Согласно рассмотренной в предыдущих статьях концепции построения системы, изощренные способы адресации, для корректной доставки сообщений не требуются, так как в системе существуют только простые соединения, типа точка-многоточка и точка-точка. Сообщения от радиомаяков поступают непосредственно на ТСД, далее с ТСД в ЦСИ. Исходя из этого, можно сделать вывод о том, что для правильной адресации в системе необходимы только уникальные номера устройств, которые будут передаваться при установлении соединения ТСД-радиомаяк и ТСД-ЦСИ. Радиомаяки принимают пакеты опроса, передаваемые по широковещательному каналу, определяют с помощью своих корреляторов, какому из радиомаяков пакет принадлежит, далее, если пакет «чужой», дальнейшее декодирование не производится, а если пакет адресован этому устройству, происходит дальнейший разбор пакета и формирование ответа на него.

Каждое устройство сети имеет свой уникальный номер. Номера радиомаяков хранятся в базе данных ТСД и ЦСБ, ТСД осуществляет обращение к конкретному устройству с помощью его номера. В ЦСИ по ID радиомаяка производится сопоставление участника соревнований и устройства, которое за ним закреплено. В свою очередь, ЦСИ и его центр управления по уникальному номеру ТСД осуществляет управление работой ТСД.

Необходимости в управлении потоком сообщений нет, так как сеть достаточно проста.  Для осуществления гарантированной передачи используем запрос с возвратом, так как передаются данные, а не речь, что позволяет перезапросить потерянные пакеты еще раз. Данные от радиомаяка к ТСД передаются нумерованными пакетами для того, чтобы была возможность при потере какой-либо части информации передать заново только один пакет, а не весь блок информации в целом. На участке ТСД-ЦСИ существует соединение точка-точка, ведется диалог одновременно только с одной ТСД. В этом случае так же будет использовать запрос с возвратом. Это не будет занимать слишком много времени, так как для передачи данных с ТСД в ЦСИ выделяется весь канальный ресурс. Пакеты так же будут пронумерованы, чтобы возможно было передать повторно только потерянную часть информации.

Изменение скорости передачи данных уместно на участке радиомаяк-ТСД. Существуют 2 профиля работы: для канала с низким качеством и для канала с высоким качеством. По умолчанию радиомаяки передают информацию, используя профиль для высокого качества канала связи, т.е с большей скоростью, при ухудшении условий передачи профиль переключается на более помехоустойчивый и передача ведется с более низкой скоростью. Более подробно механизм переключения профилей был рассмотрен в предыдущей статье.

Для оценки достоверности принимаемых сведений используем поле контрольной суммы. Это действует следующим образом. Контрольная сумма вычисляется на передающей стороне. С точки зрения математики контрольная сумма чаще всего представляет собой хэш-функцию, вычисленную по небольшому количеству бит, внутри блока данных. Полученное значение заносится в конец пакета, в поле контрольной суммы. На приемной стороне известнее алгоритм, по которому должна быть вычислена контрольная сумма. После приема пакета данных, по принятым битам вычисляется новая контрольная сумма уже на приемной стороне и полученное значение контрольной суммы сравнивается с принятым. Если результаты совпадают, значит целостность данных сохранена. Защите от ошибок подлежат все типы сообщений, существующие в системе. Исправление ошибок возможно за счет использования помехоустойчивого кодирования, избыточная информация, передаваемая вместе с полезной, позволит исправить ошибки, в случае их возникновения.

В системе используются сообщения нескольких видов: опрос, данные, подтверждение, запрос на повторную передачу. Для передачи сообщений различных видов необходимо использование различных логических каналов. Для передачи пакетов опроса используется широковещательная рассылка,  флагов подтверждения и запросов на повторную передачу используем канал сигнализации SCH, для передачи данных канал трафика TCH.  Канал широковещательной рассылки BCCH предназначен для передачи общих сведений о сети, а так же используется для передачи команды о смене профиля работы радиомаяков. Этот канал существует в направлении «вниз». Когда ТСД начинает посылать пакеты опроса, она еще «не знает», какие радиомаяки находятся в ее зоне радиопокрытия и есть ли они вообще. Поэтому, хотя пакет опроса содержит номер конкретного радиомаяка, передается он всем радиомаякам, находящимся в зоне видимости. Радиомаяки, чей ID не совпадает с принятым, такой пакет опроса будут игнорировать и ожидать своего. Канал сигнализации используется для передачи сообщений об ошибках, о некорректной работе сети, а так же служит для подтверждения успешной передачи. Работает так же в направлении «вниз». Канал трафика передает непосредственно данные, существует в направлении «вверх», от радиомаяка к ТСД. Далее необходимо провести расчет пропускной способности каналов. Расчет пропускной способности канала трафика должен быть основан на количестве бит, передаваемых в сообщении с данными. Пакет данных содержит в себе следующие поля: защитный интервал, уникальный номер радиомаяка, поле управления, номер пакета, непосредственно поле данных и поле контрольной суммы. Отведем для поля данных 32 бита.  2 бита необходимо для организации защитного интервала. Поле контрольной суммы будет занимать 4 бита для обеспечения большей достоверности, ID радиомаяка будет передаваться 5 битами. 5 бит позволяют пронумеровать 32 устройства, что обычно является вполне достаточным, так как участников редко бывает больше 30. На поле управление отведем 4 бита, столько же для передачи номера пакета. Итого получим 51 бит, не учитывая помехоустойчивое кодирование. Далее, после расчета скорости кодирования внесем соответствующие поправки.

Для канала широковещательной рассылки расчет пропускной способности будет выглядеть следующим образом. Сообщение типа «опрос» содержит в своем составе поле управление, поля с уникальным номером радиомаяка, поле с номером выделенного временного слота, а так же поле контрольной суммы. На контрольную сумму по-прежнему будем отводить 4 бита, так же неизменным остается размер поля с ID радиомаяка-5 бит, и размер поля управления-4 бита. На поле, содержащее в себе информацию о номере временного слота, отведем так же 4 бита.

Для канала сигнализации пропускную способность рассчитаем аналогично. В пакете подтверждения содержаться все те же поля, что и в пакете опроса, кроме поля с временным слотом, вместо него присутствует поле с номером верно приятного пакета. Для этого поля отведем так же 4 бита, остальные размерности не изменятся.

В запросе на повторную передачу, помимо уже рассмотренных полей, присутствует поле с номером потерянного пакета, а так же поле с номером нового временного слота. Их размерности так же будут равны 4 битам. Итого, общая пропускная способность канала сигнализации без учета помехоустойчивого кодирования составит 23 бита. После проведения расчета скоростей кодирования это значение так же будет скорректировано.

Таблица 1. Логические каналы связи.

 Доступ к физическому каналу осуществляется на основании решения ТСД, т.е. конкурентная борьба у системе отсутствует. ТСД вызывает по очереди радиомаяки и распределяет между ними канальный ресурс по принципу временного разделения канала. На линии ТСД-ЦСИ весь канальный ресурс принадлежит только ТСД, разделения канала нет.

Управление профилями физического уровня задача ТСД. При обнаружении первого радиомаяка в своей зоне радиопокрытия, ТСД предоставляет ему весь канальный ресурс и оценивает количество неверно принятых пакетов. После сравнения этого значения с неким пороговым уровнем, ТСД определяет, подходит ли используемый по умолчанию профиль работы для данных условий. Если да, то профиль остается неизменным, а если количество потерянных пакетов слишком велико, то во всех последующих пакетах опроса передается команда на переключение профиля работы на физическом уровне.

 Пояснения структуры пакетов канального уровня были приведены в предыдущей статье(КП "Система сбора данных с подвижных станций". Часть 2.Доработанная  

Схема обмена сообщениями между объектами канального уровня может быть описана следующим образом. ТСД отправляет пакет опроса радиомаяку, который содержит уникальный номер маяка, необходимые защитные интервалы, поле контрольной суммы, а так же поле с информацией о предоставляемом временном слоте. Пакет опроса передается по каналу сигнализации SCH. Радиомаяк в ответ должен сформировать пакет с данными, соответствующий структуре, описанной выше, и отправить его по каналу трафика TSH. Далее ТСД принимает информацию и определяет корректна ли она. Если данные приняты верно, формируется пакет подтверждения успешной передачи и по каналу сигнализации передается обратно радиомаяку. Если какая-либо часть информации была потеряна, формируется пакет повторного запроса на передачу, содержащий номера новых временных слотов, а так же номера потерянных пакетов и по каналу сигнализации передается на радиомаяк. В ответ на этот запрос начинается повторная передача потерянных пакетов по каналу трафика. На участке ТСД-ЦСИ, ТСД отправляет принятые от радиомаяков данные по каналу трафика и в ответ ждет пакета-подтверждения по каналу сигнализации.

Для защиты от многолучевости оснастим приемники всех устройств сети эквалайзерами. Эквалайзер выстраивает импульсную характеристику, обратную импульсной характеристики канала связи, таким образом компенсируя искажения, произошедшие в результате передачи. Для работы эквалайзера необходимо передавать настроечные последовательности, которые известны всем устройствам сети. Принимая такую последовательность, устройство сравнивает ее с известной, и оценивает, какие произошли искажения. По результатам этого сравнения выстраивается нужная импульсная характеристика. На мой взгляд, такого способа борьбы с многолучевостью в данной системе достаточно. Этот способ является относительно сложным, но наиболее удобным в этой системе. Пространственное разнесение невозможно из-за размера радиомаяков, временное разделение значительно уменьшит скорость передачи, так как информацию от одного радиомаяка нужно будет передать несколько раз, а частотное разнесение нельзя использовать из-за необходимости экономить полосу частот.

Для работы системы выберем диапазон частот 433-447 МГц. Этот диапазон частот является нелицензируемым, что позволит существенно снизить затраты на построение системы. В этом диапазоне частот разрешено строить подвижные или фиксированные системы связи при условии, что их технические характеристики соответствуют техническим характеристикам, указанным ГКРЧ. Приведу выдержку из решения «О выделении полос радиочастот в диапазоне 450 МГц для радиоэлектронных средств фиксированной и сухопутной подвижной радиосвязи гражданского назначения»:

LRO= LHATA --4,78*(lg f)^2 +18,33lg f - 40,94 , дБ, где

LHATA = 69,55 + 26,16 lg f -13,82lghBS -  a(hMC)+(44,9 - 6,55lghBS)*lgR, дБ

а(hMC)= (1,1lg f - 0,7)hMC-(1,56lg f - 0,8), дБ

Расчет ОСШ, требуемого для достижения вероятности битовой ошибки 2*10^-5, определим по графику. Воспользуемся для его построения системой Matlab. Для этого нужно выбрать используемый вид модуляции. Ранее я предположила, что удачным решением будет использование QPSK для канала с низким качеством и 16-PSK для канала с высоким качеством. Приведем графики зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ для этих видов модуляции.

Рисунок 1. Зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ для QPSK.

Красная точка на рисунке означает заданную вероятность ошибки. Из графика следует, что требуемое отношение сигнал/шум для модуляции QPSK 11,5 дБ.

Далее приведем аналогичный график для 16-PSK.

Рисунок 2. Зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ для 16-PSK.

Здесь значения по осям приведены сразу из программы, можно видеть, что для того, чтобы вероятность битовой ошибки была равна требуемой, нужно отношение сигнал/шум 16,55 дБ, что является существенно большим по сравнению с QPSK.

Для QPSK мощность передатчика будет рассчитана следующим образом.

Таким образом, требуемая мощность передатчика так же будет составлять 10 мкВт при использовании модуляции 16-PSK.

С= F*log2(1+OСШ), где F –эффективная полоса, С – искомая пропускная способность. Скорость передачи в системе равна 50 кбит/с. Следовательно, F=50 кГц. Для модуляции QPSK, т.е для ОСШ 11,5 дБ пропускная способность будет: С= F*log2(1+11,5)=54,8 кГц. Для модуляции 16-PSK, т.е для ОСШ 16,5 дБ пропускная способность будет: С= F*log2(1+16,5)=62,15 кГц.

Структура пакетов физического уровня приводилась ранее(КП "Система сбора данных с подвижных станций". Часть 2.Доработанная ), здесь же необходимо привести оценку размеров поле каждого типа, а так же оценку длительности пакета. Пакет физического уровня состоит из поля подстройки частоты, поля, содержащего метки синхронизации, поля с настроечной последовательностью эквалайзера, поля данных, а так же защитного интервала. Поле подстройки частоты позволяет точно настроить частоты работы приемника и передатчика, так как из-за движения или из-за несовершенства элементов могут возникать небольшие частотные рассогласования. Поле с метками синхронизации содержит в себе информацию о параметрах синхронизации, с его помощью производится определение границ кадра и осуществляется работа ФАПЧ.  Поле данных содержит в себе пакеты канального уровня, закодированные сверточным кодом с выбранной скоростью, в зависимости от профиля работы системы. Крайнее поле - защитный интервал, необходимый для различения границ пакета. Поле данных будет иметь наибольший размер при передаче пакетов данных от ТСД в ЦСИ. Если требуется передать данные, считанные с 10 радиомаяков, поле данных канального уровня будет иметь размерность около 500 бит. С учетом помехоустойчивого кодирования получаем 1 кбит, на оставшиеся поля отведем 50 бит. В итоге получаем примерно 1 кбит в одном пакете физического уровня. Для передачи такого объема информации при скорости 50 кбит/с   потребуется 2 мс.