Рис.14 Долевая оценка пропускной способности ЛКС

 Единственный канал, по которому передается весь объем информации будет занимать100 % всей пропускной способности системы. По каналу будут передаваться команды управления и широковещательная информация, а в обратном направлении технические данные о состоянии датчика и видеопоток с речью. Оценим какая скорость необходима нам для передачи информации. Для передачи речевого потока потребуется 64 кбит/c.   Скорость для передачи по каналу трафика TCH, согласно выбранной модификации MPEG-4, составляет 155 кбит/с (разрешение 160*120, количество кадров в секунду 30, настройка качества -128 кбит/c). Следует отметить, что для передачи по каналу FACCH достаточно скорости 5 кбит/с. Так как видео и речевой поток являются потоками реального времени к ним нельзя применить процедуру ARQ.

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

1.      Сообщение канала BCCH(рис.15):

Поле Type, значение которого разное для сообщений разных ЛКС, означает тип сообщения. Так как в разрабатываемой системе используется 6 разных логических каналов, то для описания этого поля хватит 3 битов. При этом комбинации 000 и 111 будут указывать на служебные и информационные сообщения соответственно. Для BCCH установим комбинацию 001.

Поле Адрес АР содержит SSID АР, которая совершает рассылку широковещательной информации. Для определения именно широковещательного характера данного сообщения поле Адрес Т заполняется комбинацией из 7 нулей.

В поле DATA содержится определенная команда – назначение данного сообщения, в случае если необходимо обращение сразу ко всем Т сети.

Поле CRC предназначено для проверки достоверности принятого сообщения и содержит 16 битов. Поле Fill необходимо для выравнивания всех сообщений канального уровня – приведения к одной длине для упрощения их обработки на физическом уровне. Обычно оно заполняется нулями.

2.      Сообщение канала RACH(рис.16):

Type – тип сообщения RACH – 010. Поле адрес Т на этот раз уже содержит уникальный идентификатор Т. В поле DATA указывается время занятия канала.

3.      Сообщение канала FAACH(рис.17):

Тип сообщения – 101. По этому каналу АР будет доставлять команды управления на Т.

4.      Сообщение канала TCH(рис.18):

В проектируемой сети возможна передача двух видов трафика – пульсирующего и постоянного. В зависимости от этого будут изменяться и сообщения, передаваемые по каналуTCH.

Структура сообщения для пульсирующего трафика представлена на рис.. Тип сообщения – 110;  адрес Т – идентификатор терминала;  N – номер пакета для осуществления повторной передачи пакета и правильной сборки данных на приемной стороне. В поле DATA непосредственно содержится передаваемая информация.

Для постоянного трафика в полях N и CRC нет необходимости, так как обеспечить достоверность передачи с помощью механизма ARQ этом случае невозможно. Следовательно, поле данных будет иметь длину 68 бит. Тип сообщения – 111.

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

Служебная информация может быть двух видов: широковещательной (передается по каналу BCCH всем пользователям сети) и адресной (передается по каналам FAAC конкретному Т). Примерами адресной служебной информации могут быть команды АР уменьшить мощность или оповещение Т о наличии сообщений для него.

Поэтому при декодировании принятого сообщения Т выполняет следующую последовательность действий:

1.      Определяет тип сообщения (служебное или информационное) и к какому каналу оно относится с помощью информации, содержащейся в заголовке сообщения (поле Type). Далее будем рассматривать только вариант со служебным сообщением;

Т выделяет из заголовка адресную часть, проверяя адресная или широковещательная информация; Проверяет достоверность переданной информации, вычисляя контрольную сумму и сравнивая ее с полученным на передающей стороне значением (поле CRC);Выделяет информационную часть, в которой содержится назначение сообщения; Формирует и передает ответ по каналам ТCH.

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.

На физическом уровне решаются следующие задачи: установление физического соединения (физический канал), достоверная доставка сообщений по радиоканалу, а также прием сообщений и их преобразование к виду, необходимому для канального уровня.

           Доступ к физическому каналу осуществляется на основе метода множественного доступа с фиксированным распределением – DAMA.  В получаемой терминалами ШВС содержится ШРВИ, в которой указано за каким терминалом закреплен тот или иной временной интервал. Далее, ТД осуществляет поочередный опрос всех терминалов. Терминалы отправляют сообщения подтверждения о своем наличии в сети согласно ШРВИ. В этот момент АР, по принятому сообщению, канала TСН с помощью модуля проведения оперативных измерений осуществляет оценку мощности (радиоизмерения) в каждом временном интервале. После того, как терминалы передали сообщения подтверждения по каналу TСН, они переходят в режим энергосбережения.

Отразим вышеописанный доступ к физическому каналу в виде временной диаграммы(Рис.19):

АР оповещает терминалы о начале конкурентной борьбы. После АР прослушивает канал, ожидая заявки от терминалов. В заявке указаны адрес терминала и время, требуемое ему для передачи сообщения. Сформировав шкалу распределения временных интервалов(ШРВИ), АР передает эту информацию всем терминалам через широковещательное сообщение. В этом широковещательном сообщении содержится график закрепления ФК за терминалами.

  Как говорилось в п.1.5.3 в системе имеется возможность настройки физического уровня под конкретные условия канала связи с помощью смены профиля физического уровня, содержащего набор определенных параметров. В данном случае профили будут отличаться по виду модуляции, а следовательно и по скорости передачи данных. Скорость кодирования для обоих профилей установим одинаковой.

            Рассмотрим структуру пакетов физического уровня(рис.20):

Поскольку для передачи будет использована технология OFDM, все поля пакета можно представить в виде OFDM символов. 1 OFDM символ представляет собой набор из  64 поднесущих,  из которых 48 используются для передачи данных, 4 – для передачи пилот-сигналов.  1- центральная подавленная поднесущая, 11 – для защитных интервалов (рис.21):

Преамбула содержит в себе 12 символов OFDM и предназначена для частотной и временной синхронизации. Содержит в себе десять коротких и две длинные настроечные последовательности, разделенные двойным защитным интервалом.

            В поле Service содержится информация об используемом профиле физического уровня и передается одним OFDM символом.

            Поле данных содержит в себе закодированные данные, поступившие с канального уровня. Число OFDM символов зависит от вида модуляции.

            Как говорилось ранее, в разрабатываемой системе будет 2 профиля физического уровня:

1.       BPSK – наиболее помехоустойчивый вид модуляции, при котором 1 информационному биту ставится в соответствие 1 BPSK символ. При скорости кодирования ½ в одном OFDM символе может содержаться 48 бит. Длина пакета канального уровня 128 бит, то есть для его передачи необходимо 3 OFDM символа.

2.       QAM-16 – при хорошей помеховой обстановке в КС АР может скомандовать Т перейти на другой профиль физического уровня, позволяющий повысить скорость передачи данных, за счет того что на одну поднесущую будет приходится уже 4 бита, а не 1 как при BPSK. Таким образом, всего в одном символе содержится 192 бита, то есть необходимо всего 1 OFDM символ.

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

            Из-за того, что некоторые сетевые объекты системы могут быть подвижны, возникает проблема многолучевого распространения сигнала. Основной метод борьбы с ним определен в ТЗ – использование OFDM сигналов. Для этого в OFDM используется циклический префикс -циклическое повторение окончания символа, переставляемое в начало символа. Циклический префикс является избыточной информацией и снижает полезную скорость передачи, но именно он служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции. Эта избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приеме символа в приемнике. Наличие циклического префикса создает временные паузы между отдельными символами, и если длительность циклического префикса превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольной интерференции не возникает.

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

Для выбранного профиля MPEG4 требуется 155 кбит/c. На физическом уровне сообщение подвергается помехоустойчивому кодированию со скоростью 0,614, а также к нему добавляется нулевой бит,  поэтому пропускная способность канала возрастает до 250 кбит/c. Для передачи будет использоваться технология OFDM, поэтому итоговая пропускная способность должна учитывать и символы, приходящиеся на преамбулу. Отведем на нее 33% и получим итоговое значение – 350 кбит/с.

Для обмена служебными сообщениями потребуется 5 кбит/c.

Для речевого канала 140 кбит/c.

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.

На основании решения ГКРЧ № 04-03-04-003 от от 06 декабря 2004 года мы можем использовать для нашей системы полосу радиочастот 2400-2483,5 Мгц [6]. Выберем диапазон частот 2400-2410 МГц.

Оценим потери при распространении волн выбранного диапазона. Модели,  используемые при описании канала связи внутри зданий, отличаются от традиционных моделей канала мобильной тем, что размеры зоны покрытия существенно меньше, чем в городских условиях и условия распространения радиоволн более многообразны. Распространение радиоволн внутри зданий в основном определяется следующими параметрами: планировкой здания, строительными материалами, типом здания. Основные явления при распространении внутри зданий те же, что и в условиях города: отражение, дифракция, поглощение, рассеяние. Уровень сигнала зависит от того, где расположены антенны.  Внутри нашего склада множество перегородок, различных предметов, пиломатериалов, которые существенно влияют на формирование структуры электромагнитного поля внутри здания. Для расчета потерь будем использовать модель ITU – R 1238.

L_total  =  20 log₁₀ f  +  N log₁₀ d  +  Lf  (n)  –  28         дБ,

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 - количество этажей между базовой станцией и переносным терминалом (n >= 1).

Таблица 1. Коэффициенты потери мощности, N, используемые

при расчете потерь передачи внутри помещения

 В нашем помещении всего один этаж. Поэтому коэффициент потерь за счет прохождения сигнала через пол будем считать равным нулю. Подставим значения, соответствующие нашей системе:

L_total  =  20 lg 2405 +  22 lg10 20  +  0  –  28 = 67,62 дБ.

Виды модуляции уже были выбраны в предыдущих пунктах. С помощью приложения bertool пакета MATLAB проиллюстрируем выбор, а также найдем отношение сигнал-шум, при котором обеспечивается требуемая вероятность ошибки – 10^-6.

рис.22

Как видно из графиков на рис 22 видно что требуемое ОСШ для BPSK 10.5 дБ, а для QAM-16 14.38 дБ. Выигрыш при использовании BPSK составляет почти 4 дБ. Эти показатели можно уменьшить за счет использования помехоустойчивого кодирования.

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.

  Сущность метода помехоустойчивого кодирования заключается в ведении в передаваемое сообщение на передающей стороне избыточности по закону, известному на приемной стороне, для увеличения достоверности приема информации.

Такие коды называют избыточными или корректирующими. Корректирующие свойства избыточных кодов зависят от правил построения этих кодов и параметров кода (длительности символов, числа разрядов, избыточности и др.).

В настоящее время наибольшее внимание уделяется двоичным равномерным корректирующим кодам. Они обладают хорошими корректирующими свойствами и их реализация сравнительно проста. Наиболее часто применяются блоковые коды. При использовании блоковых кодов цифровая информация передается в виде отдельных кодовых комбинаций (блоков) равной длины. Кодирование и декодирование каждого блока осуществляется независимо друг от друга, то есть каждой букве сообщения соответствует блок из п символов.

Блоковый код называется равномерным, если п (значность) остается одинаковой для всех букв сообщения.

Одним из наиболее известных видов блочных кодов является BCH (код Боуза-Чоудхури-Хоквейгейма - БЧХ), позволяющий исправить множественные ошибки. Коды BCH обеспечивают достаточную свободу выбора длины блоков степени кодирования, размеров алфавита и возможности коррекции ошибок.

Так как длина сообщения канального уровня составляет 78 бит, используем код BCH (127, 78), который позволяет исправить 7 ошибок. Проанализируем полученный выигрыш в ОСШ с помощью приложения bertool( рис. 23):

Выигрыш составил 2.5 дБ для BPSK и почти 2 дБ для  QAM-16

Поскольку исходя из выбранных видов модуляции, длина пакета физического уровня должна быть кратна 2 и 4, то к 127 битам с выхода кодера необходимо добавить 1 бит четности. Таким образом, длина пакета физического уровня равна 128 бит.

  Перемежение является эффективным методом борьбы с группирующимися ошибками в каналах, подверженных глубоким замираниям. Суть метода в том, что символы кодового слова должны быть переставлены так, чтобы поражение группы символов происходило каждый раз в разных кодовых словах, т. е. поражение необходимо "рассеять" по многим кодовым словам. В этом случае они становятся независимыми и их легче обнаруживать и исправлять. Известно несколько способов чередования: диагональное, сверточное, межблоковое и блоковое. Часто применяют комбинацию этих способов. 

            Чередование блоков производится с помощью записи данных в буфер в виде прямоугольной матрицы, имеющей N столбцов (где N равно сумме: данные + проверочные символы) и L строк, равных числу поднесущих. Запись производится по строкам, т.е. по мере поступления символов в блоках в порядке их очередности, а считывание в модулятор производится по столбцам. Тем самым в каждый считанный столбец будут поочередно поступать данные из строк. Запись и считывание ведутся по прямоугольной матрице слева направо и сверху вниз. 
        Все кодированные биты данных будут перемежаться в блоковом перемежителе с размером блока, соответствующим числу кодированных битов на выделенные подканалы на каждый OFDM-символ Ncbps. Перемежение происходит в две ступени. На первом перемежении считывание по столбцам гарантирует то, что соседние кодированные биты отображаются на несоседствующие поднесущие. На втором перемежении символы размещают так, чтобы гарантировать отображение соседствующих кодированных бит поочередно на более или менее значимые биты созвездия. В итоге удается избежать длинных участков битов, подверженных ошибкам. 

 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. Определим длительность 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 250 кбит/с. В итоге получаем, что длительность 1 бита равна 0,512 мс. Для оценки глубины перемежения необходимо определить время когерентности канала связи

Для нахождения глубины перемежения необходимо данное значение поделить на длительность бита: 0,038/0,000512 = 74.

 Деперемежитель в приемнике выполняет операцию, обратную перемежителю в передатчике, и также определяется двумя перемежениями.

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).

Для BPSK:

Рассчитаем уровень мощности передатчика при использовании BPSK-модуляции.

Минимальная полоса пропускания:

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

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