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 можно выделить 2 вида состояний терминала:активное и пассивное (Рис. 1) Активное состояние – есть передача сообщений трафика, проведение радиоизмерений и приём-передача служебных сообщений. К пассивному в свою очередь - относится режим сна. При получении отчёта о доставке терминал переходит в спящий режим до следующего пробуждения, время которого указано в отчёте о доставке.
Передача сообщений трафика – передача сообщения, содержащего показания счётчиков, запрошенных точкой доступа.
Радиоизмерения производятся постоянно при получении любого сообщения от ТД. Терминал измеряет уровень мощности полученного сигнала и при его недостатке или переизбытке отправляет ТД сообщение с требованиями о корректировках.
Служебные сообщения – есть запросы от ТД на передачу, ARQ – сообщения, сообщения, содержащие корректировки по уровню мощности, а также сообщения указывающие терминалу период нахождения в пассивном режиме.
Рис.1 Подробная диаграмма состояний терминала
t0 – момент времени, когда точка доступа формирует запрос данных терминалу после того, как достигла точки маршрута, сформировала списки доступных терминалов, зная свои собственные координаты.
Не считаю нужным проводить дальнейшие объяснения, так как схема является очень наглядной, а этапы осуществления связи уже были описаны выше.
Причиной возникновения коллизий могут стать помехи в условиях городской застройки. Устранить эту проблему возможно увеличением уровня мощности передаваемого сигнала и передачей с высокой помехозащищённостью.
Так же стоит отметить, что схема лишь общая, показывающая самый простой исход развития событий. Ветвление на более трудные этапы развития событий приведены в предыдущей части.
1.3.3. Пояснение способа двустороннего обмена сообщениями по радиоинтерфейсу.
Обмен данными по радиоинтерфейсу осуществляется по запросу. Как было сказано ранее, мы используем временное разделение каналов. Время доступа к физическому каналу разделено на интервалы, так называемые тайм-слоты, которые следуют друг за другом по очереди. В каждый такой тайм-слот одно из устройств имеет полный доступ к среде передачи данных. Тайм - слоты сгруппированы в кадр, в пределах которого осуществляется синхронизация сети, "диалог" точки доступа и терминала, а также сама передача данных.
Подробная организация двухстороннего обмена сообщениями представлена на Рис. 3, учитывая все тонкости ВРК.
Рис. 3 Организация двустороннего обмена сообщениями
Для удобства передачи и последующего исправления ошибок сообщение, передаваемое в пределах одного кадра, фрагментируется на пакеты. Каждому пакету присваивается номер для последующей возможности переслать пакет, пришедший с ошибкой.
1.3.4. Обоснование необходимости и пояснение способа контроля качества радиоканала. Пояснение сценария контроля качества канала связи, реакция сценария на ключевые состояния качества радиоканала.
Контроль качества радиоканала в нашем случае просто необходим, так как:
1) соединение происходит в условиях городских застроек под открытым небом, и есть множество факторов, влияющих на качество связи, например, погодные условия, поэтому всё что угодно может стать ничем иным, как помехой;
2) точка доступа является подвижной, следовательно, постоянно меняет своё местоположение, что также может стать причиной некачественной связи.
С целью достоверного приёма в системе, на физическом уровне, постоянно проводятся радиоизмерения, которые производятся терминалом с самого первого сообщения от ТД (Рис.4). Результаты проведения анализа качества поступают на уровень принятия решений. На этом уровне определяется, стоит ли отправлять сообщение другому устройству о корректировке мощности. Если такая необходимость есть, формируется сообщение, которое поступает на канальный уровень, а затем по радиоканалу передаётся устройству. По принятым требуемым корректировкам мощности точка доступа устанавливает нужный уровень сигнала, который сохраняется в течение всего сеанса связи с конкретным терминалом.
Рис. 4 Сценарий проведения радиоизмерений
1.3.5. Построение сценария установления соединения и доставки сообщений верхнего уровня. Пояснение графической диаграммы состояний сетевого узла, отражающей основные элементы разрабатываемого сценария.
Рис. 5 Сценарий передачи данных
Основными задачами, выполняемыми на канальном уровне, являются предоставление доступа к физическому каналу, организация логических каналов, а также обеспечение надёжной передачи сообщений в пределах сети.
Будут задействованы следующие логические каналы связи (ЛКС):
1)CCCH – общий канал управления, по которому передаётся запрос данных от ТД к Т.
2) SACCH - медленный совмещенный канал управления, по направлению "вниз" передает команды для установки выходного уровня мощности передатчика подвижной станции. По направлению "вверх" подвижная станция посылает данные, касающиеся уровня установленной выходной мощности, измеренного приемником уровня радиосигнала и его качества.
3) TCH – канал, служащий для передачи данных в нашем случае от Т к ТД, а также для передачи ACK-, NAK - сообщений и сообщения, содержащего дальнейшие указания терминалу (а именно, период времени, спустя который состоится следующий сеанс связи)
Во избежание потерь и искажений передаваемых данных требуется использовать CRC - 12 - элемент, позволяющий проводить оценку достоверности принимаемой информации. Суть этого метода заключается в том, что будет рассчитываться контрольная сумма для принятых данных, и сравниваться с контрольной суммой, которая была получена в составе сообщения. На основании этого делается вывод о правильность или неправильности приема сообщения.
Если пакет был принят правильно (неправильно), то точкой доступа формируется соответствующее сообщение, передающееся терминалу, в котором указывается номер неправильно принятого пакета в случае неточного приёма (NAK – сообщение). В таком случае терминалу следует повторить передачу. Таким образом, можно сказать что, в разрабатываемой сети реализован механизм ARQ-сообщений, что в совокупности с использованием CRC-12 сильно повышает достоверность передачи сообщений в сети.
1.3.7 Проработка протокола передачи данных канального уровня: пояснение правил передачи сообщений различных ЛКС, обоснование структуры полей сообщений канального уровня, построение блок-схем алгоритмов приема /передачи сообщений.
Рассмотрим процесс обработки сообщений различного типа канального уровня.
1) Служебное сообщение, передающееся по каналу CCCH (Рис. 7), будет содержать в себе:
-адрес терминала;
-пометка о типе сообщения (1 – служебное);
-код команды (111 – передай данные);
-контрольная сумма CRC.
Рис.7 Структура сообщения-запроса
Это сообщение посылается ТД для запроса данных от терминала. 33 бит сообщения заполняется нулями для сохранения одинаковой длины пакетаL2.
2) Служебное сообщение, передающееся по каналу SACCH (Рис. 8), будет содержать в себе поля:
- адрес;
- пометка о типе сообщения (1- служебное сообщение);
- код команды (110 – увеличить мощность);
- длина (поле, показывающее в скольких битах поля данных содержится полезная информация);
- поле данных (содержит информацию на какую величину требуется увеличить мощность);
- контрольная сумма CRC.
Рис. 8 Структура SACCH – сообщения
Это сообщение содержит в себе информацию о корректировках мощности. Формируется и терминалом, и точкой доступа в случае отрицательных результатов проведения радиоизмерений.
3) Информационное сообщение, передающееся по каналу TCH (Рис. 9), будет содержать в себе следующие поля:
-адрес терминала (ТД по очереди обращается к каждому терминалу из списка);
-пометка о типе сообщения (0 – сообщение трафика);
- номер передаваемого пакета (для возможности переслать пакет, пришедший с ошибкой);
-длина полезной части поля «Данные» (количество бит, содержащих нужную информацию – показания счётчиков);
-данные – показания счётчиков (20 бит= 6-ти разрядный счетчик);
-контрольная сумма CRC.
4) Структура сообщения NAK, передающегося по каналу TCH (Рис. 10), будет содержать поля:
- адрес;
- тип сообщения (1- служебное);
- код команды (101 – требуется пересылка сообщения с указанным номером пакета);
- поля N1, N2, N3, являющиеся идентификаторами необходимости повторной отправки определённого пакета, N1 – газ, N2 - вода, N3 – тепло (при необходимости переотправки какого – то из пакетов в этом поле будет установлена «1»);
- «нули» (поле, заполняющееся нулями, для сохранения размера сообщения)
- контрольная сумма CRC.
Рис. 10 Структура сообщения NAK
Отправляется точкой доступа терминалу в случае неудачного приёма сообщения с данными.
5) Структура сообщения – инструкций с указаниями (Рис. 11), содержит следующие поля:
- адрес;
- тип (1 – служебное);
- код команды (100 – переходи в пассивный режим на указанный период времени t);
- длина;
- данные (информация о времени пребывания терминала в режиме сна);
- контрольная сумма CRC.
Рис. 11 Структура служебного сообщения трафика
Рассмотрим правила передачи сообщений:
1) Определить тип сообщения (служебное или информационное) и к какому каналу оно относится с помощью информации, содержащейся в заголовке сообщения (поле «Тип»).
2) Проверить достоверность переданной информации, вычисляя контрольную сумму и сравнивая ее с полученным на передающей стороне значением (поле «CRC»);
3) Выделить информационную часть, в которой содержится полезная часть сообщения (с помощью поля «Длина» и «Данные»);
4) Сформировать и передать отчет о доставке, ACK или же NAK (если это сообщение трафика).
Рис.12 Блок-схема алгоритма передачи сообщения
Рис.13 Блок-схема алгоритма приёма сообщения
1.3.8 Расчет пропускной способности канала трафика и вспомогательных каналов. Оценка требуемой пропускной способности физического канала.
Двусторонний обмен сообщениями разного типа максимально составляет 12 пакетов L1 сообщений по 80 бит каждый. Итого 960 бит – максимальное количество данных по обмену с одним терминалом. С учётом того, что за одну секунду ведётся опрос примерно 100 терминалов. Сделаем примерный расчёт пропускной способности физического канала связи:
R = 960 (бит)*100/ 1(с) =96000 бит/с = 12000 байт/с, что примерно равно 12 кбайт/с.
Расчёт выполнен с условием того, что учтён двусторонний обмен, наличие преамбулы и защитных интервалов, наличие избыточности, CRC адресов и других полей сообщения L2 уровня.
1.4. Обоснование и подробное описание задач, выполняемых на физическом уровне. Проработка вопросов, связанных с обеспечением синхронизации сетевых устройств на физическом уровне.
Физический уровень - нижний уровень модели OSI, назначение которого – достоверная передача потока битов, поступающего с верхних L2 и L3 уровней. На физическом уровне могут быть реализованы любые технические решения, направленные на повышение достоверности приема битов.
В нашей системе к ним относятся:
1) модуляция и демодуляция – заключается в переносе сигнала на несущую радиочастоту для передачи по радиоканалу;
2)помехоустойчивое кодирование и декодирование – необходимо для обнаружения и исправления ошибок, соответственно для повышения помехоустойчивости системы;
3) проведение радиоизмерений – измерение уровня мощности сигнала на уровне L1.
В разрабатываемой системе имеем один профиль с использованием модуляции BPSK.
1.4.1. Анализ и обоснованный выбор мер по защите физического уровня от многолучёвости.
Явление многолучёвости возникает при условии существования в точке приема радиосигнала не только прямого, но и одного или нескольких отражённых лучей (от земной поверхности, зданий, строений и прочих объектов). Для уменьшения негативного влияния, одним из методов борьбы с многолучёвостью является введение помехоустойчивого кодирования. В рассматриваемом случае будем использовать блочное кодирование. К тому же временнаая синхронизация тоже дает нам выигрыш в борьбе с многолучевостью.
Стоит отметить, что чаще всего используются методы, приведенные ниже,однако в моей работе они не используются:
1)Помехоустойчивое кодирование с премежением
2)Сигналы с расширенным спектром – технологии DSSS и FHSS
3)Особый вид модуляции - технология OFDM
1.4.2. Пояснение способа реализации проведения радиоизмерений на физическом уровне.
С целью достоверного приёма в системе, на физическом уровне, постоянно проводятся радиоизмерения, которые производятся терминалом с самого первого сообщения от ТД (Рис.14). Результаты проведения анализа качества поступают на уровень принятия решений. На этом уровне определяется, стоит ли отправлять сообщение другому устройству о корректировке мощности. Если такая необходимость есть, формируется сообщение, которое поступает на канальный уровень, а затем по радиоканалу передаётся устройству. По принятым требуемым корректировкам мощности точка доступа устанавливает нужный уровень сигнала, который сохраняется в течение всего сеанса связи с конкретным терминалом.
Рис. 14 Сценарий 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.
Все сообщения, приходящие на L1 уровень после выделения преамбулы и проведения радиоизмерений, результаты которых отправятся на L3, подвергаются демодуляции , декодированию и выделению адресной части на L2, которая будет отправлена на L3 для сопоставления этих обоих факторов( адрес, уровень мощности) и дальнейших действий(Рисунок 15).
Рисунок 15 – радиоинтерфейс L1 уровня
Имеется один возможный профиль физического уровня и никакого другого. Отсутствие других профилей обусловлено наличием радиоизмерений и внесением корректировок без изменения профиля. Опции, используемые в данном профиле, описаны в пункте 1.4.
Ниже пошагово приведем структуру формирования L1 – сообщения (Рисунок 16).
Рисунок 16 – Диаграмма формирования L1-сообщения
Пакет физического уровня будет оставаться всегда одного и того же размера и все его отдельные поля так же неизменны - для универсальности.
1.4.4. Пояснение способа обеспечения временной синхронизации.
Синхронизация в нашей системе необходима в силу применения системы TDMA. То есть временная синхронизация осуществляется посредством преамбулы-синхросимвола, что позволяет определить начало пакета сообщения.(17 бит CAZAC последовательность).
1.4.5. Оценка пропускной способности физического канала связи с учетом избыточности, вносимой на L1- уровне. Оценка требуемых частотных ресурсов.
Двусторонний обмен сообщениями разного типа максимально составляет 12 пакетов L1 сообщений по 80 бит каждый. Итого 960 бит – максимальное количество данных по обмену с одним терминалом. С учётом того, что за одну секунду ведётся опрос примерно 100 терминалов. Сделаем примерный расчёт пропускной способности физического канала связи:
R = 960 (бит)*100/ 1(с) =96000 бит/с = 12000 байт/с, что примерно равно 12 кбайт/с.
Расчёт выполнен с условием того, что учтён двусторонний обмен, наличие преамбулы и защитных интервалов, наличие избыточности, CRC адресов и других полей сообщения L2 уровня.
R= 96 (Кбит/с).
Для BPSK минимальная необходимая полоса по формуле ниже:
Δf = R / log2n = 96 × 103 / log22= 96( КГц)
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"), предусмотрено свободное использование частотного диапазона 446-446.1МГц для портативных радиостанций с мощностью излучения не более 0.5 Вт (по ТЗ не более 300 мВт).
Согласно Постановлению правительства выберем рабочую полосу частот при центральной частоте 446.05 МГц: 446.02- 446.98 (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 ТД и Т меняется в пределах километра, что не совсем подходит для использования других моделей оценки потерь.
Возьмем модель для транспортных средств из слайдов Бакке А.В. ( наша ТД – подвижна) и примем в модели hбс(высоту установки антенны БС) равную 0.5м.
L=80+40*(1-0.004*hбс
тогда потери в канале связи:
L = 80+40*(1-0.004*0.5)*lg(0.3)-18lg(0.5)+21lg(446.05)= 120,18 (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 10-6. В ходе анализа были получены следующие зависимости:
1)для 2 типов модуляции- BPSK и 8-PSK для сравнения эффективности (Рисунок 17)
Рисунок 17 – сравнительная характеристика BPSK и 8-PSK
Видим из рисунка, что при заданной Pош имеем ОСШ 10.5дБ для BPSK и 14дБ для 8-PSK. То есть обоснуем наш выбор так: для BPSK требуется меньшее ОСШ в канале для обеспечения требуемой Pош.
2)Для уменьшения негативного влияния, одним из методов борьбы с многолучёвостью является введение помехоустойчивого кодирования. Это будет отражаться на структуре сообщения добавлением к нему поля ”FEC”. Его суть заключается в том, что на передающей стороне добавляются избыточные биты, позволяющие исправить возникающие в канале ошибки на приёмной стороне. В рассматриваемом случае будем использовать блочное кодирование в силу того, что нельзя использовать свёрточное кодирование или перемежение, потому что отдельные части сообщения нужны сразу (такие как адрес) и остаются без изменений при блочном, имеем только добавочное поле “FEC”, о котором говорилось ранее.
Остаётся теперь только выбрать тип блочного кодирования. В силу того, что было сказано не использовать кодирование Хемминга, я остановился на коде Боуза-Чоудхури-Хоквингема 63/57 ( Рисунок 18)
Рисунок 18 – сравнительная характеристика BPSK,BPSK+код Хемминга,BPSK+код БЧХ
Видим, что применение кодирование типа БЧХ при заданной вероятности ошибки возможно при минимальном ОСШ равном 7.577(дБ) - минимальном из всех приведенных.
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:
· Цифровое отношение сигнал/шум исходя из п. 1.4.7:
для BPSK+BChH Eb/N0 = 7.577 дБ;
· Затухания в канале связи из п. 1.4.6: L = 109.375 дБ;
· Скорость передачи данных после кодирования из п. 1.3.8: RC = 96 Кб/с;
· Шумы каскадов: Nk = 3 дБ;
· Резерв мощности из-за замираний в канале связи: Pз = 3 дБ;
· Постоянная Больцмана: k = 1,38 × 10-23 Дж/К;
· Шумовая температура (нормальные условия): Т = 296 К.
Расчет уровня мощности передачи для профиля BPSK:
Шумовая полоса одного канала:
Пш = Δf × 1,1 = 96 × 1,1 = 105.6 Кгц
Мощность шума:
Pш = k ∙ T ∙ Пш = 1,38 × 10-23 ∙ 296 ∙ 105.6× 103 = 4.13 × 10-16 Вт = -153.65 дБ
Аналоговое отношение сигнал/шум:
C/N = (Eb / N0) + 10 log(RN / Пш) = 7.577 + 10 log(1/1.1) = 7,163 дБ
Чувствительность приемника:
Pпрм = Pш + Nk + C/N = -153.65 + 3 + 7.163 = -143,487 дБ = 4.48 × 10-15 Вт
Мощность передатчика:
Pизл = Pпрм + Pз + L = -143,487 + 3 + 120.18 = -20,307 дБ = 9.32 мВт
9.32 мВт < 0,3 Вт что с существенным запасом удовлетворяет требованиям технического задания. 9.32 мВт < 0.5 Вт что так же, с запасом, удовлетворяет требованиям законодательства РФ.
Данный расчет справедлив для области уверенного приема в 50% точек наблюдения.
Проведем расчет для 90% точек наблюдения, необходимых по ТЗ.
Имеем формулу для расчета:
В которой WL- есть функция Лапласа от ((100-90)/100),так как по ТЗ имеем 90%, σ - дисперсия по местоположению, варьируемая от 4 до 10 дБ, n- коэффициент потерь,
На рисунке 6 приведена функций Лапласа найдем значение ближайшее к 0.1 и получим W=0.25. Для целочисленного отношения σ/n, которое будем смотреть по графику и принятых условий застройки, необходимых по ТЗ, выберем σ=10 , n=5.
Рисунок 19 - вырезка из таблицы функций Лапласа
По графику на рисунке 20 мы определяем искомое значение r90
Рисунок 20 – определение площади уверенного приема
Имея отношение σ/n=2 получаем r50
Теперь можем вычислить площадь уверенного приема в 90% точек:
r90 = (10 ^ ((-0,25 * 10) / (10 * 5))) * 0,78 = 0,695 км
Соответственно необходим перерасчет по модели из п.1.4.6, в котором получим L=134,746(ДБ), что будет соответствовать мощности передатчика при перерасчете по пункту 1.4.8 Pизл=266мВт, что так же удовлетворяет ТЗ.
1.4.9. Построение блок-схем алгоритмов приема/передачи сообщений физического уровня.
На рисунках 20 и 21 соответственно представлены диаграммы приема и передачи сообщения.
Рисунок 20 - Алгоритм приёма сообщений
Рисунок 21 - Алгоритм передачи сообщений
Список используемой литературы:
1.Бакке А. В. "Лекции по курсу: Системы и сети связи с подвижными объектами"
2. http://omoled.ru/publications/view/840
3. Б.Скляр "Цифровая связь"
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").