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.

Временная синхронизация дуплексных пар радиоканалов.

Для организации связи между подвижным абонентом и базовой радиостанцией предусматривается выделение дуплексной пары радиочастот. Так как при этом используется временное уплотнение до четырех независимых каналов, то для снижения взаимных помех в системе применяется жесткая синхронизация пакетов подвижных станций относительно пакетов, передаваемых базовой станцией, при этом последовательность пакетов МС задержана на две позиции относительно пакетов БС. Рис.1 показывает взаимное расположение пакетов в направлениях сверху вниз и обратно.


Рисунок 1.Взаимное расположение пакетов в направлениях сверху вниз и обратно

Например, при передаче мобильной станцией информации в пакете 1 для базовой станции прием будет осуществляться в пакете 3, и наоборот: передача с базовой станции в пакете 1 - прием мобильной станции в пакете 3. Таким образом, формируется пара каналов во временной области: пакет 1 - передача информации; пакет 3 - прием. Временной сдвиг между каналами дает возможность аппаратуре проводить необходимую обработку сообщений, исполнение полученных команд управления и выполнять ряд других функций перед ответом радиостанции, что очень важно для снижения непроизводительной загрузки каналов связи.

 

 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. 2


рисунок 2.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 кодирования.

 

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 3 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:

Минимальная необходимая полоса пропускания будет определяться исходя из канальной скорости передачи данных. Скорость передачи данных на выходе кодера определяется следующим выражением:

Rс = (n*R)/k;

где n 255 - длина закодированного сообщения,  k 247 – длина кодируемого сообщения, R – скорость передачи данных при использовании модуляции.

Скорость передачи данных при использовании модуляции определяется:

R = Rд/ log2М;

где Rд – исходная скорость передачи данных, М – позиционность модуляции.

 Рассчитаем уровень мощности передатчика при использовании PSK-8 модуляции.

Исходная скорость передачи данных равна 64 кбит/с. Следовательно, скорость передачи данных при использовании данного вида модуляции (М=8) равна:

R = Rд/ log2М  = 64*103log2(8) = 21 кбит/с.

Скорость передачи данных на выходе кодера:

Rс = (n*R)/k = (255*21*103)/247 = 22,8 кбит/с.

Отсюда следует, что минимальная необходимая полоса частот составляет:

Δf 7,6 кГц.

 

 

Δf=R/Log2(M), где скорость передачи данных R=22.8 Кбит/сек, а М- позиционность модуляции. В случае модуляции PSK-8 позиционность равна 8. Тогда,

 

Δf=7600Гц

 

Шумовая полоса приемника определяется по формуле:

 

Пш=Δf*1,1=76000*1,1=8360 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*8360=34*10е-18 Вт.

Pшдб=-155 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=-155+10+11-4,7+3=-135,7 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=-135,7+115,6-3-3=-26,1 дБ

Значение Рпд= 0.00000245Вт.

 

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

Полученное значение равное 0.00000245 не противоречит заданию.

 

Оценка уровня мощности передатчика при модуляции QPSK.

 

Необходимая полоса пропускания:

 

Δf=R/Log2(M), где скорость передачи данных R=22,8 Кбит/сек, а М- позиционность модуляции. В случае модуляции QPSK позиционность равна 4. Тогда,

 

Δf=11400 ГЦ

 

Шумовая полоса приемника определяется по формуле:

 

Пш=Δf*1,1=11400*1,1=12540 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*12540= 51.050e-018 Вт.

Pшдб=-152 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=-152+10+11-4,7+3=-132,7 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=-132,7+115,6-3-3=-23,1 дБ

Значение Рпд= 0.000005Вт.

 

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

Полученное значение равное 0.000005 не противоречит заданию.

 

 

Литература:

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

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

3.Протокол заседания ГКРЧ от 11.12.2006  http://minsvyaz.ru/ru/doc/index.php?id_4=30

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