1.5. Разработка физического уровня системы (L1)
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), ана-
лиз необходимости использования вспомогательных каналов физического уровня.

 В разрабатываемой радиосистеме в качестве способа организации ФКС выбрано TDMA. И тогда для организации дуплексной связи необходимо симплексные ФКС, соответствующие направлению передачи от ТД к Т и от Т к ТД, разнести по времени. Для симплексного канала ВССН, CCH соответствующие направлению передачи от ТД к Т (DownLink),  выделены 2 временной слот в каждом кадре и второй слот в первом кадре, тип канала определяется номером кадра. Отметим, что для обнаружения ШВС канала ВССН не нужно проводить демодуляцию всех сообщений. Обнаружение осуществляется путем нахождения взаимной корреляционной функции между IQ-символами принятой последовательности и IQ-символами поля TS, сформированными в приемнике. Структура первого и второго слота постоянна и не меняется даже в случае выбора модификации MPEG-4  с лучшим качеством видеоизображения. Для симплексного канала DTCH, соответствующий направлению передачи от Т к ТД (UpLink), выделены 3 – 53 временной слоты. Служебная информация, содержащаяся в сообщении каналаDTCH (поле FL_ARQ) одинакова во всей группе сообщений, исходящей от Т. Таким образом, самой «крупной» единицей радиоинтерфейса является «мультикадр» длиной 176389 бит. Мультикадр включает 11 кадров по 13568 бит. Каждый кадр включает в себя 53 слота. Получившаяся структура отображена на Рис.1.

 

  
Рис. 1. Структура радиоинтерфейса.

          

            Специальных каналов для частотной подстройки и временной синхронизации, необходимые для синхронизации ТД и терминалов не требуется. Это объясняется тем, что в разрабатываемой радиосети будет использоваться технология OFDM, в этой технологии предусмотрены специальные поля, выполняющие функцию синхронизации.

            Исходя из скорости передачи видеопотока в канале DTCH после помехоустойчивого кодера – 1.91 Мбит/с, длительность сообщений каналов ВССН, ССН и DTCH составляет 134 мкс.

            Также отметим, что после прохождения процедуры кодирования к полученным сообщениям добавляется один нулевой бит. В дальнейшем это необходимо для успешного прохождения процедуры модуляции т.к. один символ QPSK представляется 2 битами, а QAM-16,соответственно, 4 битами.

При использовании профиля с модуляцией  QPSK число битов, передаваемых в одном OFDM символе, будет соответствовать 32 IQ-символам (или 64 бита) пакета физического уровня.Всего будет передаваться 4 OFDM символа. Для временной и частотной синхронизации приемных устройств необходимо предусмотреть специальное поле – преамбула, которое стоит из одного OFDM символа короткой преамбулы, и одного OFDM символа длиной преамбулы.

          При использовании профиля с модуляцией  QAM-16 битов, передаваемых в одном OFDMсимволе, будет соответствовать 32 IQ-символам (или 128 битам) пакета физического уровня. Всего будет передаваться 2 OFDM символа. Для временной и частотной синхронизации приемных устройств необходимо предусмотреть специальное поле – преамбула, которое стоит из одного OFDM символа короткой преамбулы, и одного OFDM символа длиной преамбулы.

          Пакет ФУ для передачи сообщений каналов ВССН, ССН, DTCH будет состоять из двух 2OFDM символов преамбулы и 2 или 4 OFDM символов данных (Рис.2, а). Существуют некоторые особенности передачи сообщений канала DTCH. Обратимся к структуре мультикадра, из нее видно, что пять сообщений  канала DTCH объединены в общую группу, таких групп – 10. И тогда пакет ФУ для канала DTCH (с 4 по 53 слот) имеет следующую структуру: два символа преамбулы и от 10 или 20 символов данных (Рис. 2, б). Таким образом, при использовании QPSKмодуляции мультикадр будет состоять из 2618 OFDM символов из них 198 OFDM символов для передачи 1-3 слота и 2420 OFDM символов для 4-53 слот.

  

  

Рис. 2. Структура пакетов физического уровня и формирование OFDM сигнала (а – слот 1-3; б – слот 4 -53).


 

            Передача одного OFDM символа будет осуществляться с использованием 48 поднесущих: 32 поднесущие для передачи данных, 2 – для пилот сигнала, 6 и 7 – для использования защитных интервалов и 1 нулевая поднесущая для идентификации нулевой частоты OFDM сигнала. Структура поднесущих изображена на Рис. 3.

         

  

Рис. 3. Структура поднесущих (OFDM символов).

 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. Разработка дополнительных мер по борьбе с многолучевым распространением не требуется.

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

В качестве  метода помехоустойчивого кодирования будут использоваться коды Боуза-Чоудхури-Хоквенгейма (Bose-Chadhuri-Hocquenghem – BCH, БЧХ), являющиеся результатом обобщения кодов Хэмминга, которое позволяет исправлять множественные ошибки. Они составляют мощный класс циклических кодов, который обеспечивает достаточную свободу длины блока, степени кодирования, размеров алфавита и возможностей коррекции ошибок. При блоках, длина которых равна порядка несколько сотен, коды БЧХ превосходят своими качествами все другие блочные коды с той же длиной блока и степенью кодирования .

          Известно, что относительно широкий максимум эффективности кодирования, в зависимости от степени кодирования при фиксированном nдля кодов БЧХ находится примерно между степенью 1/3 и 3/4 . В разрабатываемой системе будет использовать одна модификация кода и это код (255, 187), исправляющий 9 ошибок. 

 

 

Рис. 4. Зависимости вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и QAM-16 модуляций при использовании помехоустойчивого кодирования.

 

            Из зависимостей, показанных на Рис. 2, видно, что для QPSK с кодом (255, 187) необходимо обеспечить ОСШ равное 6.2 дБ, для QAM-16 с кодом (255, 187) ОСШ равное 9.8 дБ. Таким образом, при использовании помехоустойчивого кодирования достигается энергетический выигрыш в ОСШ для QPSK с кодом (255, 187)  – 4.4 дБ и для QAM-16 с кодом (255, 187)  – 4.7 дБ.

            Для борьбы с пакетами ошибок в системе используется блочное перемежение.

В данной системе исходная закодированная последовательность размером 255 бит

К закодированной последовательности размером 255 бит добавляется один нулевой бит.

Таким образом, сообщения физического уровня имеет следующую структуру:

- информационная часть DATA_L2 – это сообщение, пришедшее с канального уровня, размерность 187 бит;

- избыточная часть FEC, необходима для реализации кода BCH (255, 187);

- нулевой бит, для приведения размера сообщения к числу кратному 2 или 4 (следует из определения позиционности QPSK и QAM-16 модуляции ).

            Такую структуру имеют все пакеты физического уровня вне зависимости от назначения и профиля функционирования. Полученный пакет из 256 бит поступает на вход блочного перемежителя .  Далее, происходит сама процедура перемежения. 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. Для оценки глубины перемежения необходимо определить длительность одного бита. Для нахождения длительности 1 бита умножим размер слота (256) на количество слотов, содержащих данные от одного и того же терминала  и разделим на пропускную способность одного ФК (1.91Мбит/с) . Итого получается что длительность 1 бита равна 0.67 мс. Для оценки глубины перемежения необходимо определить время когерентности канала связи . Время когерентности определяется по формуле:

 

Таким образом, глубина перемежение находится, как  ТКОГ поделенное на длительность одного бита, и глубина перемежения равна 0.072/0.67е-3=107.46. Для обеспечения такой глубины перемежения блочный код должен имеет размеры 16 строк на 8 столбцов. Следует сказать, сказать что размеры блочного перемежителя должны быть согласованы с размером сообщения физического уровня (сообщение с выхода кодера + нулевой бит), для этого размеры блочного перемежителя примем 32 строки на 8 столбцов.


 На канальном уровне к сообщению, содержащему аудио и видео данные (со скоростью 1,4Мбит/с), добавляется поле CRC и FL_ARQ, добавляющие к пропускной 2.7%. Скорость передачи увеличивается до 1.44Мбит/с (сообщение канала DTCH). Это сообщение поступает на физический уровень, где над ним осуществляется канальное кодирование по скорость 0.733 (187/255) и скорость передачи увеличивается до 1.91 Мбит/с. Число таких каналов равно 6 (по числу возможно функционирующих терминалов в сети) и тогда скорость передачи равна 11.46 Мбит/с. С учетом скорости, приходящейся на каналы ВССН и ССН, скорость передачи увеличивается на 720кбит/с, это объясняется тем, что 51 сообщение канала  DTCH приходится два сообщения канала ВССН или ССН . С учетом этого пропускная способность увеличивается до 12.18 Мбит/с.

            Поскольку в качестве метода борьбы с многолучевостью используется технология OFDM, то в итоговой пропускной способности необходимо учитывать OFDM-символы приходящиеся на преамбулу. Из п.2.8 видно, что из всего количества OFDM-символов, входящих в мультикадр, доля, приходящаяся на преамбулу, составляет 0.109 и доля, приходящаяся на данные, составляет 0.891. Если 0.891 это 12.18 Мбит/с, то пропускная способность с учетом преамбулы увеличит до 13.67 Мбит/с.

1.5.4. 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.

В соответствии с решением ГКРЧ при Минкомсвязи РФ от 15.07.2010 № 10-07-01 «О выделении полос радиочастот для радиоэлектронных средств любительской и любительской спутниковой служб» выберем для функционирования разрабатываемой радиосети полосу частот 1260-1300 МГц. Этот диапазон предназначен для любительской и любительской спутниковой служб.

            Произведем оценку уровня потерь при распространении радиоволн между Т и ТД в выбранном диапазоне частот. Разрабатываемую систему видеонаблюдения предполагается использовать в условиях городской застройки и в производственных помещениях.

            Для оценки потерь в производственных помещениях воспользуемся моделью, предложенной в рекомендации МСЭ-R P.1238-5. Потери при распространении рассчитываются по следующей формуле

Lпп=20*log10(f)+N* log10(d)+Lf(n),

где f - частота , равная 1270 МГц,  N - дистанционный коэффициент потери мощности, равен 22 в соответствии с ,  d - радиус обслуживания ,равен 120, Lf(n) - коэффициент потерь за счет прохождения сигнала через пол, равен 19 дБ, что соответствует 2-му этажу здания городской застройки. Подставляя все значения в формулу,  получим

Lпп =    148, 74  (дБ)

В городской местности в частности в диапазоне от 150 до 1500 МГц при эффективной высоте антенны базовой станции hBS,cff  от 30 до 200 м имеем

Lгород=69,55+ 26,16*lg(f)-13.83* lg(hBS,cff)- a(hMS)+(44.9-6.55* lg(hBS,cff))lg(d),

где f - частота , равная 1270 МГц, hBS,cff -высота антенны базовой станции ( в нашем случае, точки доступа) , возьмем равной 3 м, hMS - высота антенны мобильной станции (терминала) , равна 0,5 м, a(hMS)- рассчитывается по формуле a(hMS)=3,2*(log11.75* hMS )-4,97, d - радиус действия терминала, равен 120 м. Подставляя значения в формулу, получим

Lгород=124,81 (дБ)  

Из полученных результатов видно, что потери в производственных помещениях и потери в условиях городской застройки приблизительно равны. В дальнейших расчетах будем использовать значение потерь, полученных в условиях городской застройки, равное 124.81 дБ.

  В зависимости от качества канала связи предусматривается 2 профиля функционирования физического уровня. В разрабатываемой радиосистеме будет использоваться QPSK и QAM-16 модуляции. DTCH обеспечивает относительно небольшую скорость передачи сообщений, но и характеризуется малой вероятностью возникновения ошибок. Выбор QAM-16 модуляции  связан с эффективным использованием отводимой полосы частот и, как следствие, высокой скоростью передачи. Для каналов с низким качеством связи будет использоваться QPSK т.к. этот вид модуляции характеризуется малой вероятностью возникновения ошибок по сравнению с QAM-16.

  Из приведенных зависимостей вероятностей битовой ошибки от ОСШ (Рис. 5) можно сделать вывод о том, что для достижения необходимой вероятности ошибки на бит РВ=2е-6 , нужно обеспечить ОСШ равный 10.4 дБ для QPSK модуляции и ОСШ равный 14.2 дБ для QAM-16. 



Рис. 5. Зависимости вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и QAM-16 модуляций



1.5.5. Оценка уровня мощности передачи с учетом необходимого запаса мощности сигнала для его уверенно-
го приема с вероятностью 75 % на границе радиопокрытия, оценка размера зоны радиопокрытия.

Минимальная полоса пропускания будет определяться исходя из канальной скорости передачи данных и количества поднесущих сигнала OFDMиспользующихся для передачи данных. Для передачи данных будет использоваться 32 поднесущих. Отсюда следует, что скорость передачи данных по каждому из 32-х параллельных каналов будет равна:




Требование по мощности излучения подвижной станции (< 1 Вт) соблюдается в обоих профилях.
Дальность связи:

Дальность связи:


F=1270 МГц


Для профиля QPSK:

Для профиля QAM-16:


1.5.6. Составление и описание подробной функциональной схемы L1/L2-уровней терминала.

Функциональная схема физического уровня изображена на рисунках 6 и 7

Рис. 6. Функциональная схема физического уровня передающая часть

Рис. 7. Функциональная схема физического приемная часть

Поступающее с канального уровня сообщение проходит процедуры помехоустойчивого кодирования с использованием кода  BCH (255, 187), далее, осуществляется блочное перемежение (32х8), добавление 8 незначащих бит и модуляции. Вид модуляции зависят от выбранного системой профиля функционирования (QPSK или QAM-16).

Профиль функционирования  выбирается исходя из качества КС. Качество связи оценивает приемной частью ТД, для этого в ТД реализована подсистема радиоизмерений. Подсистема радиоизмерений сообщает уровню принятия решений о качестве КС. Если необходима смена модуляции, то на модулятор с уровня принятия решений приходит соответствующая команда.

С выхода модулятора сообщение поступает на вход формирователя OFDM сигналов, где оно разбивается на блоки равной длины. Далее, к полученным символам OFDM в виде преамбулы добавляются сообщения синхронизации и коррекции частоты, поступающих в формирователь OFDM – сигнала от соответствующих подсистем. Передающая часть Т выполнена таким же образом.

Приемная часть выполняет обратные функции: демодулирование OFDM – сигнала, демодулирование, демодуляция, деперемежение, декодирование. Приемная часть Т отличается отсутствие подсистемы радиоизмерений.

Список литературы:

1.http://omoled.ru/publications/view/745

2.http://omoled.ru/publications/view/338

3.http://omoled.ru/publications/view/447

4.РЕКОМЕНДАЦИЯ МСЭ-R P.1238-5: «Данные о распространении радиоволн и методы прогнозирования для планирования систем радиосвязи внутри помещений и локальных зоновых радиосетей в частотном диапазоне 900 МГц – 100 ГГц».