1.6. Построение канального уровня системы. 1.6.1. Описание назначения сервисов канального уровня исходя из контекста решаемых задач. Определение способов адресной и широковещательной доставки сообщений канального уровня. 

Опишем задачи, которые решаются в нашей системе на канальном уровне для того, чтобы реализовать нужные службы. -предоставление физического канала по требованию - проверка доступности физических каналов - проверка целостности принимаемых пакетов - реализация адресной передачи сообщений. Итак, необходимо реализовать службу адресации и службу проверки целостности. Служба адресации представляет собой адресную передачу сообщений. Идентификатор БС или МС заносится в поле Адрес пакета канального уровня. По ТЗ, количество абонентов в сети равно 50. Значит нужно использовать 50 идентификаторов терминалов. Так как адреса на канальном уровне представляются в двоичном виде, то поле адреса терминала должно состоять из 6 бит (2⁶=64). Широковещательное сообщение канального уровня не должно адресоваться кому-то конкретному. Поэтому при передаче данного типа сообщения в поле Адрес будет занесена последовательность из нулевых битов. Вторая служба-служба проверки целостности осуществляет обнаружение ошибок в принимаемых сообщениях канального уровня путем расчета контрольных сумм.  В разрабатываемой системе будет использован инструмент  CRC-16 - контрольная сумма. Так как размерность полинома составляет 16 бит, то поле CRC пакета канального уровня будет содержать именно 16 бит.

1.6.2. Назначение сообщений, передаваемых по каждому ЛКС. Оценка возможности применения ARQ в ЛКС. Способ обеспечения достоверности принимаемых сообщений.

Когда терминал включен, то он ищет  несущую той сети, в которой он был зарегистрирован до момента выключения. МС  выбирает соту, с наивысшим уровнем сигнала,а затем заявляет о себе. МС передает запрос на регистрацию в сети, то есть на предоставление ему индивидуального физического канала для передачи информации. Для передачи запроса необходимо наличие в сети канала случайного доступа – RACH. В случае, если запрос терминала был обработан базовой станцией корректно, МС получает пакет оповещения об этом. Пакет оповещения передается по каналу разрешенного доступа -  AGCH. В его составе кроме оповещения о правильно принятой заявке от МС также передается номер индивидуального физического канала (SDCCH), на который далее перестраивается МС для освобождения канала случайного доступа (RACH) и  для обмена служебной информацией с БС. Если регистрация прошла успешно, базовая станция передает подтверждение регистрации по каналу SDCCH.Когда абоненту надо связаться с другим абонентов,то он передает по каналу SDCCH  в сеть номер вызываемого абонента и код запрашиваемой услуги,сеть ,в свою очередь, должна послать запрос на соединение с вызываемым абонентом. Этот запрос передается по каналу вызова (PCH) от БС к вызываемому терминалу.

Оценка возможности применения ARQ в ЛКС.

В данной системе не применяется исправление ошибок по методу ARQ, так как основная задача проектируемой системы – передача голосового трафика, т.е.  пакеты сообщений должны передаваться  в режиме реального времени.

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

Наименование ЛКС	Назначение ЛКС	Тип ЛКС
ВССН	Передача широковещательной информации	Широковещательный (Downlink)
RACH	Запрос на регистрацию в сети или на предоставление индивидуального канала связи	Случайного доступа (Uplink)
AGCH	Оповещение о предоставлении индивидуального КС	Разрешенного доступа (Downlink)
PCH	Запрос на соединение с вызываемым терминалом	Вызова (Downlink)
TCH	Передача данных	Трафика (Downlink, Uplink)

  Таблица 1. ЛКС, используемые на канальном уровне.Рассмотрим распределение физического канала связи по интервалам (рис. 1). 

 

Рисунок 1. Распределение физического канала связи. 

Поясним, что происходит на каждом временном интервале. 

1.На t1 БС передает широковещательную информацию о сети по каналу ВССН. 

2.На  интервале t2 терминал подает запрос БС о предоставлении ему выделенного канала связи. Этот запрос терминал передает по каналу RACH.

 3.БС посылает в ответ оповещение об этом во временном интервале t3 по каналу AGCH вместе с номером выделенного индивидуального физического канала.  

4.На временном интервале t4 терминал перестраивается на него и начинает обмен служебной информацией с БС уже по каналу SDCCH .  

5.На t5 начинается передача данных по каналу трафика (ТСН) .
 Проведем расчет полной пропускной способности физического КС. Согласно пункту 1.1 количество одновременно проводимых сеансов связи на одну БС составляет 5 сеансов. В данной системе будем использовать речевой кодек G 723.1, обеспечивающий скорость потока 6,4 кбит/с.  Тогда общий несжатый поток: R1 = 5 * 6,4 * 10³ = 32 кбит/с.

К полученному значению необходимо добавить 20% на избыточность канального уровня (для обеспечения адресации сообщений и для контроля целостности принимаемых сообщений с помощью инструмента CRC):

R2 = 32 * 10³ + 0,2 * 32 * 10³ = 38,4 кбит/с.

Так как планируется использование помехоустойчивого кодирования, то учитываем, что на каждый информационный бит приходится один избыточный (при скорости кодирования ½). А следовательно, получившуюся величину R2 необходимо умножить на 2

R3 = R2 * 2 = 76,8 кбит/с.

Для использования логических каналов управления добавим дополнительно еще 10 %. Получим:

R4 = 76,8 * 10³ + 0,1 * 76,8 * 10³ = 84,48 кбит/с.

Полученную пропускную способность физического канала доведем до кратной степени двойки:

R5 = 84 + 44 = 128  Кбит/с.

Таким образом, в ходе вычислений была получена полная пропускная способность физического КС, равная 128 кбит/с. 

1.6.4. Анализ необходимости наличия разных профилей настройки физического уровня. Способ оперативного управления профилями физического уровня.

Так как основным типом данных, который передается в рамках проектируемой системы, является речь, то необходимо предусмотреть различные профили настройки физического уровня для каналов управления и для канала трафика. Так  как по логическим каналам связи передается управляющая информация, то требуется использовать профиль, обеспечивающий низкую скорость и высокую помехозащищенность передачи данных. Следовательно, для каналов управления будут использоваться более эффективные методы модуляции, по сравнению с видами модуляции, использующимися для канала трафика. Возможность использования профиля с высокой скоростью и низкой помехозащищенностью для передачи данных обусловлено тем, что в случае неверно принятого пакета он может быть отброшен, что не скажется на принятом голосовом сообщении. Управление профилями физического уровня осуществляется на физическом уровне.

1.6.5. Пояснение структуры сообщения (пакета) канального уровня: описание предполагаемых видов пакетов и необходимых полей. Описание процедуры типового обмена сообщениями между объектами канального уровня. Необходимо определиться, какой объем речевого трафика мы будем передавать в одном пакете. В случае если выбрать длину речевого сообщения слишком большой, появятся существенные искажения звука. Поэтому выберем небольшую длину речевого сообщения, равную 20 мс. Так как скорость речевого потока составляет 64 кбит/с, то объем речевого сообщения будет составлять Vtch = 64 000 * 0.02 = 1280 бит. Коэффициент сжатия выбранного речевого кодека G 723.1 равен 10. Следовательно, объем речевого сообщения сократится в 10 раз и будет составлять 128 бит. Проведем анализ структур сообщений канального уровня. Общими полями для всех видов пакетов будут являться поле с указанием тип пакета, поле контрольной суммы и поле данных. Структура пакета канального уровня в общем случае имеет вид, изображенный на рис. 2. 

Рисунок 2. Пакет канального уровня. 

Проанализируем структуру сообщения канального уровня. Длина информационного поля DATA составит 128 бит. Поле Адрес  состоит из 3 бит. Поле Тип пакета состоит из 3 бит.. Так как основная услуга – передача речевых сообщений не проходит через канальный уровень, то под кодом услуги понимается один из вариантов дополнительных услуг. В концепции проектируемой системы реализована одна дополнительная услуга – конференц-связь, ей присвоен код – 1.

 .

В качестве CRC будем использовать CRC – 16. Соответственно поле контрольной суммы будет состоять из 16 битов. Общая длина пакета канального уровня составит 150 битов. Полученная структура пакета канального уровня представлена на рис.2.

 

1.7. Разработка физического уровня системы.

1.7.1. Назначение физического уровня, проработка структуры радиоинтерфейса, обеспечивающего двусторонний обмен данными. Пояснение инкапсуляции сообщений ЛКС в радиоинтерфейсе. 

Опишем структуру радиоинтерфейса. Временные интервалы, в течение которых осуществляется пользование различными услугами сети, будут представлять собой мультикадры. Каждый мультикадр разбивается на некоторое количество кадров. В рамках одного кадра происходит передача широковещательной информации, регистрация и передача данных. Соответственно каждый кадр должен быть разделен на временные слоты, в каждом из которых происходит передача сообщений определенных типов. Количество временных слотов, предоставляемых каждому типу ЛКС, можно определить исходя из долевой оценки пропускной способности ЛКС, указанной в п. 1.6.3. 

1.7.2. Анализ и обоснованный выбор мер по защите физического уровня от многолучевости.   Из-за переотражений радиоволн от поверхности земли и неоднородностей тропосферы возникает такое явление, как многолучевость. Для борьбы с многолучевостью (как уже отмечалось в п. 1.4) используется фильтр-эквалайзер, который осуществляет компенсацию неравномерностей характеристик канала связи. Идея эквалайзера заключается в измерении текущей частотной характеристики и ее соответствующей коррекции. Следовательно, в структуре сообщения физического уровня необходимо предусмотреть поле обучающей последовательности фильтра-эквалайзера. Также для борьбы с многолучевостью используются процедуры перемежения и помехоустойчивого кодирования.  

1.7.3. 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 №06-18 «О выделении полос радиочастот по заявлениям физических и юридических лиц Российской Федерации» выберем диапазон частот 890-915 МГц. Этот диапазон частот разрешен для применения на территории субъектов Российской Федерации радиоэлектронных средств стандарта GSM. Предоставление данных частот, в том числе по заявлениям российских юридических лиц, указанных в ряде пунктов информационного листа, должно осуществляться по результатам конкурсов, проводимых в соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации от 12 января 2006 г. № 8 "Об утверждении Правил проведения торгов (аукциона, конкурса) на получение лицензии на оказание услуг связи"

Проведем энергетический расчет системы на основании выбранного диапазона частот. Оценку уровня потерь при распространении радиоволн между МС и БС будем осуществлять, используя модель предсказания потерь Окамуры-Хата. Т.к. разрабатываемая система будет использоваться городской застройке, то общие потери распространения будут рассчитываться по следующей формуле :

L = 69,55 + 26,16 * lg(f0) – 13,82* lg(hБС) – а(hМС) + (44,9 – 6,55 * lg(hБС)) * lg(r), [дБ].

 

Здесь f0  - несущая частота, МГц;  r – расстояние между антенной БС и антенной МС, км;  hБС – высота антенны БС;  hМС – высота антенны МС.

Поправочный коэффициент a(hМС) вычисляется по нижеприведенной формуле (2).

a(hМС) = 3,2 * (lg11,75* hМС)² – 4,97

 

Приняв f0 = 900 МГц, r = 500м, hМС = 1,5 м, hБС = 10 м , получим, что общие потери распространения радиоволн на трассе БС-МС составляют

 

L = 233 дБ.

 

Правильность полученного результата проверим на основе сравнения с потерями  распространения радиоволн в свободном пространстве (LOS).

В соответствии с условием LOS:

LLOS(r,f) = 27,56 – 20* lg(f) – 20* lg(r), [дБ].

 

Приняв f = 900 МГц и r = 500 м, получим, что потери распространения в свободном пространстве составляют

 

На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что затухание радиоволн в свободном пространстве меньше затухания в условиях городской застройки, т.е.  расчет потерь распространения радиоволн был сделан без ошибок.

В зависимости от того, к какому типу (канала управления или канала трафика) относится передаваемое сообщение, предусматривается 2 профиля функционирования физического уровня. Эти профили будут отличаться исключительно видом модуляции.

В профиле, обеспечивающем низкую скорость и высокую помехозащищенность передачи данных (профиль №1), будем использовать модуляцию QPSK. Этот вид модуляции характеризуется малой вероятностью битовой ошибки. Для передачи трафика (профиль №2) можно воспользоваться модуляцией PSK-8. Этот тип модуляции обеспечивает более высокую скорость передачи, хотя он характеризуется более высокой вероятностью возникновения ошибок, по сравнению все с QPSK – модуляцией. 

 

Рисунок 3. Зависимость вероятностей битовой ошибки от ОСШ для двух видов модуляции: PSK-8 и QPSK.

Исходя из вышеприведенного рисунка, можно сделать вывод о том, что для достижения требуемой вероятности ошибки на бит (Рb = 3*10^-6 по ТЗ), необходимо обеспечить ОСШ, равное 10,1 дБ для QPSK-модуляции и ОСШ, равное 13,4 дБ для PSK-8-модуляции. 

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

  Поскольку сверточный кодер достаточно сложен в реализации, а физический уровень будет работать только с блоками данных, поступающих с канального уровня, удобно воспользоваться блоковым кодером, т.к необходимо закодировать и передать сразу все сообщения типа Данные.Кодирование будет осуществляться с использованием кода Хэмминга(150,255).     

 

Рисунок 4. Помехоустойчивый код(150,255)

Рассмотрим зависимость вероятностей битовой ошибки от ОСШ при использовании кодирования и без него для выбранных видов модуляции, составленную с помощью инструмента bertool программы MATLAB.

 

Рисунок 5. Зависимость вероятностей битовой ошибки от ОСШ при использовании кодирования для двух видов модуляции: PSK-8 и QPSK.

Для достижения заданной вероятности ошибки на бит, необходимо обеспечить ОСШ, равное 8,4 дБ, при использовании QPSK модуляции, и ОСШ, равное 11,8 дБ, при использовании PSK-8 модуляции. 

Таким образом, при использовании помехоустойчивого кодирования энергетический выигрыш в ОСШ для профиля №1 составляет 1,7 дБ, а для профиля №2 – 1,8 дБ.

В разрабатываемой системе используется перемежения для преобразования групповых ошибок, возникающих в канале связи из-за наличия глубоких замираний сигнала в условиях многолучевого распространения, в одиночные, с которыми легче бороться с помощью блочного или сверточного кодирования. Выделяют блочное перемежение и перемежение по N блокам.

Идея блочного 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 блочного 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.

Перемежение по N блокам отличается от блочного тем, что блочная перестановка битов дополняется диагональным перемежением. Его особенностью является то, что оно производится одновременно для нескольких последовательных блоков, т.е. может осуществляться перестановка битов из одного блока в другой. В результате данного вида перемежения общее количество информационных битов может увеличиться . Выберем блочное перемежение, как наиболее простое в реализации.

 

1.7.5. Оценка уровня мощности излучения передающего устройства. Расчет чувствительности приемников БС.

 Рассчитаем уровень мощности передатчика при использовании QPSK-модуляции.

Исходная скорость передачи данных равна 128 кбит/с. Следовательно, скорость передачи данных при использовании данного вида модуляции (М=4) равна:

R = Rд/ log₂М  = 128*10³/ log₂4 = 64 кбит/с.

Скорость передачи данных на выходе кодера:

Rс = (n*R)/k = (255*64*10³)/247 = 66,07 кбит/с.

Отсюда следует, что минимальная необходимая полоса частот составляет:

Δf = 66,07 кГц.

Шумовая полоса приемника:

Пш = Δf * 1,1 = 66,07*10³* 1,1 = 72,67 кГц.

Аналоговое ОСШ определяется следующим образом:

C/N = Еb/N0 + 10*log₂(Rс/ Пш) = 6,56 + 10*log₂(66,07*10³ / 72,67*10³) = 6,45 дБ.

Мощность шума:

Рш = k*T*Пш  = 1,38*10^-23*296*72,67*10³ = 2,97*10^-16 Вт = -155,3 дБ.

Чувствительность приемника в этом случае равна:

Pпрм = Рш + Nk + C/N = -155,3 + 10 + 6,45 = -138,85 дБ = 1,3*10^-14 Вт.

Мощность передатчика:

Pизл БС = Pпрм + Рз + L – GT – GR = -138,85 + 6 +118,4 – 10 = -24,45 дБ = 3,58 мВт.

Согласно ТЗ, мощность излучения не должна превышать 0,5 Вт. Исходя из вышеприведенных вычислений, можно сделать вывод о том, что данное условие выполняется.

Рассчитаем уровень мощности передатчика при использовании PSK-8-модуляции.

Исходная скорость передачи данных равна 128 кбит/с. Следовательно, скорость передачи данных при использовании данного вида модуляции (М=8) равна:

R = Rд/ log₂М  = 128*10³/ log₂8 = 42,67 кбит/с.

Скорость передачи данных на выходе кодера:

Rс = (n*R)/k = (255*42,67*10³)/247 = 44,05 кбит/с.

Отсюда следует, что минимальная необходимая полоса частот составляет:

Δf = 44,05 кГц.

Шумовая полоса приемника:

Пш = Δf * 1,1 = 44,05*10³* 1,1 = 48,46 кГц.

Аналоговое ОСШ определяется следующим образом:

C/N = Еb/N0 + 10*log₂(Rс/ Пш) = 6,56 + 10*log₂(44,05*10³ / 48,46*10³) = 6,45 дБ.

Мощность шума:

Рш = k*T*Пш  = 1,38*10^-23*296*48,46*10³ = 1,98*10^-16 Вт = -157 дБ.

Чувствительность приемника в этом случае равна:

Pпрм = Рш + Nk + C/N = -157 + 10 + 6,45 = -140,55 дБ = 8,81*10^-15 Вт.

Мощность передатчика:

Pизл БС = Pпрм + Рз + L – GT – GR = -140,55 + 6 +118,4 – 10 = -26,15 дБ = 2,43 мВт.

Согласно ТЗ, мощность излучения не должна превышать 0,5 Вт. Исходя из вышеприведенных вычислений, можно сделать вывод о том, что данное условие выполняется.

1.7.6 Пояснение функциональной схемы физического уровня системы.

 

Так как на физический уровень поступает сообщение канала управления и сообщение трафика, а правило их обработки на физическом уровне одно, то применяем один кодер, кодирующий данные с одной и той же скоростью. Применение блока перемежителя позволяет преобразовать групповые ошибки к одиночным. Далее, после завершения синхронизации производится сборка пакетов. Модулирующих блока в системе предусмотрено два, так как в системе реализуется два профиля работы физического уровня. С одинаковым помехоустойчивым кодированием и разными видами модуляции. Так же в передающем устройстве предусмотрена оценка качества КС, с целью оценки уровня сигнала, поступающего от БС. После блока УРЧ сигнал поступает непосредственно в канал связи. На приемной стороне (МС) учено использование фильтра эквалайзера ,остальные блоки аналогичны передающей стороне и выполняют обратные операции.  

 

Рисунок 6. Структурная схема физического уровня системы.

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

Так как  в проектируемой системе радиотелефонной связи используется блоковый код, то в структуре пакетов физического уровня учитываем наличие поля FEC (блок избыточных разрядов). В работе системы присутствует эквалайзер, значит, имеет место быть поле настройки фильтра эквалайзера. Так же в структуре пакета  (рис.7) присутствуют флаги начала, конца пакета и информационное поле Data.

   

Рисунок 7. Структура сообщений физического уровня.

Список использованной литературы:

1.http://omoled.ru/publications/view/331

2.http://omoled.ru/publications/view/346