«Радиосеть управления освещением (ч.2)»

Выполнил ст.гр 218

Курмаев Р.А.

 

Физический уровень

1.4Обоснование 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.

На физическом уровне должна быть обеспечена задача надежной передачи от Пульта управления  к Терминалу  и обратно потока битов, поступающего с канального уровня. Любые технические решения, направленные на повышение достоверности приема битов, могут быть реализованы на физическом уровне. Выполняются следующие функции:

1.        Обеспечение синхронизации.  Поскольку в разрабатываемой нами сети используется метод опроса. То синхронизация  временной шкалы необходима для точного определения момента начала пакета.

2.        Модуляция. Выполняется на физическом уровне при передаче всего сообщения в канал. В наших условиях первоначально  будем склоняться к двухпозиционным видам модуляции – высокая помехоустойчивость, низкая скорость.

 3.        Помехоустойчивое кодирование (Forward Error Correction - FEC);


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

Поскольку в нашей системе  подразумевается, что ТУ и ПУ неподвижны на всем периоде работы сети, а так же мы не используем временного разделения каналов. Можно считать что многолучевость будет оказывать минимальное влияние на работу системы.

Для исключения даже минимального влияния на работу системы. На физическом уровне системы используется битовое перемежение (рис.1). Перемежение позволяет значительно увеличить вероятность исправления битовых ошибок. Данная операция будет производиться непосредственно перед  модуляцией.


Рис.1  Иллюстрация работы побитового перемежения.

1.4.2.Пояснение способа реализации проведения радиоизмерений на физическом уровне.

Радиоизмерения необходимы в случае если в системе используется несколько профилей передачи данных. Поскольку в нашей системе предусмотрен только 1 профиль, то в системе нет нужды для проведения радиоизмерений.

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.

Как было сказано в п.1.4.2 в нашей системе предусмотрен всего 1 профиль передачи данных.

 Обеспечение двустороннего обмена пакетами физического обмена достигается поочередным использованием тракта приема/передачи. Т.е один момент времени только 1 устройство в системе может передавать данные в эфир.

Предлагается следующая структурная схема радиоитерфейса (рис.2)


.  Рис.2 Структурная схема радионтерфейса.

Исходя из задач L1 уровня необходимо представить процесс формирования L1 сообщения в виде диаграммы. (рис.3)

      Рис.3 Диаграмма формирования  L1 сообщения.     

Sync (преамбула) предназначена для обозначения начала передачи пакета

1.4.4. Пояснение способа обеспечения частотной и временной синхронизации.

Поскольку в системе используется метод опроса терминалов, то синхронизация необходима для определения момента начала пакета.

В качестве преамбулы (синхросимволов) будем использовать последовательность символов сгенерированных периодической автокорреляционной  функцией с нулевой зоной автокорреляции(CAZAC последовательность) длинной 16 символов.

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

 Поскольку в техническом задании нам не задана необходимая скорость работы, то зададимся ей сами.

Предположим что система работает идеально и тратит время только на передачу данных по каналу.

 Пусть необходимо за 5 секунд выставить различные параметры освещения на всех светильниках и получить подтверждение. С учетом избыточности получаем 72бит*2*50/5= 3600 бит/сек.

 Исходя из того что основное требование к системе это качество передачи данных то  качестве модуляции в данной системе будем использовать  BPSK.

Δf = 1280 / log2n = 3.6 × 103 /1 = 3.6 кГц

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

Однако в одной территориальной зоне могут работать одновременно несколько подобных сетей. Поскольку предыдущие условие осталось неизменным,  то для обеспечения заданной скорости передачи данных необходим канал Δf*n.  Предположим что в одной зоне работают 100 сетей. Тогда необходимый канал Δf=360 кГц

 

По решению ГКРЧ от 26 сентября 2005 г. N 05-08-04-001 мы можем использовать полосу частот в диапазоне 438-440 МГц с мощностью до 100 мВт. Это внутриофисные локальные радиосети. Разрешается использование только в пределах зданий, сооружений, закрытых промышленных и складских площадках. 

В качестве модели пресказания потерь выберем ITU  R 1238-8

Т.к. данная модель полностью подходит под условия данные в техническом задании.

Модель 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.).

 

N=22 дистанционный коэффициент потерь мощности для офисного помещения;

f = 439 - несущая частота (МГц);

d= 70 м  - расстояние разнесения (м) между базовой станцией и переносным терминалом (где d > 1 м);

Тогда потери в канали связи:

 Ltotal = 20*log(439)+20*log(70)-28 = 61.571 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, расчет эффективности кодирования. Коррекция данных расчета  отношения  сигнал/шум  с  учетом  метода  помехоустойчивого  кодирования. Окончательная оценка требуемых частотных ресурсов.

Расчет необходимого ОСШ выполним в утилите BER Analysis Tool.

В техническом задании нам задана вероятность ошибки  Pb (ОСШ) для BPSK, BPSK c сверхточным кодированием  (рис.4)


Рис.4 Результаты расчета в утилите Bertool.

 Использования сверхточного кодирования (7, [171 133])  дает выигрыш 8.2дБ-6дБ=2.2дБ

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.

Зададимся некоторыми параметрами среды и системы:

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

   для BPSK Eb/N0 = 6 дБ;

·         Затухания в канале связи из п. 1.4.6: L = 61.57 дБ;

·         Скорость передачи данных после кодирования из п. 1.3.8: RC = 360 кб/с;

·         Шумы каскадов: Nk = 10  дБ;

·         Резерв мощности из-за замираний в канале связи: Pз = 7 дБ;

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

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

 

Расчет уровня мощности передачи для системы:

 

Скорость передачи данных в системе:

RN = RC =360 кб/с

             Минимально необходимая полоса пропускания сигнала BPSK:

Δf = RN / log22 = (1.28× 103) / 1 = 360× 103 Гц = 360× 103 Гц 

Шумовая полоса канала BPSK:

Пш = Δf × 1,4= 360× 103 Гц  × 1,1 = 1.408× 103 Гц = 504  кГц

Мощность шума:

Pш = k ∙ T ∙ Пш = 1,38 × 10-23 ∙ 296 ∙ 1.792 × 103 = 2.05 × 10-15 Вт = -146.8 дБ

Аналоговое отношение сигнал/шум:

C/N = (Eb / N0) + 10 log (RN / Пш) = 6 + 10 log(1.28 / 1.4) = 4.54 дБ

Чувствительность приемника:

Pпрм = Pш + Nk + C/N = -132.2 дБ

Мощность передатчика:

Pизл = Pпрм + Pз + L  = -63.6 дБ = 0.43 мкВт

 

0.43 нВт < 0,2 Вт что с существенным запасом удовлетворяет требованиям технического задания.

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


Используемая литература:

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

2.    Скляр Б. "Цифровая связь";

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

4.   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");

5. Tom Richardson «Modern Coding Theory» Cambridge 2012г.