 МГц, при QAM-16 – 6.08 МГц (Таблица 2).. Ширина спектра по уровню 0.1 мощности равна при использовании QPSK модуляции –16.67 МГц, при QAM-16 – 8.33 МГц (Таблица 2). Спектральная маска полученного OFDM символа изображена на Рис. 11.

Таблица 2.Сводная таблица профилей функционирования физического уровня.


  

    

 

Рис.11. Спектральная маска полученного OFDM символа

  




Список литературы.

 

1) Р. Морелос-Сарагоса. Искусство помехоустойчивого кодирования. Методы, алгоритмы, применение., М: Техносфера, 2005. - 320с.

2) Лукашин И.В. Радиосистема дистанционного видеоконтроля (Часть 2) http://omoled.ru/publications/view/459 

3) Б. Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр. Пер. с англ. — М. : Издательский дом “Вильямс”, 2003. — 1104 с.

4) http://adminbook.ru/index.php?men1=2/65_2

5) Лукашин И.В. Радиосистема дистанционного видеоконтроля (Часть 1)

http://omoled.ru/publications/view/425

6) http://www.rsreu.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=215&Itemid= 384&lang=ru

7) http://www.poiskinfo.net/stat/st40.php

8) http://www.bestpravo.ru/rossijskoje/rx-zakony/x1a.htm

9) РЕКОМЕНДАЦИЯ МСЭ-R P.1238-5: «Данные о распространении радиоволн и методы прогнозирования для планирования систем радиосвязи внутри помещений и локальных зоновых радиосетей в частотном диапазоне 900 МГц – 100 ГГц».

10) К. Весоловский. Системы подвижной радиосвязи / Пер. с польск. И. Д. Рудинского; под ред. А. И Ледовского. - М.: Горячая линия-Телеком, 2006. - 536 с.

11) Ламтев. К. Система сбора данных с подвижных станций. Часть 3. http://omoled.ru/publications/view/338