КП «Система сбора данных с подвижных объектов». Часть 3.

Выполнила студентка группы 9110 Жарко Н.С.

1.     Разработка канального уровня. 

Одной из задачи канального уровня является адресная доставка сообщений. Для ее реализации каждый терминал в системе имеет собственный идентификатор ID T, за которым в ЦСИ закрепляются данные о спортсмене, такие как:

- фамилия, имя и отчество спортсмена;

- регион, за который выступает спортсмен;

- спортивное звание;

- возрастная группа, в которой соревнуется спортсмен;

- номер спортсмена.

Так же на канальном уровне с помощью контрольной суммы (CRC) осуществляется проверка достоверности принятых сообщений в каждом логическом канале связи (ЛКС). Для этого в Т на канальном уровне к передаваемому пакету добавляется контрольная сумма. Если контрольная сумма, рассчитанная на канальном уровне в ТД, совпадает с контрольной суммой, прикрепленной к передаваемому пакету, то целостность сообщения не нарушена. Если контрольная сумма не совпадает, то целостность сообщения нарушена. Попытка передачи пакета данных от Т к ТД осуществляется до тех пор, пока Т не получит от ТД ответного сообщение, в котором содержится время прохождения Т ТД, или пока Т не выйдет за пределы зоны действия текущей ТД (100м). В разрабатываемой системе будем использовать CRC – 8. Контрольная сумма CRC - 8 применяется в основном для коротких сетевых пакетов. Использовать ее можно для контроля целостности небольших объемах данных (оптимально - до 120 бит  информации), или в случаях, когда возможность появления искажений исходных данных крайне мала.

Максимальное количество участников соревнований равно 1000, следовательно, количество различных ID T  будет составлять 1000. Для реализации широковещательной доставки сообщений каждая ТД  имеет свой идентификатор ID ТД. Максимальное количество точек доступа, которые необходимо посетить спортсмену, равно 20, следовательно, в системе предусмотрено 20 различных ID ТД.

Сценарий взаимодействия Т и ТД:

На рисунке 1 представлен сценарий взаимодействия Т и ТД. ТД постоянно рассылает широковещательную информацию,  которая предназначена всем Т. Эта информация содержит в себе ID ТД и информацию о синхронизации (в данной системе применяется частотная и временная синхронизации). Для этого используется  широковещательный канал BCCH (Broadcast Control Channel).  Т, получив эту информацию, отправляет ТД запрос на передачу данных. В этом запросе Т передает свой идентификатор ID T. Запрос отправляется по каналу случайного доступа RACH (Random  Access Channel).ТД после получения такого запроса  по каналу разрешенного доступа AGCH (Access Grant  Channel) отправляет разрешение/запрет передачи данных. Запрет отправляется тем Т, идентификаторы которых не содержатся в журнале ID Т, хранящегося в ИС ТД. При получении разрешения на передачу данных, Т осуществляет передачу данных по каналу трафика TCH (Traffic Channel). Если ТД приняла данные без ошибок, то она отправляет Т время, в которое ТД приняла данные от Т. Это осуществляется по каналу трафика TCH. Если Т не получил такого сообщения, то это значит, что данные ТД получила с ошибкой. Далее Т вновь осуществляет запрос передачи данных. 


Рис.1. Сценарий взаимодействия Т и ТД.

В таблице 1 представлена сводная таблица ЛКС, используемых на канальном уровне.

Таблица 1. Сводная таблица ЛКС.


Долевая оценка пропускной способности логических каналов связи:

На рисунке 2 представлено долевое распределение пропускной способности логических каналов связи. 


Рис. 2. Долевое распределение пропускной способности ЛКС.

k1 + k2 + k3 + k4 = 100%

На широковещательный канал отводится k1 = 1%, на канал случайного доступа k2 = 2%, на канал разрешенного доступа k3 = 2%, на канал сигнализации k5 = 2% от 100% от всей пропускной способности, которая равна 100%. На канал трафика отводится k4 = 100% -  k1 + k2 + k3  = 100% - 1% - 2% - 2%  = 95% от всей пропускной способности.

Построение структуры пакетов канального уровня:

 

По каждому ЛКС будут передаваться пакеты, имеющие различную структуру.

 

1) Структура пакета, передаваемого по широковещательному каналу BCCH, содержит следующие поля (рис.3):

- Sync_f – поле частотной синхронизации (16 бит);

- Sync_t – поле временной синхронизации (16 бит);

- Type_channel – в этом поле отображается тип передаваемого сообщения. Для этого поля будет отведено 2 бита, так как в системе будут передаваться пакеты 4 различных типов ЛКС (BCCH, RACH, AGCH, TCH). Двумя битами можно представить 22= 4 различных комбинаций. Для BCCH поле type будет заполнено комбинацией - 00.

- ID ТД – поле, в котором расположен идентификатор ТД. Так как в системе используется 20 различных ТД, то требуется 20 различных комбинаций ID ТД (7 бит).

- CRC – поле контрольной суммы, для проверки целостности принятого пакета. Так как используется CRC – 12 (12 бит).

- FILL – поле битов заполнения, необходимо для того, чтобы привести сообщения различных логических каналов к одинаковой длине (39 бит).


Рис.3. Структура пакета, передаваемого по каналу BCCH.

 

2) Структура пакета, передаваемого по каналу случайного доступа RACH, содержит следующие поля (рис.4):

- Sync_f – поле частотной синхронизации (16 бит);

- Sync_t – поле временной синхронизации (16 бит);

- Type_channel – тип передаваемого сообщения, отводится 2 бита (10).

- ID T – поле идентификатора терминала. Так как, в разрабатываемой системе максимальное количество участников равно 1024, то требуется 1204  различных ID T, для их комбинации используем 10 битов (210=1024).

- CRC – поле контрольной суммы, для проверки целостности принятого пакета. Так как используется CRC –12 (12 бит).

- FILL – поле битов заполнения, 38 бит. 


Рис.4. Структура пакета, передаваемого по каналу RACH.

3) Структура пакета, передаваемого по каналу разрешенного доступа AGCH, содержит следующие поля (рис.5):

- Sync_f – поле частотной синхронизации (16 бит);

- Sync_t – поле временной синхронизации (16 бит);

- Type_channel – тип передаваемого сообщения, длиной 2 бита (10).

- ID ТД – поле, в котором расположен идентификатор ТД (7 бит).

- DATA – информационная часть сообщения, которое содержит в себе разрешение (1) или запрет на предоставление канала (0) связи. Длина этого поля 1 бит.

- CRC – поле контрольной суммы, для проверки целостности принятого пакета. Так как используется CRC – 12 (12 бит).

- FILL – поле битов заполнения, 38 бит.


Рис.5. Структура пакета, передаваемого по каналу AGCH.

4) Структура пакета, передаваемого по каналу трафика TCH, содержит следующие поля (рис.6):

- Sync_f – поле частотной синхронизации (16 бит);

- Sync_t – поле временной синхронизации (16 бит);

- Type_channel – тип передаваемого сообщения, длиной 3 бита (100).

- ID  – поле идентификатора отправителя (10 бит). Отправителем может быть как Т, так и ТД.

- DATA – информационная часть сообщения. Если отправителем является Т, то это поле содержит в себе информацию о пульсе спортсмена. Если отправитель ТД, то поле DATA содержит информацию об успешной передачи/запрос на повторную передачу. В случае успешной передачи в поле DATA так же помещается время, в которое осуществилась передача.

- CRC – поле контрольной суммы, для проверки целостности принятого пакета. Так как используется CRC – 12 (12 бит).


Рис.6. Структура пакета, передаваемого по каналу TCH.

2. Разработка физического уровня.

 

Физический уровень отвечает за надежную доставку потоков бит по физическому каналу. На физическом уровне осуществляется модуляция/демодуляция, помехоустойчивое кодирование/декодирование, перемежение/деперемежение, сборка/разборка пакетов физического уровня, частотная и временная синхронизация. В разрабатываемой системе доступ к физической среде организуется на основе временного разделения канала (TDMA), при этом диапазон используемых частот минимален. При TDMA физическим каналом является временной интервал с определенным номером, которому отводится определенный сеанс связи. В качестве метода множественного доступа к физическому каналу связи используется метода S-ALOHA (описание метода представлено во второй части КП). На физическом уровне к пакету канального уровня добавляются следующие поля:

-  FL – хвостовые биты, по 8 бит в начале и в конце пакета физического уровня;

- Data – в это поле входит пакет канального уровня, подверженный помехоустойчевому кодированию, длинной 127 бит. К 127 битам добавляется еще бит четности, для реализации модуляции QPSK..

 

Рис.7. Пакет физического уровня.

В связи с тем, что зона радиопокрытия ТД небольшая (100м) и перемещение Т, осуществляется с низкой скоростью (около 12 км/ч), то меры по борьбе с многолучевостью, в разрабатываемой системе, применяться не будут. 

 

Выбор диапазона частот:

Согласно решению ГКРЧ от 11 декабря 2006 г. N 06-18-04-001 и действительного по настоящее время гражданам Российской Федерации и российским юридическим лицам выделяются полосы радиочастот 403-410 МГц, 417-422 МГц и 433-447 МГц для разработки, производства и модернизации радиоэлектронных средств фиксированной и подвижной радиосвязи гражданского назначения (без оформления отдельных решений ГКРЧ для каждого конкретного типа РЭС). В разрабатываемой системе будем использовать -  417 – 422 МГц.

Оценка потерь при распространении:

Для оценки уровня потерь используем модель Хата (согласно заданию). В данной модели общие потери в природной местности рассчитываются по следующей формуле:

L=69.55+26.12*lg(f)-13.831lg(hТД)-a(hТ)+(44.9-6.55*lg(hТД))*lg(d)

f = 420 МГц - несущая частота;

d = 100м - расстояние между Т и ТД;

hТД = 4м - высота антенны ТД;

hТ = 1м - высота антенны Т;

a(hТ) = 1.1*lg(f)-0.7) *hТ -(1.56* lg(f) - 0.8) - поправочный коэффициент;

L = 115 дБ

По заданию требовалось обеспечить вероятность битовой ошибки 5*10-7. График зависимости вероятности битовой ошибки от отношения сигнал шум, при модуляции QPSK и QAM – 16  представлен на рисунке 8.


Рис. 8. График зависимости вероятности битовой ошибки от отношения сигнал шум.

Заданная вероятность битовой ошибки при модуляции QAM – 16 обеспечивается при отношении сигнал шум (ОСШ) равном 14,5 дБ, а при модуляции QPSK при 10,5 дБ. Следовательно, в разрабатываемой системе будем использовать модуляцию QPSK.

В качестве способа помехоустойчивого кодирования, выберем код БЧХ. Эти коды составляют мощный класс циклических кодов, который обеспечивает достаточную  свободу выбора длинны блока, степени кодирования, размеров алфавита и возможностей коррекции ошибок. Будем использовать код БЧХ (127, 92, 9), этот код позволяет исправить 9 ошибок. График зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ при использовании кодирования и модуляции QPSK представлен на рисунке 9.


Рис.9.  График зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ при кодировании и без кодирования, и при  модуляции QPSK.

Использование кодирования позволяет обеспечить заданную вероятность битовой ошибки уже при 7,5 дБ. Выигрыш зачет использования кодирования составляет 3 дБ.

Скорость передачи данных в системе:

Зададимся скоростью передачи данных равной 128 кбит/сек. Размер, передаваемых полезных данных, составляет 36 бит - это 39% от длинны пакета канального уровня. Следовательно, для того, что бы передать полезную информацию с заданной скоростью необходимо, увеличить скорость передачи на 39%. Увеличим скорость передачи до 215 кбит/сек. Так же учтем избыточность, вносимую помехоустойчивым кодированием:

Кодирование снижает скорость передачи на 127/92 = 1.38 раз, увеличим необходимую скорость передачи до 314кбит/сек.

 

Уровень мощности излучения передающего устройства, чувствительность ТД:




Список литературы:

  1. С.А. Милованов – Система сбора данных с подвижных станций (часть 3). [Электронный ресурс] // URL:http://omoled.ru/publications/view/339
  2. КП " Система сбора данных". Часть 3. Никишкин П.Б.[Электронный ресурс] // URL: http://omoled.ru/publications/view/448
  3. КП "Радиосеть передачи данных" Часть 3. Саутина М.Ю. [Электронный ресурс] // URL: http://omoled.ru/publications/view/446.
  4. КП " Система сбора данных с подвижных объектов" Часть 1(исправленная). Жарко Н.Н.[Электронный ресурс] // URL: http://omoled.ru/publications/view/450
  5. КП " Система сбора данных с подвижных объектов" Часть 2. Жарко Н.Н.[Электронный ресурс] // URL:http://omoled.ru/publications/view/441