Подготовил ст-т гр.0110 Бешук И.С.


Способы адресной и широковещательной доставки сообщений канального уровня.

 

Описание сервисов канального уровня, применимо к нашей системе, а так же их назначение было рассмотрено во второй статье, в разделе описания канального уровня. Определим способы адресной и широковещательной доставки сообщений канального уровня.

Для обеспечения адресной доставки сообщений в системе, на канальном уровне используются уникальные идентификаторы устройств (UIN), участвующих в информационном обмене. В нашей системе такими устройствами являются подвижные групповые терминалы и стационарные точки доступа. Идентификаторы «жестко» прописываются в память устройств главным управляющим узлом сети – центром сбора информации (ЦСИ), имеющим возможность их оперативного изменения. Диспетчер системы имеет возможность безошибочно различать устройства благодаря представленному ему сопоставлению двоичных идентификаторов устройств их интуитивно понятному текстовому или графическому представлению. Количество терминалов в нашей системе – семь, а количество точек доступа – пять (семь групп спортсменов в порядке живой очереди проходят маршрут по отмеченным контрольным пунктам, которые прикрепляются каждый к «своей» ТД, разумеется, входя в радиус её зоны обслуживания). Соответственно, для представления идентификационного номера группового терминала и точки доступа необходимо и достаточно трёх бит.

С целью организации широковещательной передачи информации от точек доступа терминалам, широковещательное сообщение будет содержать специальный идентификационный номер, который каждый терминал так же будет считать «своим», например – «10111». Благодаря специальному идентификатору терминал не только имеет возможность принять широковещательную информацию, но и идентифицировать её именно как широковещательную.

 

Типы логических каналов (ЛК) используемых на канальном уровне.

 

Типы логических каналов, а так же их предназначение были рассмотрены во второй статье, в разделе описания сценария взаимодействия выделенных узлов сети. Перечислим используемые в системе логические каналы.

Канал широковещательной информации (ШИ) – BCCH. Предназначен для передачи от точки доступа терминалам своего уникального идентификационного номера (UIN ТД), номеров каналов случайного и разрешенного доступа.

Канал случайного доступа – RACH. Предназначен для отправки на точку доступа заявки о предоставлении индивидуального канала для передачи информации, содержащей уникальный идентификатор терминала(UIN ГТ), посылающего заявку.

Канал разрешенного доступа – AGCH. Необходим для передачи терминалам, отправившим заявку через канал RACH, номеров индивидуальных каналов DTCH и DCCH.

Выделенный канал трафика – DTCH. Предназначен для передачи «телеметрических» данных от терминала к точке доступа.

Выделенный канал управления - DCCH. Предназначен для передачи команд управления от точки доступа терминалу. Это будут команды на редактирование и очистку памяти в журналах, разрыв соединения, повторный запрос ошибочно принятого пакета, а так же флаг успешного приема.

 


 

 

Применение ARQ (Automatic Repeatre Quest) в ЛК.

 

Во второй статье, при рассмотрении канального уровня системы OSI применительно к нашей сети, был описан способ обеспечения достоверности принимаемых сообщений с использованием CRC в составе канального пакета. Результатом работы данного процесса является либо флаг успешно принятого кадра по завершению его приема, либо автоматически формируемые запросы на повторную передачу (ARQ) каждого ошибочно принятого пакета, содержащие номера данных пакетов. Если при передаче сообщений от терминала к точке доступа появились ошибочно принятые пакеты и три попытки повторной передачи не позволили от них избавиться, то сообщение считается не принятым, терминал получает соответствующее уведомление, выжидает две секунды (с целью возможного улучшения характеристики канала) и заново передает всё сообщение в рамках текущего сеанса. Такая процедура повторяется до тех пор, пока терминал не получит от точки доступа подтверждение успешного приема сообщения.

 

Структура сообщений (пакетов) канального уровня.

 

По каждому из перечисленных выше логических каналов канального уровня передаются собственные специфические по функциональности сообщения. Рассмотрим их структуру:

 

- тип сообщения (Type);

- длина информационной части (Lenght);

- идентификационный номер точки доступа (UIN _AP);

- идентификационный номер терминала (UIN_T);

- флаг успешного приема (Flag);

- номер канала RACH (RACH_num);

- номер канала AGCH (AGCH_num);

- номер канала DTCH (DTCH_num);

- номер канала DCCH (DCCH_num);

- номер пакета (Number);

- «телеметрические» данные (Data);

- команда управления (Direct) – 15 бит (в случае использования ARQ, команда управления будет так же содержать номер запрашиваемого пакета);

 - биты заполнения или «нулевуе» биты (0).


Из перечисленных выше полей, входящих в состав сообщений, речь еще не шла о полях «Type», «Lenght» и «0». Тип сообщения - «Type» - поле, идентифицирующее принадлежность сообщения определенному логическому каналу. Всего 5 логических каналов, поэтому для данного поля достаточно 3 бита. Для того чтобы привести сообщения различных логических каналов к одинаковой длине, необходимо в конец сообщения поместить поле «пустых» битов (битов заполнения) – «0» - размерностью, позволяющей дополнить сообщение до длины самого «длинного» сообщения канала трафика (71 бит). Так же необходимо предусмотреть поле «Lenght», определяющее размер «информационной» части сообщения, т.е. части, не содержащей битов заполнения. Отведем на данное поле 8 бит.

 


 

Рисунок 1. Обобщённая структура сообщений канального уровня

Процедуры типового обмена сообщениями между объектами канального уровня описаны во второй статье, при описании сценария взаимодействия терминала с точкой доступа.

 

Частотный диапазон используемый в системе. Потери при распространении радиоволн в данном диапазоне.

 

Для работы нашей системы целесообразно использовать диапазон 403-410 МГц, так как согласно решению ГКРЧ от 11.12.2006, данный диапазон выделяется гражданам Российской Федерации и российским юридическим лицам для разработки, производства и модернизации радиоэлектронных средств фиксированной и подвижной радиосвязи гражданского назначения без оформления отдельных решений ГКРЧ для каждого конкретного пользователя РЭС.

Если принять некую «идеализацию» антенных трактов терминала и базовой станции, то для изотропных передающей и приёмной антенн с коэффициентами усиления, равными 1 (т.е. для идеальных всенаправленных антенн), и при отсутствии препятствий в пределах прямой видимости (LOS), основные потери передачи рассчитываются по формуле: 

                 (1)

 

- максимальный радиус действия радиомаяка, установленного на терминале. В соответствии с этим, потери в свободном пространстве для нашей системы равны: -69 дБ

 Наша система, как и большинство сухопутных сотовых систем подвижной связи, работает в условиях распространения радиоволн при отсутствии прямой видимости (NLOS). Из (1) видно, что при работе в пределах прямой видимости (LOS), принимаемая мощность уменьшается по закону 1/r2 по мере увеличения расстояния r между антеннами. Другими словами, средние потери при распространении растут пропорционально степени n рассеяния. Показатель степени nдля систем прямой видимости при отсутствии препятствий на трассе распространения радиоволн равен 2 (n=2) .

На основании экспериментальных данных была разработана и используется большинством инженеров достаточно общая модель для оценки потерь при распространении радиоволн при отсутствии прямой видимости. Эта модель описывается следующим выражением :

 

             (2)

 

и показывает, что средние потери при распространении (L) возрастают пропорционально некоторой степени расстояния. В формуле (2) символ ~ означает «пропорционально», а так же использованы следующие обозначения :

 

n – показатель степени, 3,5 ≤ n ≤ 5 (для нашей системы примем = 3,5);

d – расстояние между передающей и приемной антеннами (для нашей системы d = 120 м);

d0 – эталонное расстояние или длина отрезка трассы до первого препятствия (для нашей системы d0 = 100 м);

LB – потери при распространении на трассе LOS для d(формула (1));

L – суммарные потери комбинированной трассы, состоящей из NLOS и LOS.

 

Абсолютные средние потери при распространении L(d), выраженные в децибелах, определяются как потери при распространении от передатчика до точки на эталонном расстоянии L(d0) плюс дополнительные потери при распространении, описываемые выражением (2). Таким образом, 

 

                 (3)

 

Вычислим абсолютные средние потери для нашей системы.

Для потерь распространения в свободном пространстве на расстоянии d0 = 100 м используем (1): Lb(d0) = -65 дБ

 Дополнительное расстояние d = 120(м) – 100(м) = 20(м). Это трасса распространения непрямой видимости (NLOS) с = 3,5. Из (3) получаем: L(d) = -81 дБ

 Итак, полные средние потери на комбинированной LOS и NLOS трассе длиной 120 м для нашей системы, работающей на частоте 403 МГц, составляют -81 дБ.

 

Меры, принимаемые в системе, для защиты физического уровня от многолучевости.

 

В силу того, что в нашей системе используется канал радиосвязи, он очень часто подвержен воздействию глубоких замираний из-за многолучёвости .

В своей работе, опубликованной в 1948 г., К. Шеннон высказал мнение, что в условиях воздействия шума характеристики системы связи ограничены. Он показал, что ошибки, возникающие в канале связи с шумом, можно исправить так, чтобы они достигли любого необходимого уровня без снижения скорости передачи информации путём введения избыточности при условии, что скорость передачи информации остаётся ниже пропускной способности канала. После появления работы К. Шеннона специалистами в области теории информации и кодирования было предложено много эффективных методов кодирования и декодирования для контроля ошибок, что позволило считать кодирование эффективным средством обеспечения высокой надежности передачи в современных цифровых системах связи .

Применимо к нашей системе решено использовать коды Боуза-Чоудхури-Хоквенгейма (Bose-Chadhuri-Hocquenghem – BCH, БЧХ), являющиеся результатом обобщения кодов Хэмминга, которое позволяет исправлять множественные ошибки. Они составляют мощный класс циклических кодов, который обеспечивает достаточную свободу длины блока, степени кодирования, размеров алфавита и возможностей коррекции ошибок . При блоках, длина которых равна порядка несколько сотен, коды БЧХ превосходят своими качествами все другие блочные коды с той же длиной блока и степенью кодирования .

Известно, что относительно широкий максимум эффективности кодирования, в зависимости от степени кодирования при фиксированном nдля кодов БЧХ находится примерно между степенью 1/3 и 3/4 . Будем использовать код (127,92), способный исправить 5 ошибок. Выбранные размеры информационной части (92) позволяют «полностью вместить» пакет канального уровня, размером 71 бит.

Обратимся к системе MATLAB и инструменту Bit Error Rate Analysis Tool и оценим энергетический выигрыш, достигаемый при использованном кодирования. 


 

Рисунок 3. Энергетический выигрыш при использовании кодирования

 

Из рисунка 3 видно, что при использовании выбранного способа кодирования, энергетический выигрыш при модуляции 16-PSK – примерно равен 3,6 дБ.

 

Для борьбы с группирующимися ошибками в канале с замираниями, используем перемежение. Известно несколько типов перемежителей, реализующих диагональное, свёрточное, межблоковое и блоковое перемежение. Вероятно, наиболее простым из четырех типов перемежителей является блоковый. В нашем случае для проведения блокового перемежения исходная последовательность разбивается на 32 блока по 4 бита в каждом. Если исходный код может исправлять одиночные пакеты ошибок длиной или менеето код с перемежением будет исправлять одиночные пакеты длиной λl или менее. Параметр λ называется глубиной перемежения, которая зависит от времени когерентности канала. Нужно помнить, что доплеровское расширение fd и время когерентности T0 обратно пропорциональны (с точностью до постоянного множителя), что позволяет записать следующее приблизительное соотношение между этими двумя параметрами :

 


Доплеровское расширение рассчитывается по известной формуле:

 



 

f0 – частота сигнала (в нашем случае – 403 МГц);

– скорость движения (в нашем случае 5 км/ч ≈ 1,4 м/с);

с – скорость света – 300000 км/с;

 Исходя из вышесказанного, глубина перемежения: 0.53(с) 

 


Назначение ЛК, используемых на физическом уровне.

 

Назначение физического уровня и пояснение его функциональной схемы было описано во второй статье . Так же во второй статье  при рассмотрении физического уровня были описаны каналы частотной подстройки (FCCH), временной синхронизации (SCH), а так же канал радиоизмерений (MCH), резервируемые физическим уровнем. Остальные каналы физического уровня будут задействованы для передачи трафика (TCH), который поступает ему от канального уровня по принципу инкапсуляции – т.е. физическому уровню абсолютно не важно, что именно содержится в пакете канального уровня, для него все поступающие сообщения являются трафиком, к которому он применяет кодирование, перемежение, добавляет флаги начала и конца пакета, настроечную последовательность, и отправляет на модулятор.

 


 

Рисунок 4. Структура пакета канала трафика физического уровня

 

FL – флаги начала/конца пакета (8 бит);

EQ – настроечная последовательность (16 бит);

CODE_DATA – сообщение, поступившее с канального уровня и закодированное канальным кодером (127 бит).

 

Общий размер пакета физического уровня равен 159 бит.

 

Представление радиоинтерфейса, обеспечивающего двусторонний обмен данными.

 

Учитывая последовательность всех каналов физического уровня, структура радиоинтерфейса будет выглядеть следующим образом:

 


 

Рисунок 5. Структура радиоинтерфейса

 

Самой «крупной» единицей радиоинтерфейса является «мультикадр» длиной 16236 бит. Мультикадр состоит из канала радиоизмерений MCH и десяти кадров по 1622 бита. Каждый кадр включает в себя двенадцать элементов, называемых «слотами» - это каналы частотной подстройки (FCCH), временной синхронизации (SCH), а так же два канала трафика .

 

Скорость передачи данных в системе.

 

Так как минимальная скорость передачи полезной информации не определена по заданию, то зададимся ею – 128 кбит/с. Полезные данные в процессе передачи – это «телеметрические» данные, передаваемые в канале DTCH в поле «DATA». Размер этих данных для одного терминала – 48 бит, что составляет 68% от размера сообщения канального уровня. Значит, чтобы обеспечить необходимую скорость передачи полезной информации (128 кбит/с), необходимо осуществлять передачу со скоростью на 32% большую, т.е. 215 кбит/с. Так же необходимо учесть избыточность, вносимую помехоустойчивым кодером.

Кодирование снижает скорость передачи полезной информации в 1,38(раз) . В связи с этим, необходимая скорость передачи возрастает до значения 297(кбит/с).


Из рассмотрения состава и размера канала трафика (TCH) физического уровня, а так же состава и размера кадра физического уровня в целом, видно, что размер закодированных на канальном уровне данных для одного терминала (127 бит) составляет примерно 8% от размера кадра (1622 бита). Следовательно, для обеспечения требуемой скорости передачи полезной информации (128 бит/с) необходимо увеличить скорость передачи данных на 92%. Требуемая скорость становится равной  536 кбит/с.

 

Уровень мощности излучения передающего устройства. Чувствительность приемников.

 

 Проведем расчет мощности передатчиков и чувствительности приемников:

 


  

 

 

Использованная литература:

 

  1. Скляр Б. – Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2003;

  2. Феер К. – Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра. М.: Радио и связь, 2000.;

  3. А.В. Бакке – Лекции по курсу ССПО;

  4. Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ) . Решения.http://minsvyaz.ru/common/upload/prot_06-18.pdf;

  5. Система сбора данных с подвижных объектов. Часть 3. [Электронный ресурс] //URL:http://omoled.ru/publications/view/338

  6. КП на тему «Локальная радиосеть» п.1.6-1.7 (Часть № 3). [Электронный ресурс] //URL:http://omoled.ru/publications/view/332

  7. С.А. Милованов – Система сбора данных с подвижных станций (часть 3). [Электронный ресурс] // URL:http://omoled.ru/publications/view/339

  8. А.В. Бакке. Основы построения беспроводных сетей стандарта 802.11, методические указания к лабораторной работе, Рязань 2008.