Компактная система Радиотелефонной связи Часть 3

 

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.

 

Опишем структуру радиоинтерфейса. Временные интервалы, в течение которых будет осуществляться пользование различными услугами сети, буду представлять собой мультикадры. Каждый мультикадр разбивается на некоторое количество кадров. В рамках одного кадра происходит передача широковещательной информации, регистрация и передача данных. Соответственно каждый кадр должен быть разделен на временные слоты, в каждом из которых происходит передача сообщений определенных типов. Количество временных слотов, предоставляемых каждому типу ЛКС, можно определить исходя из долевой оценки пропускной способности ЛКС, проведенной в п. 1.3.3.

 

Процесс инкапсуляции состоит в добавлении, к пришедшему с верхнего уровня сообщению, дополнительной служебной информации текущего уровня. Т.е. на физическом уровне сообщение канального уровня, состоящее из полей адреса, типа пакета и т.д., рассматривается как единый блок данных. Физический уровень должен только осуществить передачу этого блока данных по радиоинтерфейсу, предварительно дополнив его служебной информацией, которая имеет значение только в рамках физического уровня.

 

 

 

Проработка вида и структуры пакета физического уровня, оценка размерности структуры пакета.

 

Пакет физического уровня должен содержать в себе следующие поля: преамбулу, поле данных и поле настроечной последовательности. Преамбула содержит в себе данные, необходимые для частотной и временной синхронизации. Также в преамбуле содержится информация о том, какой профиль был выбран. Для этого необходимо поле длиной один бит, в которое записывается 0, если был выбран профиль №1, и 1 - если был выбран профиль №2. Поле данных представляет собой пакет канального уровня, дополненный нулевыми битами до необходимой длины, закодированный с помощью кодера Хэмминга (255,247). Следовательно, это поле также содержит избыточные биты, необходимые для декодирования на приемной стороне. Вид пакета физического уровня представлен на рис. 1.

 

 

 

Рисунок 1. Пакет физического уровня


 

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

 

Как уже было сказано в первом сообщении [1], речь идет о обеспечении связью пользователей, находящихся на территории завода радиусом 300 м. При этом сотрудники изменяют регулярно своё местоположение. Значит, имеет место быть рассмотренным вопрос многолучевости.

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. Для его работы необходимо наличие обучающей последовательности, следовательно в структуре  сообщения физического уровня будем учитывать поле настройки фильтра эквалайзера.

 

1.5.3. Обоснованный выбор метода помехоустойчивого кодирования, оценка эффективности кодиования.

 

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 для выбранных видов модуляции, составленную с помощью инструмента bertool программы MATLAB




Рисунок 2 Зависимость вероятностей битовой ошибки от ОСШ при использовании кодирования для двух видов модуляции: PSK-8 и QPSK

Для достижения заданной вероятности ошибки на бит, необходимо обеспечить ОСШ, равное 8,4 дБ, при использовании QPSK модуляции, и ОСШ, равное 11,8 дБ, при использовании PSK-8 модуляции. 

Таким образом, при использовании помехоустойчивого кодирования энергетический выигрыш в ОСШ для профиля №1 составляет 1,7 дБ, а для профиля №2 – 1,8 дБ.

 

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.

 

В соответствии с решением ГКРЧ №06-18 «О выделении полос радиочастот по заявлениям физических и юридических лиц Российской Федерации» выберем диапазон частот 890-915 МГц. Этот диапазон частот разрешен 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».



Проведем энергетический расчет системы на основании выбранного диапазона частот. Оценку уровня потерь при распространении радиоволн между МС и БС будем осуществлять, используя модель предсказания потерь Окамуры-Хата Т.к. разрабатываемая система будет использоваться в крупных городах, то общие потери распространения будут рассчитываться по следующей формуле :



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

 

Здесь f - несущая частота, МГц;  – 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 f= 900 МГц, r =300 м, hМС = 1,5 м, hБС = 10 м , получим, что общие потери распространения радиоволн на трассе БС-МС составляют

 

L = 115,6 дБ.

 

Правильность полученного результата проверим на основе сравнения с потерями  распространения радиоволн в свободном пространстве (LOS).

В соответствии с условием LOS:



LLOS(r,f) = 27,56 – 20* lg(f) – 20* lg(r), [дБ].

 

Приняв f = 900 МГц и r = 300 м, получим, что потери распространения в свободном пространстве составляют

 

LLOS(r,f) = 81.067 дБ.

На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что затухание радиоволн в свободном пространстве меньше затухания в условиях городской застройки, т.е.  расчет потерь распространения радиоволн был сделан без ошибок.

 

1.5.5. Оценка уровня мощности излучения передающего устройства

 

Оценка уровня мощности передатчика при модуляции PSK-8

 

Необходимая полоса пропускания:

 

Δf=R/Log2(M), где скорость передачи данных R=512 Кбит/сек, а М- позиционность модуляции. В случае модуляции PSK-8 позиционность равна 8. Тогда,

 

Δf=170667 ГЦ

 

Шумовая полоса приемника определяется по формуле:

 

Пш=Δf*1,1=170667*1,1=187733 Гц.

 

Расчёт мощности шума на входе приемника:

 

Pш=K*T*Пш , где К=1,38*10e-23 Дж/К-постоянная Больцмана, Т=295-

Шумовая температура. Исходя из заданных параметров, мощность шума на

 

входе приемника находится как:

 

Рш=1,38*10е-23*295*187733=764*10е-18 Вт.

Pшдб=-151 дБ.

 

 

Чувствительность приемника определяется по формуле:

 

Pпм=Pшдб+Nк+С/N=Pшдб+Nk+Eb/N0+10*LOGR/Пш+ запас по ОСШ, где

Nk=10 Дб, Eb/N0= 11Дб, запас по ОСШ принимается равным 3дБ.

Следовательно, чувствительность приемника находится как:

 

Pпм=-151+10+11-4,7+3=-131,7 дБ.

 

Расчет необходимой мощности передатчика:

Рпм=Рпд-L, где L-потери при распространении радиоволн, Следовательно,

 

Pпд=Рпм+L

Учитывая коэффициенты направленного действия приемной (Gпм=3 дБ) и передающей (Gпд=3 дБ) антенн, получим итоговую мощность передатчика.

 

Рпд=Рпм+L+Gпд+Gпр.

Рпд=-131,7+115,6-3-3=-21,4 дБ

Значение Рпд= 0.0000079 Вт.

 

По техническому заданию, мощность излучения подвижной станции <0,4 Вт.

Полученное значение равное 0,0000079 не противоречит заданию.

 

Оценка уровня мощности передатчика при модуляции QPSK.

 

Необходимая полоса пропускания:

 

Δf=R/Log2(M), где скорость передачи данных R=512 Кбит/сек, а М- позиционность модуляции. В случае модуляции QPSK позиционность равна 4. Тогда,

 

Δf=256000 ГЦ

 

Шумовая полоса приемника определяется по формуле:

 

Пш=Δf*1,1=250000*1,1=281600 Гц.

 

Расчёт мощности шума на входе приемника:

 

Pш=K*T*Пш , где К=1,38*10e-23 Дж/К-постоянная Больцмана, Т=295-

Шумовая температура. Исходя из заданных параметров, мощность шума на

 

входе приемника находится как:

 

Рш=1,38*10е-23*295*281600= 1.1464e-015 Вт.

Pшдб=-129 дБ.

 

 

Чувствительность приемника определяется по формуле:

 

Pпм=Pшдб+Nк+С/N=Pшдб+Nk+Eb/N0+10*LOGR/Пш+ запас по ОСШ, где

Nk=10 Дб, Eb/N0= 11Дб, запас по ОСШ принимается равным 3дБ.

Следовательно, чувствительность приемника находится как:

 

Pпм=-129+10+11-4,7+3=-109,7 дБ.

 

Расчет необходимой мощности передатчика:

Рпм=Рпд-L, где L-потери при распространении радиоволн, Следовательно,

 

Pпд=Рпм+L

Учитывая коэффициенты направленного действия приемной (Gпм=3 дБ) и передающей (Gпд=3 дБ) антенн, получим итоговую мощность передатчика.

 

Рпд=Рпм+L+Gпд+Gпр.

Рпд=-129+115,6-3-3=-19,4 дБ

Значение Рпд= 0.000011 Вт.

 

По техническому заданию, мощность излучения подвижной станции <0,4 Вт.

Полученное значение равное 0.000011 не противоречит заданию.

 

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


Рис3. Функциональная схема L1/L2-уровней системы передатчика




Рис.4 Функциональная схема L1/L2-уровней системы приёмника.

С канального уровня приходит сообщение, которое проходит процедуру помехоустойчивого кодирования с использованием кода  BCH (255, 247). Затем осуществляется блочное перемножение и модуляции.

Качество связи оценивается приемной частью АР. В АР 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.

Приемная часть выполняет обратные функции



Список Литературы:

1.http://omoled.ru/publications/view/346

2.http://omoled.ru/publications/view/331

3Протокол заседания ГКРЧ от 11.12.2006., http://minsvyaz.ru/ru/doc/index.php?id_4=304

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