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 IDрадиомаяка 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 27 бит.  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 42 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 IDрадиомаяка-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.

Пропускную способность логических каналов рассчитаем после того, как будет определен размер пакета физического уровня.

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.

1.7.7. 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»:

Llos(f,r)=27,56 -20lgf- 20lgr , [дБ]. На частоте 433 МГц и расстоянии 70 метров получим затухание 62 дБ.

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

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 QPSKдля канала с низким качеством и 16-PSK

для канала с высоким качеством. Приведем графики зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ для этих видов модуляции.

На данной графике видим зависимость битовой ошибки от ОСШ без использования помехоустойчивого кодирования. Зеленая линия показывает зависимость для модуляции 16-PSK, синяя линия QPSK.

Видим, что требуемое ОСШ для QPSK равно 9 дБ, для 16-PSK17 дБ.

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). Воспользуемся в пакете Matlabкомандой bchnumerr(63). С ее помощью можно рассчитать возможные варианты размерностей блокового  кода БЧХ.  Для профиля работы в канале с высоким качеством связи выберем код (63, 45) с исправляющей способностью 5. Это значит, что в каждом пакете возможно исправить 10 ошибок. Для профиля работы в канале с низким качеством выберем код  размерностью (63, 36) с исправляющей способностью 7.

При использовании помехоустойчивого кодирования будет достигнут энергетический выигрыш, который можно рассчитать, приведя зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ при использовании помехоустойчивого кодирования.

Получаем энергетический выигрыш при использовании помехоустойчивого кодирования 1 дБ для QPSK и 1,5 дБ для 16-PSK. Требуемое ОСШ 8 дБ для QPSK и 16 дБ для 16-PSK.

Для QPSK мощность передатчика будет рассчитана следующим образом.

Далее проведем аналогичный расчет для 16-PSK

модуляции.

Учитывая энергетический запас и выигрыш от использования помехоустойчивого кодирования получим мощность передатчика равную 25  дБ. Это число не удовлетворяет требованиям технического задания о мощности передатчика, поэтому необходимо использовать менее энергозатратный вид модуляции. Такой модуляцией может быть 8-РSK. Проведем представленные выше расчеты для модуляции 8-РSK.

Построим график зависимости битовой ошибки от ОСШ для 8-РSK.

Рисунок 3. Зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ

Проведем энергетический расчет для 8-РSK

.

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 8 дБ пропускная способность будет: С= F*log2(1+8)=47,71 кГц. Для модуляции 8-PSK, т.е для ОСШ 16,5 дБ пропускная способность будет: С= F*log2(1+11,5)=54,84 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.

Скорость передачи данных в системе на физическом уровне 50 кбит/c. Пропускная способность логических каналов это скорость передачи сообщений в единицу времени. Значит, учитывая то, что избыточная информация занимает в среднем одну пятую часть пакета, получаем пропускную способность логических каналов 40 кбит/с, т.е она составляет 4/5 общей пропускной способности системы. Тогда по каналу трафика сможем передать 1142 сообщений в секунду, по каналу сигнализации 2068 сообщений в секунду и по каналу  BCCH 2352 сообщений в секунду.

Таблица 1. Логические каналы связи.