.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 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 ТД в соответствующее поле пакета канального уровня. Адреса всех терминалов известны ТД. Эти адреса представляют собой уникальные идентификаторы терминалов (ID). Каждый терминал содержит в своей информационной системе (ИС) адрес ТД(SSID), в зоне которой он обслуживается. Поле адреса ТД будет состоять из 7 бит. Данная система рассчитана на 50 терминалов, так как каждый терминал обладает уникальным идентификатором, то имеем 50 ID. Идентификаторы прописаны в двоичном коде. Поле адреса терминала будет состоять из 7 бит (27=128). С целью организации широковещательной передачи информации от ТД 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.

 Рассмотрим подробнее  реализацию службы управления доступом к физическому каналу (рис.1). Для получения доступа к физическому подканалу в проектируемой сети, терминалу необходимо отправить заявку на предоставления подканала.
 После включения ТД, она начинает излучать широковещательную информацию о сети по широковещательному каналу BCCН, включающую ID. Терминалы раннее зарегистрированные в сети принимают эту информацию, так же эту информацию принимают терминалы, осуществляющие поиск сети, если SSID, полученный по каналу ВССН, совпадает с SSID, с хранящимся в ИС терминала, то терминал по каналу RACH передает свой идентификатор ID. При получении идентификатора точка доступа сравнивает его с идентификатором, хранящимся в её ИС, если идентификаторы совпали, то терминалу отправляется сообщение по каналу AGCH, что он зарегистрирован, в противном случае, терминал не зарегистрирован. Далее точка доступа осуществляет опрос активных терминалов для предоставления им подканалов по каналу AGCH, так же если для Т есть сообщения из внешней сети, ТД  оповещает его, что ему нужно выйти из IDLE (оранжевая стрелка).  Следует отметить, что каждый терминал, будет отвечать в отведенный ему промежуток времени, интервалы времени для ответа терминалов, передаются так же по каналу AGCH, это сделано с целью избежания коллизий. По каналу АСН  терминалы будут отвечать. Из рисунка видно, что первый терминал осуществляет запрос на передачу пульсирующего трафика, второй терминал резервирует подканал на определенный промежуток времени, для передачи постоянного трафика, по окончанию этого времени Т освобождает подканал. Следует отметить, что пока не истечет время резервирования, ТД не будет опрашивать данный терминал. Третий терминал отправляет сообщений, что он активен и подканал ему не нужен. Терминал под номером сто по каналу АСН отправляет сообщение «готов», это означает что терминал готов к приему информации. После каждому терминалу выделяется подканалы трафика. По подканалу трафика сначала передаются номера временных слотов по, которым может осуществляться прием/передача сообщений, далее осуществляется  непосредственный обмен данными. Прием/передача отчета о верном приеме осуществляется также по каналу TCH. 


Рис.1. Cлужбы управления доступом к физическому каналу.


1.6.2. Выделение типов логических каналов связи (ЛКС), используемых на канальном уровне. Пояснение назначения сообщений, передаваемый по каждому ЛКС. Оценка возможности применения ARQ (Automatic Repeat-reQuest) в ЛКС. Способы обеспечения достоверности принимаемых сообщений в каждом ЛКС.
 В рамках разрабатываемой системы используются следующие логические каналы связи, на канальном уровне:
1. BCCH - широковещательный канал (Broadcast Control Channel) - предназначен для широковещательной передачи общей информации о сети, необходимой подключаемым терминалам, проверка зарегистрированных на активность. Так как передача по этому каналу будет происходить с определённой периодичностью, то нет особой нужды в применении ARQ к этому каналу.
2. RACH (Random Access Channel) – канал случайного доступа. По нему будет посылаться запрос на регистрацию, а также дальнейшее выделение абоненту каналов (к вопросу об увеличении скорости). Применять здесь ARQ нет необходимости, поскольку пользователь может сделать перезапрос на регистрацию, а выделение дополнительных каналов происходит периодично.
3. AGCH (Access Grant Channel)  –канал разрешенного доступа. Предназначен для ответа Т на опрос ТД активных абонентов, запроса на повторную передачу, ответ ТД на запрос Т о регистрации, аутентификации. Здесь, если будут ошибки в принятом по этому каналу сообщении, терминал «лишится» сети, поэтому необходим ARQ.
4. AGH (Access Channel) – канал доступа, по которому точка доступа сообщает терминалу параметры выделяемого под сеанс связи канального ресурса. Здесь также необходимо предусмотреть ARQ, поскольку Т может остаться без канала.

5.   5. TCH (Trafic Channel) – канал трафика. Предназначен непосредственно для передачи данных абоненту. Чтобы обеспечить гарантированную передачу будем использовать метод ARQ SAW (stop – and - wait). Суть метода заключается в том, что передатчик ожидает от приемника подтверждения правильности приема предыдущего блока данных, перед тем как начать передачу следующего. В случае, если блок данных был принят с ошибкой, приемник передает отрицательное подтверждение (negative acknowledgement, NAK), и Т/ТД повторяет передачу блока. Если принятый блок без ошибки, то передается сообщение о подтверждении (Acknowledge, ACK). При получении NAK передающая сторона делает вывод о необходимости повторной передачи пакета. Такой режим характерен для полудуплексных систем, таких, как данная (рисунок 2).


Рис.2. ARQ SAW

Но решение о том, была ли ошибка в принятом блоке или нет должно быть на чём-то основано. В данной работе оценкой достоверности сообщения будет служить контрольная сумма (CRC). Сущность этого метода заключается в том, что в поле контрольной суммы записывается значение, полученное путём преобразования битов данных. На приёмной стороне по принятым битам вычисляется новая контрольная сумма, и полученное значение сравнивается с принятым. При совпадении результатов можно сделать вывод о том, что  целостность данных сохранена. Поскольку для передачи данных нужно точно определить, был ли принят пакет верно или нет, нужно достаточно большое количество бит, отведённое на CRC, например 12.

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.3. ЛКС

τ1 + τ2 + τ3 + τ4 + τ5+ τ6 =100%

Для долевой оценки отведем  каждому интервалу свое процентное соотношение:
τ1 -  BCCH (широковещательный канал). Если принять пропускную способность ЛКС за 100%, то на широковещательный канал  отводится 1% от всей пропускной способности.
τ2 - RACH (канал случайного доступа). Если принять пропускную способность ЛКС за 100%, то канал случайного доступа отводится 1% от всей пропускной способности.
τ3, τ4 – AGCH (канал разрешенного доступа). Если принять пропускную способность ЛКС за 100%, то канал разрешенного доступа отводится 2% от всей пропускной способности.
τ5 – ACH (канал доступа). Если принять пропускную способность ЛКС за 100%, то канал доступа отводится 1% от всей пропускной способности.
τ6 – ТСН (канал трафика). На канал трафика отводится 95% от всей пропускной способности физического канала.
Оценка полного трафика системы будет приведена для случая, когда 50 терминалам предоставляется канал трафика. В данном случае гарантируемая скорость передачи в направлении от ТД к терминалам будет равна 40,96 кбит/с для каждого терминала. Скорость передачи от Т к ТД будет равна 5.12кбит/с. Максимальная скорость передачи для пятидесяти терминалов равна 2 Мбит/с (из условия ТЗ). «Плюс»  38% от общей максимальной скорости на канальный уровень: CRC, адресацию.

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

            1. Сообщение канала ВССН:

·        тип сообщения (TYPE) – 3 бита;

·        идентификатор ТД (SSID) – 7 бит;

·        идентификатор Т (ID) – 6 бит;

·        контрольная сумма (CRC) – 16 бит;

·        биты заполнения (FILL) – 41 бит;

·        запрос на регистрацию (DATA) – 4 бита;

 2. Сообщение канала RACH:

·        тип сообщения (TYPE) – 3 бита;

·        идентификатор Т (ID) – 7 бит;

·        запрос на регистрацию (DATA) – 4 бита;

·        контрольная сумма (CRC) – 16 бит;

·        биты заполнения (FILL) – 48 бит.

 3. Сообщение канала AGCH:

·        тип сообщения (TYPE) – 3 бита;

·        идентификатор Т (ID) – 7 бит;

·   опрос Т на предмет активности  и режима работы  или оповещение о предоставлении канала  (DATA) – 4 бита;

·        контрольная сумма (CRC) – 16 бит;

·        биты заполнения (FILL) – 48 бит.

 4. Сообщение канала ACH:

·        тип сообщения (TYPE) – 3 бита;

·        идентификатор Т (ID) – 7 бит;

·        запрос на предоставление подканала или ответ на опрос ТД (DATA) – 4 бита;

·        контрольная сумма (CRC) – 16 бит;

·        биты заполнения (FILL) – 48 бит.

 5. Сообщение канала ТCH (пульсирующий трафик):

·        тип сообщения (TYPE) – 3 бита;

·        идентификатор Т (ID) – 7 бит;

·        идентификатор потока (m) – 5 бит;

·        номер пакета (N) – 6 бит;

·        информационное сообщение (DATA) –  41 бит;

·        контрольная сумма (CRC) – 16 бит;

 6. Сообщение канала ТCH (постоянный трафик):

·        тип сообщения (TYPE) – 3 бита;

·        идентификатор Т (ID) – 7 бит;

·        идентификатор потока (m) – 5 бит;

·        информационное сообщение (DATA) –  63 бит;


Рис.4. Структура пакетов.

Тип сообщения «TYPE» - поле, идентифицирующее принадлежность сообщения определенному логическому каналу. Всего 5 логических каналов, поэтому для данного поля достаточно 3 бит.  Поле «SSID» содержит 6 бит, так как у в системе 50 терминалов(2^6=64) идентификатор ТД. Для адресной передачи необходимо знать адрес терминала, он указан в поле «ID». При широковещательном сообщение поле «ID» 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 (FILL).

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

 В зависимости от качества  подканалов связи необходимо реализовать два профиля функционирования системы: для подканалов с высоким и низким качеством. Эти профили будут отличаться видом модуляции сообщений. Целесообразно для подканалов с плохим качеством использовать модуляцию с малой позиционностью, а для каналов с высоким качеством – модуляцию с высокой позиционностью.
 Выбор того или иного профиля осуществляется на основании измерений модуля проведения оперативных измерений, расположенном на физическом уровне. По умолчанию можно установить профиль с высокой скоростью. При выявлении ухудшения качества подканала связи,  модуль проведения оперативных измерений посылает сообщение сигнализации на модуль обработки каналов сигнализации и принятия решения. В ответ модуль обработки каналов сигнализации и принятия решения, должен изменить вид модуляции. Информация о профиле функционирования Т передается по каналу ACH, вместе с заявкой на предоставление подканала. Информация о профиле функционирования ТД, передается по каналу AGCH в пакете оповещения. Перед передачей ТД и Т должны настроиться на одинаковый профиль функционирования физического уровня.

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 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 ТД 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 ТД будет последовательно опрашивать зарегистрированные терминалы на предмет необходимости им подканала связи. Если не все временные интервалы будут зарезервированы, то ТД 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.

1.7.2. Проработка структуры радиоинтерфейса, обеспечивающего двусторонний обмен данными.

  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. Структура изображена рис.7. 


Рис.5. Структура мультикадра

 Первый кадр начинается с канала BCCH, а каждый из 10 следующих кадров со слота, отведенного под канал доступа или канал управления. Всего в кадре 26 слотов, оставшиеся 25 слотов заняты каналами трафика. Поскольку скорость в направлении «вниз» по ТЗ выше, чем в направлении «вверх», то в каждом слоте число каналов для направления «вверх» должно быть больше, чем для направления «вниз», поэтому отведем 21 слот под восходящий канал, а 4 на обратный, что обеспечит нам соотношение 21/4=5,25 (2048/256=8).  Структура трех последних кадров полностью совпадает с кадрами 7, 8, 9. Таким образом, слоты 2-22 будут выделены под направление «вниз», а 23, 24, 25, 26 – под направление «вверх». Также необходимо предусмотреть защитный интервал между слотами 22 и 23 для предотвращения ситуации, когда в пределах одного сеанса принимающая сторона не успела сформировать ответ на полученное сообщение.
1.7.4. Оценка полной пропускной способности физического КС соединения «терминал –БС»
 Рассмотрим скорость передачи для остальных абонентов:
 Рассмотрим направление от АР к Т (DownLink). Максимальная скорость передачи данных в направление DownLink равна 2 Мбит/с (по ТЗ).  На канальном уровне к сообщению, пришедшему с L3-уровня добавляется поля, добавляющие к пропускной 38%. Скорость передачи увеличивается до 207 кбит/с (сообщение канала TCH). Это сообщение поступает на физический уровень, где над ним осуществляется канальное кодирование со скоростью 0.669 (78/127) и скорость передачи увеличивается до 309 кбит/с; К этому сообщению добавляется нулевой бит, но он значительно не повлияет на скорость передачи. Число таких каналов равно 40  и тогда скорость передачи равна 12.37 Мбит/с. С учетом скорости, приходящейся на каналы ВССН и AGСН, скорость передачи увеличивается на 495 кбит/с, это объясняется тем, что на 25 сообщений канала  TCH приходится одно сообщения канала ВССН или AGСН. С учетом этого пропускная способность будет равняться 12.86 Мбит/с.
По ТЗ в качестве метода борьбы с многолучевостью необходимо использовать технологию OFDM, тогда итоговая пропускная способность учитывает OFDM-символы, приходящиеся на преамбулу. Из п.1.7.5 видно, что из всего количества OFDM-символов, входящих в мультикадр, доля, приходящаяся на преамбулу, составляет 0.33 и доля, приходящаяся на данные, составляет 0.66. Если 0.66 соответствует пропускная способность 12.84 Мбит/с, то пропускная способность с учетом преамбулы увеличит до 19.7 Мбит/с.
 
 Рассмотрим направление от Т к АР (UpLink). Максимальная скорость передачи данных в направление UpLink равна 256Кбит/с (по ТЗ). На канальном уровне к сообщению, пришедшему с L3-уровня добавляется поля, добавляющие к пропускной 38%. Скорость передачи увеличивается до 8.8 кбит/с (сообщение канала TCH). Это сообщение поступает на физический уровень, где над ним осуществляется канальное кодирование со скоростью 0.669 (85/127) и скорость передачи увеличивается до 13.2 кбит/с. К этому сообщению добавляется нулевой бит, но он значительно не повлияет на скорость передачи. Число таких каналов равно 50 (по числу возможно функционирующих терминалов в сети) и тогда скорость передачи равна 528 кбит/с. С учетом скорости, приходящейся на каналы RACH и AСН, скорость передачи увеличивается на 21.2 кбит/с, это объясняется тем, что на 25 сообщений канала  TCH приходится одно сообщения канала RACH или AСН. С учетом этого пропускная способность будет равняться 551.2 кбит/с.

1.7.5. Энергетический расчет системы: обоснованный выбор частотного диапазона (на основании документации ГКРЧ); оценка уровня потерь при распространении радиоволн выбранного диапазона; обоснование выбора вида модуляции; расчёт отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки для выбранного вида и типа модуляции/демодуляции.

 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. Мощность излучения подвижной станции по ТЗ – меньше 3 Вт. Ширина канала, используемого в OFDM - 20 МГц. 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 5 Вт.
  Принято решение выбрать диапазон УВЧ, потому что распространение волн данного типа возможно только в пределах прямой видимости, практически полностью отсутствуют явления интерференции волн, следовательно, искажения сообщений. Так же важным преимуществом для данного диапазона является использование антенн малых размеров.
   Для оценки потерь внутри помещения лучше подойдет 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.
Ltotal  =  20 log10 f  +  N log10 d  +  Lf   (n)  –  28 дБ (1)
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 >1)
Пусть n=4, тогда Lf =27.
Ltotal = 84,83 дБ

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.

 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 BPSK. Этот вид модуляции характеризуется малой вероятностью возникновения ошибки, но при этом характеризуется небольшой скоростью передачи. Для подканала с «хорошим» качеством, считаю целесообразно использовать модуляцию QAM-16,  потому что этот вид модуляции обеспечивает более высокую скорость передачи сообщений, в отличии от BPSK, но приходится платить за высокую скорость передачи, высокой вероятностью возникновения ошибки, по сравнению с BPSK модуляцией.
 С помощью инструмента BERTool  пакета MATLAB рассчитаем, при каком ОСШ обеспечивается заданная вероятность ошибки (по ТЗ Pb=3∙10-7) для используемых видов модуляций и  оценим выигрыш, достигаемый введением кодирования.


Рис.6.

Из приведенных зависимостей вероятностей битовой ошибки от ОСШ можно сделать вывод о том, что при использовании BPSK модуляции нужно обеспечить  ОСШ не менее 11 дБ, а при использовании QAM-16 модуляции – не менее 15дБ.
Было принято решение использовать кодов BCH, позволяющий исправить множественные ошибки Считаю разумным, использовать код (127, 78), способный исправить 6 ошибок.


Рис.7.

Из приведенных зависимостей вероятностей битовой ошибки от ОСШ с использованием кодирования, можно сделать вывод о том, что при использовании BPSK модуляции нужно обеспечить  ОСШ 9,7 дБ, а при использовании QAM-16 модуляции 13.6 дБ. Таким образом, при использовании помехоустойчивого кодирования достигается энергетический выигрыш в ОСШ для подканалов с «плохим» качеством ~ 1.3 дБ, а для подканалов с «хорошим» качеством ~ 1.4 дБ.
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.
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 309 кбит/с. В итоге получаем, что длительность 1 бита равна 2.4 мс. Для оценки глубины перемежения необходимо определить время когерентности канала связи. Время когерентности определяется по формуле: 

 

Где доплеровское смещение частоты Fd вычисляется по формуле


 Таким образом, глубина перемежение находится, как  ТКОГ поделенное на длительность одного бита, и глубина перемежения равна 0.246/2.4е-3=42 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).


1.7.7. Оценка уровня мощности излучения передающего устройства, сравнение с заданным значением Ризл АС. Расчет чувствительности приемников АС (БС).
 
Оценим уровень мощности излучения передающего устройства Pпрд.
Pпрд=Рпрм+L-Gt-Gr,
Где Pпрм – чувствительность приемника,  L=84,83 дБ – затухания в радиоканале, Gt = 2 дБ – коэффициент усиления передающей антенны, Gk=2дБ – коэффициент усиления приемной антенны.
Рпрм=Рш+Nk+C/N,
Рш – мощность шума на входе приемника, Nk=10дБ – коэффициент шума первых каскадов приемника, C/N – аналоговое ОСШ.
Рщ=k*T*Пш,
k=1/38*10^(-23) Дж/К – постоянная Больцмана, Т=293К – шумовая температура, Пш – шумовая полоса приемника, Пш = ∆f*1.1,
C/N=E/N0+10log(Rn/Пш).
 
Минимальная полоса пропускания будет определяться исходя из канальной скорости передачи данных и количества поднесущих сигнала OFDM, использующихся для передачи данных. Как будет показано в п.2.7 для передачи данных будет использоваться 84 поднесущих. Отсюда следует, что скорость передачи данных по каждому из 84-х параллельных каналов будет равна:
Rk=Rc/84;
Rc=(n/k)*R;
∆f=Rk/log(M);
Cck=∆f*log(C/N+1)
           
Проведем расчет мощности передатчиков и чувствительности приемников для профиля BPSK с кодом BCH(127.85).
Скорость передачи данных: R=19.7*10^6/84=234.5 кбит/с.
Эффективная полоса пропускания: ∆f=(234.5*10^3)/log(2)=234.5*10^3 Гц
Шумовая полоса: Пш=234.5*10^3*1.1=258*10^3 Гц
Мощность шума на входе приемника: Pш=1*10^(-15) Вт = -120 дБ
Аналоговое ОСШ: C/N=6.2+10log(234.5*10^3/258*10^3)=5.78 дБ
Чувствительность приемника: Рпрм=-120+10+5.78= -104.2 дБ=3.8*10^(-14) Вт
Мощность передатчика: Рпрд=-104.2+84,83-2-2=-23.27 дБ=(4.82*10^(-6))*50=241*10^(-6)Вт
 
 
Проведем расчет мощности передатчиков и чувствительности приемников для профиля Qam-16 с кодом BCH(127,85)
Скорость передачи данных: R=19.7*10^6/84=234.5 кбит/с.
Эффективная полоса пропускания: ∆f=(234.5*10^3)/log(4)=117.25*10^3 Гц
Шумовая полоса: Пш=117.25*10^3 *1.1=129*10^3 Гц
Мощность шума на входе приемника: Pш=5*10^(-16) Вт = -123 дБ
Аналоговое ОСШ: C/N=6.3+10log(234.5*10^3/129*10*10^3)=8.9 дБ
Чувствительность приемника: Рпрм=-123 +10+8.9= -104.1 дБ=3.89*10^(-14)Вт
Мощность передатчика: Рпрд= -104.1+84,83-2-2=-23.27 дБ=(4.68*10^(-6))*50=234 *10^(-6)Вт

Требования по мощности излучения подвижной станции(<3 Вт) соблюдается в обоих профилях.

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


Рис.8.Функциональная схема физического уровня (а – передающая часть, б – приемная часть).

 Сообщение, которое поступает с канального уровня проходит процедуру помехоустойчивого кодирования. После этого осуществляется блочное перемежение(16х8) и модуляция. От выбранного системой профиля функционирования зависит вид модуляции.
Профиль функционирования зависит от качества канала связи. Качество связи оценивает приемной частью точки доступа, для этого в АР реализована подсистема радиоизмерений. Подсистема радиоизмерений сообщает уровню принятия решений о качестве КС. 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.
1.7.5. Определение типов пакетов физического уровня, обоснование структуры полей пакетов каждого типа оценка размерности.
  В общем случае пакет физического уровня будет состоять из двух полей: поля преамбулы и поля данных. Преамбула осуществляет временную и частотную синхронизации. Преамбула будет передаваться посредством одного OFDM символа.
Поле данных будет содержать закодированные помехоустойчивым кодером данные, и иметь длину, равную 127 битам. Приходя с канального уровня, сообщение проходит процедуру помехоустойчивого кодирования с использованием кода  BCH (127, 78). Далее, к этому сообщения добавляется нулевой бит, для приведения длины пакета кратности степени 2. Далее сообщение подвергается перемежению. Таким образом, сообщение ФУ имеет длину равную 128 бита:
   128 бит – это данные с  выхода помехоустойчивого кодера;
   1 бит – нулевой бит.
 При использовании профиля с модуляцией  BPSK число битов, передаваемых в одном OFDM символе, будет соответствовать 84 IQ-символам пакета физического уровня. Всего будет передаваться 2 OFDM символа. Для временной и частотной синхронизации приемных устройств необходимо предусмотреть специальное поле – преамбула, которое стоит из короткой и длинной  преамбулы. При использовании профиля с модуляцией  QAM-16 битов, передаваемых в одном OFDM символе, будет соответствовать 84 IQ-символам пакета физического уровня. Всего будет передаваться 1 OFDM символ. Для временной и частотной синхронизации приемных устройств необходимо предусмотреть специальное поле – преамбула, которое стоит из короткой и длинной  преамбулы.

 При BPSK-модуляции пакет физического уровня будет состоять из одного OFDM-символа преамбулы и двух OFDM-символов данных. При QAM-16 модуляции пакет физического уровня будет представлен одного OFDM-символа преамбулы и одного OFDM-символа данных.

 

Рис. 9. Структура пакетов физического уровня и формирование OFDM сигнала.

 Передача одного OFDM символа осуществляется с использованием 64 поднесущих: 48 поднесущие для передачи данных, 4 – для пилот сигнала.


Рис. 10. Структура поднесущих (OFDM символов).

 

GI – защитный интервал

PI – пилот-сигнал

Data – данные