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.

В системе имеется возможность настройки физического уровня под конкретные условия канала связи с помощью смены профиля физического уровня, содержащего набор определенных параметров. В данном случае профили будут отличаться по виду модуляции, а следовательно и по скорости передачи данных.

Для передачи будет использована технология OFDM, все поля пакета можно представить в виде OFDM-символов.

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.18).

                                                    Рис.18. Структура OFDM-символов.

Структура пакетов физического уровня  изображена на Рис.19.

                                           Рис.19. Структура пакетов физического уровня

Преамбула содержит в себе 12 символов OFDM и предназначена для частотной и временной синхронизации. 

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.

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.

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

Один из методов борьбы с многолучёвостью - вышеупомянутое использование OFDM-символов.

Для этого в OFDM используется циклический префикс - циклическое повторение окончания символа, переставляемое в начало символа. Но при этом снижается полезная скорость передачи. Наличие циклического префикса создает временные паузы между отдельными символами, и если длительность циклического префикса превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольная интерференция не возникает.

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. 

Сущность метода помехоустойчивого кодирования заключается в ведении в передаваемое сообщение на передающей стороне избыточности по закону, известному на приемной стороне, для увеличения достоверности приема информации.

Такие коды называют избыточными или корректирующими. Корректирующие свойства избыточных кодов зависят от правил построения этих кодов и параметров кода (длительности символов, числа разрядов, избыточности и др.).

В настоящее время наибольшее внимание уделяется двоичным равномерным корректирующим кодам. Они обладают хорошими корректирующими свойствами и их реализация сравнительно проста. Наиболее часто применяются блоковые коды. При использовании блоковых кодов цифровая информация передается в виде отдельных кодовых комбинаций (блоков) равной длины. Кодирование и декодирование каждого блока осуществляется независимо друг от друга, то есть каждой букве сообщения соответствует блок из п символов.

Блоковый код называется равномерным, если п (значность) остается одинаковой для всех букв сообщения.

Одним из наиболее известных видов блочных кодов является BCH (код Боуза-Чоудхури-Хоквейгейма - БЧХ), позволяющий исправить множественные ошибки. Коды BCH обеспечивают достаточную свободу выбора длины блоков степени кодирования, размеров алфавита и возможности коррекции ошибок.

Так как длина сообщения канального уровня составляет 78 бит, используем код BCH (127, 78), который позволяет исправить 7 ошибок. Проанализируем полученный выигрыш в ОСШ с помощью приложения bertool в среде Matlab (Рис.20).

                                             Рис.20. Bit Error Rate

        Выигрыш составил 2.5 дБ для BPSK и почти 2 дБ для  QAM-16

Поскольку исходя из выбранных видов модуляции, длина пакета физического уровня должна быть кратна 2 и 4, то к 127 битам с выхода кодера необходимо добавить 1 бит четности. Таким образом, длина пакета физического уровня равна 128 бит.

  Перемежение является эффективным методом борьбы с группирующимися ошибками в каналах, подверженных глубоким замираниям. Суть метода в том, что символы кодового слова должны быть переставлены так, чтобы поражение группы символов происходило каждый раз в разных кодовых словах, т. е. поражение необходимо "рассеять" по многим кодовым словам. В этом случае они становятся независимыми и их легче обнаруживать и исправлять. Известно несколько способов чередования: диагональное, сверточное, межблоковое и блоковое. Часто применяют комбинацию этих способов. 

            Чередование блоков производится с помощью записи данных в буфер в виде прямоугольной матрицы, имеющей N столбцов (где N равно сумме: данные + проверочные символы) и L строк, равных числу поднесущих. Запись производится по строкам, т.е. по мере поступления символов в блоках в порядке их очередности, а считывание в модулятор производится по столбцам. Тем самым в каждый считанный столбец будут поочередно поступать данные из строк. Запись и считывание ведутся по прямоугольной матрице слева направо и сверху вниз. 
        Все кодированные биты данных будут перемежаться в блоковом перемежителе с размером блока, соответствующим числу кодированных битов на выделенные подканалы на каждый OFDM-символ Ncbps. Перемежение происходит в две ступени. На первом перемежении считывание по столбцам гарантирует то, что соседние кодированные биты отображаются на несоседствующие поднесущие. На втором перемежении символы размещают так, чтобы гарантировать отображение соседствующих кодированных бит поочередно на более или менее значимые биты созвездия. В итоге удается избежать длинных участков битов, подверженных ошибкам. 

 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. Определим длительность 1 бита: умножим размер слота (128) на количество слотов, содержащих данные от одного и того же терминала (1)  и разделим на пропускную способность одного физического канала на 250 кбит/с. В итоге получаем, что длительность 1 бита равна 0,512 мс. Для оценки глубины перемежения необходимо определить время когерентности канала связи.

Для нахождения глубины перемежения необходимо данное значение поделить на длительность бита: 0,038/0,000512 = 74.

Выберем профиль MPEG4. Нам потребуется скорость 155 кбит/c. На физическом уровне сообщение подвергается помехоустойчивому кодированию со скоростью 0,614, а также к нему добавляется нулевой бит, поэтому пропускная способность канала возрастает до 250 кбит/c. Для передачи будет использоваться технология OFDM, поэтому итоговая пропускная способность должна учитывать и символы, приходящиеся на преамбулу. Отведем на нее 33% и получим итоговое значение – 350 кбит/с.

Для обмена служебными сообщениями потребуется 5 кбит/c.

Для речевого канала 140 кбит/c.

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. 

Выберем диапазон частот 2400-2410 МГц.

Распространение радиоволн внутри помещений определяется следующими параметрами: планировкой помещения, строительными материалами. Основные явления при распространении те же, что и в условиях города: отражение, дифракция, поглощение, рассеяние. Уровень сигнала зависит от того, где расположены антенны.  Внутри нашего помещения множество стен, перегородок, различных предметов, бытовых приборов, которые существенно влияют на формирование структуры электромагнитного поля внутри здания.

Согласно модели ITU – R 1238:

Lпп  =  20 log₁₀ f  +  N log₁₀ d  +  Lf  (n)  –  28 дБ,

где:

N- дистанционный коэффициент потерь мощности;

f - частота (МГц);

d - расстояние разнесения (м) между базовой станцией и переносным терминалом (где d > 1 м);

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

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

В помещении всего один этаж. Lf = 0.

d=50.

N=22, в соответствии принятым коэффициентам потери мощности внутри помещений.

Произведём расчет в пакете MATLAB:

Таким образом, Lпп = 77 дБ

С помощью приложения bertool пакета MATLAB проиллюстрируем выбор, а также найдем отношение сигнал-шум, при котором обеспечивается требуемая вероятность ошибки 1*10^(-6) (Рис.21).

                                           Рис.21. ОСШ

ОСШ для QAM-16 = 14,38 дБ.

           для BPSK = 10,5 дБ.

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

При 16QAM-модуляции.

Минимальная полоса пропускания будет определятся исходя из канальной скорости передачи данных и количества поднесущих сигнала OFDM, использующихся для передачи данных.

Скорость передачи данных по каждому из 48 параллельных каналов:

Список используемой литературы:

1. В. А. Григорьев, О. И. Лагутенко, Ю. А. Распаев - "Сети и системы радиодоступа".
2. Бакке А.В. - "Лекции по курсу ССПО".
3. Джон Парк, Стив Маккей - "Сбор данных в системах контроля и управления".