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

Для начала стоит дать краткое описание физического уровня:                   

Физический уровень модели OSI (Open Systems Interconnection) (Рисунок 1) предназначен для непосредственной передачи данных, поступающих из канального уровня, по физической среде и настройке различных параметров передачи.      На этом уровне определяются следующие характеристики сетевых компонентов: типы соединений сред передачи данных, физические топологии сети, способы передачи данных, виды синхронизации передаваемых данных, разделение каналов связи с использованием частотного или временного мультиплексирования.                    

Физический уровень может включать  механизмы синхронизации, которые не играют какой-либо роли для верхних уровней сигнализации, так как эти механизмы полностью зависят от аппаратного обеспечения конкретного производителя.                                                                                 

Первый уровень модели OSI не владеет информацией о типе данных, о форматах и не способен различать данные пользователя и сигнализацию. Эта особенность, в частности, отличает физический уровень от всех других. Данные, принятые из физической среды, передаются первым уровнем ко второму без дополнительной проверки на наличие ошибок. Каждый пакет для физического уровня состоит только лишь из неорганизованных битов.              

В действительности, функции и задачи физического уровня полностью зависят от конкретной реализации определенного интерфейса. Причем каждый интерфейс может быть реализован на различных технологиях передачи.

 

Рисунок 1 − Уровни модели OSI

 

 

 

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

Под многолучевостью понимается явление, которое возникает в результате распространения одной и той же радиоволны по разным траекториям и вызывает интерференцию в точке приёма. Стоит сказать, что это главная проблема систем подвижной связи, которая решается на физическом уровне. Поэтому очень важно грамотно применить меры по защите физического уровня от многолучёвости.

Применим к нашей системе следующие защитные меры.

Так как в техническом задании к данной работе указано, что рекомендуемой технологией передачи является OFDM, то будем использовать ее и в качестве средства борьбы с многолучевостью. Идея данного метода заключается в следующем: передаваемый поток символов делится на группы и параллельно передается по нескольким каналам - путем модуляции нескольких несущих. Число этих несущих выбирается так, чтобы необходимым образом сократить скорость передачи информации на каждой отдельной несущей. В результате достигается главное - на передачу одного символа на каждой отдельной несущей может быть отведено большее время. Настолько большее, чтобы сделать передачу каждого символа независимой от наличия отраженных сигналов, обусловленных так называемым «многолучевым» распространением радиоволн. 

Применение данной технологии в нашей системе изменит структуру символа, а также внесет дополнительную избыточность по частоте, а именно: не все поднесущие в составе OFDM-символа содержат информационную нагрузку, как, скажем, пилот-сигналы, но для их передачи все равно будет затрачиваться частотный и энергетичесий ресурс.

Кроме средств борьбы с многолучевостью уместно применение мер, снижающих последствия её возникновения. К ним можно отнести помехоустойчивое кодирование. Его суть заключается в том, что на передающей стороне добавляются избыточные биты, позволяющие исправить возникающие в канале ошибки на приёмной стороне.

Выберем примитивный блочный код Коды Боуза — Чоудхури — Хоквингема (БЧХ) 63/57. Он является очень мощным алгоритмом циклического кодирования, который при заданном ОСШ позволяет значительно сократить вероятность ошибки.

Применение блочного кода отразится на структуре сообщений физического уровня, а именно внесёт дополнительную избыточность – поле FEC. Это можно пронаблюдать в соответствующем пункте данного сообщения (1.4.3).

Ø 1.4.2  Пояснение способа реализации проведения радиоизмерений на физическом уровне

В нашей системе проведение радиоизмерений на физическом уровне необходимо для решения двух задач:

1. передача обслуживания при назначении транзитного терминала; в данном случае оценка канала будет необходима для принятия решения о режиме работы,  в котором будет функционировать терминал (режим прямого или удалённого доступа); это осуществляется для реконструкции сети ("Компактная сеть радиодоступа-ч.2-канальный уровень");

2. изменение уровня мощности для обеспечения энергосбережения,  для достижения уверенного приёма и  для предотвращения переусиления (необходимо найти компромиссное решение для этих условий).

Ввиду использования в нашей системе OFDM проведение радиоизмерений целесообразно проводить, используя особенности этой технологии, а именно, пилот-сигналы (рисунок 2 – поднесущие красного цвета). Структура OFDM символа, содержащего информационные поднесущие (оранжевые), пилот-сигналы (красные) и защитные интервалы изображена на рисунке 2.

 

                                Рисунок 2 – Структура OFDM символа до прохождения канала связи

После прохождения по каналу связи с АЧХ, представленной на рисунке 3,  в OFDM символ вносятся искажения (рисунок 4)

Рисунок 3 – АЧХ канала связи

 

Рисунок 4 – OFDM символ после прохождения канала связи

 

После приёма OFDM символа и проведения эквалайзинга с использованием пилот-сигналов (рисунок 5) измеряется  их уровень (после проведения эквалайзинга уровень пилотов будет одинаковым).  До IFFT (ОБПФ) выделяется одна из поднесущих, содержащая пилот-сигнал. Затем отдельно для этой поднесущей производится ДПФ, после чего оценивается уровень пилот-сигнала.

 

 

Рисунок 5 − OFDM символ после эквалайзинга

 

 

Ø 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

        Радиоинтерфейс, обеспечивающий обмен пакетами физического уровня, представлен на Рисунке 6.

Рисунок 6 – Радиоинтерфейс L1уровня

 

 Работу нашей системы можно охарактеризовать, основываясь на представленную выше схему. Сообщение, полученное с канального уровня (любой вид сообщения, кроме видео, проходит через канальный уровень для добавления паритета), сначала подвергается кодированию БЧХ. На этом этапе в сообщение вводится избыточность размером в 6 бит (так как размер сообщения L2 уровня сопоставим с 2^6=64, то выбран код позиционностью 6).

Следующим шагом производится модуляция 8-PSK. Выбор вида модуляции обусловлен несколькими факторами:

- восьмая позиционность модуляции удобна для формирования OFDM символа нужной размерности. Так как при формировании и демодуляции OFDM символов применяются БПФ и ОБПФ, то количество поднесущих должно являться степенью двойки, а длина сообщения после блочного кода равна 63 битам. В структуре OFDM символа необходимо использовать пилот-сигналы и защитные интервалы, соответственно, модуляция восьмой позиционности будет удовлетворять данному условию, а также обеспечивать большее количество информационных поднесущих;

- данный вид модуляции имеет достаточный уровень помехозащищенности;

- использование модуляции восьмой позиционности позволяет  добиться оптимального соотношения скорость передачи/необходимая полоса частот.

После модуляции из 8-PSK-символов формируются OFDM-символы в частотной, а затем и во временной области. После ОБПФ перед началом OFDM символа добавляется циклический префикс, представляющий собой последовательность из последней четверти OFDM символа во временной области. Поясним необходимость в наличии циклического префикса (рисунок 7,8).

1.     Использование циклического префикса нарушает условие ортогональности (разнос сетки частот не равен скорости манипуляции), но после его удаления на приеме это условие восстанавливается. Соответственно, нелинейность, которая накладывается в канале связи, после удаления циклического префикса на приемной стороне будет иметь другой характер, что, в свою очередь, приводит к уменьшению искажений;

2.     при использовании префикса искажения будут накладываться на него, а сам символ будет принят с гораздо меньшими искажениями.

3.     выделение комплексной огибающей упрощается за счет явной корреляции циклического префикса с самим OFDM символом. Кроме того, благодаря корреляции, можно обеспечивать тактовую синхронизацию.

 

Параллельно с процессом формирования OFDM символа происходит формирование преамбулы, которая позволяет обеспечить временную синхронизацию. Преамбула состоит из двух OFDM (рисунок 7) символов той же длины, что и у символа, который переносит информационное сообщение.

Преамбула добавляется перед циклическим префиксом первого OFDM символа.

Полученная символьная последовательность передается в радиоканал.           

Процедура приёма протекает в обратном порядке.

 

Назначение радиоизмерений предполагает возможность оперативного реагирования на изменение качества сигнала в радиоканале. К методам такого реагирования можно отнести: изменение профиля физического уровня, изменение уровня мощности сигнала, ретрансляция. Функционирование нашей сети не предполагает наличие различных профилей. Это связано со следующими причинами:

- рассмотренный ранее канальный уровень уже предусматривает наличие механизмов оперативного реагирования на высокую вероятность ошибки при приёме, а именно, назначение транзитного терминала("Компактная сеть радиодоступа-ч.2-канальный уровень");

- передача по сети видеопотока ограничивает скорость передачи снизу, а установленный в техническом задании порог – сверху, поэтому  для нормальной передачи видеопотока становится невозможным применение разных профилей;

- разрабатываемая сеть функционирует внутри помещения, и радиус её зоны покрытия равен 50 метрам, поэтому можно предположить, что в такой ситуации маловероятно резкое изменение качества канала.

 На Рисунке 7 изображена структура сообщений физического уровня.

 

Рисунок 7 – Структура сообщений физического уровня

 

В составе  сообщений физического уровня содержатся следующие поля:

- преамбула (описана выше), отвечающая за временную синхронизацию;

- циклический префикс (описан выше);

- пакет L1 уровня, который представляет собой OFDM символ, длиной 2,84 мкс. Пакет состоит из полей:

- добавочные биты (для кратности 3, так как  в технологии 8 –PSK 1 символ содержит 3 бита);

-  Data - ранее сгенерированное сообщение L2-уровня;

- FEC – поле, отвечающее за помехоустойчивое кодирование БЧХ (избыточность кода БЧХ).

 

Рисунок 8 –Структура OFDM-символа

 

Структура OFDM символа представлена на Рисунке 8. 22 поднесущих используются для передачи  информации, 5 пилот – сигналов для оценки АЧХ канала связи и 5 защитных интервалов. Количество поднесущих равно 32 (для возможности применения БПФ). Данный рисунок описывает как частотную структуру, так и временную структуру OFDM символа. По временной шкале показан первый OFDM символ, циклический префикс второго OFDM символа (выделен серым) и второй OFDM символ.

 

Ø 1.4.4 Пояснение способа обеспечения частотной и временной синхронизации

         В системах подвижной радиосвязи применяется частотная и временная синхронизация. В целом принципы синхронизации призваны обеспечить работу цифровых систем сети в единых временных интервалах. Сбои в синхронизации могут привести к снижению качества предоставляемых услуг.

Частотная синхронизация: за определённый промежуток времени различные сигналы имеют одинаковое число импульсов. Она не зависит от последовательности импульсов, а также от времени начала и конца каждого импульса. Ввиду использования технологии OFDM обостряется необходимость в использовании методов частотной синхронизации. Свойства канала связи могут приводить к смещению частоты. Так как различные радиосимволы расположены на разных частотах, а смещение на разных частотах происходит неравномерно (как при эффекте Допплера), по причине этого может произойти наложение символов в частотной области. Использование циклического префикса, описанного в пункте 1.4.3, позволяет как предотвратить наложение, так и выделить комплексную огибающую для приема OFDM символа.

Временная синхронизация означает, что различные сигналы имеют одинаковую частоту и фазу и импульсы в сигналах появляются в той же последовательности. Для временной синхронизации используется два OFDM –символа стандартной длины (Рисунок 7).

Тактовая синхронизация после осуществления временной синхронизации выполняется благодаря взаимной корреляции между циклическим префиксом и OFDM символом. 

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

 Из расчёта пропускной способности, приведённого в пункте 1.3.8 статьи     «Компактная сеть радиодоступа -(ч.2)  - канальный уровень», имеем:

Информационная емкость кадра=127 872 бит. Откуда, определив время, выделяемое на один кадр, можно рассчитать окончательную пропускную способность.

·        длина OFDM символа = 28,4 мкс.

·        количество пакетов L1 уровня в кадре = 1998 (Канальный уровень)

·        циклический префикс длиной =7,1 мкс добавляется перед каждым пакетом L1 уровня.

·        перед передачей любым элементом сети (не учитывая регистрацию) добавляется 2 OFDM символа преамбулы, то есть в кадре будет 4*2=8 OFDM символов преабулы длительностью 28,4 мкс.

 

    Пропускная способность R=127872/((1998*28,4+1998*7,1+8*28,4)*10^-6)=1797060,55 бит/сек=1.797Мбит/c

Для реализации требуемой пропускной способности с учётом вида модуляции приведена формула расчёта минимально занимаемой полосы радиочастот:

П=R/ln2(n)=1797061/ln2(8)=599020Гц=599кГц, где n позиционность PSK-модуляции, R-скорость передачи.

Учитывая структуру OFDM-символа, получаем:

=599/22*32=872кГц – ширина полосы OFDM символа.

 

 

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

   Согласно Постановлению 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"), пользовательскому (оконечному) оборудованию радиодоступа (беспроводного доступа) с мощностью излучения передающих устройств до 100 мВт включительно разрешено работать в полосе радиочастот 2400-2483,5 МГц.

 На основании данного Постановления и рассчитанной ранее минимально занимаемой полосы радиочастот имеем при центральной частоте f0 равной 2450МГц fв=2450,436 МГц и fн=2449,564МГц.

Для оценки  потерь при распространении радиоволн была выбрана модель ITU-R 1238. Это связано с тем, что она отражает величину ослабления радиосигнала внутри замкнутого помещения, в нашем случае – внутри жилого дома. Параметры модели приведены на Рисунке 9.

Рисунок 9 – Параметры модели ITU-R 1238

Так как наша система, работает в диапазоне 2449,564 − 2450,436 МГц, а наше строение предусматривает 1 этаж, то  Lэт(nэт) =4*n, где n=2,8.

Расчёт потерь выглядит следующим образом: L=20 lg(2450) + 10*2.8 lg(50) + 11,2 - 28 = 98.55 дБ.  

 Конечный уровень потерь=98,55 дБ.

Ø 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

Воспользуемся утилитом BER Analysis Tool (из пакета прикладных программ Matlab) для расчета ОСШ, требуемого для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки, которая в нашем случае равна 10^-6.

На данном графике приведена зависимость вероятности битовой ошибки к ОСШ для следующих типов сигналов (Рисунок  10):

-QAM-16 (необходимое ОСШ для Pb=10^-6 =14,4 дБ);

-8PSK (необходимое ОСШ для Pb=  10^-6 =13,9 дБ);

-QPSK (необходимое ОСШ для Pb=10^-6 =10,6 дБ).

 

Рисунок 10 -  Зависимость Pb от ОСШ для сигналов различных типов

 

На Рисунке 11 представлены зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ при различных видах блочного кодирования и без него:

-  8-PSK (необходимое ОСШ для Pb=10^-6 =13,94 дБ);

-  8-PSK с кодированием типа Хэмминга (необходимое ОСШ для Pb=10^-6 =12 дБ);

- 8-PSK с кодированием типа БЧХ (необходимое ОСШ для Pb=10^-6 =10,84 дБ);

 

Рисунок 11 -  Зависимость Pb от ОСШ 8-PSK сигналов c различным типом кодирования

 

Ø 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

Для расчёта имеем:

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

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

- ОСШ (п. 1.4.7) = 10,84 дБ;

-Затухания в канале связи ( п. 1.4.6) L = 98,55дБ;

 -Скорость передачи данных после кодирования (п. 1.4.5) /пропускная способность= 1797 кБит/с;

- Шумы каскадов Nk = 3 дБ;

 -Количество поднесущих OFDM k=32;

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

 

Из расчета пропускной способности на канальном уровне установлена требуемая скорость передачи 1,797Мбит/с, тогда для модуляции типа 8-PSK необходимая полоса частот равна 599кГц.

Ширина полосы частот для поднесущей будет равна 599/22=27,23кГц.  Максимально возможное допплеровское смещение частоты  при максимальной скорости, применимой к нашей системе, равно 74 Герцам (основная частота для расчета допплеровского смещения =74 Гц =fd=f0/(1-υ/c)-f0), соответственно, взяв ширину полосы поднесущей в 27,5 кГц, можно быть уверенным в том, что полосовой фильтр выделит ее информационную часть). 

  Скорость передачи данных по каждому из параллельных каналов OFDM:

RN = 1797/22=81,68кБит/с.

Минимально необходимая полоса пропускания одного OFDM канала:

Δf = RN/ln(8)=27,5

Шумовая полоса одного OFDM канала:

Пш = Δf × 1,1 = 27,5 × 10^3 × 1,1 = 30,250 × 10^3 Гц = 30,250 кГц

Мощность шума:

Pш = k ∙ T ∙ Пш = 1,38 × 10^-23 ∙ 296 ∙ 30,250 × 10^3 = 1,2357 × 10^-16 Вт = -159,08 дБ

Аналоговое отношение сигнал/шум:

C/N = ОСШ + 10 log(RN / Пш) = 10,84 + 10 log(81,68/ 30,250) = 15,15 дБ

Чувствительность приемника:

Pпрм = Pш + Nk + C/N = -159,08 + 3 + 15,15 = -140,93дБ = 8,08× 10^-15 Вт

Мощность передатчика (на один канал OFDM):

Pизл = Pпрм + Pз + L = -140,93 + 3 + 98,55 = -38,38 дБ = 145,2112 мкВт

Суммарная мощность передатчика:

PизлСУМ = (22+4) × 145,21×10^-6  =3,775 мВт.

Стоит сказать, что вышеприведенный расчет справедлив для 50% точек. Оценим область уверенного приема в соответствии с ТЗ(95%).

Вероятность приема в 95% точек:χ = PR/100 = 95/100 = 0,95. 

По таблице функции Лапласа определяется W:F(-W) = χ – 0,5 = 0,95 – 0,5 = 0,45,W = -1,65 

 Тогда область радиопокрытия в 95% точек: r95 = 10 ^ (Wσ / 10n) × r50 = 10 ^ (-1,65*7 / 10*3) × 50 = 0,4121 × 50 = 20,61 м., где σ = 7 – дисперсия по месту, n = 3 – коэффициент потерь внутри строений. 

Полученная область уверенного приема не соответсвует ТЗ.     

Для достижения необходимого значения в расчете потерь требуется изменить расстояние r0 на:                               r0 = 50 / 0,4121 ≈ 122 м.

 Тогда затухания в канале связи: L = 20 log₁₀(2450) + 10*2,8 log₁₀(122) + 11,2 – 28 дБ = 109,4 дБ.   

Таким образом, требуемая для обеспечения PR = 95% в радиусе 50м 

Ризл=1,766 мВт 

 РизлСум=45,917 мВт

По техническому заданию мощность ограничена до 100 мВт. В нашем случаем имеем большой запас мощности, что удовлетворяет ТЗ.

 

 

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

 

Подробные блок-схемы алгоритма приёма и передачи сообщений можно увидеть на Рисунке 12.

Процедура передачи сообщений протекает следующим образом: на первом этапе происходит инициализация сообщения верхнего уровня, фрагментация этого сообщения  с последующей сборкой в пакеты физического уровня. Затем происходит канальное кодирование по алгоритму БЧХ. После чего осуществляется модуляция 8-PSK, формирование преамбулы, OFDM-модуляция (сюда же входит формирование и добавление циклического префикса). На последнем этапе сформированная ранее преамбула добавляется к сообщению физического уровня, после чего оно отправляется в радиоканал.

Процедура приема протекает аналогичным путем в обратном порядке.

Рисунок 12 ­−Алгоритмы приёма и передачи сообщений

 

 

 

Список используемой литературы:

 

1.       Широких/Ведяскина "Компактная сеть радиодоступа (ч.1)"

2.    "Компактная сеть радиодоступа (ч.2) - канальный уровень" - исправленный вариант.

3.      Модель OSI

4.     Часть 2.Локальная радиосеть

5.     Радиосеть передачи данных. Часть 3

6.     Радиосистема дистанционного видеоконтроля

7.     Специальные радиосистемы

8.     Лекции по курсу ССсПО.