1.6.3. Пояснение структуры сообщения (пакета) канального уровня: описание предполагаемых видов пакетов и необходимых полей. Описание процедуры типового обмена сообщениями между объектами канального уровня.

В предыдущем сообщении была рассмотрена структура уровня управления для сообщения маршрутизации. Его поля:Length_T = 7бит,  TABLE - 205 бит, STEP - 6 бит, S – 1 бит и ID – 6 бит. Суммарно получается 221 бит. Если прибавить к этому поля A1 и A2 (адрес отправителя и адрес получателя), а также поле TYPE и CRC, то получим длину сообщения канального уровня 205 бит.  В сообщении трафика необходимо передавать речевую информацию со скоростью 13 кбит/с. В составе сообщения трафика на канальном уровне вместо адресов отправителя и получателя будет устанавливаться номер потока (FID – Flow ID). С помощью него датчики-ретрансляторы будут понимать, кому предназначается это сообщение (это нововведение будет внесено во вторую статью). Так как в системе предусмотрено пять одновременно транслируемых потоков, то для кодирования номера потока потребуется 3 бита. Чтобы унифицировать длину сообщений канального уровня сделаем длину передаваемых информационных данных 221 бит. Один бит сделаем нулевым.  Так как при передаче речевых сообщений не предусмотрен механизм ARQ, то ошибочные фрагмент сообщения не будет исправлен, но если учитывать, что это незначительная часть трафика, которая не исказит смысловой нагрузки, то в этом нет необходимости. При приеме сообщения с помощью CRC определяется ошибочное ли сообщение или нет. Если ошибочное, то данный фрагмент заменяется комфортным белым шумом. Длина уровня управления для сообщений управления определяется из набора передаваемых команд. Выше указаны семь команд. Это можно закодировать 3 битами. Но в дальнейшем могут появиться еще какие-то команды, следовательно, целесообразно сделать длину этого поля 4 бита (2^4 = 16. Еще 9 запасных комбинаций).  Для унификации этого сообщения по длине заполним недостающие биты нулями (поле FILL).

1.6.3. Долевая оценка пропускной способности ЛКС, оценка полного трафика системы.

Произведем оценку пропускной способности ЛКС. Скорость передачи речевого составляет 13 кбит/с. Также необходимо передавать служебную информацию (FLAG, FID, TYPE, 0 и CRC). Это 28 служебных бит или 14% всей передаваемой информации. Следовательно, скорость передачи данных равна 13 + 0,14*13 = 14,82 кбит/с. В системе предусмотрена передача пяти одновременных потоков, поэтому суммарная скорость равна 14,82 * 5 = 74,1 кбит/с. На физическом уровне будет производиться канальное кодирование со скоростью 1/2. Поэтому скорость передачи информации увеличится в 2 раза и будет равна 148,2 кбит/с. На канал трафика отведем 95% пропускной способности. На канал маршрутизации отведем 4%, а на канал управления и телеметрии 1%.

1.7. Разработка физического уровня системы.

1.7.1. Назначение физического уровня, пояснение способа организации физических каналов и вида доступа к ним. Пояснение инкапсуляции сообщений ЛКС канального уровня на физические каналы.

Физический уровень предназначен для передачи сообщений канального уровня по радио интерфейсу. Единицей сообщения канального уровня является поле. Единицей физического уровня является бит. Таким образом, на физическом уровне сообщение канального уровня представляет собой поток бит, который необходимо передать. Для надежной передачи двоичных данных по радио каналу необходимо над потоком бит произвести несколько следующих действий:

- канальное кодирование;

- перемежение;

- модуляция.

Также для надежного приема данных необходимо осуществлять синхронизацию участников сети, для этого в передаваемое сообщение физического уровня добавляются поля временной и частотной синхронизации.

Необходимо определиться со способом организации физических каналов и с видом доступа к ним.

Во второй статье было сказано, что существует три различных механизма взаимодействия датчиков друг с другом:

1) Заполнение таблицы маршрутизации;

2) Передача сообщений аудио-трафика;

3) Передача сообщений управления и телеметрии;

 Во время заполнения таблицы маршрутизации датчики не знают о существовании друг друга и не знают момент времени передачи. Для решения этой проблемы необходимо сделать моменты начала передачи сообщений каждым терминалом случайным. Это достигается при использовании метода множественного доступа ALOHA. Основной недостаток ALOHA состоит в наличие конфликтных ситуаций – коллизий (наложение сообщений от разных терминалов) Для решения этой проблемы к каждому физическому пакету будет добавляться защитный интервал – интервал, в течение которого не передается информация. Также каждое сообщение маршрутизации будет повторяться три раза. При этом, информационная часть пакета физического уровня снизится, но так как информационная нагрузка сообщений маршрутизации не велика и они передаются сравнительно редко, то это не сильно снизит эффективность работы системы в целом, особенно учитывая то, что при отсутствие таких мер при возникновении коллизий пришлось бы повторять передачу сообщений, тем самым также снижая эффективность системы. Для передачи сообщений маршрутизации организуется один физический канал, в котором в случайные моменты времени происходит передача сообщений.

Во время передачи сообщений аудио-трафика в системе для организации 5 одновременно транслируемых речевых потоков необходимо присвоить каждому потоку номер временного интервала, в течение которого происходит передача. Следовательно, метод доступа к физической среде при этом будет TDMA.

При передаче сообщений управления и телеметрии нет необходимости передавать несколько сообщений одновременно, следовательно, можно выделить один фиксированный физический канал для этих нужд и по нему последовательно передавать необходимые команды и принимать по нему данные телеметрии.

1.7.2. 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.

По заданию необходимо выбрать модель предсказания потерь. Так как необходимо обеспечить работу системы на небольшой территории внутри зданий (например, большое складское помещение, завод или небольшая территория с группировкой зданий), то можно выбрать модель предсказания потерь, предложенную международным союзом телекоммуникации, которая имеет название P.1238-7 [4]. Она применяется в диапазоне частот от 900 МГц до 100 ГГц. Следовательно, необходимо выбрать соответствующий частотный диапазон по документам ГКРЧ. В решении ГКРЧ от 06 декабря 2004 г [5] сказано, что для внутриофисных систем передачи данных можно использовать диапазон частот 2400-2483,5 МГц. Выберем частоту 2,4 ГГц.

Тогда расчет потерь произведем по формуле:

N- дистанционный коэффициент потерь мощности;

f - несущая частота (МГц);

d - расстояние между узлами сети (м);

Lf(n)  - коэффициент потерь за счет прохождения сигнала через пол (дБ);

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

Будем считать, что у нас имеются одноэтажные здания, тогда Lf(n), будет равен 0. Несущая частота 2400 МГц. Для промышленных зданий  N = 22. Расстояние между узлами сети выберем максимально возможное (200 м). Тогда,

Далее необходимо определиться с видом модуляции, используемым в системе. Так как не предусмотрена смена профилей физического уровня, то необходимо выбрать вид модуляции, который обладает низкой вероятностью возникновения ошибок. Данному требованию хорошо подходит модуляция QPSK, которая имеет такую же вероятность возникновения ошибок как уBPSK, но при этом имеет в два раза большую информационную эффективность.

По заданию необходимо обеспечить вероятность битовой ошибки не хуже, чем 10^(-5), следовательно, необходимо обеспечить ОСШ не меньше, чем 9,5 дБ.

1.7.3. Обоснованный выбор метода помехоустойчивого кодирования, перемежения, деперемежения, оценка эффективности кодирования.

Для того чтобы снизить требуемое ОСШ без ухудшения вероятности битовой ошибки, необходимо использовать  помехоустойчивое кодирование. Для этого выберем кодирование с помощью кодов БЧХ. Длины кодового слова при данном виде кодирования равна 2^(m) – 1, гдеm – число от 3 до 16. Так как длина пакета канального уровня равна 199 бит, то ближайшая длина кодового слова равна 255. Данный код способен исправлять 7 ошибок. Следовательно, минимальное кодовое расстояние dmin = 7*2 + 1 = 15.

Как видно из данного рисунка обеспечивается выигрыш в ОСШ примерно на 3,5 дБ.

Для обеспечения защиты передаваемых сообщений от группировки ошибок (например, при возникновении мощной импульсной помехи) необходимо применять механизм перемежения бит, т.е. перестановку бит по известному закону. Таким образом, группировка пораженных перемеженных бит после деперемежения окажется разнесена по времени, и блок ошибок превратится в единичные ошибки, которые сможет исправить декодер. 

Для борьбы с пакетами ошибок в системе используется блочное перемежение. Блоковые устройства являются двумерным массивом, запись данных в который осуществляется по столбцам, а считывание — по строкам. На приёме запись и считывание осуществляются в обратном порядке. Математически это соответствует транспонированию матрицы. Для обеспечения перемежения необходимо сделать длину кодового слова кратной степени 2. Для этого в конце добавим один нулевой бит. Длина закодированного блока плюс один бит получится 256 бит. Следовательно, можно создать матрицу размером 32 строки на 8 столбцов.

1.7.4. Оценка уровня мощности излучения передающего устройства, сравнение с заданным значением Ризл АС. Расчет чувствительности приемников АС (БС).

Произведем оценку мощностей передачи и чувствительности приемника для выбранных параметров физического уровня. Вспомним, что суммарная скорость передачи равна 148,2 кбит/с и используется модуляция QPSK (M=4).

1.7.5. Пояснение функциональной схемы физического уровня системы.

Из всего вышесказанного можно сделать обобщение. Сообщения канального уровня (205 бит) поступают на физический уровень системы. Здесь они проходят процедуру фильтрации с помощью кодера БЧХ(255, 205). Далее к закодированному блоку бит размером 255 добавляется один нулевой бит. Это необходимо для правильной работы перемежителя. После этого блок из 256 поступает на перемежитель, где сначала происходит запись данных в 8 столбцов по 32 элемента, а потом происходит чтение 32 строк по 8 элементов, т.е. запись происходит по столбцам, а чтение по строкам. После этого в начале блока добавляются поля частотной (16 нулевых бит для подстройки частоты приемником) и временной синхронизации (псевдослучайная последовательность из 16 бит для определения начала блока перемеженных данных). Далее этот блок длиной 288 бит поступает на QPSK модулятор (так как число бит кратно 4, то нет необходимости делать дополнительных преобразований). После этого потокQPSK-символов передается в радиоканал. На приемной стороне происходят обратные операции:QPSK-демодуляция, деперемежение (запись в матрицу по строкам, а считывание по столбцам), удаление нулевого бита и декодирование. 

Исходя из этого, можно построить структуру пакета физического уровня системы (Рис. 4):

1. Бакке А.В. Лекции по курсу ССПО. 2013-2014

2. Ярославцева А.Е. КП "Система передачи речевого трафика и данных по сети Ad Hoc". Часть 1

3. Салапин Владислав. Сценарии взаимодействия терминалов Ad hoc.

4. ITU-R P.1238-7 от 02/2012

5. Решение ГКРЧ от 06 декабря 2004 г.

6. Лукашин И.В. Радиосистема дистанционного видеоконтроля (Часть 3)

7. Никишкин П.Б. КП "Система сбора данных с подвижных станций". Часть 3.

8. С.А.Милованов - Система сбора данных с подвижных станций (часть 3)

9. Ламтев Константин. Система сбора данных с подвижных станций. Часть 3.