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.

  Исходя из концепции проектируемой радиотелефонной системы, проведем анализ сервисов канального уровня. Так как основная услуга проектируемой системы  – передача речевой информации, то выделенный канал закрепляется за мобильной станцией на время проведения сеанса связи. Основной трафик системы – речевой, передается по каналу TCH. Он идет мимо канального уровня и приходит непосредственно на физическую подсистему, где преобразовывается в пакет физического уровня. На канальном уровня уместны следующие сервисы: сервис оценки целостности – не что иное как вычислитель контрольных сумм (CRC), а так же сервис сборки/разборки сообщений. 

Каждый сервис работает со своим сообщением (имеющим свою структуру, рассмотренную далее в п.1.6.5), и выполняет свою конкретную задачу. Все сервисы  канального уровня свои сообщения инкапсулируют и вставляют в сообщение канального уровня. 

Типы логических каналов связи, используемых на канальном уровне сформулированы в соответствии с сценариями, отраженными  в п.1.5.4. После включения, абонентский терминал ищет  несущую той сети, в которой он был зарегистрирован до момента выключения. Следовательно, для передачи широковещательной информации необходим широковещательный канал  - BCCH.  После выбора  сети МС из двух доступных сот выбирает соту, с наивысшим уровнем сигнала. По окончании процедуры выбора соты МС должна заявить о себе. Следовательно, необходима процедура обновления местоположения. МС передает запрос на регистрацию в сети, то есть на предоставление ему индивидуального физического канала для передачи информации. Для передачи запроса необходимо наличие в сети канала случайного доступа – RACH. В случае, если запрос терминала был обработан базовой станцией верно, МС получает пакет оповещения об этом. Пакет оповещения передается по каналу разрешенного доступа -  AGCH. В его составе кроме оповещения о правильно принятой заявке от МС также передается номер индивидуального физического канала (SDCCH), на который далее перестраивается МС для освобождения канала случайного доступа (RACH) и  для обмена служебной информацией с БС. Если регистрация прошла успешно, базовая станция передает подтверждение регистрации по каналу SDCCH. В случае, если абонент необходимо воспользоваться услугами данной сети, абонент передает по каналу SDCCH  в сеть номер вызываемого абонента и код запрашиваемой услуги. Далее сеть должна послать запрос на соединение с вызываемым терминалом. Этот запрос передается по каналу вызова (PCH) от БС к вызываемому терминалу.

Таблица 1. Сводная таблица ЛКС канального уровня.

В концепции рассматриваемой системы исправление ошибок по методу ARQ не представляется возможным, так как основная задача проектируемой системы – передача голосового трафика, а следовательно,  пакеты сообщений должны передаваться  в режиме реального времени. Если же речь идёт о передаче коротких текстовых сообщений, то есть реализация дополнительной услуги сети, то при ошибочном приеме sms-сообщения, отправленного с БС на мобильный терминал, абонент сам отправит запрос на повторную передачу. Следовательно, и в этом случае применение  ARQ нецелесообразно.

В разрабатываемой системе, в сущности, присутствуют 2 уровня – канальный уровень и физический. На каждом необходимы свои функции контроля за достоверностью принимаемых сообщений. На физическом уровне за достоверность принимаемых сообщения отвечает FEC и перемежение (вопрос о необходимости перемежения рассмотрен в п.1.7.7), а на канальном уровне  контроль за достоверностью принимаемых сообщений осуществляется с помощью  поля контрольной суммы – CRC. Таким образом, для оценки достоверности принимаемых сведений вычисляем контрольную сумму на передающей стороне, а полученное значение заносим в конец пакета, в поле контрольной суммы. На приемной стороне известен алгоритм, по которому должна быть вычислена контрольная сумма. После приема пакета данных, по принятым битам вычисляется новая контрольная сумма уже на приемной стороне и полученное значение контрольной суммы сравнивается с принятым. Если результаты совпадают, значит, целостность данных сохранена. Если совпадения не произошло, то пакет будет отброшен. 

1.6.3. Долевая оценка пропускной способности ЛКС, оценка полного трафика системы. Составить сводную таблицу ЛКС с указанием наименования, назначения и типа КС.

Сводная таблица ЛКС с указанием наименования, назначения и типа КС рассмотрена ранее, в п.1.6.2. 

Проведем оценку полного трафика системы.  Как было отмечено отмечено в п.1.1, количество одновременно проводимых сеансов связи на одну БС – 6 сеансов. Так же был выбран речевой кодек – G 723.1, со скоростью кодирования – 6.4 Кбит/с [2]. Произведение скорости кодирования на числа проводимых сеансов связи дает общий несжатый  поток.

R1 = 10 * 6, 4 = 64   Кбит/с.

К значению необходимо добавить дополнительно 20% - на избыточность канального уровня. Под избыточностью в данном случае понимается (CRC, адрес услуги – addr, код запрашиваемой услуги – code).

R2 64 + (64 * 0, 2) = 64 + 12.8 = 79Кбит/с.

Так как планируется использование помехоустойчивого кодирования, то учитываем, что на каждый информационный бит приходится один избыточный (при скорости кодирования ½). А следовательно, получившуюся величину R2 необходимо умножить на 2 . 

R3 = 79 * 2 = 158   Кбит/с.

Для использования логических каналов управления , например – BCCH, AGCH,  добавляем дополнительно ещё 10%.

R4 = 158 + (158 * 0, 1) = 174Кбит/с.

Полученную пропускную способность доводим до ближайшей степени двух.

R5 = 174 + 82 = 256  Кбит/с.

Таким образом, зададимся пропускной способностью  канального уровня  256 Кбит/с. 

1.6.4. Анализ необходимости наличия разных профилей настройки физического уровня. Способ оперативного управления профилями ФУ.

Так как проектируемая система – речевая, то имеет смысл рассмотреть наличие на физическом уровне двух профилей работы. Отдельно для каналов управления и для канала трафика. Так  как по логическим каналам связи передается управляющая информация, требуется надёжная защита от внешних воздействий и помех. То есть, для каналов управления используем наиболее эффективные методы модуляции, по сравнению с каналом трафика. Так как при наличии ошибок в канале трафике существует возможность отбрасывания пакета. В сущности, система не будет адаптироваться к изменениям, происходящим в каналах связи, так как существует четкое различие профилей. Анализ функционирования профилей проведен в п. 1.7.4.

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

Канальный уровень и физический уровень оперируют сообщениями, каждое из которых имеет свою длину. С одной стороны – у нас непрерывная связь, с другой – в системе происходит передача дискретных сообщений. Необходимо определиться, какой объем речевого трафика мы будем передавать в одном сообщении.

Как говорилось ранее, длина речевого сообщения должна быть не слишком большой, во избежание искажений звука. Искажения происходят в результате появления ошибок, которые невозможно исправить. 2 мс – слишком несущественный интервал, 40 мс – велик. Остановимся на интервале в 20 мс. Таким образом,

  Vtch = 64 000 * 0.02 = 1280 [бит].

С учётом речевого сжатия (как было указано в п.1.4, коэффициент сжатия выбранного речевого кодека равен 10), в одной посылке передаем 256 бит 

Рис.9. Блок данных, поступающий на вход ФУ канала управления.

Проанализируем структуру сообщения канального уровня. Длина информационного поля DATA составит 256 бит. Поле, содержащее номер запрашивающего терминала,  состоит из трех бит. Такое же количество бит отведем для поля, определяющего код услуги. Так как основная услуга – передача речевых сообщений не проходит через канальный уровень, то под кодом услуги понимается один из вариантов дополнительных услуг. В концепции проектируемой системы реализована одна дополнительная услуга – передача короткого текстового сообщения, ей присвоен код – 1.

 Если сети необходимо передать короткое сообщение от терминала к терминалу, то оно передается в составе информационного поля DATA, на что терминал по каналу RACH ответит, что сообщение было принято. Если терминалу необходимо передать в сеть сообщение, то по каналу RACH  будет передан текст короткого сообщения.

В качестве CRC будем использовать CRC – 16. Соответственно поле контрольной суммы будет состоять из 16 битов. Общая длина пакета канального уровня составит 278 битов. Полученная структура пакета канального уровня представлена на рис.10.

Рис.10. Структура пакета канального уровня.

Как было рассмотрено выше, эти пакты выдаются в канал со скоростью 256 Кбит/с.

 Описание типовых схем обмена сообщениями между объектами канального уровня. 

 Описание схемы обмена сообщения между объектами канального уровня происходит исходя из наличия сервисов на канальном уровне (рассмотренных в п.1.6.1).  Рассмотрим схему обмена одного из сообщение канала управления –BCCH. Исходя из сказанного в п.1.6.2, оно предназначено для передачи системной информации всем пользователям, находящимся в соте. Формирование сообщения BCCH происходит в информационной система базовой станции.  На канальном уровне с происходит подсчет контрольной суммы – не что иное, как CRC, а затем осуществляется сборка пакета.  В терминале, получившем сообщение BCCH, на канальном уровне необходимо провести процедуру разборки пакета и произвести оценку целостности (CRC) принятого сообщения. 

1.7 Разработка физического уровня системы.

1.7.1. Назначение физического уровня, проработка структуры радиоинтерфейса, обеспечивающего двусторонний обмен данными. Пояснение инкапсуляции  сообщений ЛКС в радиоинтерфейсе.

 Рис.11. Посылка ЛКС с канального уровня на физический.

С канального уровня на физический поступает сообщение канала управления. А  сообщение трафика (TCH) поступает на физический уровень, не проходя через канальный. Под сообщениями канала управления  подразумеваются сообщения  BCCH, PCH, AGCH, SDCCH, RACH. Каждому пользователю выделяется свой канал связи, причем на 100 сообщений  трафика приходится одно сообщение канала управления.

Поясним саму идею радиоинтерфейса. В  нашем случае имеется 6 физический каналов (6 слотов). Они образуют один кадр. Введём понятия мультикадра и суперкадра. Мультикадр состоит из трех кадров. Группа из шести мультикадров составит суперкадр. Именно в нулевом суперкадре в нулевом кадре и в нулевом слоте передается только одно сообщение канала управления. И оно будет идти со скважностью 1/100. И после окончания одного периода передачи: 

10*3*10   ~ 300 слотов,  наступает момент передачи ещё одного сообщения канала управления – канал синхронизации, далее по такому же принципу, в нулевом слоте, каналы BCCH, PCH.

Рис. 12. Структура радиоинтерфейса

Для борьбы с многолучевостью  может использоваться выравнивание характеристик канала на приемной стороне. Использование методов, собирающих рассеянную энергию символа в ее исходный временной интервал позволит избавиться от проблем многолучевости. Поскольку в мобильных системах характеристика канала меняется со временем, выравнивающий фильтр должен изменяться или приспосабливаться к нестационарным характеристикам канала. В проектируемой системе будем использовать фильтр – эквалайзер (рис.5). Для его работы необходимо наличие обучающей последовательности, следовательно в структуре  сообщения физического уровня будем учитывать поле настройки фильтра эквалайзера.

Рис.13. Применение эквалайзера на ФУ.

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

Выбор частотного диапазона на основании документов ГКРЧ.

Выберем диапазон частот из частот,890-915 МГц/935-960 МГц и 1710-1785 МГц/1805-1880 МГц,разрешенных для применения на территории субъектов Российской Федерации радиоэлектронных средств стандарта GSM. Предоставление данных частот, в том числе по заявлениям российских юридических лиц, указанных в ряде пунктов информационного листа, должно осуществляться по результатам конкурсов, проводимых в соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации от 12 января 2006 г. № 8 «Об утверждении Правил проведения торгов (аукциона, конкурса) на получение лицензии на оказание услуг связи»[4].

Выбранный диапазон: 890-915 МГц.

Несущая частота: 900 МГц.

Для обеспечения высокой помехозащищенности передачи данных, будем использовать модуляцию QPSK. Этот вид модуляции характеризуется малой вероятностью битовой ошибки. Таким образом, каждому символу модуляции соответствует передача двух бит информации.

Исходя из вышеприведенного рисунка, можно сделать вывод о том, что для достижения требуемой вероятности ошибки на бит (Рb = 1*10^-5 по ТЗ), необходимо обеспечить ОСШ, равное 10 дБ.

Для борьбы с многолучевостью используются процедуры перемежения и помехоустойчивого кодирования, а также эквалайзер.

L = 69,55 + 26,16 * lg(f0) – 13,82* lg(hБС) – а(hМС) + (44,9 – 6,55 * lg(hБС)) * lg(r), [дБ].

Здесь f0  - несущая частота, МГц;  r – расстояние между антенной БС и антенной МС, км;  hБС – высота антенны БС;  hМС – высота антенны МС.

Поправочный коэффициент a(hМС) вычисляется по нижеприведенной формуле (2).

a(hМС) = 3,2 * (lg11,75* hМС)² – 4,97

 Приняв f0 = 900 МГц, r = 0,4 км, hМС = 1,5 м, hБС = 10 м, получим, что общие потери распространения радиоволн на трассе БС-МС составляют

L = 197,27 -2[log(f0/3)]^2= 89.95, дБ.

 Для обеспечения высокой помехозащищенности передачи данных, будем использовать модуляцию QPSK. Этот вид модуляции характеризуется малой вероятностью битовой ошибки. Таким образом, каждому символу модуляции соответствует передача двух бит информации.

Поскольку сверточный кодер достаточно сложен в реализации, а физический уровень будет работать только с блоками данных, поступающих с канального уровня, удобно воспользоваться блоковым кодером. Кодирование будет осуществляться с использованием кода Хэмминга. Кодируемая последовательность состоит из 247 битов. В результате помехоустойчивого кодирования в пакет физического уровня будет внесена избыточность и его общая длина составит 255 битов. Следовательно, скорость кодирования будет составлять 247/255. Рассмотрим зависимость вероятностей битовой ошибки от ОСШ при использовании кодирования и без него.

Рис.14. Зависимость вероятностей битовой ошибки от ОСШ при использовании кодирования.

Для достижения заданной вероятности ошибки на бит, необходимо обеспечить ОСШ, равное 8,6 дБ. Таким образом, при использовании помехоустойчивого кодирования энергетический выигрыш в ОСШ составляет 1,4дБ.

В разрабатываемой системе используется перемежения для преобразования  групповых ошибок, возникающих в канале связи из-за наличия глубоких замираний сигнала в условиях многолучевого распространения, в одиночные, с которыми легче бороться с помощью блочного или сверточного кодирования.

Идея блочного перемежения в том, что исходная кодовая последовательность из L символов разбивается на M блоков по N символов в каждом и преобразуется в матрицу размером L = [ N x M ], где N — число символов в строке, а M — число столбцов. Операция блочного перемежения заключается в последовательной построчной записи входных данных и считывании этой информации по столбцам. На приемной стороне выполняется деперемежение: запись производится по столбцам, а чтение по строкам. При этом происходит восстановление исходного порядка следования символов.

Проведем оценку уровня мощности излучения передающего устройства, а также расчет чувствительности приемников БС.

Мощность передатчика рассчитывается следующим образом:

Pизл БС = Pпрм + Рз + L – GT – GR ;

где Pпрм – чувствительность приемника, L = 89,95 дБ – затухание в радиоканале, GT= 10 дБ – коэффициент усиления передающей антенны,

GR = 0 дБ – коэффициент усиления приемной антенны, Рз = 6 дБ – резерв по мощности, необходимый для учета замираний в КС.

Чувствительность приемника рассчитывается по формуле:

Pпрм = Рш + Nk + C/N;

где Pш – мощность шума на входе приемника, Nk = 10 дБ – коэффициент шума первых каскадов приемника, C/N – аналоговое ОСШ.

Мощность шума:

Рш = k*T*Пш;

где k = 1,38*10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана, Т = 296 К – шумовая температура, Пш – шумовая полоса приемника.

Аналоговое ОСШ определяется следующим образом:

C/N = Еb/N0 + 10*log₂(Rс/ Пш);

где Еb/N0 = 6,56 дБ – цифровое ОСШ, Rс  - скорость передачи данных, Пш – шумовая полоса приемника.

Шумовая полоса приемника определяется следующим образом:

Пш = Δf * 1,1;

где Δf – минимальная необходимая полоса пропускания.

Минимальная необходимая полоса пропускания будет определяться исходя из канальной скорости передачи данных. Скорость передачи данных на выходе кодера определяется следующим выражением:

Rс = (n*R)/k;

где n = 255 - длина закодированного сообщения,  k = 247 – длина кодируемого сообщения, R – скорость передачи данных при использовании модуляции.

Скорость передачи данных при использовании модуляции определяется:

R = Rд/ log₂М;

где Rд – исходная скорость передачи данных, М – позиционность модуляции.

 Рассчитаем уровень мощности передатчика при использовании QPSK-модуляции.

Исходная скорость передачи данных равна 64 кбит/с. Следовательно, скорость передачи данных при использовании данного вида модуляции (М=4) равна:

R = Rд/ log₂М  = 256*10³/ log₂4 = 128 кбит/с.

Скорость передачи данных на выходе кодера:

Rс = (n*R)/k = (255*128*10³)/247 = 132,14 кбит/с.

Отсюда следует, что минимальная необходимая полоса частот составляет:

Δf = 132,14 кГц.

Шумовая полоса приемника:

Пш = Δf * 1,1 = 132,14*10³* 1,1 =  145,36 кГц.

Аналоговое ОСШ определяется следующим образом:

C/N = Еb/N0 + 10* log₂ (Rс/ Пш) = 6,56 + 10* log₂ (132,14*10³ / 145,36*10³) = 6,15 дБ.

Мощность шума:

Рш = k*T*Пш  = 1,38*10^-23*296*145,36*10³ = 5,93*10^-16 Вт = -152 дБ.

Чувствительность приемника в этом случае равна:

Pпрм = Рш + Nk + C/N = -152 + 10 + 6,15 =  -135.85 дБ = 3,16*10^-14 Вт.

Мощность передатчика:

Pизл БС = Pпрм + Рз + L – GT – GR = -135,85 + 6 +89,96 – 10 = -49,86 дБ = 0,12 мВт.

Согласно ТЗ, мощность излучения не должна превышать 0,7 Вт. Исходя из вышеприведенных вычислений, можно сделать вывод о том, что данное условие выполняется.

Список литературы:

1.Компактная система радиотелефонной связи ч.1

2.Компактная система радиотелефонной связи ч.2

3.Компактная система радиотелефонной связи. 3 этап http://omoled.ru/publications/view/331

4.Лекции по дисциплине "Системы и сети связи с подвижными объектами"