1.6. 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:

- модуляция и демодуляция – заключается в переносе сигнала на несущую радиочастоту для передачи по радиоканалу;

- помехоустойчивое кодирование и декодирование – необходимо для обнаружения и исправления ошибок, соответственно для повышения помехоустойчивости системы;

- проведение радиоизмерений – измерение  уровня мощности сигнала на уровне L1.

В разрабатываемой системе имеем один профиль с использованием модуляции BPSK.

1.6.1. 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 временная синхронизация тоже дает нам выигрыш в борьбе с многолучевостью.

Чаще всего на практике используются методы, приведенные ниже, но 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

1.6.2. 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.1). 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.

  

 

Рисунок 1- Сценарий проведения радиоизмерений

1.6.3. 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 2).

 

 

Рисунок 2 – 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 3).

Рисунок 3 – Диаграмма формирования L1-сообщения

1.6.4. Пояснение способа обеспечения частотной и 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).

1.6.5. 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 55 терминалов. Сделаем примерный расчёт пропускной способности физического канала связи:

R = 960 (бит)*55/ 1(с) =52800 бит/с = 6600 байт/с, что примерно равно 6.5 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= 64 (Кбит/с).

Для BPSK минимальная необходимая полоса по формуле ниже:

Δf = R / log₂n = 64 × 10³ / log₂2= 64( КГц)

 

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

1.6.6. 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 0.35 Вт).

Согласно Постановлению правительства выберем рабочую полосу частот при центральной частоте 446.05 МГц: 446.02- 446.98 (МГц).

Предполагаем, что терминалы находятся в отдельных производственных помещениях. 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 здания, вследствие чего расстояние между ТД и Т меняется, согласно ТЗ, в пределах 400  м, 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 20 м.

L=80+40*(1-0.004*hбс )*lgR-18lghбс +21lgf0 , где R-данное по ТЗ расстояние 0.4км, а f0 - несущая частота,

тогда потери в канале связи:

L = 80+40*(1-0.004*20)*lg(0.4)-18lg(20)+21lg(446.05)= 120,46 (дБ)

1.6.7. 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^-5. В ходе анализа были получены следующие зависимости:

1)для 2 типов модуляции- BPSK и 8-PSK для сравнения эффективности (Рис.4)

 

 

Рисунок 4 – 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 ( Рис.5)

Рисунок 5 – 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.

1.6.8. 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. 1.6.7:

        для BPSK+BChH E_b/N0 = 7.577 дБ;

 ·        Затухания в канале связи из п. 1.6.6: L = 120.46 дБ;

 ·         Скорость передачи данных после кодирования из п. 1.3.8: R_C = 64 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:

            П_ш = Δf × 1,1 = 64 × 1,1 = 70.4 кГц

Мощность шума:

Pш = k ∙ T ∙ П_ш = 1,38 × 10^-23 ∙ 296 ∙ 70.4 × 10³  = 2.87 × 10^-16 Вт = -153.65 дБ 

Аналоговое отношение сигнал/шум:

C/N = (E_b / N₀) + 10 log(R_N / П_ш) = 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 < 0,35 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, -радиус зоны радиопокрытия, при котором обеспечивается уверенный прием в 50% точек наблюдения.

На рисунке 6 приведен фрагмент таблицы значений 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 6 - фрагмент таблицы функций Лапласа

По графику на рисунке 7 мы определяем искомое значение r90

  

 

Рисунок 7 – определение площади уверенного приема

Имея отношение σ/n=2 получаем r50=0.78.

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.

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

На рисунках 8 и 9 соответственно представлены блок-схемы приема/передачи сообщения.

 

 

Рисунок 8 - Алгоритм приёма сообщений

 

Рисунок 9 - 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").