Курсовая работа по дисциплине

 «Системы и сети связи с подвижными объектами».

Тема: «Голосовая радиопочта»

Часть 2: Физический уровень

                                                                                                                           Выполнила:

                                                                                                         студентка группы 319

                                                                                                                    Лукашова Е.В.

 

 

Целью данного курсового проекта является проектирование системы голосовой почты, предназначенной для объединения в единую сеть мобильных терминалов с целью доставки речевых сообщений другим пользователям сети в пределах ограниченной территории.

 

Основные требования к системе:

-off-line доставка сообщений: при отсутствии в сети адресата сообщение должно быть доставлено позже;

- возможность доставки голосовых сообщений абонентам других подобных сетей.

 

Исходные данные к проекту:

·         Максимальное количество абонентов в сети: 700;

·         Радиус зоны радиопокрытия: 5000 м;

·         Гарантируемая (минимальная) скорость передачи данных: 256Kбит/с;

·         Тип местности: городская застройка;

·         Вероятность ошибки на бит Pb: 5*10-7;

·         Мощность излучения подвижной станции Ризл :< 0.5 Вт ;

·         Рекомендуемая технология передачи: OFDM PR: 75%;

·         Диапазон частот, вид модуляции выбирается самостоятельно.

 

 

 

 

1.6. 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.

Физический уровень  - нижний уровень модели, предназначенный непосредственно для передачи потока данных .Основной задачей ФУ является надежная передача потока битов, поступающего с верхнего (канального уровня). На физическом уровне могут быть реализованы любые технические решения, направленные на повышение достоверности приема битов. В данной системе физический уровень предназначен для передачи потока данных от терминала к точке доступа и наоборот.

 

1.6.1. Анализ и обоснованный выбор мер по защите физического уровня от многолучевости.


Многолучевость возникает в том случае, если радиоволны приходят в точку приема, отразившись от различных препятствий на пути распространения. Из-за различия в длине пути эти радиоволны приходят с различным запаздыванием. В результате, если сигналы, пришедшие по разным путям, перекрываются, то между ними возникает интерференция, которая может привести к замираниям результирующего сигнала. В конечном счете, многолучевое распространение сильно увеличивает вероятность битовой ошибки, что ведет к потерям передаваемых данных.

 

 Для борьбы с многолучевым распространением будем использовать сигналы с ортогональной частотной модуляцией (OFDM)  и перемежения потока битов. Технология OFDM построена таким образом, что сама по себе является эффективной мерой защиты физического уровня от многолучевости. Поэтому разработка дополнительных мер по борьбе с многолучевым распространением не требуется.

 

Принцип OFDM заключается в том, что канал делится на несколько субканалов (поднесущих), которые ортогональны между собой. Высокоскоростной поток данных преобразуется в несколько параллельных битовых потоков меньшей скорости, каждый из которых модулируется своей отдельной несущей. Все это множество несущих передается одновременно (Рисунок1)

 


Рисунок1. Пояснение принципа OFDM

 

 

 

   Для борьбы с помехами в OFDM включён защитный интервал (Рисунок2).  Обычно в качестве защитного интервала используют циклический префикс, являющийся копией окончания сигнала размещенной впереди. Это позволяет сохранить ортогональность поднесущих. Чем дольше защитный интервал, тем в более сложных условиях может передаваться OFDM сигнал.

 


Рисунок2. Защитный интервал в OFDM

 

 

 

 

В основе подхода к формированию OFDM-модулированного сигнала лежит преобразование Фурье. Синтетическим методом создаётся спектр сигнала, из которого обратным быстрым преобразованием Фурье (IFFT) получается радиосигнал. Спектр такого сигнала уже состоит из ортогональных поднесущих. Непосредственное формирование сигнала после цифрового синтеза, который затем передаётся в антенну для излучения, происходит аналогично схеме квадратурной модуляции. В отдельности формируются квадратурные сигналы как мнимая и реальная часть синтезируемого сложного сигнала, а затем происходит его «сборка» и передача в антенну. В виду того, что алгоритм FFT/IFTT работает эффективно c выборками размерности кратными степеням двойки, то количество поднесущих в OFDM используется аналогичной кратности.

 

Для повышения помехоустойчивости системы в ней предполагается использование сверточного кодирования, исправляющего ошибки приема. Однако, в многолучевых каналах связи, из-за возникающих замираний, появляются пакеты ошибок, которые невозможно исправить обычным сверточным кодированием.

Для борьбы с замираниями и возникновением связанных с ними пакетов ошибок служит процедура перемежения (Рисунок3). Она состоит в перестановке символов кодированной последовательности до ее модуляции и восстановлении исходной последовательности после демодуляции. Перестановка позволяет так разнести рядом стоящие символы, чтобы они оказались разделены группой других символов, передаваемых в том же блоке данных. В этом случае поток ошибок приближается к статистически независимому, такие ошибки легче обнаруживать и исправлять сверточным кодированием. Следует отметить, что данная операция не вносит избыточности, а только изменяет порядок следования символов или бит.

Например, вместо последовательности битов (указаны номера битов, а не их значение) «1, 2, 3, 4, 5, 6 …» создается последовательность: «5, 3, 6, 1, 4, 2 …». После перемежения полученная последовательность подвергается дальнейшим преобразованиям, как и обычный цифровой сигнал. После приема сигнала последовательность подвергается обратной перестановке, чтобы получить исходный сигнал. В случае, если на сигнал будет воздействовать пачечная помеха, например, на подряд идущие биты 3, 6 и 1, то после восстановления исходного потока эти биты окажутся не рядом стоящими и к ним уже можно будет применить стандартные алгоритмы защиты от ошибок.


Рисунок3. Пояснение принципа перемежения.

 

 

 Перемежению будет подвергаться весь пакет L2 и служебная информация, необходимая для приема сигнала

 

1.6.2. Пояснение способа реализации проведения радиоизмерений на физическом уровне.

 

Радиоизмерения проводятся при помощи преамбулы сообщения физического уровня и пилот-сигналов, равномерно распределенных по поднесущим OFDM.

 

Результаты измерений делятся на 3 вида:

        1)Результаты измерений мощности сигнала - получаются путем прямого измерения мощности принимаемого сигнала (в дБм).          
        

      2) Передаточная функция канала - определяется на известных позициях пилот-сигналов и, с помощью использования интерполяции, получается вектор полной частотной характеристики для всех поднесущих. На основе полученной передаточной функции происходит настройка фильтра-эквалайзера, который производит компенсирование неравномерности АЧХ канала связи.

      

       3)дисперсия различных символов сигнально-кодового созвездия - позволяет оценить отношение сигнал-шум и выбрать соответствующий профиль передачи. Чем больше дисперсия символа, тем меньше ОСШ и наоборот. 

 Рассмотрим реализацию радио измерений на примере передачи сообщений от ТД терминалу (Рисунок 4).

1 ТД с оповещением о наличие сообщения передает терминалу-получателю информацию о своем профиле функционирования;

2 это сообщение попадает на физический уровень приемника и проходит первичные преобразования и радио измерения;

3 передаточная функция поступает на фильтр- эквалайзер для компенсации нелинейности АЧХ КС;

4 информация о мощности сигнала и дисперсии передается на уровень L3 и поступает в блок служба управления радио измерениями;

5 в этом блоке данные, полученные с L1 уровня анализируются, выбирается рекомендуемый профиль передачи и команды о регулировке мощности и смене профиля передаются на L1 уровень;

6 также информация о профиле передачи и регулировке мощности передается отправителю в составе сообщения ARQ 

7 при поступлении на L3 уровень передатчика, корректировки из этого сообщения записываются в его информационную систему


 

Рисунок 4.Схема процесса проведения радиоизмерений

 

1.   

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.

 

Структура радиоинтерфейса  L1-уровня представлена на (Рисунок 5). Обеспечение двустороннего обмена пакетами физического обмена достигается использованием двух трактов: приема и передачи.



Рисунок5. Структура радиоинтерфейса L1- уровня.


·         модуляция (демодуляция) – заключается в переносе сигнала на несущую радиочастоту для передачи по радиоканалу;

·         синхронизация – обеспечение временной и частотной синхронизации всех узлов сети. 

·         компенсация влияния АЧХ канала связи с помощью фильтра-эквалайзера в приемном тракте терминала;

·         сверточное кодирование (декодирование) – разновидность корректирующих кодов, целью которых является обнаружение или (и) исправление ошибок. При передаче к сообщению специальным образом  добавляется избыточность, которая используется для исправления ошибок при приеме. 

·         OFDM-модуляция (демодуляция)- защита от многолучевости

·         перемежение (деперемежение)защита от пакетов ошибок

            Для оптимизации работы сети, в отношении передачи данных и выполнения задач энергосбережения в функции физического уровня должны входить:

·         поддержка и реализация разных профилей передачи, выбираемых в зависимости от помеховой обстановки.  регулировка мощности излучения до минимально необходимого уровня (требуется для повышения энергоэффективности системы);

·         проведение радиоизмерений – оценка параметров канала связи и измерение параметров принятого сигнала – требуется для выбора профилей передачи и регулировки мощности. 

 

Проработка профилей физического уровня и сценария их выбора :

           В разрабатываемой сети предполагается использование двух профилей передачи данных: профиль QPSK (базовая скорость передачи данных) и профиль QAM-16 (увеличенная скорость передачи данных).

              Выбор того или иного профиля осуществляется точкой доступа на основании результатов работы подсистемы радиоизмерений .По умолчанию устанавливается профиль с низкой скоростью и высокой помехозащищенностью передачи данных – QPSK. При выявлении улучшения или ухудшения качества канала связи, уровень управления сетевым соеденением формирует команду на смену профиля функционирования.

В случае, если измеренные параметры обеспечивают необходимое качество передачи, узел связи переключится на профиль передачи с повышенной скоростью   QAM-16.

             Если позже, из-за подвижности терминалов, изменится помеховая обстановка и окажется, что рекомендуемой мощности и вида модуляции будет недостаточно для уверенного приема сигнала (отправитель не сможет с первого раза правильно передать сообщение), то уровень управления сетевым соединением установит модуляцию QPSK и максимальную для нее мощность. Эти параметры затем снова скорректируются в ходе радиоизмерений.

 

Таблица1.Сравнение профилей передачи QPSK и QAM-16.

Профиль

Скорость кодирования

Скорость передачи, Мбит/с

Количество бит на поднесущую

QPSK

1/2

14,3

2

QAM-16

1/2

28,6

4

 

   Исходя из задач физического уровня, можно представить структурную схему сообщения L1 (Рисунок 6), представляющую собой последовательность символов OFDM. Сообщение физического уровня состоит из нескольких полей: преамбулы, служебного поля и поля данных.


Рисунок6.Структура сообщения физического уровня

·         Преамбула (8бит)предназначена для временной и частотной синхронизации, а также для работы подсистемы радиоизмерений. В преамбуле использованы 10 «укороченных» по времени и 2 полных OFDM символа.

 

·         Служебное поле содержит номер используемого профиля передачи  (1 бит) .Оно подвергается сверточному кодированию со скоростью ½ (размер поля становиться равным 2 бита).

 

·         Поле FEC (8бит) - поле избыточных битов, используется для исправления ошибок при приеме

 

·         Поле данных необходимо для непосредственной передачи данных и исправления ошибок в процессе передачи. Поле данных содержит закодированные и перемеженные со скоростью ½ пакеты L2 объемом  800 бит  каждый ( 400 до кодирования) в случае передачи пакета трафика и широковещательных сообщений  и 400 (200) бита в случае служебного сообщения.   

                                                                                                                                            

Учитывая структуру сообщения в п.1.2 (Рисунок 5) одно сообщение физического уровня может содержать несколько пакетов данных L2-уровня.  Общая длинна поля данных равняется произведению количества пакетов в сообщении L1 и размерности закодированного пакета L2 (800 бит для пакетов трафика и широковещательных пакетов и 400 бита для служебных) . Минимальная длинна: 1 * 200 = 200 бита. Максимальная: 32* 800 = 25600 бит.


      Количество бит на IQ-символ (квадратурный символ) различно в зависимости от выбранного профиля:

·         для QPSK: 2 бита на IQ-символ;

·         для QAM-16: 4 бит на IQ-символ.

 

Поле служебной информации и преамбула модулируются QAM-16 с целью повышения помехоустойчивости. Модуляция последующих символов зависит от содержания служебного поля.

 

Соответственно, для QAM-16 информационная часть будет состоять минимум из 800/4 =  200 символов, а для QPSK из 800/2 = 400 символов. Следовательно, при передаче каждой поднесущей одного символа модуляции, для оптимальной передачи одного пакета трафика (без заполнения OFDM-символов незначащими IQ-символами) количество информационных поднесущих должно равняться 50. Тогда, для QAM-16 один пакет трафика будет передаваться ровно 4-мя OFDM-символами, а для QPSK 8 OFDM-символами, в том числе для широковещительных сообщений. В случае передачи служебных  сообщений для QAM-16 информационная часть будет состоять из 200/4 = 50 символов, а для QPSK из 200/2 = 100 символов. Они будут передаваться 1-м и 2-мя  OFDM-символами соответственно.


Из-за того, что для формирования OFDM-сигнала используется ДПФ, желательно чтобы число поднесущих было кратно степени двойки, тогда вместо ДПФ можно использовать его более эффективный аналог – БПФ.

Зададим количество поднесущих равное 26 = 64. Распределим их следующим образом:

·         50 поднесущих содержат информацию;

·         по 4 поднесущим передается пилот-сигнал для проведения радиоизмерений;

·         10 поднесущих по краям OFDM-символа являются защитными интервалами.

 

Структура поднесущих представлена на (Рисунок 7)

 


Рисунок7. Структура поднесущих.

 

1.6.4. Пояснение способа обеспечения частотной и временной синхронизации.

       OFDM-сигнал можно представить в виде частотно-временной матрицы , на которой по горизонтали отложены OFDM-символы , а по вертикали -поднесущие OFDM,   (Рисунок 8-а).

        На приемной стороне изначально не известен момент прихода очередного символа . Во избежание потери ортогональности поднесущих при демодуляции, требуется точное фазовое и частотное согласование приемника и передатчика во всей полосе принимаемых сигналов. Влияние ошибок синхронизации возрастает с ростом числа поднесущих. Поэтому для минимизации фазовых искажений сигнала на приемной стороне, а, следовательно, вероятности ошибки при демодуляции, в OFDM-системах необходима как временная, так и частотная синхронизация.

Решение задач, связанных с обеспечением синхронизации при приеме цифровых сигналов состоит в определении точных границ тактовых интервалов принимаемых символов, а также в оценке и компенсации неизбежного частотного рассогласования, связанного с эффектом доплеровского смещения спектра.

С целью компенсации имеющегося в принимаемом сигнале частотного рассогласования, а также для точного определения временного положения OFDM символов могут применяться различные алгоритмы, основанные на содержащейся в передаваемом по радиоканалу сигнале избыточной информации: специальных вспомогательных символах, пилотных поднесущих и циклическом префиксе.

В разрабатываемой системе выберем для использования алгоритмы временной и частотной синхронизации, использующие для своих целей специальные вспомогательные символы. Это обосновано тем, что применение вспомогательных символов позволяет избавиться от негативного воздействия многолучевого распространения при оценке частотного и временного рассогласований. В роли этих вспомогательных символов выступает преамбула в составе сообщения физического уровня.

Преамбула состоит из набора укороченных OFDM-символов, которые используются для грубой частотной и временной синхронизации, а так же для обнаружения OFDM-сигнала, и двух полных OFDM-символов, представляющих собой настроечные последовательности, используемые для точной частотной подстройки. 

Оценка временного рассогласования при применении вспомогательных символов вычисляется путем определения минимума среднеквадратичного отклонения между двумя блоками отсчетов.

Задача оценки частотного рассогласования так же будет решаться при помощи вспомогательных символов. Этот способ заключается в передаче в составе преамбулы двух идентичных OFDM символов.

            В общем, процедуру синхронизации можно изобразить как выполнение двумерной корреляции матрицы с известной пилотной матрицей (Рисунок8-б). Для компенсации временного рассогласования требуется "сдвинуть" временную шкалу приемника на величину временного рассогласования, тем самым совместив временные оси приемника и передатчика. Для компенсации частотного рассогласования требуется наличие в приемнике контролируемого осциллятора, изменяя выходную частоту которого возможно скомпенсировать смещение частоты сигнала.

 

Рисунок 8.Частотно-временная матрица OFDM-сигнала (синим показаны ожидаемые позиции, красным - принятые).

 

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

    Оценка пропускной способности производилась в пункте 1.5.8. В ней были учтены затраты на сверточное кодирование, синхронизацию, защитные интервалы и др.Из этого следует что значение пропускной способности физического канала связи должна быть не менее 0,6 [Мбит/c].

На основании полученного значения оценим минимально необходимую полосу частот. Для QPSK , минимально необходимая (эффективная) полоса сигнала:

 

Δf = R / log2n = 0,6 × 106 / 2 = 0,3 МГц,

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

 

где: Δf – эффективная полоса сигнала для QPSK, n – кратность модуляции.

 

скорость передачи для QAM-16:

R = Δf  log2n = 0,3 × 4 × 106 = 1,2 Мбит/с,

 

где: Δf – эффективная полоса сигнала для QPSK, 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 МГц с мощностью излучения до 0,5 Вт включительно и выберем рабочую полосу частот: 446-446,1 МГц.

Проектируемая радиосеть будет работать в условиях городской застройки. Основная часть потери сигнала будут возникать при переотражении радиоволн от зданий.  Для расчета потерь воспользуемся моделью Окамуры — Хата, полученной в итоге многолетних измерений поля в Токио.

В рамках этой модели потери L для случая квазиплоского города рассчитывается следующим образом:

  

Где hB — эффективная высота установки антенны БС в диапазоне(30 - 200)м; R — расстояние от БС (базовая станция) до АС (абонентская станция) в диапазоне (1 - 10) км; f— частота излучения БС, МГц; k — поправочный коэффициент, учитывающий протяженность трассы; a(hM) — поправочный коэффициент, зависящий от высоты мобильной антенны hM и для большого города при f > 400 МГц, определяемый как 

Данные  для расчета: Частота излучения БС: f=446,5 МГц. Пусть антенна базовой станции размещена на 9-этажном здании высотой около 25 м. Для обеспечения устойчивой связи антенна приподнята на 10 м над уровнем крыши. Следовательно, можно считать hB=35 м. Абонентские терминалы преимущественно размещаются на улицах (hM = 1,5 м). Расстояние от базовой станции до терминалов будет определяться радиусом зоны обслуживания – R=5 км. К=1 приR<20 км.

Тогда потери L для модели Окамура — Хаты рассчитываются следующим образом:

  

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 5×10-7. В ходе анализа были получены следующие зависимости, для двух видов модуляции (Рисунок9).

 

Рисунок9. Зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ (без кодирования).

Исходя из изображенных графиков (Рисунок 9), можно сделать вывод, что для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки требуется ОСШ равное:

·         11,5 дБ для профиля QPSK;

·         15,2 дБ для профиля QAM-16.

 

Очевидно, что в условиях низкого отношения сигнал-шум данная система будет работать неэффективно. Для увеличения порога ОСШ в системе используется добавление определенной избыточной информации к исходной последовательности.

Оценим необходимое для выполнения ТЗ ОСШ, с учетом сверточного кодирования, по умолчанию выставлен порождающий многочленом          (171, 133), для двух профилей передачи (Рисунок 10).



Рисунок 10. Зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ (без кодирования и с применением кодирования)

 Исходя из изображенных графиков (Рисунок 10), можно сделать вывод, что для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки требуется ОСШ равное:

·         7,8 дБ для модуляции QPSK, что на 3,7 дБ эффективнее по сравнению с передачей без кодирования;

·         11,6 дБ для модуляции QAM-16, что на 3,6 дБ эффективнее по сравнению с передачей без кодирования.

 

Сверточное кодирование является мощным средством борьбы с одиночными ошибками. Идея сверточного кодирования заключается в следующем: входящая последовательность информационных бит преобразуется в специальном сверточном кодере таким образом, чтобы каждому входному биту соответствовало более одного выходного. Сверточный код - непрерывный код, здесь нет деления на кодовые комбинации, при одинаковой сложности кодирующих и декодирующих устройств такое кодирование просто в реализации. Сверточное кодирование получило широкое распространение и используется в таких сетях как GSM, Wi-Fi и др.

    Из-за того, что закодированная информация не группируются в блоки, обнаружение и исправление ошибок выполняется непрерывно, и именно в этом состоит преимущество сверточных кодов.