1.6. Построение канального уровня системы (L2)

1.6.1. Описание назначения сервисов канального уровня исходя из контекста решаемых задач (п.1.4). Определение способа идентификации служебных и информационных сообщений, пояснение способа адресной и широковещательной доставки сообщений канального уровня.

В разрабатываемой нами системе на канальном уровне будут решаться задачи о следующих функциях: проверка доступности физического канала и предоставления его, обнаружение и исправление ошибок, реализация адресной и не адресной передачи сообщений. Для выполнения этих функций нам потребуются следующие сервисы:

·        Адресный сервис осуществляет адресную передачу сообщений за счет помещения адреса Т или АР в соответствующее поле пакета канального уровня. Эти адреса представляют собой уникальные идентификаторы терминалов ID терминала и они известны AP, которые хранятся в ее информационной подсистеме. В информационной подсистеме терминала также хранится ID точки доступа (в зоне действия которой он обслуживается), извлекаемый из широковещательной рассылки АР. Так как данная система рассчитана на 20 терминалов, то мы имеем 20 уникальных идентификаторов ID терминала. Поле адреса терминала будет состоять из 6 бит (2⁶=64).

·        Сервис обнаружение ошибок помощью инструмента подсчета контрольных сумм осуществляет проверку принимаемых сообщений канального уровня.

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 MAC и САС – подуровни. На МАС – подуровне помимо описанных выше служб, должны быть предусмотрены также службы сбора и разбора пакетов канального уровня. На САС – подуровне реализуется служба управления доступом к физическому КС.

1.6.2. Выделение типов логических каналов связи (ЛКС), используемых на канальном уровне. Краткое пояснение назначения сообщений, передаваемых по каждому ЛКС (в соответствии с п.1.5.6.). Способы обеспечения достоверности принимаемых сообщений в каждом ЛКС.

1.6.3. Вычисление долевой оценки пропускной способности ЛКС, оценка полного трафика системы. Составление сводной таблицы ЛКС с указанием наименования, назначения и типа КС.

Выделение типов логических каналов связи зависит от типа передаваемых сообщений по сети. Для этого необходимо рассмотреть сценарий организации доступа к физическому каналу связи. Точка доступа непрерывно передает широковещательную информацию по каналу BCCH, в состав которой помимо другой служебной информации входит номер канала случайного доступа (RACH) и номер канала разрешенного доступа (AGCH). В свою очередь терминал при включении производит поиск несущей той сети, в которой он был зарегистрирован до момента выключения. Терминал, приняв ШВИ, производит заявку к точке доступа о предоставлении ему индивидуального канала для передачи информации. Для передачи заявки необходимо наличие в сети канала случайного доступа – RACH. Точка доступа, приняв по каналу RACH запроса от терминала, в случае его одобрения резервирует для сеанса связи с терминалом индивидуальный физический канал. Терминал получает пакет оповещения об этом. Пакет оповещения передается по каналу разрешенного доступа -  AGCH. В его составе кроме оповещения о правильно принятой заявке от ТД также передается номер индивидуального физического канала (SDCCH), на который далее перестраивается терминал для освобождения канала случайного доступа (RACH) и для обмена служебной информацией с ТД. Точка доступа накапливает принятые данные в своем регистре, затем осуществляет рассылку данных для определенных 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 включается в конкурентную борьбу за канал и сценарий повторяется.

Для оценки достоверности принимаемых данных используется поле контрольной суммы (СRC), которая вычисляется на передающей и приемной стороне. Контрольная сумма вычисляется по некоторому алгоритму как функция от всех байтов кадра. На приемной стороне канальный уровень группирует биты, поступающие с физического уровня, в кадры, снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой, переданной в кадре. Если они совпадают, кадр считается правильным. Если же контрольные суммы не совпадают, фиксируется ошибка, и формируется запрос на повторную передачу поврежденного кадра.

Для долевой оценки пропускной способности ЛКС примем за общую пропускную способность 100%. Бóльшую часть пропускной способности будет занимать канал трафика, так как по нему будет передаваться информация, представляющая основную услугу сети. На этот канал будет приходиться не менее 90% общей пропускной способности. На остальные каналы будет затрачено от 1 до 3 % от общей пропускной способности.

Рис.18. Оценка пропускной способности ФКС.

τ₁ - интервал передачи широковещательной информации по каналу BCCH, на который отводится 1% всей пропускной способности всего ФК.

τ₂ - интервал конкурентной борьбы по каналу случайного доступа RACH, использующий 2% от всей пропускной способности всего ФК.

τ₃ - интервал времени для выделения КС по каналу разрешенного доступа AGCH, на который отводится 1% всей пропускной способности всего ФК.

τ₄ - время передачи данных по каналу трафика TCH, на который выделено 96% пропускной способности всего ФК.

Проведем расчет полной пропускной способности физического КС.

По условию ТЗ гарантируемая скорость передачи данных в обоих направлениях 2 Мбит/с. Прибавим ещё 20% от этого значения на CRC, флаги, адреса, номер пакета -получим 2,4 Мбит/с. С учётом помехоустойчивого кодирования (скорость кодирования ½), пропускная способность увеличится в 2 раза -  4,8 Мбит/с. Учитывая защитные интервалы и синхронизацию (10%), то пропускная способность будет равна 5,28 Мбит/с. Так как это будет 96% от общей пропускной способности, то общая пропускная способность равна 5,5 Мбит/с.

 Рассмотрим таблицу с ЛКС, используемых на канальном уровне.

                                                       Таблица 1. ЛКС, используемые на канальном уровне

1.6.4. Пояснение структуры сообщения (пакета) канального уровня: описание предполагаемых видов пакетов и необходимых полей.

1.6.5. Рассмотрение примера обработки терминалом произвольного служебного сообщения: пояснение последовательности действий, выполняемых терминалом по факту приема сообщения.

Приведем структуру пакета канального уровня (рис. 19) для разрабатываемой сети. Этот пакет будет фиксированной длины вне зависимости от типа передаваемого сообщения.

Рис. 19. Пакет канального уровня. 

-       Поле «FL» служит индикатором начала пакета.

-       Поле «Add receiver» содержит адрес отправителя пакета.

-       Поле «Add transmitter» содержит адрес получателя пакета.

-       Поле «Type» содержит информацию об одном из двух типов передаваемого пакета: трафика (111) или служебный (000).

-       Поле «Number» - все передаваемые пакеты получают уникальный номер, чтобы восстановить ошибочную передачу с потерянного пакета.

-       Поле данных «Data field» содержит пользовательскую информацию.

-       Поле «CRC» служит для определения целостности пакета.

-       Поле «Tail» заполняется нулями для обнуления помехоустойчивого декодера для следующего пакета.

Рассмотрим примера обработки терминалом произвольного служебного сообщения, основываясь на рисунке 18 (см.п.1.6.3).

1.     В интервале времени τ1 осуществляется широковещательная рассылка от AP пакета, содержащего служебную информацию, отраженную в полях пакета канального уровня: поле «Type» - указывает на служебную информацию, а поле «Data field» информирует о том, что канал свободен, разрешена конкурентная борьба. Так как данная рассылка является неадресной, поля адреса заполняются нулями.

2.     В интервале времени τ2 терминалы отправляют служебные сообщения о запросе на предоставление физического канала в свое распоряжение на время передачи, что отражается в «Data field», а поле «Type» в данном случае сигнализирует о том, что данная информация является служебной.

3.     В момент τ3 ТД отправляет служебное сообщение, содержащее информацию о том, какой Т получил доступ к каналу связи и каким Т необходимо готовиться к приему сообщений («Type» - указывает на служебную информацию, а «Data field» - содержит необходимую для терминалов информацию).

4.     В интервале времени τ₄ терминал осуществляет передачу пакетов трафика и после этого получает отчета о состоянии доставки от принимающего терминала. («Type» -указывает на то, что данное сообщение является пакетом трафика, а «Data field» - содержит пользовательскую информацию). 

1.7. Разработка физического уровня системы (L1)

1.7.1. Назначение физического уровня, пояснение способа организации физических каналов (ФК). Описание процедуры множественного доступа терминалов к ФК. Пояснение правила выделения ФК под логические каналы L2-уровня. Отражение на физическом уровне решений, обоснованных в п.1.5.

Назначение физического уровня было описано ранее в п.1.4. Рассмотрим способ организации физических каналов и вида доступа к ним. Физический уровень решает две глобальные задачи: организация физических каналов связи (ФКС) и безошибочная передача/приём потока битов. Существуют различные способы организации ФК. Например, FDMA (с частотным разделением каналов), TDMA (с временным разделением каналов), CDMA (с кодовым разделением каналов). Согласно требованиям к нашей системе, необходимо использовать минимально возможный диапазон частот. Исходя из этого, считаю наиболее целесообразным использовать в качестве метода доступа к среде TDMA, т.е. метод доступа с временным разделением каналов. При TDMA физическим каналом является временной слот с определенным номером, которому отводится определенный сеанс связи.

Так как на физический канал могут одновременно претендовать несколько терминалов, необходимо реализовать алгоритм множественного доступа – предоставление физических каналов по требованию. Чтобы лучше представить данную задачу в рамках нашей системы, опишем следующую ситуацию, представляющую собой фрагмент сценария работы системы. Точка доступа (ТД) непрерывно передает широковещательную информацию по каналу BCCH, в состав которой помимо другой служебной информации входит номер канала случайного доступа (RACH).  Зарегистрированные в сети терминалы вступают в конкурентную борьбу за канал передачи данных по каналу RACH.

Рис.20. Конкурентная борьба за канал

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. У первого терминала это число равно 2, у второго и третьего - 7 и 5 соответственно. Терминал Т1 победит на первом этапе, так как его задержка наименьшая.  По истечении загаданной времени задержки и в случае незанятости канала связи, терминал незамедлительно по каналу RACH отправляет на ТД свой идентификатор и текущие данные, необходимые для передачи. Остальные терминалы ждут, пока передает информацию первый. 

По окончании этой процедуры точка доступа на основе запросов от терминалов формирует пакет оповещения, который передает всем терминалам по каналу разрешенного доступа AGCH. Данный пакет содержит идентификатор терминала, одержавшего победу в борьбе, а также время, в течение которого этот терминал будет осуществлять передачу данных. Все остальные терминалы переходят в спящий режим на протяжении данного интервала. Происходит запись данных в буфере точки доступа для последующей передачи терминалу-получателю. По завершении передачи точка доступа отправляет подтверждение об успешной операции передающему терминалу, после чего последний переходит в спящий режим. Если он не получил такого сообщения, то терминал заново вступает в конкурентный доступ за канал. Отсутствие сообщения подтверждения об успешной передачи может свидетельствовать о коллизии. Это может происходить вследствие равенства количества канальных интервалов у конкурирующих терминалов. В этом случае терминалы пропускают 3 цикла передачи от текущего номера цикла передачи, затем 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.

Рассмотрим временные диаграммы алгоритма доступа к физическому каналу связи (рис. 21).

                                                               Рис.21. Временные диаграммы алгоритма доступа к физическому каналу связи.

В интервале времени 1 ТД проводит широковещательную рассылку, означающую разрешение терминалам начать конкурентную борьбу за канал (интервал 2). Затем точка доступа в интервале 3 оповещает терминалы о том, что победил конкретный терминал с определенным ID, и он будет передавать определенное количество данных (в интервале 4), на протяжении передачи которых все терминалы уйдут в спящий режим. Интервал 5 отводится на передачу терминалу-отправителю подтверждения об успешной операции. Интервал 6 - межкадровый защитный интервал. На рисунке представлен случай возникновения коллизии кадров, после которой передающий терминал имеет возможность в следующем кадре побороться снова за канал, но с меньшими шансами на победу.

На физическом уровне будут использоваться следующие виды логических каналов связи: 

1. Канал временной и частотной синхронизации. Реализуется в виде преамбулы, добавляемой к пакету физического уровня и предназначен для обеспечения временной синхронизации (направление вниз/вверх).

2. Канал трафика (TCH). Предназначен для непосредственной передачи сообщений физического уровня (направление вниз/вверх).

1.7.2. Проработка структуры радиоинтерфейса L1-уровня, обеспечивающего двусторонний обмен пакетами физического уровня. Обоснование и реализация вспомогательных каналов физического уровня. Проработка профилей физического уровня. Определение типов пакетов физического уровня, обоснование структуры полей пакетов каждого типа, оценка размеров полей.

Радиоинтерфейс будет организован следующим образом: Интервалы времени передачи данных от терминалов представляет собой мультикадр. Каждый мультикадр разбивается на некоторое количество кадров. В рамках одного кадра происходит передача широковещательной информации, конкурентная борьба, передача данных и передача пакета подтверждения. Соответственно каждый кадр должен быть разделен на временные слоты, в каждом из которых происходит передача сообщений определенных типов. Количество используемых временных кадров нельзя определить заранее, т.к. неизвестно, какое количество раз терминалы будут вступать в конкурентную борьбу за предоставление им индивидуального канала связи (см.рис.21). Количество временных слотов, предоставляемых каждому типу ЛКС, можно определить исходя из долевой оценки пропускной способности ЛКС, которая была проведена в п.1.6.3.

Для передачи пакетов используется OFDM с модуляцией поднесущих BPSK и QAM-16 в зависимости от типа профиля (основной или дополнительный). Пакет физического уровня в общем случае будет состоять из трех полей: поля преамбулы, служебного поля и поля данных.

Преамбула состоит из 12 OFDM символов и предназначена для временной и частотной синхронизации, а также для работы подсистемы радиоизмерений. В преамбуле использованы 10 «укороченных» по времени и 2 полных OFDM символов.

Сервисное поле будет содержать информацию о параметрах пакета, например, используемом виде модуляции. Это поле будет содержать 8 бит и передаваться посредством одного символа OFDM.

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. Поле данных будет содержать закодированные помехоустойчивым кодером данные, и иметь длину равную 306 битам. Поле служебной информации и преамбула модулируются BPSK с целью повышения помехоустойчивости. Модуляция последующих символов зависит от содержания служебного поля.

В одном символе OFDM содержится 64 поднесущие, из которых 58 информационные и 6 пилот сигналов, необходимых для синхронизации.  Также используется циклический префикс равный 1/16 длительности символа OFDM.

Рис. 22. Пакет физического уровня при BPSK.

Рис. 22. Пакет физического уровня при 16-QAM.

Таблица 2. Профили работы физического уровня

1.7.3. Анализ и обоснованный выбор мер по защите физического уровня от многолучевости.

Для борьбы с многолучевым распространением будем использовать сигналы с ортогональной частотной модуляцией (OFDM). Технология передачи OFDM обладает высокой спектральной эффективностью. Чтобы избежать многолучевого распространения, в технологии OFDM поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных ортогональных друг другу подканалов и передача ведется параллельно на всех подканалах. При этом под ортогональностью каналов понимается то, что несущие частоты каждого канала ортогональны друг другу. И хотя сами частотные подканалы могут частично перекрывать друг друга, ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, следовательно, будет отсутствовать межканальная интерференция. Поэтому разработка дополнительных мер по борьбе с многолучевым распространением не требуется.

1.7.4. Оценка полной пропускной способности физического КС соединения «терминал-БС» с учетом избыточности, вносимой на L1-уровне.

Расчет полной пропускной способности был выполнен в п. 1.6.3 и составляет 5.5 Мбит/с с учетом помехоустойчивого кодирования, реализации преамбулы, защитных интервалов на физическом уровне.

1.7.5. 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.

На основании документации ГКРЧ [4] (решение от 06 декабря 2004 г № 04-03-04-003 г.Москва «Об использовании полосы радиочастот 2400-2483,5 МГц для внутриофисных систем передачи данных):

1. Утвердить прилагаемые основные технические характеристики радиоэлектронных средств (РЭС) внутриофисных систем передачи данных (приложение № 1).

2. Разрешить гражданам Российской Федерации и российским юридическим лицам использование на вторичной основе полосы радиочастот 2400-2483,5 МГц для разработки, производства, модернизации и эксплуатации на территории Российской Федерации РЭС внутриофисных систем передачи данных без оформления частных решений ГКРЧ для каждого конкретного типа РЭС, при выполнении следующих условий:

- технические характеристики разрабатываемых, производимых, модернизируемых и ввозимых из-за границы РЭС внутриофисных систем передачи данных должны соответствовать основным техническим характеристикам, указанным в пункте 1 настоящего решения;

3. Разрешить гражданам Российской Федерации и российским юридическим лицам использование на вторичной основе радиочастот в пределах полосы радиочастот 2400-2483,5 МГц для эксплуатации внутриофисных систем передачи данных, указанных в прилагаемом Перечне (приложение № 2), на территории Российской Федерации без оформления разрешений на использование радиочастот, при выполнении условий.

Для вычисления потерь используем модель ITU – R 1238, которая учитывает потери при многократном прохождении сигнала через пол, что позволяет предусмотреть такие характеристики, как повторное использование частоты на различных этажах здания. Дистанционные коэффициенты потери мощности, приводимые ниже, включают в неявном виде поправку на потери при прохождении сигнала через стены и над или через препятствия, а также на остальные механизмы возникновения потерь, которые могут возникнуть в пределах одного этажа здания.

Тогда расчет потерь произведем по формуле:

N- дистанционный коэффициент потерь мощности;

f - несущая частота (МГц);

d -  расстояние разнесения между базовой станцией и переносным терминалом  (м);

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

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

Таблица 3. Коэффициенты потери мощности N, используемые при расчете потерь передачи внутри помещения