Канальный уровень отвечает за адресную доставку сообщений, поступающих с уровня принятия решения; проверку целостности сообщений принимаемых с физического уровня; управление доступом к физическому КС. На канальном уровне реализованы следующие службы:

    Служба адресации осуществляет адресную передачу сообщений,  за счет помещения адреса Т или АР в соответствующее поле пакета канального уровня. Адреса всех терминалов известны АР. Эти адреса представляют собой уникальные идентификаторы терминалов (IDTerm). Каждый терминал содержит в своей информационной системе (ИС) адрес АР(IDАР), в зоне которой он обслуживается. Поле адреса АР будет состоять из семи бит. Данная система рассчитана на 100 терминалов, так как каждый терминал обладает уникальным идентификатором, то имеем 100 IDTerm. Идентификаторы прописаны в двоичном коде. Поле адреса терминала будет состоять из 7 бит (27=128). С целью организации широковещательной передачи информации от АР к терминалам, широковещательное сообщение будет содержать специальный идентификатор, который каждый терминал так же будет считать «своим», к примеру – «0000000». За счет специального идентификатора терминал не только имеет возможность принять широковещательную информацию, но и идентифицировать её именно как широковещательную.

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, в таком случае пакет 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.

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. 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%. Бо льшую 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.1. Распределение логических каналов системы

Для долевой оценки отведем  каждому интервалу свое процентное соотношение:

τ1 -  BCCH (широковещательный канал). На широковещательный канал отводится 1% от всей пропускной способности физического канала, равной 100%.

τ2 - RACH (канал случайного доступа). На канал случайного доступа  отводится 1% от всей пропускной способности физического канала, равной 100%.

τ3, τ4 – AGCH (канал разрешенного доступа). На канал разрешенного  доступа отводится 2% от всей пропускной способности физического канала, равной 100%.

τ5 – ACH (канал доступа). На канал доступа отводиться 1% от всей пропускной способности физического канала, равной 100%.

τ6 – ТСН (канал трафика). На канал трафика отводится 95% от всей пропускной способности физического канала, равной 100%.

Оценка полного трафика системы будет приведена для случая, когда 80 терминалам предоставляется канал трафика. В данном случае гарантируемая скорость передачи в направлении от АР к терминалам будет равна 50 кбит/с для каждого терминала. Скорость передачи от Т к АР будет равна 6,5кбит/с.

Максимальная скорость передачи для ста терминалов равна 4 Мбит/с (из условия ТЗ). «Плюс»  40% от общей максимальной скорости на канальный уровень: CRC, адресацию. Получаем пропускную способность равную 5,6 Мбит/с. С учетом помехоустойчивого кодирования, которое осуществляется на физическом уровне, пропускная способность будет равна 11,2 (для скорости кодирования ½). Общая пропускная способность канала трафика составляет ~11.2Мбит/с. Это 95% пропускной способности от всего канала. Общая пропускная способность канала 11.8Мбит/с.


Рис.2 Сводная таблица ЛКС

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

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


Рис.3Сообщение канального уровня

Тип сообщения «TYPE» - поле, идентифицирующее принадлежность сообщения определенному логическому каналу. Всего 5 логических каналов, поэтому для данного поля достаточно 3 бит.  Поле «IDАР» идентификатор АР. Для адресной передачи необходимо знать адрес терминала, он указан в поле «IDTerm». При широковещательном сообщение поле «IDTerm» заполняется семью нулями. Поле «CRC» необходимо для определения целостности пакета на приемной стороне, для сообщений постоянного трафика не требуется.  Поле «DATA» для каждого логического канала содержит разную информацию. Поле «m» идентификатор потока. Поле «N» отображает номер пакета, необходимо при ARQ. Для того чтобы привести сообщения различных логических каналов к одинаковой длине, необходимо в конец сообщения поместить поле битов заполнения – поле (FIIL).

                        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.

  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 (Time Division 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 АР и терминалов не требуется. Это объясняется тем, что в разрабатываемой радиосети будет использоваться технология OFDM, в этой технологии предусмотрены специальные поля, выполняющие функцию синхронизации.

В разрабатываемой радиосети будет использоваться схема множественного доступа с распределение физических каналов по запросу (Demand Assigned Multiple Access, DAMA). По сути, работа системы происходит в два этапа. Первый этап – резервирование временных интервалов для будущей передачи. На этом этапе АР будет последовательно опрашивать зарегистрированные терминалы на предмет необходимости им подканала связи. Если не все временные интервалы будут зарезервированы, то АР может разделить оставшиеся временные интервалы между Т.  На втором этапе идет непосредственная передача данных в отведенные интервалы времени.

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.

 

Рассмотрим временную диаграмму для одной антенны, при среднем количестве абонентов на все антенны, то есть все абоненты распределены по зоне покрытия точки доступа равномерно, по 20 абонентов на одну антенну.


            

Рис.4 временная диаграмма доступа к каналу

            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.

Рассмотрим расположение антенн, так как мы используем 4 секторные антенны, их диаграмма направленности зависит не только от того какие антенны используем но и от угла наклона самой антенны. При высоте подъема антенны на 20м, высоты уровня антенны терминала в 2м, для достижения дальности в 2км(взяли с запасом) угол наклона относительно горизонта должен быть 0,52 градуса.

 


Рис.5 угол наклона антены


   В соответствии с приложением «Инструкции о порядке регистрации и эксплуатации любительских радиостанций» : полоса частот 1260-1300 МГц может использоваться любительской службой с мощностью передатчика до 5 Вт на вторичной основе. В отдельных случаях (для любительских ретрансляторов) допускается использование передатчиков с мощностью до 100 Вт при условии согласования станций в установленном порядке. Мощность излучения по ТЗ менее 4 Вт. В соответствии с «Приложением к решению ГКРЧ от 10 марта 2011 г. №11-11-03» уточним выбранный диапазон: 1270.000 – 1290.994 МГц, предназначенный для всех видов модуляции и использования с уровнем излучаемой мощности до 4 Вт.

            Произведем оценку уровня потерь при распространении радиоволн выбранного диапазона с помощью модели Окамуры-Хата


Правильность полученного результата можно проверить с помощью условия сравнения с потерями распространения радиоволн в свободном пространстве (LOS). При этом затухание радиоволн в свободном пространстве должно меньше затухания радиоволн, на пути распространения которых, имеются препятствия. Условие LOS:


На основании полученных результатов делаем вывод, что затухание радиоволн в свободном пространстве меньше затухания в пригороде, то есть расчет потерь распространения радиоволн был сделан правильно.

Как говорилось ранее, в зависимости от качества канала связи предусматривается два профиля функционирования физического уровня. Эти профили будут отличаться видом модуляции.

Определимся с видами модуляции. Для подканала с «плохим» качеством будем использовать модуляцию QPSK. Этот вид модуляции обеспечивает относительно небольшую скорость передачи сообщений, так же характеризуется малой вероятностью возникновения ошибки. Для подканала с «хорошим» качеством, считаю целесообразно использовать модуляциюQAM-16,  потому что этот вид модуляции обеспечивает более высокую скорость передачи сообщений, в отличии от QPSK, но приходится платить за высокую скорость передачи, высокой вероятностью возникновения ошибки, по сравнению с QPSK модуляцией.

Рис.4 Зависимости вероятностей битовой ошибки от ОСШ для  QPSK и QAM-16 модуляций.

 Из приведенных зависимостей вероятностей битовой ошибки от ОСШ можно сделать вывод о том, что при использовании QPSK модуляции нужно обеспечить  ОСШ не менее 11,2 дБ, а при использовании QAM-16 модуляции – не менее 15 дБ.

Для помехоустойчивого кодирования используем коды BCH. Коды ВСН составляют мощный класс блочных кодов, которые обеспечивают достаточную свободу длины блоков, степени кодирования, размеров алфавита и возможностей коррекции ошибок. BCH(127,85) позволяет исправить 6 ошибок. 



Рис. 5. Зависимости вероятностей битовой ошибки от ОСШ для  QPSK и QAM 16 модуляций при использовании помехоустойчивого кодирования.

Для борьбы с пакетами ошибок в системе используется блочное перемежение.

В данной системе исходная закодированная последовательность размером 127 бит. К закодированной последовательности размером 127 бит добавляется один нулевой бит.

Данную структуру имеют все пакеты физического уровня вне зависимости от назначения и профиля функционирования. Полученный пакет из 128 бит поступает на вход блочного перемежителя, где происходит процедура перемежения. Максимальное расстояние, на которое разносятся соседние символы, называется глубиной перемежения. Если время, в течение которого происходил сбой сигнала, меньше глубины перемежения, то любой пакет ошибок будет преобразован в группу из M одиночных ошибок, которые легко устраняются блоковым кодом. Для оценки глубины перемежения необходимо определить длительность одного бита. Для нахождения длительности 1 бита умножим размер слота (128) на количество слотов, содержащих данные от одного и того же терминала (1)  и разделим на пропускную способность одного физического канала на 165 кбит/с (п. 2.4). В итоге получаем, что длительность 1 бита равна 0.77 мс. Для оценки глубины перемежения необходимо определить время когерентности канала связи. Время когерентности определяется по формуле:

 

  Таким образом, глубина перемежение находится, как  ТКОГ поделенное на длительность одного бита, и глубина перемежения равна 0.071/0.77е-3=92 Для обеспечения такой глубины перемежения блочный код должен имеет размеры 16 строк на 8 столбцов. Размеры блочного перемежителя согласованы с размером сообщения физического уровня (сообщение с выхода кодера + один нулевой бит).

В разрабатываемой радиосистеме в качестве способа организации физических каналов связи выбрано TDMA. И тогда для организации дуплексной связи необходимо симплексные физические каналы связи, соответствующие направлению передачи от АР к Т и от Т к АР, разнести по времени. Для каналов ВССН, AGCH, соответствующих направлению передачи от АР к Т (DownLink, ↓),  выделяется 1 временной слот в кадре. В кадрах под номерами 4,6,8,10 опрашиваются по 25 терминалов. Для каналов RACH, ACH соответствующих направлению передачи от Т к АР (UpLink, ↑),  выделяется 1 временной слот в  кадре. Для канала TCH, соответствующего направлению передачи от Т к АР  и АР к Т (↑↓), выделены 2 – 26 временной слоты.  Таким образом, самой «крупной» единицей радиоинтерфейса является «мультикадр» длиной 36608 бит. Мультикадр включает 11 кадров по 3328 бит. Каждый кадр включает в себя 26 слотов.


Рис.6. Структура радиоинтерфейса


Оценка уровня мощности излучения передающего устройства, сравнение с заданным Ризл


 Передача одного OFDM символа осуществляется с использованием 54 поднесущих: 32 поднесущие для передачи данных, 8 – для пилот сигнала, 6 и 7 – для использования защитных интервалов и 1 нулевая поднесущая для идентификации нулевой частоты OFDM сигнала. 

Минимальная полоса пропускания будет определяться исходя из канальной скорости передачи данных и количества поднесущих сигнала OFDM, использующихся для передачи данных

Скорость передачи данных по каждому из 32-х параллельных каналов будет равна:




Данный расчет приведен на вероятность наибольшей нагрузки, когда все 80 абонентов будут в зоне одной антенны,  соответственно скорость передачи будет 4Мбит/80, но это маловероятно. 


Рис. 7. Функциональная схема физического уровня передающей и приемной части

Профиль функционирования  выбирается исходя из качества КС. Качество связи оценивает приемной частью АР, для этого в АР реализована подсистема радиоизмерений. Подсистема радиоизмерений сообщает уровню принятия решений о качестве КС (качество КС оценивается с учетом вероятности битовой ошибки). 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 модуляторOFDM – символов от соответствующих подсистем.

Приемная часть выполняет обратные операции: демодулирование OFDM – символов, демодуляция, деперемежение, декодирование. Приемная часть Т отличается отсутствие подсистемы радиоизмерений.