Тема работы: 
«Высокоскоростной радиомост». 
Часть 2. 


Выполнила:
студентка группы 218 
Симонова Юлия



    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 – это нижний уровень модели OSI, необходимый непосредственно для передачи потока данных. На физическом уровне определяются правила взаимодействия двух сетевых объектов, соединенных друг с другом. В нашей разрабатываемой сети физический уровень предназначен для передачи потока битов между двумя терминалами соединенными по топологии точка - точка.

Задачи выполняемые на физическом уровне:
    1. Модуляция и демодуляция. Предназначена для переноса сигнала на заведомо известную несущую частоту и для дальнейшей его передачи по радиоканалу.
    2. Помехоустойчивое кодирование и декодирование. Кодирование требуется для обнаружения и исправления ошибок, возникающих при передаче, путем добавления избыточности в информационную последовательность. В данной системе будем использовать сверточное кодирование. Сверточное кодирование является мощным средством борьбы с одиночными ошибками, но не обеспечивает их обнаружения. Решить эту проблему можно путем применения прямой коррекции ошибок (Forward Error Correction - FEC) или предоставить это канальному уровню, так как на канальном уровне происходит подсчет контрольных сумм. Скорость кодирования будем выбирать исходя из необходимого вида модуляции и скорости передачи данных.
    3. Синхронизация. Она необходима для того, чтобы передающий терминал мог передать сигнал принимающему терминалу, а принимающий терминал знал, когда начать прием поступающих данных. Наиболее важным типом синхронизации для сети является частотная синхрониза­ция (ЧС). Она означает, что все генераторы сети работают с одинаковой частотой, скорость передачи цифровой информации равна скорости приема, в результате чего в системе связи нет потерь информации. Временная синхронизация (ВС) или синхронизация по времени предусматривает, что все устройства в сети имеют единое время. Следует отметить, что ВС представляет собой совершенно независимую от частотной синхронизации задачу. В нашей сети синхронизация будет осуществляться с помощью добавления преамбулы к передаваемому сообщению (подробнее о синхронизации с помощью добавления преамбулы изложено в пункте 1.4.4). 
    4. Сборка/разборка пакетов. Это блок будет осуществлять накопление битов в пакеты для последующей передачи.
    5. OFDM-модуляция. Необходима для борьбы с возможным возникновением межсимвольной интерференции и для противостояния сложным условиям передачи, которые могу возникнуть в канале. 
    6. Проведение радиоизмерений. На основании оценки качества радиоканала будет выбираться определенный профиль передачи данных.
        1.4.1 Анализ и обоснованный выбор мер по защите физического уровня от многолучевости. 

    Многолучевость – эффект, наблюдаемый при распространении сигналов, возникающий при условии существования в точке приёма радиосигнала не только прямого, но и ещё одного или нескольких отражённых лучей (от земной поверхности, строений и других объектов). Многолучевость присутствует в большинстве радиолиний и может вносить погрешности, искажающие определение параметров радиосигнала. Явление многолучевости может вызвать изменение амплитуды, фазы и угла прибытия, что приводит к замираниям. Это основная проблема систем подвижной связи, решаемая на физическом уровне, поэтому очень важно грамотно применить меры по защите от многолучевости. 

    В качестве методов борьбы с многолучевостью можно использовать:
  • Разнесение по времени, по частоте и в пространстве;
  • Помехоустойчивое кодирование с премежением;
  • Сигналы с расширенным спектром – технологии DSSS и FHSS;
  • Особый вид модуляции - технология OFDM.
    Согласно техническому заданию в нашей работе при разработке сети как средство борьбы с многолучевым распространением сигнала будет использоваться технология OFDM вместе с помехоустойчивым кодированием, что позволит в большей степени избежать ошибок при передаче данных.

    OFDM — тип модуляции, при которой высокоскоростной поток данных разделяется на несколько относительно низкоскоростных потоков, каждый из которых передается на отдельной поднесущей с последующим объединением данных. Каждая из поднесущих модулируется независимо, таким образом формируется одновременная передача нескольких параллельных каналов. Одно из преимуществ OFDM заключается в том, что с изменением вида модуляции каждой из поднесущих появляется возможность адаптации к параметрам канала связи (т.е. при наличии помех скорость уменьшается, а при их отсутствии или снижении уровня помех, соответственно, увеличивается). Кроме того, некоторые из поднесущих можно отключать, если в этих частотных диапазонах имеются, к примеру, импульсные помехи. Возможности адаптации к параметрам канала и условиям передачи, заложенные в OFDM-методе, обеспечивают его высокую помехоустойчивость и надежность. 

Рисунок 5 - Спектр радиосигнала с одной несущей (а) и OFDM (б)

    1.4.2 Пояснение способа реализации проведения радиоизмерений на физическом уровне. 

    На основе пункта 1.3.4 радиоизмерения будут проводиться на физическом уровне каждым из терминалов во время передачи данных. Радиоизмерения будут основаны на измерении соотношения пика автокорреляционной функции к ее лепесткам. Для этой задачи оптимально применение корреляционного приема. Чем сложнее полезный сигнал, тем эффективнее корреляционный прием. Для корреляционного приема и последующей оценки автокорреляционной функции используются специальные сигналы, у которых самое больше отношение пика АКФ к ее боковым лепесткам. В нашей работе будет использоваться одиннадцатипозиционный сигнал Баркера, так как сигналы такого типа обладают наилучшими свойствами шумоподобности среди известных псевдослучайных последовательностей.
    Радиоизмерения будут проводиться постоянно - это позволит оперативно реагировать на изменения помеховой обстановки. По умолчанию терминалы работают в низкоскоростном, но самом помехозащищенном BPSK-режиме. Подсистема радиоизмерений отправляет служебные сообщения, содержащие в своем составе информацию о проведенных радиоизмерениях, на сетевой уровень. На сетевом уровне полученные данные анализируются и принимается решение об изменении профиля передачи в пользу более высокоскоростного режима, и отправляется служебное сообщение, после получения которого терминал меняет вид модуляции согласно принятому уведомлению. Изменение профиля выполняется поэтапно, с BPSK на QPSK, и далее на QAM-16. При ухудшении качества связи происходит обратное изменение в пользу более помехозащищенного режима: с QAM-16 на QPSK, а затем, если качество связи не удовлетворяет норме, на BPSK. 
    Как правило, изменение профилей передачи будут проходить в начале кадра на этапе синхронизации и обмена запросами на передачу, поэтому к моменту передачи данных оба терминала будут использовать наиболее подходящие под текущие условия профили передачи. Если в процессе передачи информации одним из терминалов будет зафиксировано снижение качества канала, то к следующему кадру терминал-обнаружитель сообщит о необходимости изменения профиля передачи другому терминалу и сам сменит тип модуляции.
    Таким образом во время сеанса связи происходит адаптивный анализ анализ качества связи и своевременное принятие мер по поддержке стабильной передачи данных.
        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. 

    Организация радиоинтерфейса: интервалы времени передачи данных от терминалов представляют собой мультикадр, каждый из которых разбивается на некоторое количество кадров. В рамках одного кадра происходит передача широковещательной информации, устанавливается синхронизация, передача данных и передача пакета подтверждения. Соответственно, каждый кадр разделен на временные слоты, в каждом из которых происходит передача сообщений определенных типов одним из терминалов. Количество временных слотов отображено на рисунке 7 пункта 1.3.3 работы.

    В нашей работе возможно использование трёх профилей передачи данных:
  1. С использованием BPSK модуляции;
  2. С использованием QPSK модуляции;
  3. С использованием QAM-16 модуляции.
    Профиль передачи (1) будет использоваться для передачи служебных сообщений в сети, так как важна не столько скорость передачи, сколько высокая достоверность передаваемой служебной информации.
    Профили (2,3) будут использоваться для передачи трафика, так как если был осуществлен переход на эти профили, то состояние канала позволяет передавать данные с высокой скоростью.
    В общем виде пакет физического уровня будет выглядеть следующим образом (рис. 6). В его состав будет входить преамбула, использующаяся для частотной и временной синхронизации в сети, служебное поле "Service", несущее в себе информацию о профиле передаваемой информацию и длине этого сообщения, и непосредственно поле, содержащее данные канального уровня.

Рисунок 6 – Структура пакета физического уровня 

    Так как  в разрабатываемой сети будет использоваться несколько типов сообщений канального уровня (пункт 1.3.7), при неизменной общей структуре сообщения физического уровня меняться будут только размеры полей "L2 Data" и "FEC" в зависимости от типа сообщения канального уровня (рис. 7,8,9).

Рисунок 7 - Структура пакета физического уровня для BCCH.


Рисунок 8 - Структура пакета физического уровня для SDCCH.


Рисунок 9 - Структура пакета физического уровня для сообщения трафика.

    Поле преамбулы используется для частотной и временной синхронизации при передаче информации с помощью технологии OFDM и будет передаваться десятью укороченными символами для грубой временной и частотной синхронизации и двумя длинными символа для точной синхронизации, поле "Service" используется для передачи информации о передаваемом сообщении канального уровня (там будет передаваться информация о профиле передачи (2 бита), длине сообщения (6 бит) и нулевые биты (6 бит) для сброса сверточного декодера), поле данных с канального уровня, имеющее переменную длину в зависимости от типа передаваемого сообщения, и последним является поле "FEC" - поле содержащее в своём составе такое количество битов что и поле данных L2 уровня для помехоустойчивого кодирования со скоростью 1/2, то есть на каждый информационный бит сообщения приходится один бит избыточности.

Рисунок 10 - Структура поднесущих OFDM. 

    На рисунке 10 изображена структура поднесущих одного OFDM-символа. Всего будет 64 поднесущих, из которых 4 отводятся под пилот-сигналы использующиеся для восстановления формы сигнала, 11 отведены под защитный интервал, а данные передаются на 48 поднесущих.
На один символ модуляции приходится: BPSK - 1 бит, QPSK - 2 бита, QAM-16 - 4 бита, на одну поднесущую будет отводиться один символ модуляции, таким образом вычислим количество бит приходящихся на одну поднесущую OFDM:
  • BPSK - 48 бит, из которых 24 отводятся под передачу данных
  • QPSK - 128 бит, из которых 64 отводятся под передачу данных
  • QAM-16 - 256 бит, из которых 128 отводятся под передачу данных.
        1.4.4 Пояснение способа обеспечения частотной и временной синхронизации 
    В нашей работе обговариваются два типа синхронизации: первый - когда двум терминалам необходимо видеть, что они оба подключены к сети и соответственно каждый знает об этом, второй - это непосредственная синхронизация при передаче OFDM-сигнала. В этом пункте работы речь пойдет о втором типе синхронизации.
    Чтобы обеспечить высокую помехоустойчивость при приёме данных, передаваемых с помощью OFDM, необходима синхронизация во временной области и по частоте. Алгоритмы синхронизации во временнoй области требуют бoльших аппаратных затрат и позволяют добиться менее высокой точности оценок, из-за чего они применяются лишь на этапе грубой оценки временнoго и частотного рассогласования, а для точной оценки следует использовать алгоритмы, функционирующие в частотной области [5].
    Для грубой частотной и временной синхронизации, а так же обнаружения OFDM-сигнала и настройки АРУ используются укороченные OFDM-символы преамбулы, а для точной частотной подстройки приемников и оценки канала связи используются 2 длинные настроечные последовательности, которые передаются двумя OFDM-символами также в составе преамбулы, но после укороченных последовательностей [10].
        1.4.5 Оценка пропускной способности физического канала связи с учетом избыточности, вносимой на L1-уровне. Оценка требуемых частотных ресурсов.

    Оценка пропускной способности с учётом вносимой на физическом уровне избыточности проводился в пункте 1.3.8 работы и составляет 11,9 мбит/c.
    На основании расчетов проведённых в пункте 1.3.8 данной работы найдем эффективную полосу частот физического канала для различных профилей передачи по формуле Δf = R / log2n, где за R примем общую пропускную способность физического уровня, а n - кратность модуляции, которую равняется 2 для BPSK, так как при плохом качестве канала вся информация будет передаваться с BPSK-модуляцией.
    Таким образом минимальная занимаемая полоса частот:

    Δf = R / log2n = 11,9 / 1 = 11,9 МГц. 

    Ширину занимаемой полосы одним OFDM символом найдем, как ΔfOFDM Δf / m * M, где m - количество информационных OFDM поднесущих, М - общее количество OFDM поднесущих. Тогда:

    ΔfOFDM = 11,9 * 106 / 48 * 64 = 15,87 МГц.
   
        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"), предусмотрено свободное использование частотного диапазона 2,4 ГГц только при высоте установки радиоэлектронных средств не более 10 м от поверхности земли. 
Согласно Постановлению и п.1.4.5 выберем рабочую полосу частот при центральной частоте 2450 МГц: 2444,05 – 2455,95 МГц.
    Предполагаем, что терминалы находятся в плотной городской застройке. В качестве модели потерь выберем модель для широкополосных систем связи 3-го поколения: она подходит для использования в нашей сети, потому что у нас небольшая зона радиопокрытия в условиях городской застройки, вследствие чего расстояние между терминалами меняется в пределах километра, что не совсем подходит для использования других моделей оценки потерь.
    Математическая модель имеет вид:
L = 49 + 40 lg R + 30 lg f0, где R - расстояние между терминалами, f0 - несущая частота.
    Для расчёта расстояние между терминалами выберем равным 0,3 км. В таком случае получим:
L = 49 + 40 lg (0,3) + 30 lg (2450) = 129,76 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.

    Для расчета ОСШ, требуемого для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки, используем утилиту BER Analysis Tool, входящую в состав пакета прикладных программ MATLAB. По техническому заданию необходимо обеспечить вероятность ошибки на бит не более, чем 10-7. В результате исследования были получены графики, представленные на рисунке 11.



Рисунок 11 - Зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ без кодирования.

    Основываясь на полученном графике, можно сделать вывод, что для обеспечения заданной ошибки необходимое ОСШ составит:

11,285 дБ для BPSK;
11,285 дБ для QPSK;
15,18 дБ для QAM-16.
    Для увеличения порога ОСШ добавим избыточность посредством сверточного кодирования.




Рисунок 12 - Зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ без кодирования и с учетом сверточного кодирования.

    Основываясь на новых данных, сделаем вывод, что для обеспечения заданной ошибки необходимое ОСШ теперь составит:


7,762 дБ для BPSK;
7,762 дБ для QPSK;
11,35 дБ для QAM-16.
    Сравнив необходимый уровень ОСШ для профилей с кодированием и без становится очевидно, что профиль с кодированием дает выигрыш почти в 4 дБ.

        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.
Проведем расчет уровня мощности передатчика и его излучения при BPSK-модуляции:
Минимальную полосу пропускания определим из канальной скорости передачи данных и количества OFDM поднесущих, использующихся для передачи данных.
R = 11,9 Мбит/с - исходная скорость передачи, полученная в пункте 1.3.8 работы;
     n = 171 - общее количество символов на выходе кодера;
     k = 133 - количество информационных символов кода.
Тогда скорость на выходе помехоустойчтвого кодера:
R= (n / k) * R = (171 / 133) * 11,9 * 10 ^ 6 =  15,3 Мбит/с.
Скорость передачи по радиоканалу получим, разделив скорость на выходе помехоустойчивого кодера по числу OFDM поднесущих, использующихся для передачи данных:
RN = Rc / 48 = 15,3 * (10 ^ 6) / 48 = 318,8 кбит/с.
Теперь мы можем определить эффективную полосу пропускания:
Δf = R/ log2(2) = 318,8 * (10 ^ 3) / 1 = 318,8 кГц.
Шумовая полоса приемника:
Пш = Δf * 1,1 = 318, 8 * (10 ^ 3) *1,1 = 350,6 кГц.
Мощность шума на выходе приемника определяется как: Pш = k * T * Пш, где k = 1,38 * (10 ^ (-23)) Дж/К - постоянная Больцмана, T = 296 К - шумовая температура.
Pш k * T * Пш 1,38 * (10 ^ (-23)) * 296 * 350,6 * (10 ^ 3) = 1432 пВт = -148,44 дБ.
Для расчета аналогового ОСШ нам потребуется значение ОСШ, полученное в пункте 1.4.7 (для BPSK - Eb/N0 = 7,762 дБ):
C/N = Eb/N+ 10 * lоg (R/ Пш) = 7,762 + 10 * log (318,8 * (10^3) / (350,6 * (10^3))) = 7,348 дБ.
Коэффициент шума первых каскадов приемника примем равным Nk = 2. Тогда чувствительность приемника:
Pпрм = Pш + Nk + Eb/N= -148,44 + 2 + 7,348 = -132,678 дБ.
Мощность излучения подвижной станции расчитаем по формуле: Pизл = Pпрм + L - GT - G, где L - затухание в радиоканале (посчитано в п.1.4.6), GT и Gкоэффициенты усиления передающей и принимающей антенн. Примем их равными меж собой и GT = G= 10 дБ. Получим:
Pизл = Pпрм + L - GT - G-132,687 + 129,76 - 10 - 10 = -28,918 дБ = 1,283 мкВт.
Суммарная излучаемая мощность (с учетом 48 информационных поднесущих и 4 пилот-сигналов):
∑Pизл = Pизл * 52 = 1,283 * 10^(-6) * 52 = 66,71 мкВт.
Проведем аналогичные расчеты при QPSK-модуляции:
    R= (n / k) * R = (171 / 133) * 11,9 * 10 ^ 6 =  15,3 Мбит/с;
    RN = Rc / 48 = 15,3 * (10 ^ 6) / 48 = 318,8 кбит/с;
    Δf = R/ log2(4) = 318,8 * (10 ^ 3) / 2 = 159,4 кГц;
    Пш = Δf * 1,1 = 159,4 * (10 ^ 3) *1,1 = 175,3 кГц;
    Pш k * T * Пш 1,38 * (10 ^ (-23)) * 296 * 175,3 * (10 ^ 3) = 71,61 фВт = -151,45 дБ;
    C/N = Eb/N+ 10 * lоg (R/ Пш) = 7,762 + 10 * log (318,8 * (10^3) / (175,3 * (10^3))) = 10,358 дБ;
    Pпрм = Pш + Nk + Eb/N= -151,45 + 2 + 7,348 = -141,688 дБ;
    Pизл = Pпрм + L - GT - G-141,688 + 129,76 - 10 - 10 = -31,928 дБ = 64,15 мкВт;
    ∑Pизл = Pизл * 52 = 64,15 * 10^(-6) * 52 = 3,3358 мВт.
И для QAM-16 модуляции:
    R= (n / k) * R = (171 / 133) * 11,9 * 10 ^ 6 =  15,3 Мбит/с;
    RN = Rc / 48 = 15,3 * (10 ^ 6) / 48 = 318,8 кбит/с;
    Δf = R/ log2(16) = 318,8 * (10 ^ 3) / 4 = 79,69 кГц;
    Пш = Δf * 1,1 = 79,69 * (10 ^ 3) *1,1 = 87,66 кГц;
    Pш k * T * Пш 1,38 * (10 ^ (-23)) * 296 * 87,66 * (10 ^ 3) = 35,81 фВт = -154,46 дБ;
    C/N = Eb/N+ 10 * lоg (R/ Пш) = 11,35 + 10 * log (318,8 * (10^3) / (87,66 * (10^3))) = 16,957 дБ;
    Pпрм = Pш + Nk + Eb/N= -154,46 + 2 + 11,35 = -141,11 дБ;
    Pизл = Pпрм + L - GT - GR = -135,11 + 129,76 - 10 - 10 = -31,35 дБ = 73,27 мкВт;
    ∑Pизл = Pизл * 52 = 73,27 * 10^(-6) * 52 = 3,81 мВт.
Согласно ТЗ, излучаемая мощность не должна превышать 0,5 Вт. Наибольшую излучемую мощность имеет QAM-16 модуляция: 3,81 мВт. 
3,81 мВт < 0,5 Вт, что соответствует ТЗ.
Оценим область уверенного приема в 80% точек. Для этого воспользуемся формулой:
, где W - функция Лапласа от ((100 - XL)/100), σ - дисперсия по местоположению, n - коэффициент потерь, r50 - радиус зоны радиопокрытия, при котором обеспечивается уверенный прием в 50% точек наблюдения. В свою очередь, по ТЗ X= 80%. В таблице функций Лапласа найдем значение, ближайшее к ((100 - 80) / 100) = 0,2 и получим W = 0,53. Примем σ = 10 и n = 5, так как по ТЗ наша сеть находится в плотной городской застройке. 
    r50 определим по графику, приведенному на рисунке 13.

Рисунок 13 - Определение площади уверенного приема.
Для определения r50 нам потребуется отношение σ/n. Рассчитаем: σ/n = 10 / 5 = 2. 
    Из графика получаем r50 = 0,78. Теперь вычислим площадь уверенного приема в 80% точек:
r80 = (10 ^ ((-0,53 * 10) / (10 * 5))) * 0,78 = 0,611 км.

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

 


Рисунок 14 - Алгоритмы передачи (А) и приёма (Б) сообщений.




        Список используемой литературы:


1. Бакке А. В. "Лекции по курсу: Системы и сети связи с подвижными объектами"
2. Скляр Б. "Цифровая связь"
3. OFDM
4. Беспроводные сети
5. Синхронизация OFDM-сигналов во временной и частотной областях
6. Исправленная часть 2. Локальная радиосеть (физический уровень)7
7. КП на тему "Локальная радиосеть" п. 1.6-1.7 (часть №3)
8. Радиосеть передачи данных. Часть 3
9. КП "Локальная радиосеть".Часть 3
10. Методические указания к лаб. работе по спецификации 802.11а