КП «Система сбора данных с подвижных объектов»

ЧАСТЬ III

П.Б. Никишкин

Построение канального уровня системы. Описание назначения сервисов канального уровня исходя из контекста решаемых задач. Определение способов адресной и широковещательной доставки сообщений канального уровня.

Основными сервисами канального уровня являются: адресация передаваемых сообщений, проверка целостности сообщений, доступ к физическому каналу связи. Данные сервисы будут организованы в виде служб канального уровня. Рассмотрим их более подробно.

Служба адресации. Сообщения канального уровня могут предназначаться конкретному терминалу, либо быть адресованы всем терминалам «своей» сети. Для этого пакет канального уровня в своем составе имеет поле I/G[1,стр.50], значение которого может быть либо равно 0, либо равно 1. Если оно установлено в 0, то сообщение отправляется определенному терминалу, если же он установлен в 1, то сообщение является широковещательным. После поля I/G идет поле адреса. Если I/G = 1, то поле адреса заполняется единицами, в противном случае поле адреса заполняется адресом (идентификатором) объектов системы. Рассчитает бит необходимо на поле адреса. Т.к. участников соревнования может быть больше 100, то необходимо 2⁷ значений, чтобы у каждого участника был свой адрес (идентификатор). Получает поле адреса 7 бит, но это без учета точек доступа. Из всего вышесказанного поле адреса возьмем длиной 8 бит. Для небольшого разноса значений адресов точек доступа и терминалов, точки доступа целесообразно начинать нумеровать с номера 155 в десятичной системе.

Служба целостности сообщения. Данная служба осуществляет проверку достоверности принимаемых сообщений канального уровня на основании расчета контрольных сумм CRC. В системах телекоммуникации в основном используется код CRC-12. Поэтому на данном этапе остановимся на выборе именно этого кода.

Выделение типов логических каналов связи (ЛКС), используемых на канальном уровне. Пояснение назначения сообщений, передаваемых по каждому ЛКС.

ЛКС используемые на канальном уровне, частично были рассмотрены во второй статье при рассмотрении сценария взаимодействия терминала с точкой доступа [5]. Перечислим и дадим краткую характеристику используемым ЛКС.

Широковещательный канал – основное назначение канала, это передача таких сведений о точке доступа всем терминалам, как идентификатор точки доступа, профиль настройки физического уровня, пакеты временной и частотной синхронизации, номер цикла передачи. Терминал принимает эту информацию, определяет что находится в зоне обслуживания точки доступа, где имеет право передавать сообщения.

Канал случайного доступа – предназначен для отправки на точку доступа текущего подготовленного сообщения. Терминалы вступают в конкурентную борьбу за канал передачи данных по каналу случайного доступа. Если терминал выигрывает в конкурентной борьбе, он незамедлительно передает свое сообщение. Если в результате передачи произошла коллизия или возникли ошибки при передаче, терминал заново вступает в конкурентную борьбу за канал, для того чтобы заново передать текущее сообщение.

Канал управления – предназначен для передачи команд управления и оповещения с точки доступа на терминал. Сообщения, передаваемые по этому каналу, могут быть такие как сообщения о готовности к передаче, или сообщение успешного приема. Также сообщения этого канала могут предназначаться, конкретному пользователю, с целью получения от него дополнительной услуги.

Рис.1. Обмен сообщениями между объектами канального уровня

Оценка возможности применения ARQ в ЛКС.

В разрабатываемой системе скорости движения участников (терминалов) высокие, при этом нахождение терминала в зоне радиопокрытия составляет менее 5 секунд^[1]. Как будет рассчитано позднее, за 4 секунды может быть пройдено 4500 циклов передачи, т.е. в среднем на каждый терминал приходится по 45 циклов передачи, для того чтобы передать своё подготовленное сообщение. Поэтому для увеличения качества работы системы, имеет смысл использовать ARQ. Если на точку доступа сообщение пришло с ошибками, точка доступа не отправляет сообщение об подтверждении доставки. Терминал опять вступает в конкурентную борьбу за канал, и отправляет это же сообщение еще раз на точку доступа.

Способы обеспечения достоверности принимаемых сообщений в каждом ЛКС.

Для достоверности принимаемой информации используется поле контрольной суммы (CRC). Суть заключается в том, что контрольная сумма вычисляется на передающей стороне. С математической точки зрения, контрольная сумма представляет собой хэш-функцию, вычисленную по небольшому количеству бит, внутри блока данных. Полученное значение записывается в поле контрольной суммы. На приемной стороне известен алгоритм, по которому будет вычислена контрольная сумма. После приема пакета данных, по принятым битам вычисляется новая контрольная сумма на приемной стороне, полученное значение контрольной суммы сравнивается с принятым. При совпадении результатов можно сделать вывод, что целостность данных сохранена [3].

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

Сумма всех интервалов, приходящихся на каждый ЛКС, равна 100%. Для долевой оценки отведем  каждому интервалу свое процентное соотношение:

• на широковещательный канал отводится 5 % от всей пропускной способности физического канала;
• на канал случайного доступа отводится – 93 %
• на канал оповещения отводится – 2 %

Рис.2. Оценка пропускной способности ФКС. 

На основании рассмотренных ЛКС составим сводную таблицу.

Таблица 1. Сводная таблица ЛКС.

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

На физическом уровне необходима система радиоизмерений. На основании этих результатов, полученных путем измерения мощности радиосигнала, осуществляется выбор профиля настройки физического уровня. При обнаружении ухудшения качества канала связи, система радиоизмерений посылает сообщение на уровень управления (рассматривалось во второй статье). Уровень управления формирует сообщение управления и отправляет его системе управления профилями. Система управления профилями изменяет модуляцию, кодирование, перемежение на более или менее помехозащищенный, в зависимости от ситуации в канале связи. По каналу случайного доступа вместе с запросом на предоставление КС, передается информация о профиле настройки. По каналу управления точка доступа передает информацию о своем текущем профиле настройки. Передача данных начнется, когда терминал и точка доступа настроятся на одинаковый профиль настройки физического уровня.

Рис.3. Структура разрабатываемой системы.

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

Рис.4. Структура пакета канального уровня.

Структура пакета канального уровня состоит из следующих полей:

Поле «I/G» – поле предназначенное для указания типа сообщения, адресное или широковещательное. Подробнее рассмотрено выше.

Поле «Тип канала» - в данном поле указывается какие сведения передаются: служебная или пользовательская информация.

Поля адреса – содержит адреса отправителя и получателя пакета.

Поле профиля функционирования – информация о том, на каком профиле в данный момент идет работа системы.

Поле данных– содержит непосредственно информацию, которую необходимо передать.

Поле CRC – контроль целостности пакета.

Рассмотрения начнем с канала трафика. В поле I/Gустанавливается значения 0, в поле адреса устанавливается значение идентификатора точки доступа, в зоне обслуживания которой находится терминал. В поле «тип канала» указывается порядковый номер в двоичном виде канала (BCCH – 01, RACH –10, DCCH – 11). Рассчитаем значение поля данных:

На данные со скоростью движения отведем 1 байта;

На данные о пульсе – 2 байта;

На температуру тела – 1байта;

На температуру двигателя – 1байта;

На давление в шинах – 1 байт;

На измерение количества топлива – 1 байта.

В результате получается общих размер поля данных составляет7 байтов, или же 56 бит.

Канал широковещательных сообщений. Поле I/G будет равно 1, поле адреса терминала заполняется последовательностью из 8 единиц. В поле «тип канала» указывается порядковый номер в двоичном виде канала. В поле адреса ТД записывается идентификатор точки доступа в двоичном виде.

Рис.6. Структура сообщения BCCH.

Канал случайного доступа. В поле I/G устанавливается значения 0, в поле адреса устанавливается значение идентификатора точки доступа. В поле «тип канала» указывается порядковый номер в двоичном виде канала. В поле данных, текущее сообщение которое необходимо передать на точку доступа.

Рис.7. Структура сообщения RACH. 

Канал управления. Поле данных разделяется на 2 поля. Первое поле это поле подтверждения доставки – 1 бит. Если 1 успешная доставка сообщения, если значение 0, то данное поле не используется. Второе поле – запрос дополнительной услуги, в соответствие с рисунком 8 из статьи 1. 

Рис.8. Структура сообщения DCCH.

Назначение физического уровня, пояснения способа организации физических каналов и вида доступа к ним. Пояснения инкапсуляции сообщений ЛКС канального уровня на физические каналы.

Кратное описание назначение физического уровня было изложено в пункте п. 1.4.

Инкапсуляция сообщений ЛКС канального уровня на физические каналы, состоит в том, что на физическом уровне к сообщению канального уровня добавляется дополнительная служебная информация, в результате получается сообщение, готовое к передаче по каналу связи. Дополнительная служебная информация имеет значение только на физическом уровне. Разберемся что же эта за информация. Пакет физического уровня имеет следующую структуру, представленную на рисунке 8.

Рис.8. Структура пакета физического уровня.

Во-первых это флаги начала и окончания пакета физического уровня размерностью 8 бит, во-вторых настроечная последовательность фильтра-эквалайзера, необходимая для коррекции амплитудных и фазовых изменений, вызываемых замираниями в радиоканале.

Рассмотрим способ организации физических каналов и вида доступа к ним. В системе существует  единственный широкополосный канал связи, который может быть занят только одним передающим устройством [6].

Как уже было рассмотрено во второй статье, передача данных происходит на основе конкурентной борьбы. Терминал, загадывает случайным образом время задержки, т.е. число канальных интервалов в диапазоне от 1 до N, и в течении которых воздерживается от передачи, при этом постоянно опрашивая службу радиоизмерений на предмет незанятости канала связи. По истечении загаданной времени задержки и незанятости канала связи, терминал незамедлительно по каналу случайного доступа отправляет на точку доступа свой идентификатор и текущие данные, необходимые для передачи. После осуществления передачи данных, терминал должен получить сообщение подтверждения. Если он не получил такого сообщения, то терминал заново вступает в конкурентный доступ за канал. Рассмотрим вопрос, связанный с коллизией, когда два конкурирующих терминала загадали одно и то же число канальных интервалов, и как следствие не получили пакет подтверждения. В этом случае терминалы пропускают 3 цикла передачи от текущего номера цикла передачи, генерируют новое число и снова вступают в конкурентную борьбу. Если при второй попытке у терминала снова возникает коллизия, то он пропускает 2 цикла, и снова повторяет описанную выше операцию. В последующих попытках терминал пропускает 1 цикл [5].

Рис.9. Организация доступа к физическому каналу.

На рисунке 9 указывается количество канальных интервалов, в течении которых терминал воздерживается от передачи. Исходя из этого появляется вопрос, какова же длительность канального интервала? Попытаемся ответить на данный вопрос. Сообщения всех логических каналов, имеют одинаковый размер. Скорость передачи в канале случайного доступа равно 180 кбит/сек (будет получена позднее). Количество бит, содержащегося в сообщении равно 160. Таким образом время передачи равно 88 мсек. Данное значение делим на N (100 терминалов), и получаем время одного канального интервала равно 880 мксек. 

Энергетический расчет системы: обоснованный выбор частотного диапазона; оценка уровня потерь при распространении радиоволн выбранного диапазона; обоснование выбора вида модуляции; расчет отношение сигнал/шум, требуемого для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки для выбранного вида и типа модуляции/демодуляции.

Для работы нашей системы целесообразно использовать диапазон 403-410 МГц, так как согласно решению ГКРЧ от 11.12.2006, данный диапазон выделяется гражданам Российской Федерации и российским юридическим лицам для разработки, производства и модернизации радиоэлектронных средств фиксированной и подвижной радиосвязи гражданского назначения без оформления отдельных решений ГКРЧ для каждого конкретного пользователя РЭС [2].

На основание выбранного диапазона частот произведем энергетический расчет.

В соответствие с техническим заданием оценку уровня потерь осуществим, используя модель предсказания Хата. Общие потери рассчитаем по формуле 1.

В данной формуле: f – несущая частота, МГц; d–расстояние между антенной точки доступа и антенной терминала; h_AP – высота антенны точки доступа; h_AC – высота антенны терминала; a(h_AC) – поправочный коэффициент для терминала (в диапазоне высот от 1 м до 10 м):

 Примем значение несущей частоты f = 408 МГц, d = 0.07 км; h_AP = 8 м; h_AC = 1.5 м. Подставив выбранные значения в формулы 1 и 2, получим общие потери распространения.

 L = 106.9379 дБ,

 В системе существует два профиля настройки физического уровня, определимся с модуляцией, используемой на каждом профиле. В канале с низким качеством будет использоваться модуляция QPSK (профиль 1), данный вид модуляции характеризуется малой вероятностью возникновения ошибок и сравнительно небольшой скоростью передачи данных. В канале с хорошим качеством будем использовать модуляцию QAM-16 (профиль 0), более высокая скорость передачи, но и высокая вероятность возникновения ошибок.

Рис.10. Зависимость вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и 16-QAM.

По техническому заданию необходимо обеспечить вероятность ошибки на бит P_b = 10^-6. Как видно из рисунка 6, при модуляции 16-QAM заданная вероятность битовой ошибки обеспечивается при 14.4 дБ, а при модуляции QPSK – 10.5 дБ.

Обоснованный выбор метода помехоустойчивого кодирования, перемежения, деперемежения, оценка эффективности кодирования.Анализ и обоснованный выбор мер по защите физического уровня от многолучевости.

Ошибки, возникающие в канале связи с шумом, могут быть исправлены до необходимого уровня, без снижения скорости передачи информации, путем введения избыточности. Но скорость передачи информации остается ниже пропускной способности канала [4].

Т.к. физический уровень работает с блоками данных, то удобно использовать БЧХ коды. Они составляют мощный класс циклических кодов, который обеспечивает достаточную свободу длины блока. Для профиля 1 будет использоваться код (127,92,9). Данный код имеет размерность блока до кодирования такую же, что и пакет канального уровня – 88 бита. Размер блока после кодирования составляет 127 бит. Код способен исправить 9 ошибок в блоке данных. Для профиля 0, используется код (127,99,9). Данный код способен исправлять 9 ошибок.

Рис.11. Зависимости вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и 16-QAM модуляций при использовании помехоустойчивого кодирования.

Для обеспечения требуемой вероятности ошибки на бит, при модуляции QPSK это достигается при 7.4 дБ, а при модуляции 16-QAM – 10.8 дБ. Таким образом, выигрыш для профиля 1 составляет 3.1 дБ, а для профиля 0 – 3.6 дБ.

Для устранения последствий интерференции и многолучёвости будем использовать эквалайзер, опирающийся на передаваемую настроечную последовательность, добавляемую в специальное поле пакета ФУ [4].

Для борьбы с пакетами ошибок в системе используется блочное перемежение. Идея перемежения в том, что исходная кодовая последовательность из L символов разбивается на M блоков по N символов в каждом и преобразуется в матрицу размером L = [ N x M ], где N — число символов в строке, а M — число столбцов. Операция перемежения заключается в последовательной построчной записи входных данных и считывании этой информации по столбцам. На приемной стороне выполняется деперемежение: запись производится по столбцам, а чтение по строкам. При этом происходит восстановление исходного порядка следования символов.

В данной системе последовательность размером 127 бит поступает на вход блочного перемежителя. К этой последовательности добавляется 1 нулевой хвостовой бит, с целью приведения длины последовательности к кратной степени двойки. Эта последовательность разбивается на 16 блоков по 8 бит в каждом. Затем происходит процедура перемежения [2].

Глубина перемежения зависит от времени когерентности канала. Найдем её используя следующие формулы.

Оценка уровня передачи.

Из рассмотренных ранее сценариев, для уверенности в том, что сообщение будет успешно передано, на каждый терминал отведем по 10 циклов передачи. Время нахождения терминала в зоне радиопокрытия при скорость в 125 км/ч составляет 4 секунды. В системе число терминалов обычно равно 100. Тогда время на каждый терминал получается равно 4 сек / (100 терминалов * 10 циклов передачи) = 0,004 сек. Тогда скорость передачи полезной информации равна 88 бит/0.004 сек = 22 кбит/сек. Что не соответствует условию ∆f/f ≥ 10^-6, увеличении скорости передачи в 2 раза является на грани допустимой реализации, что тоже не подходит.

Для того чтобы соответствовать условию скорость передачи полезной информации выберем в 4 раза больше исходной (22 кбит/сек), т.е. равной 80 кбит/с. Полезные данные одного терминала составляет 88 бит. В процентном соотношении полезные данные составляют 69% от размера канального уровня. Значит, скорость передачи должна быть на 31% выше, т.е. 104.8 кбит/с. Учтем избыточность вносимую кодером. Для профиля 1 кодирование снижает скорость передачи в n/k = 127/92 = 1.38 раза, т.е. скорость должна быть равна 145 кбит/с. Для профиля 0 n/k = 127/99 = 1.28 раз, скорость равна 134.1 кбит/с.

Тогда скорость передачи в системе будет: для профиля 0 - 160/128*134.1 кбит/с ≈ 168 кбит/с.

Для профиля 1 160/128*145 кбит/с  ≈ 181 кбит/с.

R – это скорость, которая требуется в канале случайного доступа. Тогда скорость передачи всей системы в целом будет 1.07*R и равна в профиле 0 – 180 кбит/сек, а в профиле 1 – 194 кбит/сек. За основу возьмем профиль 1. Расчет времени занимает один цикл передачи, произведем следующим образом.

t = 160 / (0.5*180 + 0.2*180 + 0.93*180) = 88 мсек.

Терминал в среднем в зоне обслуживания точки доступа находится 4 сек, т.е. за это может быть пройдено 4500 цикла передачи. Поэтому получается, что все участники сети (100 терминалов) за время 4 секунд непременно смогут быть обслужены точкой доступа.

Список используемой литературы:

1. Д.С. Кулябов, А.В. Королькова «Архитертура и принципы построения современных сетей и систем телекоммуникаций» [Электронный ресурс] // URL:http://www.telesys.pfu.edu.ru/sites/telesys.pfu.edu.ru/files/imported/studies/book/kulyabov-korolkova_network-architecture.pdf

2. Система сбора данных с подвижных объектов. Часть 3. [Электронный ресурс] // URL:http://omoled.ru/publications/view/338

3. КП на тему «Локальная радиосеть» п.1.6-1.7 (Часть № 3). [Электронный ресурс] // URL:http://omoled.ru/publications/view/332

4. С.А. Милованов – Система сбора данных с подвижных станций (часть 3). [Электронный ресурс] // URL:http://omoled.ru/publications/view/339

5. КП "Система сбора данных с подвижных станций". Часть 2. [Электронный ресурс] // URL:http://omoled.ru/publications/view/433

6. А.В. Бакке. Основы построения беспроводных сетей стандарта 802.11, методические указания к лабораторной работе, Рязань 2008.