1.4. Краткое обоснование состава иерархических моделей выделенного узла сети и терминала в соответствии с рекомендациями OSI на основании п.1.2 и п.1.3. Определение и краткое пояснение основных видов служебных сообщений с указанием служб источников и получателей сообщения. Пояснение процесса формирования и обработки сообщений трафика и подсистемы управления в виде обобщения материала п.1.2 и п.1.3

Набор протоколов, используемый стандартом 802.16, показан на рисунке. Общая структура подобна другим стандартам серии 802, но больше Подуровней. Нижний подуровень занимается физической передачей данных. Используется обычная узкополосная радиосистема с обыкновенными схемами модуляции сигнала. Над физическим уровнем находится подуровень сведения (с ударением на второй слог), скрывающий от уровня передачи данных различия технологий.

Уровень передачи данных состоит из трех подуровней. Нижний из них относится к защите информации, в которых передача Данных осуществляется в эфире, физически никак не защищенном от прослушивания. На этом подуровне производится цифрация, дешифрация данных, а также управления ключами доступа.


Рисунок  - модель OSI


Затем следует общая часть подуровня МАС. Именно на этом уровне иерархии располагаются основные протоколы - в частности, протоколы управления каналом. Здесь станция контролируют всю систему. Она очень эффективно распределяет очередность передачи входящего трафика абонентам, немалую роль играет и в управлении исходящим трафиком (от абонента к базовой станции). От всех остальных стандартов 802.x МАС подуровень стандарта 802.16 отличается тем, что он полностью ориентирован на установку соединения. Таким образом, можно гарантировать определенное качество обслуживания при предоставлении услуг телефонной связи и при передаче мультимедиа.


Стандарт 802.16 протокол подуровня МАС


Уровень передачи данных разделен на три подуровня, как показано на рисунке.

Кадры МАС всегда занимают целое число временных интервалов физического уровня. Каждый кадр разбит на части, первые две из которых содержат карту распределения интервалов между входящим и исходящим трафиком. Там находится информация о том, что передается в каждом такте, а также о том, какие такты свободны. Карта распределения входящего потока содержит также разнообразные системные параметры, которые важны для станций, только что подключившихся к эфиру.

Канал входящего трафика состоит из базовая станция, которая определяет, что разместить в каждой части кадра. Исходящий канал имеет конкурирующие между собой станции, желающие получить доступ к нему. Его распределение тесно связано с вопросом качества обслуживания. Определены четыре класса сервисов:

  1. Сервис с постоянной битовой скоростью;
  2. Сервис реального времени с переменной битовой скоростью;
  3. Сервис, работающий не в реальном масштабе времени, с переменной битовой скоростью;
  4. Сервис с обязательством приложения максимальных усилий по предоставлению услуг.

Все предоставляемые стандартом 802.16 сервисы ориентированы на соединение, и каждое соединение получает доступ к одному из приведенных ранее классов сервиса.

Сервис с постоянной битовой скоростью предназначен для передачи несжатой речи, такой, какая передается по каналу Т1. Здесь требуется передавать предопределенный объем данных в предопределенные временные интервалы. Это реализуется путем назначения каждому соединению такого типа своих интервалов. После того как канал оказывается распределенным, доступ к временным интервалам осуществляется автоматически, и нет необходимости запрашивать каждый из них по отдельности.

Сервис реального масштаба времени с переменной битовой скоростью применяется при передаче сжатых мультимедийных данных и других программных приложений реального времени. Необходимая в каждый момент времени пропускная способность может меняться. Та или иная полоса выделяется базовой станцией, которая опрашивает через определенные промежутки времени абонента с целью выявления необходимой на текущий момент ширины канала.

Сервис, работающий не в реальном масштабе времени, с переменной битовой скоростью предназначен для интенсивного трафика  например, для передачи файлов большого объема. Здесь базовая станция тоже опрашивает абонентов довольно часто, но не в строго установленные моменты времени. Абонент, работающий с постоянной битовой скоростью, может установить в единицу один из специальных битов своего кадра, тем самым предлагая базовой станции опросить его (это означает, что у абонента появились данные, которые нужно передать с новой битовой скоростью)..

Сервис с обязательством приложения максимальных усилий используется для всех остальных типов передачи. Никаких опросов здесь нет, а станции, желающие захватить канал, должны соперничать с другими станциями, которым требуется тот же класс сервиса. Запрос пропускной способности осуществляется во временных интервалах, помеченных в карте распределения исходящего потока как доступные для конкуренции. Если запрос прошел удачно, это будет отмечено в следующей карте распределения входящего потока. В противном случае абоненты-неудачники должны продолжать борьбу. Для минимизации числа коллизий используется взятый из Еsегпеt; алгоритм двоичного экспоненциального отката.

Стандартом определены две формы распределения пропускной способности: для станции и для соединения. В первом случае абонентская станция собирает вместе все требования своих абонентов (например, компьютеров, принадлежащих жильцам здания) и осуществляет коллективный запрос. Получив полосу, она распределяет ее между пользователями по своему усмотрению. В последнем случае базовая станция работает с каждым соединением отдельно


1.5.1. Проработка структуры радиоинтерфейса L1-уровня, обеспечивающего двусторонний обмен пакетами физического уровня. Проработка вида и  структуры пакета физического уровня, оценка размерности структуры пакета. Обоснование полей и реализация структуры OFDM символа (при необходимости), анализ необходимости использования вспомогательных каналов физического уровня.


На физическом уровне стандарт IEEE 802.16 предусматривает три принципиально различных метода передачи данных: метод модуляции одной несущей (SC, в диапазоне ниже 11 ГГц), метод модуляции посредством ортогональных несущих OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) и метод мультиплексирования (множественного доступа) посредством ортогональных несущих OFDMA (orthogonal frequency division multiple access).

Режим OFDM  это метод модуляции потока данных в одном частотном канале (шириной 12 МГц и более) с центральной частотой fc. Деление же на каналы, как и в случае SC  частотное. Напомним, что при модуляции данных посредством ортогональных несущих в частотном канале выделяются N поднесущих:

fk= fc + k f,                                                                        (1)

где: k целое число из диапазона [6 N/2, N/2] (в данном случае k  0). Расстояние между ортогональными несущими.

 f= 1/ Tb,                                                                                (2)

где Tb  длительность передачи данных в символе.

Помимо данных OFDM6символ включает защитный интервал длительностью Tg, так что общая длительность OFDM  символа

Ts= Tb+ Tg,                                                                        (3)

Защитный интервал представляет собой копию оконечного фрагмента символа. Его длительность Tg может составлять 1/4, 1/8, 1/16 и 1/32 от Tb.

Каждая поднесущая модулируется независимо посредством квадратурной амплитудной модуляции.


                                                                

                                                          Рисунок 1 - OFDM-символ.


   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. 2).


Рис. 2. Структура OFDM символа

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.


Таблица 1. Основные режимы в стандарте IEEE 802.16.

Модуляция

Блок данных кодирования байт

Кодер Рида-Соломона

Скорость кодирования сверточного кодера

Суммарная скорость кодирования

Блокирование данных после кодирования байт

BPSK

12

(12,12,0)

1/2

1/2

24

QPSK

24

(32,24,4)

2/3

1/2

48

QPSK

36

(40,36,2)

5/6

3/4

48

16-QAM

48

(64,48,8)

2/3

1/2

96

16-QAM

72

(80,72,4)

5/6

3/4

96

64-QAM

96

(108,96,6)

3/4

2/3

144

64-QAM

108

(120,108,6)

5/6

3/4

144


После определения модуляционных символов посредством ОБПФ вычисляется сам радиосигнал и передается в передатчик. При приеме все процедуры производят в обратном порядке. В режиме OFDM на физическом уровне для сетей с архитектурой "точка-многоточка" кадровая структура передачи принципиально мало чем отличается от режима SC. Так же как и в высокочастотной области, информационный обмен происходит посредством последовательности кадров (фреймов). Каждый фрейм (рис.6) делится на два субкадра  нисходящий (DL  от БС к АС) и восходящий (UL  от АС к БС). Разделение на восходящий и нисходящий каналы  как временное (TDD), так и частотное (FDD). В последнем случае DL и UL транслируются одновременно, в разных частотных диапазонах.

Нисходящий субкадр включает преамбулу, управляющий заголовок кадра (FCH frame control header) и последовательность пакетов данных. Преамбула в нисходящем канале посылка из двух OFDM символов (длинная преамбула), предназначенная для синхронизации. Первый OFDM символ использует несущие с индексами, кратными 4, второй  только четные несущие (модуляция  QPSK).

За преамбулой следует управляющий заголовок кадра  один OFDM символ с модуляцией BPSK и стандартной схемой кодирования (скорость кодирования  1/2). Он содержит так называемый префикс кадра нисходящего канала (DLFP  Downlink Frame Prefix), который описывает профиль и длину первого (или нескольких начальных) пакета в DL субкадре.

В первый пакет входят широковещательные сообщения (предназначенные всем АС) карты расположения пакетов DL-MAP, UL-MAP, дескрипторы нисходящего/восходящего каналов DCD/UCD, другая служебная информация. Каждый пакет обладает своим профилем (схема кодирования, модуляция и т.д.) и передается по средством целого числа OFDM символов. Точки начала и профили всех пакетов, помимо первого, содержатся в DL-MAP.


                                              

Рисунок 3  Структура OFDM-кадров при временном дуплексировании.


Нисходящий субкадр содержит интервал конкурентного доступа, включающий периоды для начальной инициализации АС (вхождение в сеть) и для запроса полосы передачи. Далее следуют временные интервалы, назначенные базовой станцией определенным абонентским станциям для передачи. Распределение этих интервалов (точки начала) содержится в сообщении UL-MAP. АС в своем временном интервале начинает трансляцию с передачи короткой преамбулы (один OFDM символ, использует только четные несущие). За ним следует собственно информационный пакет, сформированный на МАС уровне.

Длительность OFDM-кадров может составлять 2,5; 4; 5; 8; 10; 12,5; и 20 мс. Заданный базовой станцией, период построения кадров не может изменяться, поскольку в этом случае потребуется ресинхронизация всех АС.

Запрос на установление соединения не отличается от общепринятого в стандарте IEEE 802.16, за исключением дополнительного режима "концентрированного" запроса (Region-Focused). Он предназначен только для станций, способных работать с отдельными субканалами. В этом режиме в интервалах конкурентного доступа (заданных в UL-MAP) АС может передать короткий 46 разрядный код на одном из 48 субканалов, каждый из которых включает четыре несущих. Всего предусмотрено восемь кодов. Таблица кодов и подканалов приведена в тексте стандарта IEEE 802.16. Код и номера канала АС выбирает случайным образом.

Получив кодовое сообщение, БС предоставляет АС интервал для передачи "обычного" запроса на предоставление доступа (заголовка запроса МАС уровня)  если это возможно. Однако в отличие от других механизмов, БС в UL-MAP не указывает идентификатор запросившей ее станции, а приводит номера кода запроса, подканала, а также порядковый номер интервала доступа, в течение которого был передан запрос. По этим параметрам АС и определяет, что интервал для запроса полосы передачи предназначен ей. Выбор момента для передачи 46разрядного кода запроса доступа происходит случайным образом, по описанному выше алгоритму обращения к каналу конкурентного доступа.

Отметим, что в режиме OFDM канальный ресурс может предоставляться не только во временной области, но в отдельных подканалах (группах подканалов), если БС и абонентские станции поддерживают такую возможность

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

1.5.3. Обоснованный выбор метода помехоустойчивого кодирования, оценка эффективности кодирования. Оценка  полной пропускной способности ФК соединения «терминал-БС» («терминал-терминал») с учетом избыточности, вносимой на физическом уровне. 


1.5.2. 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.


1.5.3 Помехоустойчивое кодирование

Многолучевое распространение радиосигнала может приводить к ослаблению и даже полному подавлению некоторых поднесущих вследствие интерференции прямого и задержанного сигналов. Для решения этой проблемы используется помехоустойчивое кодирование. В стандарте IEEE 802.16-2004 предусмотрены как традиционные технологии помехоустойчивого кодирования, так и относительно новые методы. К традиционным относится сверточное кодирование с декодированием по алгоритму Витерби и коды Рида-Соломона. К относительно новым — блочные и сверточные турбокоды. Для увеличения эффективности кодирования без снижения скорости кода применяется перемежение данных. Перемежение увеличивает эффективность кодирования, поскольку пакеты ошибок дробятся на мелкие фрагменты, с которыми справляется система кодирования.

В проектируемой сети для реализации помехоустойчивого кодирования воспользуемся сверточным кодом со скоростью  1/2 (каждому входному биту соответствуют два выходных) с целью получения выигрыша в ОСШ.

В процессе оценки эффективности кодирования в среде Matlab воспользуемся средством bertool: для сверточного кодирования запишем порождающий многочлен (171,133), который был найден Р. Оденвальдером (R.Odenwalder) на заре эры активного освоения техники сверточного кодирования. Этот код вошел во многие стандарты спутниковой и космической связи и получил статус «Planetary Standard Code»(стандартный код для планетных исследований), и в настоящее время широко используется во многих телекоммуникационных системах.

Сверточный код не исправит все ошибки, поэтому необходимо применение прямой коррекции ошибок (Forward Error Correction - FEC), позволяющей исправлять ошибки методом упреждения. Применяется для исправления сбоев и ошибок при передаче данных, путём передачи избыточной служебной информации, на основе которой может быть восстановлено первоначальное содержание посылки. В данной системе будет использован сверточный код с длиной кодового ограничения равного 7.

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.

Для оценки эффективности кодирования в среде Matlab воспользуемсясредством bertool и построим графики зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ:

Рис. 4. Зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ для BPSK без кодирования и с кодированием.


Как видно из графиков требуемое ОСШ для BPSK 11.27 дБ, а для QAM-16 15.18 дБ. Выигрыш при использовании BPSK составляет почти 4 дБ. Эти показатели можно уменьшить за счет использования помехоустойчивого кодирования.


1.5.4. 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

 

   Разрабатываемая сеть основана на стандарте IEEE 802.16. В соответствии с сертификацией предусмотрено использование частотного диапазона 2,3-2.4 ГГц.  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).

 Несущая частота 2400 МГц. Для промышленных зданий  N = 20. Расстояние между узлами сети выберем максимально возможное (800 м). Тогда, 


Ltotal=20Lg(f)+Nlg(d)+Lf(n)+33=20lg(2400)+20lg(800)+33=158.6dB

15. Оценка уровня мощности передачи с учетом необходимого запаса мощности сигнала для его уверенного приема с вероятностью 80% на границе радиопокрытия, оценка размера зоны радиопокрытия.

Оценим уровень мощности излучения передающего устройства Pизл т при использование QPSK модуляции:

Минимальная полоса пропускания :


=28МГц


Так как технология OFDM подразумевает большое количество близко расположенных ортогональных поднесущих. Каждая поднесущая модулируется по обычной схеме модуляции,всего используется 64 поднесущих, то минимальная полоса пропускания:


=28/64МГц=0,4375МГц


Rn=44.8 Мбит/c-  скорость передачи данных.


Шумовая полоса приемника Пш:

Пш=*1,1=0,4375*1,1=0,48125МГц


T=296 К-шумовая температура.

k=1,38*10-23 Дж/К-постоянная Больцмана.

Тогда мощность шума Pш:

Pш= k*T*Пш=1,38*10-23*296*0.48125*106=19.65*10-17 Вт=-147.066dB

Мощность излучения передатчика :


 - чувствительность приемника.

L = 158.6 дБ - затухание в канале.

Pз = 10 дБ - резерв по мощности

Чувствительность приемника:


Pш = -147.066 дБ - мощность шума на выходе приемника

С/N - аналоговое ОСШ


Eb/N0=7.8 дБ - цифровое ОСШ

Rn=44.8 Мбит/с - скорость передачи данных

Пш=0.48125 МГц - шумовая полоса приемника


=7,8+10lg(0.845/0,48125)=10.23дБ

Тогда, подставим полученные значения в формулы, получим:

Чувствительность приемника:


Pприемника=Рш+Nk+C/N=-147.066+10.23= -136.837

Мощность излучения передатчика:

Pизлучения=Pпрм+Pз+L=-136.83+10+158.6=31.77 

Дальность связи:


F=2400 МГц



Rn=44.8 Мбит/c-  скорость передачи данных.

Pmin= -90 дБм

Мощность передатчика беспроводного маршрутизатора TL-WR841N  20 дБм. . Чувствительность приемника -90dBm .

Для Pп=20 дБм

L=Pп-Pmin-Pз=20-(-90)-10=100дБм

D=10(l/20-33/20-lg(F))=10(100/20-33/20-lg(2400))=933 м

1.5.6. Разработка и пояснение функциональной схемы L1/L2-уровней сетевого узла.

Для построения функциональной схемы необходимо разделить сетевой узел на приемную (рис. 5) и передающую (рис.6) стороны.


Рис. 5. Функциональная схема передающего тракта


Рис. 6. Функциональная схема приемного тракта

Поступающие с канального уровня пакеты канального уровня подвергаются процедуре помехоустойчивого кодирования сверточным кодом со скоростью  1/2 (каждому входному биту соответствуют два выходных) с целью получения выигрыша в ОСШ,затем к получившейся битовой последовательности добавляется бит четности, после чего происходит перемежение блоков. С перемежителя данные поступают на модулятор. Решение о выборе вида модуляции происходит на уровне L3, а непосредственно переход от одного профиля к другому – с помощью устройства выбора профиля физического уровня (таблица 2). Устройства синхронизации и подстройки частоты необходимы для формирования преамбулы. Данные с выхода OFDM модулятора представляют собой набор OFDM символов и передаются по радиоканалу. На приемной стороне происходят обратные действия.

Cписок используемой литературы:

  1. Бакке А.В.«Лекции по курсу ССПО»
  2. Бакке А.В. Методические указания к лабораторной работе "Основы построения беспроводных сетей стандарта 802,11".
  3. http://omoled.ru/publications/view/335
  4. http://omoled.ru/publications/view/318
  5. А.В. РАШИЧ СЕТИ БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА WiMAX