Локальная радиосеть.

Часть 2.

Выполнили: ст.гр 218

Волков И.Ю(10%-КУ,90%-ФУ),

Севостьянова К.В(90%-КУ,10%-ФУ).

1.3. Канальный уровень: разработка подсистемы управления доступом к среде, проработка процедур гарантированной/негарантированной доставки служебных и информационных сообщений

1.3.1. Определение и краткая характеристика возможных режимов работы терминала разрабатываемой радиосети (на основании п.1.1 и 1.2). Выделение активного и пассивного состояний терминала, характеристика задач, выполняемых терминалом в этих состояниях. Анализ возможных решений по обеспечению энергосбережения

В проектируемой радиосети предусмотрены следующие режимы работы:

 

Пассивный режим (спящий режим, IDLE):

При получении отчета о доставке терминал переходит в спящий режим, т.е. переходит в режим пониженного энергопотребления, в котором находится большую часть времени. Из этого режима терминал выходит только при передаче или приеме сообщений.

Необходимо учесть режим завершения сеанса связи. ТД сама принимает решение о выходе терминала из сети. Такое решение принимается в двух случаях:

1) терминал самостоятельно покинул сеть;

2) терминал потерял связь с точкой доступа.

Выход терминала из сети осуществляется простым выключением питания.

 

Режим регистрации:

После включения устройства и в случае успешной инициализации происходит поиск сети, информацию о которой точка доступа передает по широковещательному каналу BCCH. Если сеть не найдена, то терминал переходит в спящий режим и через некоторое время осуществит поиск сети снова. Терминал сравнивает ID сети с хранящимся в его информационной подсистеме идентификатором и в случае их совпадения подает запрос (ID терминала) на регистрацию. Регистрация происходит на основе конкурентной борьбы. Прежде чем отправить запрос на предоставление канала связи, каждый терминал осуществляет контроль качества канала связи, на основе работы модуля проведения измерений , и определяет необходимый профиль функционирования. Информацию о своем профиле терминал передает вместе с запросом по каналу вызова RACH. ТД проводит сравнение ID терминала с идентификатором, хранящимся в ее регистре идентификаторов. Если идентификаторы совпали, то точка доступа должна отправить терминалу сигнал подтверждения регистрации. Если терминал такого сигнала не получает, то он вновь осуществляет поиск сети. При успешной регистрации терминал записывает в свою память идентификатор сети ID ТД, который необходим для последующего доступа в сеть без прохождения процедуры регистрации.

После успешного вхождения в сеть, терминал может работать в режиме передачи или приема данных, а может вернуться в спящий режим.

 

       Режим передачи данных

Передача данных, в отличие от передачи речи, не требует предоставления непрерывного канала на все время сеанса связи и тем самым предполагается использование единого канала с максимально возможной пропускной способностью. Перед посылкой данных другому участнику сети терминал накапливает пакеты, требуемые к отправке, после чего происходит запрос точке доступа на попытку получить канал.  В запросе должно быть указано время, которое требуется для передачи данных. Если канал свободен точка доступа отвечает терминалу о выделении ему канала передачи данных. После получения канала связи терминал начинает передачу данных. По окончании передачи терминал ожидает подтверждение. Получив подтверждение об успешной передаче, терминал переходит обратно в пассивный режим.

 

Режим приема данных

ТД оповещает терминал о том, что для терминала есть данные. Таким образом, она переводит терминал из пассивного режима в активный (по своей инициативе). Далее следует прием данных с ТД. Если данные успешно приняты, то хранение в буфере ТД больше не нужно – они удаляются. Терминал переходит в пассивный режим. Если данные не были приняты, ТД необходимо повторить передачу. Снова осуществляется передача. После получения данных терминал формирует отчет о доставке и возвращается в спящий режим.

Рис. 1 - Диаграмма состояний терминала

1.3.2. Обоснование назначения, способа реализации и основных параметров физических каналов связи. Аргументированный выбор способа организации доступа к физическим каналам, подробное пояснение алгоритма множественного доступа. Анализ возможных причин возникновения коллизий в радиосети и пояснение решения по их устранению

Так как на физический канал могут одновременно претендовать несколько терминалов, необходимо реализовать алгоритм множественного доступа – предоставление физических каналов по требованию. Чтобы лучше представить данную задачу в рамках нашей системы, опишем следующую ситуацию, представляющую собой фрагмент сценария работы системы. ТД непрерывно передает широковещательную информацию по каналу BCCH, в состав которой помимо другой служебной информации входит номер канала случайного доступа (RACH).  Зарегистрированные в сети терминалы вступают в конкурентную борьбу за канал передачи данных по каналу RACH.

Рис. 2 - Конкурентная борьба за канал

Терминал, загадывает случайным образом время задержки, т.е. число канальных интервалов в диапазоне от 1 до N, и в течении которых воздерживается от передачи, при этом постоянно опрашивая службу радиоизмерений на предмет незанятости канала связи. У первого терминала это число равно 3, у второго и третьего - 7 и 5 соответственно. Терминал Т1 победит на первом этапе, так как его задержка наименьшая.  По истечении загаданной времени задержки и в случае незанятости канала связи, терминал незамедлительно по каналу RACH отправляет на ТД свой идентификатор и текущие данные, необходимые для передачи. Остальные терминалы ждут, пока передает информацию первый. 

По окончании этой процедуры точка доступа на основе запросов от терминалов формирует пакет оповещения, который передает всем терминалам по каналу разрешенного доступа AGCH. Данный пакет содержит идентификатор терминала, одержавшего победу в борьбе, а также время, в течение которого этот терминал будет осуществлять передачу данных. Все остальные терминалы переходят в спящий режим на протяжении данного интервала. Происходит запись данных в буфере точки доступа для последующей передачи терминалу-получателю. По завершении передачи точка доступа отправляет подтверждение об успешной операции передающему терминалу, после чего последний переходит в спящий режим. Если он не получил такого сообщения, то терминал заново вступает в конкурентный доступ за канал. Отсутствие сообщения подтверждения об успешной передачи может свидетельствовать о коллизии. Это может происходить вследствие равенства количества канальных интервалов у конкурирующих терминалов. В этом случае терминалы пропускают 3 цикла передачи от текущего номера цикла передачи, затем генерируют новое число и снова вступают в конкурентную борьбу. Если при второй попытке у терминала снова возникает коллизия, то он пропускает 2 цикла, и снова повторяет описанную выше операцию.

 

1.3.3. Пояснение способа двустороннего обмена сообщениями по радиоинтерфейсу

Радиоинтерфейс будет организован следующим образом: Интервалы времени передачи данных от терминалов представляет собой мультикадр. Каждый мультикадр разбивается на некоторое количество кадров. В рамках одного кадра происходит передача широковещательной информации, конкурентная борьба, передача данных и передача пакета подтверждения. Соответственно каждый кадр должен быть разделен на временные слоты, в каждом из которых происходит передача сообщений определенных типов. Количество используемых временных кадров нельзя определить заранее, т.к. неизвестно, какое количество раз терминалы будут вступать в конкурентную борьбу за предоставление им индивидуального канала связи.

1.3.4. Обоснование необходимости и пояснение способа контроля качества радиоканала

Система состоит из ТД и множества мобильных терминалов, которые находятся в различных условиях с точки зрения помеховой обстановки. Так же из-за того, что некоторые терминалы подвижны, возникает проблема многолучевого распространения сигналов, которое делает невозможной нормальную передачу информации без использования специальных средств борьбы. Делаем вывод, что в системе необходимо заложить работу двух профилей физического уровня: для подканалов с высоким и низким качеством. Соответственно эти профили будут отличаться видом модуляции сообщений.  Целесообразно для подканалов с плохим качеством использовать модуляцию с малой позиционностью, а для каналов с высоким качеством – модуляцию с высокой позиционностью. Выбор того или иного профиля осуществляет модуль управления на основании результатов работы подсистемы радиоизмерений, расположенной на физическом уровне. Так как радиоизмерения проводятся с приходом каждого пакета физического уровня, то управление профилями происходит достаточно оперативно. По умолчанию можно установить профиль с высокой помехозащищенностью передачи данных. При выявлении ухудшения качества КС, модуль проведения измерений посылает сообщение сигнализации на модуль подсистемы сигнализации (управления). Модуль подсистемы сигнализации должен изменить вид модуляции. Информация о профиле функционирования Т, передается по каналу RACH вместе с запросом на предоставление индивидуального КС. Информация о профиле функционирования ТД, передается по каналу AGCH в пакете оповещения. Прежде чем осуществить передачу данных, терминал и ТД должны настроиться на одинаковый профиль функционирования физического уровня.

 

1.3.5. Построение сценария установления соединения и доставки сообщений верхнего уровня. Пояснение графической диаграммы состояний сетевого узла, отражающей основные элементы разрабатываемого сценария

Режим регистрации

     Рис. 3 - Сценарий режима регистрации терминала в сети

 

Регистрация терминала в сети начинается с приема от ТД широковещательного сообщения (BCCH) и получение из него информации о сети. Затем, при необходимости, терминал формирует заявку на канал и отправляет ее точке доступа (RACH). Затем, возможны два вариант развития событий:

Подтверждение регистрации (AGCH) пришло – канал успешно установлен.

Подтверждение регистрации (AGCH) не пришло – через определенный промежуток времени, терминал повторяет заявку на канал.

После успешной регистрации Т может перейти в режим передачи или приема и пассивный режим, что мы можем пронаблюдать на рисунке 1 («Диаграмма состояний терминала»).

 

      Режим передачи данных

Рис. 4 - Сценарий режима передачи данных терминала

После получения доступа к каналу связи, согласно сценарию на рисунке 3, терминал начинает передачу данных точке доступа по каналу TCH. ТД накапливает сообщение в буфере и, при корректном приеме передает терминалу подтверждение передачи (так же по TCH). При отсутствии подтверждения, сообщение считается не переданным, Т снова вступает в конкурентную борьбу и повторяет передачу, в случае получения доступа к каналу связи.

Режим приема данных

Рис. 5 - Сценарий режима приема данных терминала

ТД резервирует канал для передачи сообщения терминалу, и отправляет ему сигнал оповещения AGCH и затем начинает передачу данных. После передачи терминал отправляет точке доступа подтверждение приема. Если передача была прервана, ТД, в течении некоторого времени ожидает восстановления связи, которое определяется передачей запроса терминалом запроса RACH.

В процессе энергосбережения работа осуществляется с одноадресными пакетами. Когда терминал находится в пассивном режиме, возникает проблема принятия сигналов от ТД. Решением этой проблемы является периодическая активация терминала для принятия сигналов от ТД. В этих сигналах ТД сообщает терминалу о том, если для него информация. Активируясь, терминал связывается с ТД и сообщает с каким интервалом будет прослушивать канал связи. Пока терминал находится в спящем режиме, данные для него записываются и хранятся в буфере ТД. Так же после получения подтверждения терминал либо переходит в пассивный режим, либо принимает решение о повторной передаче. Далее на общих основаниях осуществляет доступ к каналу связи. 

1.3.6. Анализ задач, выполняемых на канальном уровне. Выделение типов логических каналов связи (ЛКС), которые будут использоваться на канальном уровне, и краткое пояснение назначения сообщений ЛКС. Способы обеспечения достоверности принимаемых сообщений в каждом ЛКС, анализ необходимости подтверждения доставки сообщений и механизма ARQ в процессе передачи

Рассмотрим логические каналы связи, используемые в данной системе на канальном уровне на основе изложенных ранее сценариев:

1. BCCH (Broadcast Control Channel) - широковещательный канал, предназначенный для неадресной рассылки общей информации о сети. Содержит всю информацию о сети, а также идентификатор точки доступа, предназначенные для всех терминалов, находящихся в зоне обслуживания AP.

2. RACH (Random Access Channel) - канал случайного доступа, за который ведут конкурентную борьбу зарегистрированные в сети терминалы. 

3. AGCH (Access Grant Channel) - канал разрешенного доступа, по которому передаются пакеты оповещения точки доступа, включающие в себя ID терминала, выигравшего конкурентную борьбу, а также время, занимаемое передачей сообщения этого терминала.

4. TCH (Traffic Channel) - предназначен для непосредственной передачи данных, а также передачи пакетов подтверждения передачи или приема. На этот канал отводится до 90% от всей пропускной способности физического канала. 

Для обеспечения достоверной передачи сообщения, требуется введение контроля за правильностью приема. В качестве контролирующего элемента вводится циклический избыточный код CRC-16. Если контрольные суммы принятого пакета L2 не совпадают, то этот пакет считается принятым не правильно. Исходя из этого, канальный уровень формирует ARQ-запрос (автоматический запрос на повторную передачу). Т.к. в пакет L2 уровня включен номер пакета (поле Num, рис. 6), то достаточно запросить только один L2  пакет, а не все сообщение.

 

1.3.7. Проработка протокола передачи данных канального уровня: пояснение правила передачи сообщений различных ЛКС, обоснование структуры полей сообщений канального уровня, построение блок-схем алгоритмов приема/передачи сообщений

Приведем структуру пакета канального уровня  для разрабатываемой сети. Этот пакет будет фиксированной длины вне зависимости от типа передаваемого сообщения.

Рис. 6 - Пакет канального уровня

-       Поле «FL» служит индикатором начала пакета.

-       Поле «Type» содержит информацию об одном из двух типов передаваемого пакета: трафика (111) или служебный (000).

-       Поле «Num» - все передаваемые пакеты получают уникальный номер, чтобы восстановить ошибочную передачу с потерянного пакета.

-       Поле данных «Data field» содержит пользовательскую информацию.

-       Поле «CRC» служит для определения целостности пакета.

-       Поле «Tail» заполняется нулями для обнуления помехоустойчивого декодера для следующего пакета.

 

Рассмотрим примера обработки терминалом произвольного служебного сообщения:

1.     В интервале времени τ1 осуществляется широковещательная рассылка от ТД пакета, содержащего служебную информацию, отраженную в полях пакета канального уровня: поле «Type» - указывает на служебную информацию, а поле «Data field» информирует о том, что канал свободен, разрешена конкурентная борьба. Так как данная рассылка является неадресной, поля адреса заполняются нулями.

2.     В интервале времени τ2 терминалы отправляют служебные сообщения о запросе на предоставление физического канала в свое распоряжение на время передачи, что отражается в «Data field», а поле «Type» в данном случае сигнализирует о том, что данная информация является служебной.

3.     В момент τ3 ТД отправляет служебное сообщение, содержащее информацию о том, какой Т получил доступ к каналу связи и каким Т необходимо готовиться к приему сообщений («Type» - указывает на служебную информацию, а «Data field» - содержит необходимую для терминалов информацию).

4.     В интервале времени τ4 терминал осуществляет передачу пакетов трафика и после этого получает отчета о состоянии доставки от принимающего терминала. («Type» -указывает на то, что данное сообщение является пакетом трафика, а «Data field» - содержит пользовательскую информацию). 

 

1.3.8. Расчет пропускной способности канала трафика, вспомогательных каналов. Оценка требуемой пропускной способности физического канала

По условию ТЗ гарантируемая скорость передачи данных в обоих направлениях 8 Мбит/с. Прибавим ещё 20% от этого значения на CRC, флаги, адреса, номер пакета -получим 9,6 Мбит/с. С учётом помехоустойчивого кодирования (скорость кодирования ½), пропускная способность увеличится в 2 раза -  19,2 Мбит/с. Учитывая защитные интервалы и синхронизацию (10%), то пропускная способность будет равна 20 Мбит/с. Так как это будет 96% от общей пропускной способности, то общая пропускная способность равна 20,8 Мбит/с.

1.4. Обоснование  и  подробное  описание  задач, выполняемых  на  физическом  уровне. Проработка  вопросов, связанных с обеспечением синхронизации сетевых устройств на физическом уровне. Обоснование структуры полей пакета физического уровня

 

Физический уровень  - нижний уровень модели, назначение которого – достоверная передача потока битов поступающего с верхнего (канального уровня). На физическом уровне могут быть реализованы любые технические решения, направленные на повышение достоверности приема битов. В данной системе физический уровень предназначен для передачи данных в направлении терминал-точка и точка-терминал по средствам радиоканала. Основные задачи, выполняемые физическим уровнем:

·         модуляция и демодуляция – заключается в переносе сигнала на несущую радиочастоту для передачи по радиоканалу;

·         помехоустойчивое кодирование и декодирование – необходимо для обнаружения и исправления ошибок, соответственно для повышения помехоустойчивости системы. В разрабатываемой сети будет использоваться совокупность сверточного кодирования с прямой коррекцией ошибок (Forward Error Correction - FEC);

·         перемежение и деперемежение – применяется с целью преобразования групповых ошибок в одиночные ошибки, которые проще исправляются с помощью сверточного кодирования;

·         OFDM-модуляция – предназначена для борьбы с воздействием многолучевого распространения (подробнее будет рассмотрено ниже);

·         синхронизация – обеспечение временной и частотной синхронизации всех узлов сети;

·         проведение радиоизмерений – на основании оценки качества радиоканала будет выбираться определенный профиль передачи данных.

 

Существуют различные способы организации доступа к физической среде. В системе будет использоваться множественный доступ с разделением по времени - TimeDivision Multiple Access или сокращенно TDMA. При таком способе организации узел связи получает доступ ко всему частотному ресурсу на  определенное время.

Для оптимальной передачи данных, система связи должна поддерживать несколько профилей и выбирать оптимальный на основе проводимых радиозмерений. В разрабатываемой сети предполагается использование двух профилей передачи данных:

·         профиль QAM-16 (базовая скорость передачи данных);

·         профиль QAM-32 (увеличенная скорость передачи данных).

 

 

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

 

Многолучевость [7] возникает в том случае, если радиоволны приходят в точку приема, отразившись от различных препятствий на пути распространения. Из-за различия в длине пути эти радиоволны приходят с различным запаздыванием. В результате, если сигналы, пришедшие по разным путям, перекрываются, то между ними возникает интерференция, которая может привести к замираниям результирующего сигнала. В конечном счете, многолучевое распространение сильно увеличивает вероятность битовой ошибки, что ведет к потерям передаваемых данных.

Существуют различные методы борьбы с последствиями многолучевого распространения сигнала. В нашей работе для этих целей будет использоваться технологии мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов OFDM [7] и перемежения потока битов.

В технологии OFDM (рис. 7) частотный диапазон разбивается равномерно между поднесущими (дополнительные несущие), количество которых может доходить до нескольких тысяч. Каждому передаваемому потоку назначается несколько таких поднесущих, т.е. каждый поток разбивается на N поднесущих, которые ортогональны между собой.

Рис 7 – Принцип OFDM-модуляции

 

Для борьбы с помехами в OFDM включён защитный интервал. Это возможно сделать, т.к. быстрый поток данных делится между поднесущими, на каждой из которых скорость подпотока меньше первоначальной. За счёт этого можно выделить отрезок времени, который будет защищать основной сигнал от помех. Обычно в качестве защитного интервала используют так называемый циклический префикс, являющийся копией окончания сигнала размещённой впереди. Это позволяет сохранить ортогональность. Чем дольше защитный интервал, тем в более сложных условиях может передаваться OFDM сигнал.

 

Перемежение [8] 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.

 

1.4.2. Пояснение способа реализации проведения радиоизмерений на физическом уровне

 

Радиоизмерения проводятся при помощи специальной последовательности, включенной в кадр физического уровня, а именно, в его преамбулу. В качестве такой последовательности выбран 11-и позиционный код Баркера [9], так как коды Баркера обладают наилучшими свойствами шумоподобности, среди известных псевдослучайных последовательностей.

Код Баркера [10], представляет собой последовательность значений α_i = ± 1 длинной l ≥ 2, удовлетворяющую условию:

 для всех 1 ≤ k < l.

Для случая l = 11, код Баркера представляет собой следующую последовательность: {+1, +1, +1, +1, +1, -1, -1, +1, +1, -1, +1, -1, +1}.

Рис. 8 – Радиоизмерения

 

Суть радиоизмерений состоит в измерении уровня центрального пика и боковых лепестков АКФ на приемной стороне (рис. 8). В случае, если измеренные параметры обеспечивают необходимое качество передачи, точка доступа переключается на профиль передачи с повышенной скоростью (QAM-32).

 

1.4.3. Проработка структуры радиоинтерфейса L1-уровня, обеспечивающего двусторонний обмен пакетами физического уровня. Проработка профилей физического уровня и сценария их выбора. Определение типов пакетов физического уровня, обоснование структуры полей пакетов каждого типа, оценка размеров полей

 

            Исходя из задач физического уровня, описанных в п. 1.4 предлагается следующая структурная схема радиоинтерфейса (рис. 9). Обеспечение двустороннего обмена пакетами физического обмена достигается использованием двух трактов: приема и передачи. Назначение блоков структурной схемы совпадает с описанием аналогичных задач физического уровня (п. 1.4).

Рис. 9 – Структурная схема радиоинтерфейса

 

А так же, исходя из задач физического уровня, можно представить структурную схему кадра L1 (рис. 10 и 11) для различных профилей передачи. Каждый кадр разделен на временные слоты, в каждом из которых происходит передача сообщений определенного вида. Для обеспечения помехоустойчивости между кадрами вставляется небольшой защитный интервал.

Рис. 10 – Кадр физического уровня для профиля QAM-16

Рис. 11 – Кадр физического уровня для профиля QAM-32

 

Преамбула предназначена для временной и частотной синхронизации, а также для работы подсистемы радиоизмерений. В преамбуле использованы 10 «укороченных» по времени и 2 полных OFDM символов.

Сервисное поле содержит номер используемого профиля передачи (1 бит), а так же адреса отправителя и получателя (2х5 бит). Всего поле содержит 11 бит и передается посредством одного OFDM символа.

Поле данных, поле избыточных битов (вместе составляют информационную часть) необходимы для непосредственной передачи данных и исправления ошибок в процессе передачи. Поле данных содержит пакет L2 объемом 304 бита.  Поле FEC, соответственно, так же занимает 304 бита. В целях упрощения, на рисунках 10 и 11 отображена лишь одна информационная часть. Однако для уменьшения времени передачи в один кадр могут быть включены несколько информационных частей (несколько пакетов L2). В зависимости от профиля передачи количество и объем OFDM символов на информационную часть равняется:

·         для QAM-16: 38 символов по 16 бит (рис. 10);

·         для QAM-32: одна поднесущая кодирует 5 бит информации. Для кратности 5-ти дополним информационную часть 12-ю нулями, следовательно, получим 31 OFDM символ по 20 бит (рис. 11).

Поле служебной информации и преамбула модулируются QAM-16 с целью повышения помехоустойчивости. Модуляция последующих символов зависит от содержания служебного поля.

Сводная таблица проработки профилей передачи будет представлена ниже, после расчета обоих профилей в п. 1.4.8, таблица 3.

Выбор того или иного профиля осуществляется точкой доступа на основании результатов работы подсистемы радиоизмерений (п. 1.4.2). По умолчанию устанавливается профиль с низкой скоростью и высокой помехозащищенностью передачи данных – QAM-16 . Подсистема радиоизмерений осуществляет измерение мощности на входе приемника в каждом подканале, в котором осуществляется передача сообщений. Результаты измерения направляются в блок управления, где происходит сравнение мощности сигнала в подканале со стандартным уровнем мощности. При выявлении улучшения ли ухудшения качества КС уровень принятия решений формирует команду на смену профиля функционирования.

 

1.4.4. Пояснение способа обеспечения частотной и временной синхронизации

 

Для формирования и выделения ортогональных поднесущих в OFDM-системах используется пара преобразований Фурье [11]. Для минимизации влияния эффектов межсимвольной интерференции между отдельными символами вводятся паузы - защитные интервалы. На приемной стороне изначально не известен момент прихода очередного символа. Кроме того, во избежание потери ортогональности поднесущих при демодуляции, требуется точное фазовое и частотное согласование приемника и передатчика во всей полосе принимаемых сигналов. Фазовое и частотное рассогласование обусловлено разбросом и нестабильностью частот опорных генераторов передатчика и приемника при переносе спектра и доплеровским сдвигом (в подвижной связи). Влияние ошибок синхронизации возрастает с ростом числа поднесущих. Поэтому для минимизации фазовых искажений сигнала на приемной стороне, а, следовательно, вероятности ошибки при демодуляции, в OFDM-системах необходима как временная, так и частотная синхронизация. Во временной и частотной областях OFDM–символы представлены дискретными отсчетами; благодаря технической сложности выполнения быстрого преобразования Фурье больших размерностей, количество отсчетов на символ совпадает с количеством поднесущих.

Процесс синхронизации разбивается на следующие этапы [11]:

1.      Временная синхронизация (из сигнала во временной области);

2.      Корректировка смещения по времени (схемотехнически);

3.      Синхронизация по частоте (из сигнала во временной области);

4.      Корректировка смещения по частоте (схемотехнически).

 

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.

 

1.4.5. Оценка пропускной способности физического канала связи с учетом избыточности, вносимой на L1-уровне. Оценка требуемых частотных ресурсов

Оценка пропускной способности физического канала связи, с учетом избыточности вносимой на L1-уровне, была произведена в пункте 1.3.8. На основании полученных в указанном пункте данных оценим минимально необходимую полосу частот:

 

·         для QAM-16, минимально необходимая (эффективная) полоса сигнала:

 

Δf = R / log₂n = 20,8 × 10⁶ / log₂4 = 5,2 МГц

где: R – скорость передачи бит/с, n– кратность модуляции;

 

·         для QAM-32, минимально необходимая (эффективная) полоса сигнала:

 

Δf = 2∙R / log₂n = 2∙20,8 × 10⁶ / log₂5 = 8,32 МГц

где: R – скорость передачи бит/с, n– кратность модуляции.

 

1.4.6. Обоснованный  выбор  частотного  диапазона (на  основании  документов  ГКРЧ); аргументированный выбор модели оценки потерь при распространении радиоволн выбранного диапазона, расчет уровня потерь

 

На основании Постановления Правительства Российской Федерации от 25 июля 2007 г. № 476 ("О внесении изменений в постановление Правительства Российской Федерации от 12 октября 2004 г. № 539 "О порядке регистрации радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств") [6], предусмотрено свободное использование частотного диапазона 2,4 ГГц с мощностью излучения до 100 мВт. Согласно п. 1.4.5 и [6] выберем рабочую полосу частот: 2400 – 2408,32 МГц.

Предполагается, что ТД и терминалы находятся внутри одного офисного здания, в пределах 3 этажей (точка доступа находится на центральном этаже). В качестве модели потерь выбирается ITU – R 1238-8 [12], поскольку она учитывает:

·         потери при многократном прохождении сигнала через пол;

·         поправку на потери при прохождении сигнала через стены и над или через препятствия;

·         другие механизмы возникновения потерь, которые могут возникнуть в пределах одного этажа здания (мебель, различная электроника и т.д.).

Базовая математическая модель [12] потерь имеет вид:

 

L_total = L(d₀) + N log₁₀(d/d₀) + L_f(n) [дБ]

 

где: L(d₀) – потери на заданном расстоянии при идеальных условиях распространения (нормальные условия и абсолютно плоская поверхность), N – дистанционный коэффициент потерь мощности,  d – дальность связи, L_f(n) – коэффициент потерь за счет прохождения сигнала через пол, n – максимальное количество этажей между точкой доступа и терминалами.

 

Согласно [12], возможно использование упрощенной модели, при которой d₀  = 1 м., а L(d₀) = 20 log₁₀f – 28 [дБ]. Тогда модель потерь примет вид:

 

L_total = 20 log₁₀f + N log₁₀d + L_f(n) – 28 [дБ]

 

где: f – частота (МГц), N – дистанционный коэффициент потерь мощности,  d – дальность связи (м), L_f(n) – коэффициент потерь за счет прохождения сигнала через пол (дБ), n –максимальное количество этажей между точкой доступа и терминалами.

 

Таблица 1. Коэффициенты потери мощности, N, используемые при расчете потерь передачи внутри помещения для 2,4 ГГц [12]

Частота	Жилые дома	Офисы
2,4 ГГц	28	30

 

Таблица 2. Коэффициенты потери мощности L_f, при прохождении сигнала через пол для 2,4 ГГц (n = 1) [12]

Частота	Жилые дома	Офисы
2,4 ГГц	10 (квартира), 5 (частный дом)	14

 

Разрабатываемая система передачи, предполагает использование в офисном помещении в пределах 3 этажей (n = 1), соответственно из таблиц 1 и 2 имеем: L_f(n) = 14 дБ, N = 30.

Тогда потери в канале связи:

 

L_total = 20 log₁₀(2400) + 30 log₁₀(80) + 14 – 28 дБ = 110,697 дБ

 

1.4.7.Расчет  отношения  сигнал/шум, требуемого  для  обеспечения  заданной  вероятности  битовой  ошибки для выбранного вида и типа модуляции/демодуляции. Обоснование выбора метода помехоустойчивого кодирования, перемежения/деперемежения, расчет эффективности кодирования. Коррекция данных расчета  отношения  сигнал/шум  с  учетом  метода  помехоустойчивого  кодирования. Окончательная оценка требуемых частотных ресурсов

 

Расчет необходимого отношения сигнал/шум производился в утилите BER Analysis Tool из пакета программ Matlab. Согласно ТЗ необходимо обеспечить вероятность битовой ошибки менее 2×10^-7. В ходе анализа были получены следующие зависимости, для двух видов модуляции:

Рис. 12 – Зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ (без кодирования)

 

Исходя из изображенных графиков (рис. 12), можно сделать вывод, что для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки требуется ОСШ равное:

·         15,1 дБ для профиля QAM-16;

·         18,35 дБ для профиля QAM-32.

Очевидно, что в условиях низкого отношения сигнал-шум данная система будет работать неэффективно. Для увеличения порога ОСШ в системе используется добавление определенной избыточной информации к исходной последовательности [8].

Оценим необходимое для выполнения ТЗ ОСШ, с учетом сверточного кодирования, по умолчанию выставлен порождающий многочленом (171, 133), для двух профилей передачи:

Рис. 13 – Зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ (без кодирования и с применением кодирования)

 

Исходя из изображенных графиков (рис. 13), можно сделать вывод, что для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки требуется ОСШ равное:

 

·         11,3 дБ для модуляции QAM-16, что на 15,1 – 11,3 = 3,8 дБ эффективнее по сравнению с передачей без кодирования;

·         14,35 дБ для модуляции QAM-16, что на 18,35 – 14,35 = 4 дБ эффективнее по сравнению с передачей без кодирования.

 

Перемежение в данной сети используется для обеспечения борьбы с пакетными ошибками.

 

Оценка минимально необходимой полосы производилась в пункте 1.4.5 и коррекции не требует.

 

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

 

Перед началом расчетов зададимся некоторыми параметрами среды и системы:

·         Количество поднесущих OFDM: 64;

·         Коэффициент усиления передающей антенны: G_T = 10 дБ;

·         Коэффициент усиления приемной антенны: G_R = 6 дБ;

·         Цифровое отношение сигнал/шум исходя из п. 1.4.7:

o   для QAM-16 E_b/N₀ = 11,3 дБ;

o   для QAM-32 E_b/N₀ = 14,35 дБ;

·         Затухания в канале связи из п. 1.4.6: L = 110,697 дБ;

·         Скорость передачи данных после кодирования из п. 1.3.8: R_C = 20,8 Мб/с;

·         Шумы каскадов: Nk = 3 дБ;

·         Резерв мощности из-за замираний в канале связи: P_з = 3 дБ;

·         Постоянная Больцмана: k = 1,38 × 10^-23 Дж/К;

·         Шумовая температура (нормальные условия): Т = 296 К.

 

Расчет уровня мощности передачи для профиля QAM-16:

 

Скорость передачи данных по каждому из параллельных каналов OFDM:

R_N = R_C / 64 = 20,8 × 10⁶  / 16 = 3,25 × 10⁵ бит/с = 325 кбит/с

Минимально необходимая полоса пропускания одного OFDM канала:

Δf = R_N / log₂16 = (325 × 10³) / log₂16 = 8,125 × 10⁴ Гц = 81,25 кГц

Шумовая полоса одного OFDM канала:

П_ш = Δf × 1,1 = 8,125 × 10⁴ × 1,1 = 8,938 × 10⁴ Гц = 89,38 кГц

Мощность шума:

P_ш = k ∙ T ∙ П_ш = 1,38 × 10^-23 ∙ 296 ∙ 8,938 × 10⁴ = 3,651 × 10^-16 Вт = -124 дБ

Аналоговое отношение сигнал/шум:

C/N = (E_b / N₀) + 10 log(R_N / П_ш) = 11,3 + 10 log(325 / 81,25) = 16,907 дБ

Чувствительность приемника:

P_прм = P_ш + Nk + C/N = -124 + 3 + 16,907 = -104,093 дБ = 3,9 × 10^-14 Вт

Мощность передатчика (на один канал OFDM):

P_изл = P_прм + Pз + L – G_T – G_R = -104,093 + 3 + 110,697 – 10 – 6 = -6,396 дБ = 0,229 мВт

Суммарная мощность передатчика:

P_излСУМ = 64 × 0,229 = 15 мВт

 

15 мВт < 0,2 Вт что с существенным запасом удовлетворяет требованиям технического задания. 15 мВт < 0,1 Вт что так же, с запасом, удовлетворяет требованиям законодательства РФ [6].

 

Расчет уровня мощности передачи для профиля QAM-32:

 

Скорость передачи данных по каждому из параллельных каналов OFDM:

R_N = 2R_C / 64 = 20,8 × 10⁶  / 32 = 6,5 × 10⁵ бит/с = 650 кбит/с

Минимально необходимая полоса пропускания одного OFDM канала:

Δf = R_N / log₂16 = (6,5 × 10⁵) / log₂32 = 1,3 × 10⁵ Гц = 130 кГц

Шумовая полоса одного OFDM канала:

П_ш = Δf × 1,1 = 1,3 × 10⁵ × 1,1 = 1,43 × 10⁵ Гц = 143 кГц

Мощность шума:

P_ш = k ∙ T ∙ П_ш = 1,38 × 10^-23 ∙ 296 ∙ 1,43 × 10⁵ = 5,8413 × 10^-16 Вт = -122 дБ

Аналоговое отношение сигнал/шум:

C/N = (E_b / N₀) + 10 log(R_N / П_ш) = 14,35 + 10 log(650 / 130) = 20,926 дБ

Чувствительность приемника:

P_прм = P_ш + Nk + C/N = -122 + 3 + 20,926 = -98,074 дБ = 1,56 × 10^-13 Вт

Мощность передатчика (на один канал OFDM):

P_изл = P_прм + Pз + L – G_T – G_R = -98,074 + 3 + 110,697 – 10 – 6 = -0,377 дБ = 1,09 мВт

Суммарная мощность передатчика:

P_излСУМ = 64 × 1,09 = 70 мВт

 

70 мВт < 0,2 Вт что с существенным запасом удовлетворяет требованиям технического задания. 70 мВт < 0,1 Вт что так же, с запасом, удовлетворяет требованиям законодательства РФ [6].

 

Зона покрытия с заданной в ТЗ вероятностью ошибки косвенно устанавливается при расчете затухания в канале связи (п. 1.4.6). Сигнал точки доступа может приниматься и в большем радиусе, однако очевидно, что с увеличением расстояния между терминалом и точкой доступа вероятность ошибки будет так же увеличиваться.

 

Таблица 3. Сравнение профилей передачи QAM-16 и QAM-32

Профиль	Скорость кодирования	Скорость передачи, Мбит/с	Эффективная полоса, МГц	Мощность излучения, мВт	Количество поднесущих	Минимальное ОСШ, дБ
QAM-16	½	20,8	5,2	15	64	11,3
QAM-32	½	40,16	8,32	70	64	14,35

 

 

1.4.9. Построение блок-схем алгоритмов приема/передачи сообщений физического уровня

 

Исходя из всего вышесказанного, предлагается следующие обобщенные алгоритмы приема\передачи сообщений физического уровня:

Рис. 14 – Обобщенный алгоритм приема (слева) и передачи (справа) сообщений физического уровня

 

Разработка более подробного алгоритма будет входить в этап разработки программной модели системы.

 

 

Используемая литература:

1  .  Бакке А.В. "Лекции по курсу: Системы и сети связи с подвижными объектами";

2.    Скляр Б. "Цифровая связь";

3.     Курсовой проект «Локальная радиосеть». Жуков А.Ю.;

4.      Курсовой проект «Локальная радиосеть». Савко Виктор;

5.       Курсовой проект «Локальная радиосеть». Автор неизвестен;

6.   Постановление Правительства Российской Федерации от 25 июля 2007 г. № 476 ("О внесении изменений в постановление Правительства Российской Федерации от 12 октября 2004 г. № 539 "О порядке регистрации радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств");

7.       Статья «Почему в WiMax и LTE используют OFDM». Автор неизвестен;

8.       Набор статей «Технология беспроводного доступа WiMAX. Физический уровень». Автор неизвестен;

9.       Статья «Протоколы беспроводных локальных сетей». Пахомов Сергей;

10.   Статья «Barker Code». Давид Терр, Эрик Вейсштейн;

11.    Алгоритмы синхронизации в OFDM – системах. Автор неизвестен;

12.   Рекомендация ITU-R P.1238-8 от 07/2015.

1.