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.

Канальный уровень определяет функции управления передачей информации по каналу связи между двумя узлами. Это формирование кадров определенной длины и проверка содержимого кадров после их приема, передача и прием подтверждений о приеме кадров, повторная передача неподтвержденных кадров. Кадр, формируемый на канальном уровне, имеет поле данных и заголовок (п. 1.4). Для того чтобы реализовать вышеперечисленные функции на канальном уровне используются следующие сервисы:

• Адресный сервис осуществляет адресную передачу сообщений. Для этого в заголовке канального уровня передаются адреса отправителя и получателя данных. Эти адреса представляют собой уникальные идентификаторы терминалов (ID терминала). Идентификаторы терминалов заранее известны точке доступа и хранятся в ее информационной подсистеме. Идентификатор точки доступа так же хранится в информационной подсистеме терминала. Терминал получает идентификатор точки доступа путем декодирования сообщений передаваемых по широковещательному каналу. По ТЗ система рассчитана на 25 абонентов, следовательно, должно быть  25 уникальных идентификаторов  терминалов. Поле адреса терминала будет составлять 5 бит (2⁵=32).

• Сервис обнаружение ошибок с 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 каналу связи.

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.

Рассмотрим каналы, используемые в проектируемой системе:

1. BCCH (Broadcast Control Channel) - широковещательный канал, предназначенный для неадресной рассылки общей информации о сети. Содержит всю информацию о сети, а также идентификатор точки доступа, предназначенные для всех терминалов, находящихся в зоне обслуживания AP. Направление вниз ↓

2. RACH (Random Access Channel) - канал случайного доступа, за который ведут конкурентную борьбу зарегистрированные в сети терминалы. Направление вверх ↑

3. AGCH (Access Grant Channel) - канал разрешенного доступа, по которому передаются пакеты оповещения точки доступа, включающие в себя ID терминала, выигравшего конкурентную борьбу, а также время, на которое займет канал «победившый» терминала. Направление вниз ↓

4. TCH (Traffic Channel) - канал для непосредственной передачи данных, а также передачи пакетов подтверждения передачи или приема. На этот канал отводится большая часть всей пропускной способности физического канала. Двухстороннее направление ↓↑

Для оценки достоверности принимаемых данных на физическом уровне выделяется 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 пакет подтверждения приема не отправляется.

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

Рис. 17 Распределение ЛКС системы

Для того чтобы оценить пропускную способность ЛКС в долях процентов, примем общую пропускную способность за 100%. Большую 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.

Τ1 - интервал передачи широковещательной информации по каналу BCCH (1% от всей пропускной способности). 

Т2 - интервал конкурентной борьбы по каналу RACH (2% от всей пропускной способности).

Т3 - интервал времени для выделения КС по каналу AGCH (1% всей пропускной способности).

Т4 - время передачи сообщения и отчета о доставке по каналу трафика TCH (96% пропускной способности).

По условию ТЗ гарантируемая скорость передачи данных в обоих направлениях 2 Мбит/с. Добавим 20%, отводимые на контрольную сумму, флаги, адреса, номер пакета, и получим 2,4 Мбит/с. Если учесть использование помехоустойчивого кодирования со скоростью ½, пропускная способность увеличится в 2 раза -  4,8 Мбит/с. Прибавив 10% отведенные для защитных интервалов и синхронизации, получим пропускную способность равную 5,28 Мбит/с. Так как это будет 96% от общей пропускной способности, то общая пропускная способность равна 5,5 Мбит/с.

На основании вышесказанного составим сводную таблицу логические каналов связи (ЛКС):

Таблица 1. Логические каналы связи, проектируемой системы

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

Для выполнения пункта 1.6.4 представим структура пакета канального уровня на рис. 18:

Рис. 18 Структура пакета канального уровня

Поля «адрес отправителя» и «адрес получателя» содержат информацию об адресах соответствующих терминалов. В случае, когда речь идет о  широковещательной доставке, то поле «адрес получателя» заполняется нулями.

В поле «тип пакета» содержится информация о типе передаваемой информации. Если это поле заполнено нулями (000), то в пакете передается служебная информация, если единицами (111), то в пакете передается трафик.

Поле «номер пакета» содержит номер передаваемого пакета. Каждый пакет имеет свой номер, что позволяет в случае неудачного приема пакета начать передачу с последнего успешно принятого пакета.

В поле данных содержится пользовательская информация.

Поле «флаг» служит индикатором начала пакета.

Поле «контрольная сумма» используется для проверки целостности принимаемого пакета.

Поле «оконечные биты» необходимо для сброса сверточного декодера.

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

Опираясь на рисунки 17 и 18, опишем последовательность действий, которые выполняет терминал при приеме служебного сообщения.

В интервале времени Т1 осуществляется широковещательная рассылка от точки доступа. Терминал определяет характер информации передаваемой по каналу BCCH, путем декодирования соответствующих полей пакета канального уровня (рис. 18): "тип пакета" - указывает на то, что данный пакет содержит служебную информацию, "поле данных" информирует о том, что канал свободен, разрешена конкурентная борьба. Так как данная рассылка является неадресной,  то  "поле адреса" заполняется нулями.

В интервале времени Т2 терминалы отправляют запросы на предоставление им физического канала связи, что отражается в "поле данных", а поле "тип пакета" в данном случае сигнализирует о том, что данная информация является служебной.

В интервале времени Т3 точка доступа отправляет служебное сообщение ("тип пакета" - служебный), оповещающее все терминалы об ID победившего терминала и длине сообщения  или сигнализирует конкретным терминалам о готовности принять сообщения. Эти сведения отражены в "поле данных".

В интервале времени Т4 происходит непосредственная передача пакетов трафика и отчета о доставке. Здесь "тип пакета" - пакет трафика, а в "поле данных" будет содержаться пользовательская информация.  

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.

Физический уровень выполняет процессы, связанные с надежной передачей потока битов, поступающего с канального уровня. Физический уровень предназначен для передачи потока битов от терминала к точке доступа и наоборот­ (п.1.4).  

Существуют несколько способов организации физических каналов:

FDMA (Frequency Division Multiple Access) – метод множественного доступа с частотным разделением каналов основывается на том, что весь частотный спектр разделяется между пользователями на равные или не равные частотные полосы.

CDMA (Code Division Multiple Access) – метод множественного доступа с кодовым разделением каналов. Для реализации этого метода необходимо использовать расширение спектра.

TDMA (Time Division Multiple Access) – метод множественного доступа с временным разделением каналов. В этом случае абонент может использовать всю ширину полосы пропускания канала, но только в определенные временные отрезки. Эти отрезки времени называются «таймслотами».

Техническое задание к курсовому проекту  требует минимального диапазона используемых частот, что делает невозможным выбор в качестве методов множественного доступа CDMA и FDMA. Поэтому в проектируемой системе целесообразно использовать метод множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA).

Абонентские терминалы смогут получить доступ к физическому каналу, только после победы в конкурентной борьбе. Подробнее эта процедура описана в п.1.5.6 второй части КП.

На следующем рисунке представлена полная диаграмма состояний терминалов при взаимодействии с точкой доступа.

Рис. 19 Алгоритм доступа к физическому каналу связи 

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.

Опишем организацию радиоинтерфейса проектируемой системы. Временные интервалы передачи данных образуют мультикадры. Мультикадры в свою очередь разбивается на кадры. В пределах одного кадра будет происходить передача широковещательной информации, конкурентная борьба, передача данных и передача пакета подтверждения. Для этого каждый кадр делится 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, 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. Пакет физического уровня в общем случае будет состоять из трех полей: поля преамбулы, служебного поля и поля данных.

Рис. 20 Пакет физического уровня при BPSK модуляции

Для BPSK модуляции. 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, о используемом виде модуляции. Это поле будет содержать 8 бит и передаваться посредством одного символа OFDM. В одном символе OFDM содержится 64 поднесущих: 58 информационных и 6 для передачи пилот-сигналов необходимых для синхронизации.  

Поле данных и поле «избыточные биты» передаются с помощью 11 OFDM символов. Эти поля необходимы для непосредственной передачи пользовательской информации и исправления ошибок в процессе передачи. Поле данных будет содержать закодированные данные, и иметь длину равную 303 битам. Поле «избыточных битов» также имеет длину 303 бита, т.к. скорость кодирования ½ (на каждый информационный бит приходится 2 избыточных). Поле служебной информации и преамбула передаются с помощью BPSK модуляции с целью повышения помехоустойчивости. Вид модуляция последующих символов зависит от содержания служебного поля.

Также используется циклический префикс равный 1/16 длительности символа OFDM. В данном случае (рис.19) он равен 3.625 бита.

Для QAM-16 модуляции. Структура пакета физического уровня для QAM-16 модуляции будет схожа со структурой, представленной на рисунке 19, за исключение того, что в поле «сервис» будет передана информация о другом виде модуляции, и поле данных вместе с полем избыточных будут переданы по средствам 3 OFDM символов. Т.к. при QAM-16 на каждую поднесущую будет приходиться в 4 раза больше бит, чем при BPSK. Префикс в данном случае будет составлять 14.5 бит.

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

По техническому заданию разрабатываемая система будет находиться на производственных/торговых помещениях или офисах. Внутри любого здания находятся стены, перекрытия и перегородки, т.е. объекты препятствующие распространению радиоволн. Следовательно, радиоволны при распространении от передатчика к приемнику могут многократно отразится от препятствий. В результате на приемную сторону придут несколько отраженных волн с разной фазой, что может привести к снижению мощности принимаемого сигнала на заранее неопределенную величину и замираниям. В качестве средств по борьбе с многолучевым распространением радиоволн используют эквалайзеры или технологию OFDM. Для борьбы с многолучевостью в нашей системе будет использована технология OFDM, которая обладает высокой спектральной эффективностью и является эффективной мерой защиты физического уровня от многолучевости, т.к. поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных ортогональных друг другу подканалов.

Рис. 21 Подканалы OFDM

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

Расчет полной пропускной способности физического КС соединения «терминал-БС» с учетом избыточности, вносимой на L1-уровне был произведен в п.1.6.3. и составляет 5.5 Мбит/с.

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.

Разрабатываемая сеть строится на основе стандарта IEEE 802.11, который предусматривает  использование частотного диапазона 2.4 ГГц и 5 ГГц. Выбор частотного диапазона будем производить на основании документов государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ). Основным критерием является доступность частотного диапазона. Этому критерию, согласно решению от 06 декабря 2004 г № 04-03-04-003 г. Москва «Об использовании полосы радиочастот 2400-2483,5 МГц для внутриофисных систем передачи данных ГКРЧ, отвечает диапазон 2.4 ГГц. Следовательно, он и будет использоваться в разрабатываемой локальной радиосети.

Предполагается что точка доступа и терминалы находятся внутри одного и того же здания. Потери на трассе между ними внутри помещения можно оценить с помощью модели 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 препятствия, а также на остальные потери, которые могут возникнуть в пределах здания.

Основная модель потерь имеет следующий вид:

L_total  =  20 log₁₀ f  +  N log₁₀ d  +  L_f   (n)  –  28 дБ (1), где

N – Дистанционный коэффициент потерь мощности.

f – Частота (МГц).

d – Расстояние разнесения (м) между базовой станцией и переносным терминалом (где d > 1 м).

Lf – Коэффициент потерь за счет прохождения сигнала через пол (дБ).

n – Максимальное количество этажей между точкой доступа и терминалами (n ³ 1)

Таблица 2. Коэффициенты потери мощности N

Частота	Жилые дома	Офисы	Промышленные здания
2,1–4 ГГц	-	28	22

Таблица 3. Коэффициенты потерь при прохождении сигнала через пол, L_f (дБ), где n – число пройденных этажей

Частота	Жилые дома	Офисы	Промышленные здания
1,8–3 ГГц	4 n	15 + 4 (n – 1)	6 + 3 (n – 1)

Проектируемая нами сеть будет располагаться в пределах двух этажей (n=2), поэтому запишем исходные данные и на их основе рассчитаем потери по формуле (1):

N = 28 - дистанционный коэффициент потерь мощности для офисного помещения;

f = 2,4 ГГц - частота несущего колебания;

d = 80 м – максимальная дальность связи (по ТЗ);

Lf = 19 - коэффициент потерь за счет прохождения сигнала через пол (дБ);

L_total  =  20 log₁₀(2400)  +  28 log₁₀ (80)  +  19  –  28  = 118 дБ

Для того, чтобы рассчитать требуемое ОСШ при заданной вероятности ошибки 5*10^-7, построим в системе MATLAB при помощи функции «bertool» графики зависимости вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум для BPSK и QAM-16 модуляции.

Рис. 22 Зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ для BPSK и QAM-16 модуляции

Из рисунка видно, что для достижения заданной вероятности ошибки необходимое ОСШ составляет 10.8 дБ для BPSK и 14.6 дБ для QAM-16 модуляции.

1.7.6. Обоснованный выбор метода помехоустойчивого кодирования, перемежения, деперемежения, оценка эффективности кодирования. Коррекция данных расчета п.1.7.4 и проверка параметров физического уровня на соответствие исходным данным.

Очевидно, что использование системы будет неэффективным, если не предпринимать меры для увеличения отношения сигнал шум. С этой целью в системе используется сверточный кодер со скоростью 1/2, где каждому информационному биту на входе соответствует два избыточных бита на  выходе. Построим графики, аналогичные рис. 21, но уже с кодированием и оценим выигрыш в ОСШ.

Рис. 23  Зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ для BPSK и QAM-16 модуляции с кодированием и без

Был использован метод сверточного кодирования со значением порождающего многочлена (171, 133), установленного в «Matlab bertool» по умолчанию.
Для BPSK с кодированием ОСШ = 7.15 дБ, выигрыш составляет 3,65 дБ.

Для QAM-16 с кодированием ОСШ = 10.85 дБ, выигрыш составляет 3,75 дБ.

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.

1.7.7. Оценка уровня мощности излучения передающего устройства, сравнение с заданным Ризл; при необходимости повтор п.1.7.5, 1.7.6. Расчет чувствительности приемников АС (БС).

 Рассчитаем уровень мощности передатчика при использовании BPSK-модуляции:

Минимальная полоса пропускания:

 

где R_N скорость передачи данных по радиоканалу, M - позиционность модуляции.

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

Согласно ТЗ, мощность излучения не должна превышать 0,3 Вт. Исходя из вышеприведенных вычислений, можно сделать вывод о том, что данное условие выполняется. По всем 58 поднесущим Pизл_общ = 0.02 Вт 

Рассчитаем уровень мощности передатчика при использовании  16-QAM модуляции:

Согласно ТЗ, мощность излучения не должна превышать 0,3 Вт. Исходя из вышеприведенных вычислений, можно сделать вывод о том, что данное условие выполняется. По всем 58 поднесущим  Pизл_общ = 0.21 Вт.

Для наглядности сведем рассчитанные параметры в таблицу:

Таблица 4

Вид модуляции	Скорость передачи кбит/с	Аналоговое ОСШ, дБ	Чувствительность приемника, дБ	Суммарная мощность излучения, Вт
BPSK	73.741	6.736	-137.264	0.02
QAM-16	294.964	16.46	-128.34	0.21

1.7.8. Разработка и пояснение функциональной схемы L1/L2-уровней сетевого узла.

Рис. 24 Функциональная схема уровней L1/L2-уровней сетевого узла

Битовый поток, поступающий с канального уровня, проходит процедуру сверточного кодирования со скорость ½, затем происходит процедура перемежения, в результате которой осуществляется перестановка битов по заданному алгоритму. Полученная последовательность битов поступает на блок сборки пакетов физического уровня, формируя пакет данных. На данном этапе к пакету добавляется преамбула для реализации временной и частотной синхронизации. Затем данные модулируются, преобразуясь в модуляционные символы, при помощи которых осуществляется модуляция информационных поднесущих OFDM сигнала в блоке OFDM модуляции, и передаются в канал. В приемнике осуществляются обратные операции. 

Список используемой литературы:

1. Бакке А.В. Методические указания к лабораторной работе "Основы построения беспроводных сетей стандарта 802,11".
2. Бакке А.В. «Лекции по курсу ССПО»
3. Зайцев А.А. «Лекции по курсу ОТССПО»
4. КП "Локальная радиосеть". Часть 3. Калинкин В.В.
   
5. КП "Локальная радиосеть" Часть 3.
   
6. КП "Локальная радиосеть" Часть 3
   
7. КП "Локальная радиосеть".Часть 3
   
8. КП на тему "Локальная радиосеть" п. 1.6-1.7 (часть №3)
   
9. Решение ГКРЧ от 6 декабря 2004 г. № 04-03-04-003