1.6. Обоснование и подробное описание задач, выполняемых на физическом уровне.

Проработка вопросов,связанных с обеспечением синхронизации сетевых устройств на физическом уровне.

Назначение физического уровня было описано ранее  в п.1.2.

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

 

В нашей работе мы используем технологию радиоинтерфейса OFDM, которая обладает высокой спектральной эффективностью и создает предпосылки для эффективного подавления такого паразитного явления, как многолучевая  интерференция сигналов.

Для борьбы с замираниями воспользуемся помехоустойчивым кодированием. Помехоустойчивый кодер добавляет к информационным битам сообщения дополнительные избыточные биты, чтобы на приемной стороне была возможность исправления возникших в ходе передачи ошибок.

 

1.6.2. Пояснение способа реализации проведения радиоизмерений на физическом уровне.


Как было сказано в п. 1.4 терминал производит радиоизмерения в момент приёма сообщений. Если это значение первое или отличается от предыдущего на величину отличную от установленного порога, то уровень принятия решений Т формирует сообщение и отправляет его ТД, которая вносит его в базу(если сообщение первое) или принимает решение об изменении уровня мощности сигнала.


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.

 

Сообщения, поступающие на уровень L1, проходят этап радиоизмерений, демодуляцию, декодирование и выделение адреса на L2, затем вместе с радиоизмерениями поступают на уровень L3, где уже предпринимаются дальнейшие решения о их судьбе.

Для упрощения работы системы длина пакетов сообщения L2 уровня всегда остается неизменной. Формирование структуры пакетов физического уровня приводится ниже.


Рис.13. Структура пакетов физического уровня

Мы используем два профиля физического уровня, BPSK модуляцию для передачи команд управления и QAM-16 для передачи видео.

      Количество бит на IQ-символ (квадратурный символ) различно в зависимости от выбранного профиля: для BPSK-1 бит на IQ-символ, а для QAM-16-4 бит на IQ-символ. Служебная информация и преамбула модулируются QAM-16 с целью повышения помехоустойчивости. Модуляция последующих символов зависит от содержания служебного поля.

 

Соответственно, для QAM-16 информационная часть после кодирования будет состоять минимум из 256*2/4 =  128 символов, а для BPSK из 256*2=512 символов. Следовательно, при передаче каждой поднесущей одного символа модуляции, для оптимальной передачи одного пакета (без заполнения OFDM-символов незначащими IQ-символами) количество информационных поднесущих должно равняться 128. Тогда, для QAM-16 один пакет будет передаваться ровно 2-мя OFDM-символами, а для BPSK 8 OFDM-символами, в том числе для широковещительных сообщений. 

Рис.14. Структура поднесущих

1.6.4. Пояснение способа обеспечения частотной и временной синхронизации.

 

Для радиоинтерфейса OFDM необходима высокая синхронизация частоты и времени, в нашей системе она обеспечивается добавлением преамбулы из одного короткого(для грубой частотной и временной синхронизации , а так же для обнаружения OFDM-сигнала) и одного длинного(настроечная последовательность для точной частотной подстройки) OFDM символа. Добавление таких синхроимпульсов обеспечивает необходимый уровень для временной и частотной синхронизации.

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

 

Исходя из п.1.8 требуемая пропускная способность физического канала приблизительно равна 19,67 Мбит/с. С учетом внесенной избыточности получим 141/320= 0,441,  что является долей преамбулы и избыточности. Следовательно 0,559/19,67=28,42 Мбит/с.

Необходимую минимальную полосу можно рассчитать по формуле:

Δf = R / log2n = 28,42 × 106 / log24=14,21 МГц - для BPSK модуляции

Δf = R / log2n = 28,42 × 106 / log216=7,1 МГц - для 16QAM 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.

 

Для БПЛА целесообразным является выбор диапазона СВЧ, при котором возможно создать антенну малых размеров. Одним из подходящих частотных диапазонов является диапазон 2,4 ГГц. Для этого диапазона полоса занимаемых частот по уровню -3 дБ не должна превышать 15 МГц, а по нулям спектра – не более 22 МГц, что удовлетворяет нашей полосе.

Уровень потерь можно найти по формуле: L=20log10(4πD/λ)=20log10(4*3,14*4000/0,125)=112.1 дБ, где D – расстояние между приемником и передатчиком, м; λ – длина волны, м.

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.

 

По техническому заданию вероятность ошибки на бит Pb: 10-6. Мы используем модуляции 16QAM и BPSK, а также сверточный код со скоростью 1/2. ОСШ при заданной вероятности ошибки должно быть не менее 10,7 дБ для 16QAM и 4,772 дБ для BPSK.

 

Рис. 15. ОСШ

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.

 

Исходя из предыдущих пунктов получаем:

Для 16QAM:

Осш Eb/N0 10,7 дБ;

Коэффициент усиления передающей антенны GT=2 дБ;

Коэффициент усиления принимающей антенны Gr=2 дБ;

Затухания в канале связи L = 112,1 дБ;

Необходимая минимальная полоса Δf=7,1 Мгц;

Скорость передачи данных после кодирования R = 28,42 Мбит/с;

Шумы каскадов: Nk = 10 дБ;

Постоянная Больцмана: k = 1,38 * 10-23 Дж/К;

Шумовая температура (нормальные условия): Т = 296 К.

Шумовая полоса одного  канала:Пш = Δf * 1,1 = 7,1 * 1,1 = 7,81 Мгц

Мощность шума:Pш = k ∙ T ∙ Пш = 1,38 * 10-23 * 296 ∙ 7,81 * 106  = 4,993 * 10-14 Вт = -133 дБ 

Аналоговое отношение сигнал/шум:C/N = (Eb / N0) + 10 log(/ Пш) = 10,7 + 10 log(28,42/7,81) = 19,135 дБ 

Чувствительность приемника:Pпрм = Pш + Nk + C/= -133 + 10 + 19,135 = -103,87

  дБ = 4,102*10-11 Вт 

Мощность передатчика:Pизл = Pпрм  + L – GTGr = -103,87 + 112,1 - 2 - 2= 4,23 дБ = 0,0026485 Вт 

 

Для BPSK:

Осш Eb/N0 = 4,772 дБ;

Коэффициент усиления передающей антенны GT=2 дБ;

Коэффициент усиления принимающей антенны Gr=2 дБ;

Затухания в канале связи L = 112,1 дБ;

Необходимая минимальная полоса Δf=14,21 Мгц;

Скорость передачи данных после кодирования R = 28,42 Мбит/с;

Шумы каскадов: Nk = 10 дБ;

Постоянная Больцмана: k = 1,38 * 10-23 Дж/К;

Шумовая температура (нормальные условия): Т = 296 К.

Шумовая полоса одного  канала:Пш = Δf * 1,1 = 14,21 * 1,1 = 15,631 Мгц

Мощность шума:Pш = k ∙ T ∙ Пш = 1,38 * 10-23 * 296 ∙ 15,631 * 106  = 6,385 * 10-14 Вт = -132 дБ 

Аналоговое отношение сигнал/шум:C/N = (Eb / N0) + 10 log(/ Пш) =  4,772 + 10 log(28,42/14,21) = 14,772 дБ 

Чувствительность приемника:Pпрм = Pш + Nk + C/= -132 + 10 + 14,772 = -107,228

  дБ = 2*10-11 Вт 

Мощность передатчика:Pизл = Pпрм  + L – GTGr = -107,228 + 112,1 - 2 - 2= 0,872 дБ = 0,0012 Вт

                                                                        

2.65  мВт < 1 Вт, что удовлетворяет требованиям технического задания.

Оценим область уверенного приема при Pr=90%.

Вероятность приема в 90% точек: χ = PR/100 = 90/100 = 0,9.

По таблице функции Лапласа определяется W, ближайщее к 0,1.


Рис.16. Таблица функции Лапласа.

W = 1,28


Рис. 17. Определение площади уверенного приема

Примем σ = 7 – дисперсия по месту, n = 5 – коэффициент потерь.

Имея отношение σ/n=1,4 получаем r50=0.83.

Тогда область радиопокрытия в 90% точек:

R90 = 10^(- / 10n) * r50 = 10 ^ (-8,96 / 50) * 0,83 = 0,55 км

Тогда затухания в канале связи: 

L=20log10(4*3,14*550/0,125)= 94.8 дБ

Требуемая для обеспечения PR = 90% в радиусе 4 км. мощность излучения равна:

Pизл = -103,87 + 94,8 - 2 - 2= -13,07 дБ= 0.05 Вт < 1 Вт, что соответствует ТЗ.

 

 


 

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


Рис.18. Алгоритм приёма сообщений


 

Рис.19. Алгоритм передачи сообщения

Список литературы:
1.
Бакке А. В. "Лекции по курсу: Системы и сети связи с подвижными объектами"

2.http://radio-systems.org/uav_communications_links
3.http://omoled.ru/publications/view/447

4.http://omoled.ru/publications/view/931

5. https://ru.wikipedia.org

6.http://www.itu.int/en/ITU-D/Regional-Presence/CIS/Documents/Events/2014/03_Moscow/Session_2_Lokhvitsky.pdf