1.7. Построение канального уровня системы.
1.7.1. 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.
1.7.2.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.
1.7.3. 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.
1.7.4. 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.
Рассчитаем количество бит, приходящихся на одно сообщение в канале широковещательной рассылки. 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. Итого получим 17 бит.
Для канала сигнализации так же проведем расчет числа бит, приходящихся на одно сообщение. 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. Итого так же получим 17 бит.
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, общее количество бит, приходящихся на одно сообщение в канале сигнализации, без учета помехоустойчивого кодирования, составит 23 бита.
Скорость передачи данных в системе на физическом уровне 50 кбит/c. Пропускная способность логических каналов это скорость передачи сообщений в единицу времени. Избыточная информация  в среднем займет такое же количество бит, что и полезная информация. Значит на передачу сообщения канала трафика потребуется около 105 бит, на передачу сообщений канала сигнализации около 46 бит, на передачу сообщений широковещательной рассылки около  35 бит.  Скорость 50 кбит/c позволяет передать за 1 секунду 50 пакетов физического уровня. Пакет физического уровня содержит в себе сообщения, сформированные на МАС-уровне и закодированные помехоустойчивым кодом. В одном пакете физического уровня содержится около 1 кбита данных с МАС-уровня. Отсюда следует, что для канала трафика один пакет физического уровня содержит около 10 сообщений типа «данные», учитывая скорость на физическом уровне 50 кбит/c, получаем пропускную способность канала трафика 480 кбит/с.
Аналогично для канала широковещательной рассылки имеем примерно 30 сообщений типа «опрос» в одном пакете физического уровня, следовательно пропускная способность канала ВCCH составит 1,47 Мбит/с.
Для канала сигнализации после проведения подобных вычислений получим пропускную способность чуть больше 1 Мбит/с.
Таблица 1. Логические каналы связи.
Наименование канала
Обозначение
Тип
Пропускная способность
Широковещательный
BCCH
Вниз
1,47 Мбит/с
Сигнализации
SCH
Вниз
1 Мбит/с
Трафика
TCH
Вверх
480 кбит/с
1.7.5. 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.
 1.7.6. Пояснения структуры пакетов канального уровня были приведены в предыдущей статье(КП "Система сбора данных с подвижных станций". Часть 2.Доработанная  
1.7.7. 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.
1.8. Разработка физического уровня системы.
1.8.2. Основным фактором, влияющим на наличие ошибок при передаче данных, является многолучевое распространение. В условиях функционирования данной системы, наиболее вероятно наличие медленных замираний.  Эффективным средством борьбы с ними является использование помехоустойчивого кодирования и перемежения. Помехоустойчивый кодер добавляет к информационным битам дополнительные, избыточные биты, что позволяет на приемной стороне исправлять возникшие в результате передачи ошибки. Наличие перемежения в системе является обязательным условием исправления ошибок. Перемежитель переставляет биты по определенному закону, в результате чего пакетные ошибки, т.е ошибки подряд в нескольких битах, преобразуются в одиночные ошибки, которые могут быть исправлены с помощью избыточной информации, передаваемой вместе с полезными данными.  Так же 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. Так как количество данных, передаваемых радиомаяком на ТСД невелико, они передаются одним блоком , сообщением типа «данные», которое формируется на МАС - уровне. Условия распространения сигнала относительно благоприятные, система функционирует в сельской местности и расстояние от ТСД до радиомаяка невелико, следовательно, характеристика канала связи будет меняться относительно медленно, значит,  коэффициенты эквалайзера будут оставаться актуальными довольно продолжительное время. Считаю, что уместным будет производить настройку эквалайзера один раз за кадр. Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что глубина перемежения так же может быть не слишком большой. Глубина перемежения – это  максимальное расстояние, на которое разносятся соседние символы входной последовательности. Зададим глубину перемежения 6 бит. 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.
1.8.3.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»:
1. Выделить гражданам Российской Федерации и российским юридическим лицам полосы радиочастот 403-410 МГц, 417-422 МГц и 433-447 МГц для разработки, производства и модернизации радиоэлектронных средств фиксированной и подвижной радиосвязи гражданского назначения (без оформления отдельных решений ГКРЧ для каждого конкретного типа РЭС) при условии, что основные технические характеристики разрабатываемых, производимых и модернизируемых РЭС соответствуют основным техническим характеристикам, указанным в приложении к настоящему решению ГКРЧ.
       2. Выделить гражданам Российской Федерации и российским юридическим лицам полосы радиочастот 403-410 МГц, 417-422 МГц и 433-447 МГц для применения на территории Российской Федерации РЭС фиксированной и подвижной радиосвязи гражданского назначения.
       3. Использование выделенных настоящим решением ГКРЧ полос радиочастот для применения РЭС фиксированной и подвижной радиосвязи гражданского назначения должно осуществляться без оформления отдельных решений ГКРЧ для каждого конкретного пользователя РЭС при выполнении следующих условий:
       - соответствия технических характеристик используемых РЭС основным техническим характеристикам, указанным в приложении к настоящему решению;
       - применения РЭС, использующих полосы радиочастот 403-410 МГц и 417-422 МГц, только за пределами зоны радиусом 350 км от центра г. Москвы;
       - при применении РЭС должны быть исключены излучения от передатчиков этих РЭС в полосе частот 406-406,1 МГц;
       - при эксплуатации РЭС должна быть обеспечена защита от помех средств радиоастрономической службы в полосе частот 406,1-410 М Гц;
       - получения в установленном порядке разрешения Федерального агентства связи на использование радиочастот или радиочастотных каналов на основании заключения экспертизы радиочастотной службы о возможности использования заявляемых РЭС;
       - регистрации указанных РЭС установленным в Российской Федерации порядком.
Далее проведем энергетический расчет системы на основе выбранного диапазона частот. Энергетически                й запас в системе возьмем равным 10 дБ. Для начала рассчитаем потери на заданных частотах с учетом расстояния между объектами сети и типа местности. Прежде всего рассчитаем потери в свободном пространстве на заданной частоте и расстоянии. Это нужно для того, чтобы проверить правильность последующего расчета, так как затухание в реальных условиях всегда должно быть больше затухания в свободном пространстве.
Llos(f,r)=27,56 -20lgf- 20lgr , [дБ]. На частоте 433 МГц и расстоянии 70 метров получим затухание 62 дБ.
Так как радиус действия радиомаяка 70 метров, ТСД находится фактически в зоне прямой видимости, система работает в пригороде.  Для расчеты выберем модель Окамуры, соответствующим образом скорректированную для сельской местности :
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 – 2*(lg(f/28))^2+5,4 дБ
а(hMC)= (1,1lg f - 0,7)hMC-(1,56lg f - 0,8), дБ
Высота подъема антенны радиомаяка 1,5 метра, высота подъема антенны ТСД 7 метров. В итоге, проведя все необходимые вычисления получим:  142,8 дБ. Видим, что при сравнении полученного значения с затуханием в свободном пространстве требуемое отношение соблюдено, т.е затухание в пригородной местности получилось больше, чем затухание в свободном пространстве.
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.
1.8.4. Далее необходимо выбрать параметры помехоустойчивого кодера, скорость кодирования, а так же вид перемежения и оценить эффективность используемого кода. В системе будем использовать блоковый кодер, так как необходимо закодировать и передать сразу все сообщение типа «данные», сформированное на МАС-уровне. Это удобно делать с помощью блокового кодера. Более популярный сверточный кодер в данной системе будет реализовать сложнее, так как, если требуется скорость кодирования, отличная от ½, будет требоваться дополнительный блок прореживания битов, для выравнивании скоростей. Выберем в качестве блокового кодера, используемого в системе, код БЧХ (Боуза –Чоудхури - Хотвентгема).  Если используется профиль для канала связи с низким качеством, выберем размерность кода (7,2), для канала  с высоким качеством будет достаточно размерности (4,2). Энергетический выигрыш при использовании кода с размерностью (7,2) составляет 4,5 дБ, для кода с размерностью (4,2) – 5,5 дБ.
1.8.5. Проведем оценку уровня мощности передатчика радиомаяка и сравним полученное значение с заданным.
Для QPSK мощность передатчика будет рассчитана следующим образом.
Необходимая полоса:
Нужно учесть энергетический выигрыш, достигаемый за счет помехоустойчивого кодирования и энергетический запас. Энергетический запас равен 10 дБ, выигрыш от помехоустойчивого кодирования 4,5 дБ. В итоге получаем необходимую мощность передатчика равную 7,9 дБ или 6,16 мВт.
Далее проведем аналогичный расчет для 16-PSK модуляции.
Учитывая энергетический запас и выигрыш от использования помехоустойчивого кодирования получим мощность передатчика равную 6,1 дБ или 4,7 мВт.
При сравнении с исходными данными можно видеть, что полученные мощности передатчика удовлетворяют требованиям с запасом.
1.8.1.  Пропускную способность системы рассчитаем по формуле Шеннона:
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.
1.8.6. Структурная схема физического уровня системы и описание ее работы приводилась в предыдущей статье (КП "Система сбора данных с подвижных станций". Часть 2.Доработанная)
1.8.7. На физическом уровне существуют физические каналы. В системе используется временное разделение, соответственно один временной слот представляет собой один физический канал. В каждом кадре получаем число физических каналов, равным числу временных слотов в системе.
1.8.8. 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.
Рисунок 3. Структура пакета физического уровня.
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.
1.9. Иерархия радиоинтерфейса в прямом направлении от ТСД к радиомаяку включает в себя слот, кадр, мультикадр. Слот – это маленький промежуток времени, выделенный для передачи небольшого объема информации. При передаче пакета опроса одним слотом будет считаться время, необходимое для передачи каждого из полей сообщения. Пакет опроса целиком представляет собой кадр. Кадр – это более высокая ступень в иерархии радиоинтерфейса. Каждый кадр ограничен защитными интервалами, чтобы была возможность эффективно различать его границы. Следующий, после пакета опроса, кадр в направлении вниз, это временной интервал, необходимый для передачи флага подтверждения успешной передачи или запроса на повторную передачу. Слот в обратном направлении, от радиомаяка к ТСЛ представляет собой выделенный ТСД временной промежуток, в который радиомаяк передает данные. Все вместе временные слоты с информацией от разных радиомаяков составляют кадр в направлении вверх. Время, занимаемое на весь сеанс связи ТСД с радиомаяками, т.е. время, пока передаются пакеты опроса, затем пакеты с данными, затем пакеты подтверждения или запросы повторной передачи, составляет мультикадр. Мультикадр самая высокая ступень в иерархии радиоинтерфейса.
Рисунок 4. Иерархия РИ в прямом и обратном направлениях.
Рисунок 5. Структура мультикадра.