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), анализ необходимости использования вспомогательных каналов физического уровня. 


Физический уровень.  Физический уровень решает две глобальные задачи: организация физических каналов связи (ФКС), ровно столько, сколько необходимо для работы системы, и безошибочная передача/прием потока битов. Этот уровень имеет дело с физическим оборудованием. Через него общаются с внешним миром все остальные уровни (канальный, сетевой, транспортный). На физическом уровне пересылаются потоки нулей и единиц, которые он получает от вышележащего канального уровня и преобразует их в оптические или электрические сигналы. Эти сигналы посылаются через среду передачи на точку доступа. С точки зрения физического уровня осуществляется передача неформатированного потока данных бит за битом, физический уровень “не понимает” формата фреймов или пакетов.

рис.1. Структура пакета физического уровня.
Структура пакета физ. уровня : во-первых это флаги начала и окончания пакета физического уровня размерностью 8 бит, во-вторых настроечная последовательность фильтра-эквалайзера, необходимая для коррекции амплитудных и фазовых изменений, вызываемых замираниями в радиоканале.

Для обеспечения безошибочной передачи/приема потока битов на физическом уровне необходимо предусмотреть ряд служб.

Так, для устранения последствий интерференции и многолучёвости будем использовать эквалайзер, опирающийся на передаваемую настроечную последовательность, добавляемую в специальное поле пакета ФУ.

Так как наша система цифровая, необходима битовая синхронизация. Для этой цели будем использовать систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).

Для использования в качестве средства передачи радиоинтерфейс, необходимо наличие модулятора/демодулятора, обеспечивающего при этом как можно меньшую занимаемую ПЧ и необходимую достоверность. В нашей системе будут использованы два вида модуляторов/демодуляторов, о которых будет описано немного ниже.

Для борьбы с пакетами ошибок в системе есть эффективный способ, не вносящий избыточности и передаваемое сообщение. Это перемежение. В общем случае выбор глубины перемежения зависит от двух факторов. С одной стороны, чем больше расстояние между соседними символами, тем большей длины пакет ошибок может быть исправлен. С другой стороны, чем больше глубина перемежения, тем сложнее аппаратно-программная реализация оборудования и больше задержка сигнала. В нашей системе в связи с относительно небольшими расстояниями передачи и малой вероятностью возникновения пакетов ошибок, целесообразно использовать относительно не глубокое перемежение.

Для повышения достоверности передачи данных путем устранения битовых ошибок будем использовать модуль помехоустойчивого кодирования (FEC).


                                                                рис. 2. Функциональная схема физического уровня




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


Ошибки, возникающие в канале связи с шумом, могут быть исправлены до необходимого уровня, без снижения скорости передачи информации, путем введения избыточности. Но скорость передачи информации остается ниже пропускной способности канала [4].

Т.к. физический уровень работает с блоками данных, то удобно использовать БЧХ коды. Они составляют мощный класс циклических кодов, который обеспечивает достаточную свободу длины блока. Для профиля 1 будет использоваться код (127,92,9). Данный код имеет размерность блока до кодирования такую же, что и пакет канального уровня – 88 бита. Размер блока после кодирования составляет 127 бит. Код способен исправить 9 ошибок в блоке данных. Для профиля 0, используется код (127,99,9). Данный код способен исправлять 9 ошибок.


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

Для обеспечения требуемой вероятности ошибки на бит, при модуляции QPSK это достигается при 7.4 дБ, а при модуляции 16-QAM – 10.8 дБ. Таким образом, выигрыш для профиля 1 составляет 3.1 дБ, а для профиля 0 – 3.6 дБ.

Для устранения последствий интерференции и многолучёвости будем использовать эквалайзер, опирающийся на передаваемую настроечную последовательность, добавляемую в специальное поле пакета ФУ [4].

Для борьбы с пакетами ошибок в системе используется блочное перемежение. Идея 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 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.

В данной системе последовательность размером 127 бит поступает на вход блочного перемежителя. К этой последовательности добавляется 1 нулевой хвостовой бит, с целью приведения длины последовательности к кратной степени двойки. Эта последовательность разбивается на 16 блоков по 8 бит в каждом. Затем происходит процедура перемежения [2].

Глубина перемежения зависит от времени когерентности канала. Найдем её используя следующие формулы.


Оценка уровня передачи.

Из рассмотренных ранее сценариев, для уверенности в том, что сообщение будет успешно передано, на каждый терминал отведем по 10 циклов передачи. Время нахождения терминала в зоне радиопокрытия при скорость в 125 км/ч составляет 4 секунды. В системе число терминалов обычно равно 100. Тогда время на каждый терминал получается равно 4 сек / (100 терминалов * 10 циклов передачи) = 0,004 сек. Тогда скорость передачи полезной информации равна 88 бит/0.004 сек = 22 кбит/сек. Что не соответствует условию ∆f/f ≥ 10-6, увеличении скорости передачи в 2 раза является на грани допустимой реализации, что тоже не подходит.

Для того чтобы соответствовать условию скорость передачи полезной информации выберем в 4 раза больше исходной (22 кбит/сек), т.е. равной 80 кбит/с. Полезные данные одного терминала составляет 88 бит. В процентном соотношении полезные данные составляют 69% от размера канального уровня. Значит, скорость передачи должна быть на 31% выше, т.е. 104.8 кбит/с. Учтем избыточность вносимую кодером. Для профиля 1 кодирование снижает скорость передачи в n/k = 127/92 = 1.38 раза, т.е. скорость должна быть равна 145 кбит/с. Для профиля 0 n/k = 127/99 = 1.28 раз, скорость равна 134.1 кбит/с.

Тогда скорость передачи в системе будет: для профиля 0 - 160/128*134.1 кбит/с ≈ 168 кбит/с.

Для профиля 1 160/128*145 кбит/с  ≈ 181 кбит/с.


R – это скорость, которая требуется в канале случайного доступа. Тогда скорость передачи всей системы в целом будет 1.07*R и равна в профиле 0 – 180 кбит/сек, а в профиле 1 – 194 кбит/сек. За основу возьмем профиль 1. Расчет времени занимает один цикл передачи, произведем следующим образом.

t = 160 / (0.5*180 + 0.2*180 + 0.93*180) = 88 мсек.

Терминал в среднем в зоне обслуживания точки доступа находится 5 сек, т.е. за это может быть пройдено 4500 цикла передачи. Поэтому получается, что все участники сети (100 терминалов) за время 5 секунд непременно смогут быть обслужены точкой доступа.

 

Предположим, что средняя скорость движения автомобиля равна 125 км/ч, т.е. 35 м/с. Радиус зоны радиопокрытия терминала составляет 100 м. Тогда получается t = S/V = 2*100/35 =5,7 сек.

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.

Для работы нашей системы целесообразно использовать диапазон 403-410 МГц, так как согласно решению ГКРЧ от 11.12.2006, данный диапазон выделяется гражданам Российской Федерации и российским юридическим лицам для разработки, производства и модернизации радиоэлектронных средств фиксированной и подвижной радиосвязи гражданского назначения без оформления отдельных решений ГКРЧ для каждого конкретного пользователя РЭС [2].

На основание выбранного диапазона частот произведем энергетический расчет.

В соответствие с техническим заданием оценку уровня потерь осуществим, используя модель предсказания Хата. Общие потери рассчитаем по формуле 1.


В данной формуле: f – несущая частота, МГц; d–расстояние между антенной точки доступа и антенной терминала; hAP – высота антенны точки доступа; hAC – высота антенны терминала; a(hAC) – поправочный коэффициент для терминала (в диапазоне высот от 1 м до 10 м):


 Примем значение несущей частоты f = 408 МГц, d = 0.07 км; hAP = 8 м; hAC = 1.5 м. Подставив выбранные значения в формулы 1 и 2, получим общие потери распространения.

 L = 106.9379 дБ,

 В системе существует два профиля настройки физического уровня, определимся с модуляцией, используемой на каждом профиле. В канале с низким качеством будет использоваться модуляция QPSK (профиль 1), данный вид модуляции характеризуется малой вероятностью возникновения ошибок и сравнительно небольшой скоростью передачи данных. В канале с хорошим качеством будем использовать модуляцию QAM-16 (профиль 0), более высокая скорость передачи, но и высокая вероятность возникновения ошибок.



рис.5. Зависимость вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и 16-QAM.


По техническому заданию необходимо обеспечить вероятность ошибки на бит Pb = 10-7. Как видно из рисунка 5, при модуляции 16-QAM заданная вероятность битовой ошибки обеспечивается при 15.3 дБ, а при модуляции QPSK – 11.4 дБ.


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


Для построения функциональной схемы необходимо разделить сетевой узел на приемную и передающую стороны.


В разрабатываемой системе передающее устройство включает в себя следующие блоки:

  • устройство управления – осуществляет управление устройством и формируем сообщение канального уровня.
  • помехоустойчивый кодер – предназначается для того, чтобы вносить избыточность в информационный поток.
  • перемежитель – для борьбы с пакетными ошибками осуществляет перестановку бит.
  • модулятор – модуляция битового потока.


рис. 5. Передающая часть. 

На приемной части выполняются обратные операции:

  • Демодуляция – модулированный сигнал преобразуется в битовый поток.
  • Деперемежение – обратная операция перемежения.
  • Помехоустойчивый декодер – осуществляет исправление ошибок.
  • Устройство управления – анализ принятого пакета [4].

 


рис. 6. Приемная часть.

Рассмотрим на примере, как формируется сообщение канала BCCH на передающей и приемной стороне (рис.3 и рис.4).


рис. 7. Структура передающей части.

 

рис. 8. Структура приемной части.

разрабатываемая система работает по следующему сценарию.


рис. 9. Сценарий работы реализуемой модели.




Список используемой литературы:

  1. С.А. Милованов - Система сбора данных с подвижных станций (часть 1). URL:http://omoled.ru/publications/view/288
  2. Бакке А.В. - "Лекции по курсу ССПО"
  3. КП на тему «Локальная радиосеть»  //URL:http://omoled.ru/publications/view/316