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 управления, проверка целостности принимаемых с физического уровня сообщений, а также управление доступом к физическому КС. На канальном уровне реализованы следующие службы:

·        Служба адресации реализует адресную передачу сообщений, путем вставки адреса терминала или точки доступа в соответствующее поле пакета канального уровня. Адреса всех терминалов известны точку доступа. Эти адреса представляют собой уникальные идентификаторы терминалов ID терминала. Терминалы «запоминают» в своей памяти адрес точки доступа ID ТД, в зоне действия которой они находятся, передающийся в составе широковещательного сообщения. Поле адреса точки доступа будет состоять из 6 бит. Так как данная система рассчитана на 40 терминалов, то мы имеем 40 уникальных идентификаторов ID терминала (адресов). Поле адреса терминала также будет состоять из 6 битов. 

·        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, поэтому соответствующее поле пакета 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).

После включения точки доступа, она начинает излучать широковещательную информацию о сети по широковещательному каналу BCCH, включающую сетевой идентификатор, предназначенную всем терминалам и содержащую: «Канал связи свободен». Терминалы, зарегистрированные в сети, приняв эту информацию, вступают в конкурентную борьбу  за канал передачи данных по каналу случайного доступа RACH. Далее точка доступа производит распределение канального ресурса между теми терминалами, от которых был получен запрос на его предоставление. В своем запросе, каждый терминал указывает, , сколько ему необходимо времени для передачи. На основании принятых запросов, точка доступа формирует пакет оповещения, который передает всем терминалам по каналу разрешенного доступа AGCH. Пакет оповещения включает в себя идентификатор терминала, выигравшего борьбу за канал и время передачи данных этим терминалом, чтобы все остальные терминалы смогли перейти в спящий режим на этот интервал времени. Точка доступа накапливает принятые данные в своем регистре, затем в момент времени она осуществляет рассылку данных для необходимых терминалов, находящихся в пассивном режиме. После осуществления передачи данных по каналу трафика TCH, терминал должен получить соответствующий пакет подтверждения. Если такого пакета он не получает, то необходима повторная передача. Тогда терминал на общих основаниях снова «включается» в конкурентную борьбу с другими терминалами и сценарий повторяется заново.

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 ТД к терминалам сообщения, содержащего  уникальный идентификатор (ID(ТД)).

2. RACH (Random Access Channel) – канал случайного доступа, предназначен для отправки точке доступа заявки на регистрацию, содержащую ID(Т).

3. AGCH (Access Grant Channel) – канал разрешенного доступа, предназначен для опроса терминалов на предмет их активности и режима работы. Пакет оповещения включает в себя идентификатор терминала, выигравшего борьбу за канал и время передачи данных этим терминалом, чтобы все остальные терминалы смогли перейти в пассивный режим на этот интервал времени.

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.

Так как характер трафика пульсирующий, то  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.

Рассмотрим структуру пакета канального уровня для проектируемой сети. В общем случае она будет иметь фиксированную длину, не зависимо от типа передаваемой информации, и будет иметь следующий вид (рис.2) :

Рис. 2 – Общая структура пакетов канального уровня

Поле «FL» служит индикатором начала пакета.

«Адрес отправителя»  – содержит адрес отправителя пакета.

«Адрес получателя»  - содержит адрес получателя пакета.

 Т.к. в системе используются 2 типа пакетов (пакет трафика – 111111 и служебный пакет – 000000), то информация о типе передаваемого пакета содержится в поле «Тип пакета».

 «Поле данных» содержит непосредственно пользовательские данные.

 Поле «CRC» служит для определения целостности пакета.

 Поле «Нулевые биты» содержит в себе нулевые биты для работы помехоустойчивого декодера.

Процедура обмена сообщениями между терминалами и точкой доступа во всех  режимах работы соответствует сценарию взаимодействия ТД и Т (ч.2 КП).

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

Рис. 3 – Распределение пропускной способности физического канала связи на долевые интервалы.

τ1 - широковещательный канал (BCCH). Если принять пропускную способность физического канала за 100%, то на широковещательный канал  отводится 1% от всей пропускной способности.

τ2 - канал случайного доступа (RACH). Если пропускная способность физического канала  100%, то на канал случайного доступа  отводится 2% от всей пропускной способности.

τ3 - канал разрешенного доступа (AGCH). На канал разрешенного доступа  отводится 1% от всей пропускной способности.

τ4 - Канал трафика (TCH). На канал передачи данных будет приходиться 96%, остальная пропускная способность будет использоваться служебными каналами (BCCH – 1%, RACH – 2%, AGCH – 1%), которые обеспечивают функционирование сети.

         TCH имеет пропускную способность 4,8 Мбит/с (без учета помехоустойчивого кодирования). Гарантируемая скорость передачи данных в обоих направлениях составляет 4 Мбит/с (из условий ТЗ), «плюс» 20 % от общей гарантируемой скорости, которая приходится на канальный уровень, а именно:CRC, флаги, адресацию и ARQ. С учетом помехоустойчивого кодирования, которое происходит на физическом уровне, общая пропускная способность 9,6 Мбит/c (так как скорость кодирования 1/2), плюс 10 %, затрачиваемые в физическом уровне на реализацию синхронизации (преамбула) и защитных интервалов (более подробно в п. 1.7.9). Следовательно, общая пропускная способность канала трафика будет составлять 10 Мбит/c. Это 96 % пропускной способности от всего канала связи.

Следовательно, общие пропускные способности остальных каналов:

τ1 - широковещательный канал (BCCH)- 0,1 Мбит/с.

τ2 - канал случайного доступа (RACH) - 0,2 Мбит/с.

τ3 - канал разрешенного доступа (AGCH) - 0,1 Мбит/с.

τ4 - Канал трафика (TCH) - 10 Мбит/с.

Суммируя все полученные выше пропускные способности каналов, общая пропускная способность ЛКС составит 10,4 Мбит/с. 

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.

Доступ к физическому каналу подробно расписан в ч. 2 КП.

     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 (TimeDivision 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 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.

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.

Разрабатываемая сеть основана на стандарте IEEE 802.11a/ В соответствии с сертификацией предусмотрено использование частотного диапазона 2,4 ГГц и 5 ГГц.  В связи с тем, что диапазон 2,4 ГГц не лицензируем, это позволяет нам существенно снизить затраты на построение системы.В решении ГКРЧ от 06 декабря 2004 г  сказано, что для внутриофисных систем передачи данных можно использовать диапазон частот 2400-2483,5 МГц. Выберем частоту 2,4 ГГц.

Тогда расчет потерь произведем по формуле:

N- дистанционный коэффициент потерь мощности;

f - несущая частота (МГц);

d - расстояние между узлами сети (м);

Lf(n)  - коэффициент потерь за счет прохождения сигнала через пол (дБ);

n - количество этажей между базовой станцией и переносным терминалом (n>=1).

Будем считать, что у нас имеется одноэтажное здание, тогда Lf(n), будет равен 0. Несущая частота 2400 МГц. Для промышленных зданий  N = 22. Расстояние между узлами сети выберем максимально возможное (80 м). Тогда,

  Исходя из особенностей нашей системы,  будет использоваться один из двух видов модуляции, в зависимости от выбранного профиля: BPSK или QAM-16 (п.1.6.4.).

         Построим график зависимости вероятности символьной ошибки от Eb/N0 для BPSK и QAM-16:

Рис. 4 – Зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ для BPSK и QAM-16 .

Для обеспечения заданной вероятности на бит P_b = 2*10^-7 необходимо иметь отношение сигнал/шум на выходе не менее Eb/N0 =11.2 дБ для BPSK и Eb/N0=15 для QAM-16.

2.3  Обоснованный выбор метода помехоустойчивого кодирования, перемежения, деперемежения, оценка эффективности кодирования. Коррекция данных расчета п. 2.2. и проверка на соответствие исходным данным.

В проектируемой сети для реализации помехоустойчивого кодирования воспользуемся сверточным кодом со скоростью  1/2 (каждому входному биту соответствуют два выходных) с целью получения выигрыша в ОСШ.

В процессе оценки эффективности кодирования в среде Matlab воспользуемся средством bertool: для сверточного кодирования запишем порождающий многочлен (171,133), который был найден Р. Оденвальдером (R.Odenwalder) на заре эры активного освоения техники сверточного кодирования. Этот код вошел во многие стандарты спутниковой и космической связи и получил статус «Planetary Standard Code»(стандартный код для планетных исследований), и в настоящее время широко используется во многих телекоммуникационных системах.

Сверточный код не исправит все ошибки, поэтому необходимо применение прямой коррекции ошибок (Forward Error Correction - FEC), позволяющей исправлять ошибки методом упреждения. Применяется для исправления сбоев и ошибок при передаче данных, путём передачи избыточной служебной информации, на основе которой может быть восстановлено первоначальное содержание посылки. В данной системе будет использован сверточный код с длиной кодового ограничения равного 7.

Перемежение в данной сети используется для обеспечения борьбы с пакетными ошибками. В данной сети будем использовать случайное перемежение. При данном типе перемежения символы расставляются в случайном порядке по всей длине пакета по псевдослучайному закону, который вычисляется только один раз.

Для оценки эффективности кодирования в среде Matlab воспользуемся средством bertool и построим графики зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ:

Рис. 5 – Зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ для BPSK без кодирования и с кодированием.

Рис. 6 – Зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ для QAM-16  без кодирования и с кодированием.

Рис.7 –Сводный график зависимостей вероятностей битовой ошибки от ОСШ для BPSK и QAM-16  без кодирования и с кодированием.

До применения сверточного кодирования, вероятность битовой ошибки:

BPSK: Eb/N0 =11,2 дБ, с применением сверточного кодирования со скоростью 1/2 Eb/N0 = 7,8 дБ, следовательно, выигрыш составит 3,4 дБ.

QAM 16: Eb/N0 =15 дБ, с применением сверточного кодирования со скоростью 1/2 Eb/N0 = 11,3 дБ, следовательно, выигрыш составит 3,7 дБ.

С учетом сверточного кодирования со скоростью 1/2, скорость битового потока станет 10,4 Мбит/с.

2.4 Оценка уровня мощности излучения передающего устройства, сравнение с заданным значением PизлАС; сделать выводы, при необходимости вернуться к п. 1.7.4. и 1.7.5. Расчет чувствительности приемников АС (БС).

2.5  Пояснение функциональной схемы физического уровня системы.

Рис.8. Функциональная схема физического уровня системы: а) передатчик б) приемник

Рассмотрим рис.8. Блоки битов, поступающие с канального уровня,  кодируются сверточным кодером со скоростью кодирования ½, и поступают на перемежитель, который осуществляет перестановку бит по заданному алгоритму.

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 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 отсутствием подсистемы радиоизмерений. 

2.6 Пояснение назначения логических каналов связи, используемых на физическом уровне.

На физическом уровне проектируемой сети будут использоваться следующие логические каналы связи (ЛКС):

- Виртуальный канал синхронизации, предназначенный для установления и поддержания временной и частотной синхронизации. Реализовывается в виде преамбулы, добавляемой к передаваемому сообщению (направление вниз).   

- Канал трафика, предназначенный для непосредственной передачи сообщений (направление вниз/вверх).

2.7 Определение типов пакетов физического уровня, обоснование структуры полей пакетов каждого типа, оценка размеров полей.

Для передачи пакетов используется OFDM с модуляцией поднесущих BPSK и QAM-16 в зависимости от типа профиля (основной или дополнительный). В пакет физического уровня входят:

– Преамбула состоит из 12 OFDM символов, необходимых для временной и частотной синхронизации приемных устройств.

– Служебное поле состоит из одного OFDM символа, содержащего информацию о профиле, в соответствии с которым выбирается вид модуляции последующих символов.

– Поле данных и поле FEC состоят из 11 или 3 OFDM символов, в зависимости от используемого профиля. Эти поля необходимы для непосредственной передачи пользовательской информации и исправления ошибок в процессе передачи.

В одном символе OFDM содержится 58 информационных поднесущих и 6 пилот сигналов, необходимых для синхронизации. Также используется циклический префикс  равный 1/16 длительности символа OFDM. В преамбуле использованы 10 «укороченных» по времени и 2 полных OFDM символов.

Поле служебной информации и преамбула модулируются BPSK с целью повышения помехоустойчивости. Модуляция последующих символов зависит от содержания служебного поля.

Рассмотрим пакет физического уровня проектируемой сети:

Рисунок 9. Пакет физического уровня при BPSK

Рисунок 10. Пакет физического уровня при QAM-16

Таблица 2. Профили работы физического уровня

Список используемой литературы:

1.                А.В. Бакке. «Лекции по курсу ССПО».

2.                А.А. Зайцев. «Лекции по курсу ОТССПО».

3.                Скляр Б. «Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение». - М.: Вильямс, 2003 г.

4.                Феер К. «Беспроводная цифровая связь», пер. с англ./под ред. В.И. Журавлева, М.: Радио и связь, 2000 г.

5.                 Современные телекоммуникации.

6.                 Системы радиосвязи SAGA.

7.                 Семейство протоколов ALOHA.

8.                 Уровневый обзор радиоинтерфейса.

9.                 Описание радиоинтерфейса GPRS.

10.            Сайт цифровых учебно-методических материалов ВГУЭС.

11.            Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ).

12.            Анализ характеристик сверточных кодов. 

13.  Анна Ночная КП на тему "Локальная радиосеть" п. 1.6-1.7 (часть №3) http://omoled.ru/publications/view/332