1.7. Разработка физического уровня системы(L1).

Физический уровень является нижним уровнем системного протокола и описывает интерфейс, который обслуживает физические пакеты, состоящие из битов и символов (дибитов), подлежащих передаче и приему. Физический уровень реализует следующие группы функций:

- функции, связанные с радиоканалом;

- функции обработки битов и символов;

- функции организации пакетов.

Функции, связанные с радиоканалом, включают:

- модуляцию/демодуляцию;

- управление переключением режимов приема и передачи;

- управление радиочастотными параметрами:

- установка частоты канала;

- индикация уровня выходного радиосигнала;

- точную регулировку радиотехнических параметров:

·     коррекция частоты (синхронизация опорной частоты мобильной станции с базовой станцией с помощью специальной корректирующей последовательности, размещенной в синхропакете);

·     управление мощностью (управление уровнем мощности мобильной станции в соответствии с параметрами базовой станции, передаваемыми в вещательном канале, и измерениями уровня сигнала, выполняемыми на мобильной станции).

Функции обработки битов и символов осуществляют символьную (тактовую) синхронизацию и определяют границы (начало и конец) физического пакета. Для синхронизации в физические пакеты включаются специальные обучающие синхропоследовательности, которые обеспечивают точное определение принимаемых символов. Первоначальная синхронизация обеспечивается с помощью расширенной обучающей последовательности.

Функции организации пакетов включают:

- обмен данными с канальным уровнем (субуровнем MAC), т. е.  размещение информации канального уровня, а также специфической информации физического уровня в соответствующих местах физического пакета при передаче, а при приеме - извлечение специфической информации физического уровня, восстановление информационных блоков и трансляция их на канальный уровень;

- установку слотового флага кодирования/декодирования;

- шифрование/дешифрование.

Продуктом работы сетевых процедур верхнего уровня являются командные, сигнальные и информационные сообщения. Группы таких сообщений объединены по функциональному назначению и передаются на нижние уровни по  логическим каналам. На нижних уровнях логические каналы в соответствии с алгоритмом работы системы трансформируются в физические каналы, которые осуществляют перенос информации через физическую среду.

В общих чертах процесс использования логических каналов выглядит следующим образом.

При включении подвижной радиостанции она начинает поиск общесетевого канала BCCH (общий информационный канал управления), конкретно – BSCH (канал синхронизации), по которому осуществляет синхронизацию своих систем и получает доступ к другим каналам системы. После этого радиостанция переходит на частоту основного системного канала MCCH (основной канал управления) и остается на нем, получая необходимую системную информацию, в том числе исходную информацию для реализации процедуры случайного доступа. Данная информация постоянно передается по каналу AACH (канал назначения доступа).

При инициализации процедуры вызова по MCCH происходит назначение (выделение) канала связи (ACCH) конкретным подвижным радиостанциям, после чего они переключаются на этот канал. После смены частоты происходит настройка передатчика по каналу CLCH (канал управления мощностью). Затем продолжается процедура установления связи с использованием быстрого совмещенного канала управления FACCH. По окончании этой процедуры формируется трафиковый канал TCH/x.

По окончании связи трафиковый канал вновь переходит в FACCH, по которому передаются команды, необходимые для отключения связи. По окончании этой процедуры подвижная радиостанция возвращается на основной канал управления MCCH.

Временная синхронизация дуплексных пар радиоканалов.

Для организации связи между подвижным абонентом и базовой радиостанцией предусматривается выделение дуплексной пары радиочастот. Так как при этом используется временное уплотнение до четырех независимых каналов, то для снижения взаимных помех в системе применяется жесткая синхронизация пакетов подвижных станций относительно пакетов, передаваемых базовой станцией, при этом последовательность пакетов МС задержана на две позиции относительно пакетов БС. Рис.12 показывает взаимное расположение пакетов в направлениях сверху вниз и обратно.


Рис. 12. Взаимное расположение пакетов в направлениях сверху вниз и обратно.

Например, при передаче мобильной станцией информации в пакете 1 для базовой станции прием будет осуществляться в пакете 3, и наоборот: передача с базовой станции в пакете 1 - прием мобильной станции в пакете 3. Таким образом, формируется пара каналов во временной области: пакет 1 - передача информации; пакет 3 - прием. Временной сдвиг между каналами дает возможность аппаратуре проводить необходимую обработку сообщений, исполнение полученных команд управления и выполнять ряд других функций перед ответом радиостанции, что очень важно для снижения непроизводительной загрузки каналов связи.

Индивидуальный вызов

Пример последовательности команд при индивидуальном вызове показан на рис.13. Последовательность команд начинается с передачи мобильной станции МС1 запроса на соединение. При успешном приеме запроса базовая станция передает подтверждение о его приеме  и одновременно запрашивает вызываемую мобильную станцию МС2. После этого мобильная станция МС2 автоматически (без участия абонента) подтверждает готовность к связи. В ответ базовая станция информирует станцию МС1 об успешном контакте со станцией МС2, подтверждает станцией МС2 прием информации  и назначает им свободный трафиковый канал. После этого мобильные станции переключаются на назначенный канал и проводят процедуру регулировки мощности передатчиков. Затем вызываемая станция МС2 подтверждает свое присутствие на канале. В заключение базовая станция передает подвижной станции МС1 разрешение на передачу сообщения.


Рис. 13. Процедура индивидуального вызова.

Групповой вызов

Процедура группового вызова показана на рис. 14. На начальном этапе она весьма близка к процедуре индивидуального вызова, однако поскольку вызывается группа станций, получить подтверждение их готовности к связи в одном пакете физического канала невозможно, поэтому этот этап исключен, и базовая станция сразу назначает канал трафика. Затем производится настройка мощности мобильных станций, передача управляющей информации и передача сообщения.

Рис. 14. Процедура группового вызова.

Процесс доступа в систему производится по команде приглашения, которая передается базовой станцией по каналу управления. Эта команда содержит информацию о количестве последующих пакетов, через которые разрешен доступ в систему. Вызывающая мобильная радиостанция в одном из пакетов передает первичную информацию для начала установления канала связи. Если происходит столкновение вызовов или их искажение, то через некоторое время попытка повторяется в другом кадре.

Ниже показана упрощенная схема иерархических связей каналов. 


Рис.15 Отображение логических каналов в полях, пакетах и кадрах физического канала.

Как было уже сказано ранее,  в проектируемой системе применяется уплотнение каналов по технологии TDMA, на одной несущей частоте организуются четыре разговорных канала (рис. 16). Каждый кадр содержит четыре временных интервала (time slots). Последовательность из 18 кадров образует мультикадр; один кадр является контрольным.

Рис.16. Временная структура сигнала на одном канале.

В начале временного интервала передается пакет из 36 бит PA (Power Amplifier - управление излучаемой мощностью). За ним следует первый информационный блок, далее - синхропоследовательность SYNC (36 бит) и второй информационный блок. Как и в любой системе на базе TDMA, соседние временные интервалы разделяются защитными периодами длительностью 0,167 мс, что соответствует 6 битам.

Рис.17. Структура пакета на физическом уровне.

 Для обеспечения высокой помехозащищенности передачи данных, будем использовать модуляцию QPSK. Этот вид модуляции характеризуется малой вероятностью битовой ошибки. Таким образом, каждому символу модуляции соответствует передача двух бит информации.

Рис.18. Зависимость вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK.

Исходя из вышеприведенного рисунка, можно сделать вывод о том, что для достижения требуемой вероятности ошибки на бит (Рb = 5*10-6 по ТЗ), необходимо обеспечить ОСШ, равное 10 дБ.

Для борьбы с многолучевостью используются процедуры перемежения и помехоустойчивого кодирования, а также эквалайзер.

Для преобразования речи применяется кодек с алгоритмом типа CELP. Скорость цифрового речевого потока на выходе этого кодека составляет
4,8 кбит/с. До поступления речевого потока на вход модулятора к нему добавляется корректирующий код, после чего производится межблочное перемежение.

Оценка полной пропускной способности физического КС соединения «терминал – БС» с учетом избыточности была проведена в части 2.

В нашей стране для транкинговых сетей может быть использован диапазон 450-460/460-470 МГц, который  и будем использовать.

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 в условиях городской застройки), и 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;  – 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 = 455 МГц, r = 0,5 км, hМС = 1,5 м, hБС = 10 м, получим, что общие потери распространения радиоволн на трассе БС-МС составляют

L = 144,34 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 = 455 МГц и r = 500 м, получим, что потери распространения в свободном пространстве составляют

LLOS(r,f) = 119,58 дБ.

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.

Поскольку сверточный кодер достаточно сложен в реализации, а физический уровень будет работать только с блоками данных, поступающих с канального уровня, удобно воспользоваться блоковым кодером. Кодирование будет осуществляться с использованием кода Хэмминга. Кодируемая последовательность состоит из 247 битов. В результате помехоустойчивого кодирования в пакет физического уровня будет внесена избыточность и его общая длина составит 255 битов. Следовательно, скорость кодирования будет составлять 247/255. Рассмотрим зависимость вероятностей битовой ошибки от ОСШ при использовании кодирования и без него.

Рис.19. Зависимость вероятностей битовой ошибки от ОСШ при использовании кодирования.

Для достижения заданной вероятности ошибки на бит, необходимо обеспечить ОСШ, равное 8,6 дБ. Таким образом, при использовании помехоустойчивого кодирования энергетический выигрыш в ОСШ составляет 1,4дБ.

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.

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.

Проведем оценку уровня мощности излучения передающего устройства, а также расчет чувствительности приемников БС.

Мощность передатчика рассчитывается следующим образом:

Pизл БС = Pпрм + Рз + L  GT  GR ;

где Pпрм – чувствительность приемника, L = 144,34 дБ – затухание в радиоканале, GT= 10 дБ – коэффициент усиления передающей антенны,

GR = 0 дБ – коэффициент усиления приемной антенны, Рз = 6 дБ – резерв по мощности, необходимый для учета замираний в КС.

Чувствительность приемника рассчитывается по формуле:

Pпрм = Рш + Nk + C/N;

где Pш – мощность шума на входе приемника, Nk = 10 дБ – коэффициент шума первых каскадов приемника, C/N – аналоговое ОСШ.

Мощность шума:

Рш = k*T*Пш;

где k = 1,38*10-23 Дж/К – постоянная Больцмана, Т = 296 К – шумовая температура, Пш – шумовая полоса приемника.

Аналоговое ОСШ определяется следующим образом:

C/N = Еb/N0 + 10*log2(Rс/ Пш);

где Еb/N0 = 6,56 дБ – цифровое ОСШ, Rс  - скорость передачи данных, Пш – шумовая полоса приемника.

Шумовая полоса приемника определяется следующим образом:

Пш = Δf * 1,1;

где Δf – минимальная необходимая полоса пропускания.

Минимальная необходимая полоса пропускания будет определяться исходя из канальной скорости передачи данных. Скорость передачи данных на выходе кодера определяется следующим выражением:

Rс = (n*R)/k;

где n = 255 - длина закодированного сообщения,  k = 247 – длина кодируемого сообщения, R – скорость передачи данных при использовании модуляции.

Скорость передачи данных при использовании модуляции определяется:

R = Rд/ log2М;

где Rд – исходная скорость передачи данных, М – позиционность модуляции.

 Рассчитаем уровень мощности передатчика при использовании QPSK-модуляции.

Исходная скорость передачи данных равна 64 кбит/с. Следовательно, скорость передачи данных при использовании данного вида модуляции (М=4) равна:

R = Rд/ log2М  = 64*103/ log24 = 32 кбит/с.

Скорость передачи данных на выходе кодера:

Rс = (n*R)/k = (255*32*103)/247 = 33,04 кбит/с.

Отсюда следует, что минимальная необходимая полоса частот составляет:

Δf = 33,04 кГц.

Шумовая полоса приемника:

Пш = Δf * 1,1 = 33,04*103* 1,1 =  36,34 кГц.

Аналоговое ОСШ определяется следующим образом:

C/N = Еb/N0 + 10*log2(Rс/ Пш) = 6,56 + 10*log2(33,04*103 / 36,34*103) = 5.18 дБ.

Мощность шума:

Рш = k*T*Пш  = 1,38*10-23*296*36,34*103 = 1,48*10-16 Вт = -128 дБ.

Чувствительность приемника в этом случае равна:

Pпрм = Рш + Nk + C/N = -128 + 10 + 5,18 =  -112.82 дБ = 5.22*10-15 Вт.

Мощность передатчика:

Pизл БС = Pпрм + Рз + L  GT  GR = -112,82 + 6 +144,34 – 10 = 27,52 дБ = 0,565 Вт.

Согласно ТЗ, мощность излучения не должна превышать 0,7 Вт. Исходя из вышеприведенных вычислений, можно сделать вывод о том, что данное условие выполняется.

Ниже приведена функциональная схема физического уровня разрабатываемой системы (рис.20). На физический уровень передающей стороны поступают пакеты канала управления с канального уровня и трафик с уровня принятия решений. Эти данные поступают на кодер, где осуществляется помехоустойчивое кодирование со скоростью кодирования 247/255. Далее осуществляется процедура перемежения. К полученному сообщению добавляется служебная информация, необходимая для частотной и временной синхронизации. Cообщение поступает на модулятор, а затем передается на приемное устройство. В приемном устройстве полученное сообщение демодулируется с помощью демодулятора. Далее извлекается настроечная последовательность для эквалайзера и осуществляется временная и частотная синхронизация. Затем сообщение подвергается деперемежению и декодированию. В зависимости от того, какое сообщение было принято, извлеченные данные поступают на уровень принятия решений (в случае принятия речевого трафика) или на канальный уровень (в случае принятия сигналов управления). 

Рисунок 20.  Функциональная схема физического уровня системы.