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.

            Функцией канального уровня нашей системы будет являться управление передачей информации от одного узла связи к другому через канал связи.

·         Проверка доступности физического канала связи

·         Предоставление канала связи

·         Обнаружение и исправление ошибок

·         Передача подтверждений

·         Повторная передача неподтвержденных кадров

 

Для выполнения этих функций необходимы следующие сервисы:

Адресный сервис: отвечает за адресацию сообщений за счет добавления адреса терминала или точки доступа в соответствующее поле пакета канального уровня. Адрес представляет собой уникальный идентификатор устройства (ID). Все идентификаторы зарегистрированных терминалов хранятся в информационной подсистеме точки доступа, а зарегистрированные в сети терминалы знают идентификатор точки доступа. Количество абонентов в проектируемой сети – 30, следовательно, для хранения 30 уникальных  ID поле адреса должно иметь размер 5 бит.

Сервис обнаружения ошибок: предназначен для проверки принимаемых сообщений канального уровня путём подсчета контрольных сумм. 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. 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. В нашей системе связи в качестве CRC будем использовать CRC-16. Размер поля помехоустойчивого кодирования пакета канального уровня – 16 бит.

 

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.

            В проектируемой системе используются следующие каналы:

·         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 ↓

·         RACH (Random Access Channel) - канал случайного доступа. Используется при конкурентной борьбе зарегистрированных в сети терминалов. Направление вверх↑

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

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

 

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

Для оценки пропускной способности ЛКС в процентах, 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.


Произведём расчет трафика системы:

Максимальная скорость передачи данных в обоих направлениях по условию задания – 4 Мбит/сек. На канал TCH  будет приходиться 96% всей пропускной способности – 3.84 Мбит/сек. Из них 10% выделим на поля защитных интервалов и синхронизацию. Получившиеся 3.456 Мбит/сек нужно разделить на 2 для учета использования помехоустойчивого кодирования со скоростью ½. Получим 1.728 Мбит/сек, из которых нужно вычесть еще 20% предназначенных для контрольной суммы, флагов, адреса и номер пакета. Итого: 1.3824 Мбит/сек. Примем гарантированной скоростью передачи в обоих направлениях - 1 Мбит/сек.

 

Таблица 1. Логические каналы связи, используемые на канальном уровне.


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


Назначение полей:

·        «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.

·         «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.

·         «Номер пакета» позволяет восстановить информацию, начав передачу с последнего успешно принятого пакета.

·         « Поле данных» содержит передаваемую информацию.

·         «Флаг» служит индикатором начала пакета.

·         «Контрольная сумма» используется для проверки целостности принимаемого пакета.

·         «Нулевые биты» служат для обнуления помехоустойчивого декодера для следующего пакета.

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

При приеме служебного сообщения от точки доступа терминал выполняет следующие действия:

1.      Во время Т1 точка доступа осуществляет широковещательную рассылку. Терминал определяет характер информации передаваемой по каналу BCCH, путем декодирования соответствующих полей пакета канального уровня (рис. 19): "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.

2.      Во время 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.

3.      Во время 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".

4.      Во время Т4 происходит 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 надёжной передачей потока битов, поступающих с канального уровня.

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».

Использование метода множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA) обеспечивает работу с наименьшим частотным диапазоном. Поэтому в проектируемой системе целесообразно использовать именно этот метод.

Абонентам предоставляется физический канал на основании метода конкурентной борьбы.

Приведём диаграмму взаимодействия терминалов с точкой доступа для нескольких случаев:

1.      Успешная передача данных от Терминала 1 к Терминалу 3.


Рис. 20 Успешная  передача данных

2.      Случай возникновения коллизий


Рис. 21 Возникновение коллизий

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.

            Для передачи пакетов используется OFDM с модуляцией поднесущих BPSK и QAM-16 в зависимости от типа профиля (основной или дополнительный). Пакет физического уровня в общем случае будет состоять из трех полей: поля преамбулы, служебного поля и поля данных.

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.


При применении 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, используемом виде модуляции. Это поле будет содержать 8 бит и передаваться посредством одного символа OFDM.

Поле данных и поле избыточных битов состоят из 11 символов, в зависимости от используемого профиля. Эти поля необходимы для непосредственной передачи пользовательской информации и исправления ошибок в процессе передачи. Поле данных будет содержать закодированные помехоустойчивым кодером данные, и иметь длину равную 303 битам. Поле служебной информации и преамбула модулируются BPSK с целью повышения помехоустойчивости. Модуляция последующих символов зависит от содержания служебного поля.

При применении QAM-16 модуляции на каждую поднесущую будет приходиться в 4 раза больше бит, чем при BPSK, следовательно, поле данных вместе с полем избыточных будут переданы по средствам 3 OFDM символов.

 

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

По условиям к заданию сказано, что проектируемая сеть будет работать в условиях городской застройки. Здания способствуют переотражению радиоволн, следовательно, 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. 23 Подканалы OFDM

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

Полная пропускная способность определяется по ТЗ максимальной скоростью передачи данных в обоих направлениях и равняется 4Мбит/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.

Документом для выбора частотного диапазона будет являться решение ГКРЧ от 07 мая 2007 г. № 07-20-03-001 «О выделении полос радиочастот устройствам малого радиуса действия». В разрабатываемой локальной радиосети будет использоваться диапазон 2.4МГц  относящийся к диапазону  безлицензионные полосы радиочастот.

Проектируемая радиосеть будет работать в условиях городской застройки. Основная часть потери сигнала будут возникать при переотражении радиоволн от зданий.  Для расчета потерь воспользуемся моделью Окамуры — Хата, полученной в итоге многолетних измерений поля в Токио. В рамках этой модели потери L для случая квазиплоского города рассчитывается следующим образом:

Где hB — эффективная высота установки антенны БС в диапазоне(30 - 200)м; R — расстояние от БС (базовая станция) до АС (абонентская станция) в диапазоне (1 - 10) км; f— частота излучения БС, МГц; k — поправочный коэффициент, учитывающий протяженность трассы; a(hM) — поправочный коэффициент, зависящий от высоты мобильной антенны hM и для большого города при f > 400 МГц, определяемый как 

Данные  для расчета: Частота излучения БС: f=2400МГц. Пусть антенна базовой станции размещена на 9-этажном здании высотой около 25 м. Для обеспечения устойчивой связи антенна приподнята на 10 м над уровнем крыши. Следовательно, можно считать hB=35 м. Абонентские терминалы преимущественно размещаются на улицах (hM = 1,5 м). Расстояние от базовой станции до терминалов будет определяться радиусом зоны обслуживания – R=0.12 км. К=1 при R<20 км.

Тогда потери L для модели Окамура — Хаты рассчитываются следующим образом:


L=110,4 Дб

Для того, чтобы рассчитать требуемое ОСШ при заданной вероятности ошибки 1*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. 24 Зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ для BPSK и QAM-16 модуляции

Из рисунка видно, что для достижения заданной вероятности ошибки необходимое ОСШ составляет 11,4дБ для BPSK и 15,2 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 из-за низкого отношения сигнал-шум данная система будет работать неэффективно. Для увеличения ОСШ используется свёрточный кодер – устройство, добавляющее определенную избыточную информацию к исходной последовательности. Это позволяет исправить ошибки, возникшие при передаче, на приемной стороне. Декодирование сверточных кодов, как правило, производится по алгоритму Витерби, который пытается восстановить переданную последовательность согласно критерию максимального правдоподобия. Сверточный код не исправит все ошибки, поэтому необходимо применение прямой коррекции ошибок (FEC). В данной системе будет использован сверточный код с длиной кодового ограничения равного 8.

В процессе оценки эффективности кодирования в среде Matlab воспользуемся средством bertool: для сверточного кодирования запишем порождающий многочлен (171,133), выставленного в пакете Matlab по умолчанию.


Рис. 25. Зависимости вероятностей битовой ошибки от ОСШ для BPSK и QAM-16 модуляций при использовании помехоустойчивого кодирования.

Для BPSK с кодированием ОСШ = 7.7 дБ, выигрыш составляет 3,7 дБ.

Для QAM-16 с кодированием ОСШ = 11,4 дБ, выигрыш составляет 3,8 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:






1.7.8. Разработка и пояснение функциональной схемы 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.


Рис.26 Функциональная схема L1/L2-уровней системы


Список используемой литературы:

1.А.В. Бакке. «Лекции по курсу ССПО»

2.Скляр Б. «Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение».- М.: Вильямс, 2003г.

3.Феер К. «Беспроводная цифровая связь», пер. с англ./под ред. В.И. Журавлева, М.: Радио и связь, 2000 г.

КП "Локальная радиосеть".Часть 3

5КП "Локальная радиосеть". Часть 3.

6ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТЕРЬ ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ РАДИОСИГНАЛА СОТОВОЙ СВЯЗИ НА ОСНОВЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

О внесении изменений в решение ГКРЧ от 7 мая 2007 г. № 07-20-03-001 «О выделении полос радиочастот устройствам малого радиуса действия».