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, основная задача которого – достоверная передача потока битов, поступающего с верхнего, канального уровня, посредствам радиоканала физическому уровню другого узла сети [1]. На физическом уровне могут быть реализованы любые технические решения, направленные на повышение достоверности приема битов

Выполнение операций:

·        Модуляции и Демодуляции (заключается в переносе сигнала на несущую радиочастоту для передачи по радиоканалу).

·        Обнаружение  радио-символов.(обеспечивается внесенными в память микросхемы Т ID точек доступа, принимая BCCH  с меткой ID известных терминалу и игнорируя иные излучаемые сигналы)

·        Обнаружение и исправление битовых ошибок.

·         Проведение радиоизмерений – измерение  уровня мощности сигнала на уровне L1.

·        Помехоустойчивое кодирование/декодирование – для обнаружения и исправления ошибок, возникающих в среде распространения, путем добавления избыточности.

·        Синхронизация по времени и частоте – обеспечивается меткой END в сообщении BCCH для реализации метода S-Aloha. Прием сообщения начинается с метки временной синхронизации в преамбуле, так же с помощью преамбулы осуществляется частотная синхронизация.

Радиоканал повержен затуханиям  и помехам в следствии чего необходимо предусмотреть алгоритм снижающий вероятность ошибки при передаче и снижения влияния канала связи при передаче:

·        Компенсация влияния АЧХ канала связи с помощью фильтра – эквалайзера на приемной стороне

·        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.

 

в системах подвижной связи, особенно характерен эффект многолучевого распространения волн. В качестве мер по защите от этого эффекта выбраны:

·        OFDM модуляция(демодуляция)

·        Перемежение / деперемежение

 

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

Существуют различные методы борьбы с последствиями многолучевого распространения сигнала. В нашей работе для этих целей будет использоваться технологии мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов OFDM [7] и перемежения потока битов.

OFDM (англ. Orthogonal frequency-division multiplexing —

ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием)

    Это схема модуляции, использующая множество несущих. Канал

делится на несколько поднесущих. В OFDM высокоскоростной поток данных

конвертируется в несколько параллельных битовых потоков меньшей

скорости, каждый из которых модулируется своей отдельной несущей. Все

это множество несущих передается одновременно.

Рис.1 –Пояснение принципа OFDM

 

 Главное преимущество OFDM заключается в том, что

продолжительность символа в поднесущей значительно больше в сравнении

с задержкой распространения, чем в традиционных схемах модуляции. Это

делает OFDM гораздо устойчивее к межсимвольной интерференции (ISI,

intersymbol interference – Межсимвольная интерференция).

    Ключевым принципом OFDM является использование охранного

интервала. Это возможно благодаря тому, что продолжительность каждого

символа достаточно велика.

 

 

 

 

 

Рис. 2 – Роль защитного интервала в OFDM

    Главным преимуществом является устойчивость к частотно-

зависимому затуханию. Такой тип затухания может оказывать очень

негативное влияние при многолучевом распространении сигнала, особенно

если источник и приемник не находятся в прямой видимости. При OFDM

модуляции данные распределяются между множеством вспомогательных

несущих, поэтому информация пострадавшая в нескольких субканалах

может быть восстановлена с помощью корректирующих кодов.

  Одним из эффективных методов уменьшения влияния пакетных ошибок является перемежение или перемешивание (англ. - interleaving). Данные перед передачей по каналу связи, переставляются в заданном порядке, а в приемной части восстанавливается исходный порядок, т.е. выполняется деперемежение. При этом пакетная ошибка, возникшая в канале связи, превращается в набор рассредоточенных во времени одиночных ошибок, которые проще обнаруживаются и исправляются с помощью кодов, исправляющих ошибки.

Пример перемежения и деперемежения показан на рис. 2 .Исходный цифровой сигнал представляет собой последовательность 4-разрядных двоичных слов, передаваемых бит за битом. Перемежение выполняется в пределах каждых 4 слов, т.е. в пределах отрезка цифрового сигнала, содержащего 16 бит. Числа показывают номера битов в этом отрезке. В результате перемежения биты переставляются Биты, искаженные действием пакетной ошибки, отмечены звездочками. В результате деперемежения  восстанавливается исходный порядок битов и искаженные биты рассредотачиваются.

Рис.3-суть перемежения

Переставляться могут не только отдельные биты, но и группы битов, например, байты. В стандартах цифрового телевидения DVB перемежение выполняется в пределах пакетов транспортного потока после кодирования Рида-Соломона, в результате которого размер пакетов увеличивается со 188 до 204 байтов. Каждый пакет разбивается на 12 групп по 17 байтов. Сначала передаются первые байты всех групп, т.е. байты с номерами 1, 18, ... , 171, 188, затем - вторые байты групп: 2, 19, ... , 172, 189 и т.д. В конце передаются последние байты групп, имеющие номера 17, 34, ... , 187, 204. Таким образом, в процессе перемежения различные байты смещаются на расстояния от 0 до 176 позиций в пределах пакета транспортного потока. В приемной части восстанавливается исходный порядок следования байтов.

 

 

 

1.6.2. Пояснение способа реализации проведения радиоизмерений на физическом уровне.

Радиоизмерения проводятся непосредственно на терминале(т.к. ТД работает при постоянных параметрах, и радиоизмерения для нее не требуются)  при помощи преамбулы сообщения физического уровня и пилот-сигналов, равномерно распределенных по поднесущим OFDM.

Результаты измерений делятся на 3 вида:

·        мощность сигнала;

·        передаточная функция канала;

·        сигнально-кодовое созвездие принятого сигнала.

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

        Передаточная функция канала определяется на основе известных позиций пилот-сигналов и, с помощью интерполяции, получается вектор полной частотной характеристики для всех поднесущих. На основе полученной передаточной функции настраивается фильтр-эквалайзер, который производит компенсирование неравномерности АЧХ канала связи.

              На основе анализа дисперсии различных символов сигнально-кодового созвездия можно оценить отношение сигнал-шум. Чем больше дисперсия символа, тем меньше ОСШ и наоборот.

Рис.4-схема процесса проведения радиоизмерения

   2) При приеме сообщения L1 физический уровень производит описанные выше процедуры. Все полученные данные, за исключением интерполированной АЧХ канала связи, ФУ передает на уровень управления сетевым соединением (L3) для последующего анализа. Интерполированная АЧХ канала связи «остается» на ФУ и используется только для компенсации нелинейности АЧХ канала связи.

3) L3-уровень формирует выводы о том, на сколько дБм передатчику терминала следует уменьшить/увеличить мощность излучения.

 

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.

Исходя из пункта 1.4 и 1.4.1, предлагается следующая структурная схема радиоинтерфейса (рис. 4). Обеспечение двустороннего обмена пакетами физического обмена достигается использованием двух трактов: приема и передачи. Назначение блоков структурной схемы совпадает с описанием аналогичных задач физического уровня (п. 1.4).

Рис. 5– Структурная схема радиоинтерфейса: тракт передачи (сверху) и тракт приема (снизу)

Имеется один возможный профиль физического уровня и никакого другого. Отсутствие других профилей обусловлено наличием радиоизмерений и внесением корректировок без изменения профиля.

Ниже приведем структуру формирования L1 – сообщения

Рис.6-структура сообщения уровня L1

·        Преамбула- для работы подсистемы радиоизмерений. В преамбуле использованы 10 «укороченных» по времени и 2 полных OFDM символа.

·        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 200 бит каждый (100 до кодирования), в случае передачи пакета трафика.

·        FEC" - поле содержащее в своём составе такое количество битов что и поле данных L2 уровня для помехоустойчивого кодирования со скоростью 1/2, то есть на каждый информационный бит сообщения приходится один бит избыточности.

 

1.6.4. Пояснение способа обеспечения частотной и временной синхронизации.

Синхронизация в нашей системе необходима в силу применения системы TDMA. Она осуществляется с помощью поля END BCCH сообщения с ТД. По окончании данного слота Т синхронизирует свою временную шкалу. Это необходимо для метода S-Aloha, который использует разбиение канала RACH на 10 слотов.

 

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 1,144 Мбит/с

На основании полученного значения оценим минимально необходимую полосу частот. Для OFDM и в частности для BPSK-модуляции , минимально необходимая (эффективная) полоса сигнала:

 

Δf = R / log2n = 1,144× 10^6 / 1 = 1,144 МГц,

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

 Δf – эффективная полоса сигнала для OFDM.

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") [6], предусмотрено свободное использование частотного диапазона 2,4 ГГц с мощностью излучения до 100 мВт. Согласно п. 1.4.5 и [6] выберем рабочую полосу частот: 2400 – 2483,5 МГц.

  Предполагаем, что терминалы находятся в плотной городской застройке. 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 городской застройки, вследствие чего расстояние между терминалами меняется в пределах километра, что не совсем подходит для использования других моделей оценки потерь.

    Математическая модель имеет вид:

L = 49 + 40 lg R + 30 lg f₀, где R - расстояние между терминалами, f₀ - несущая частота.

    Для расчёта расстояние между терминалами выберем равным 0,2 км. В таком случае получим:

L = 49 + 40 lg (0,2) + 30 lg (2400) = 122.44дБ

 

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.

  Для расчета ОСШ, требуемого для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки, используем утилиту BER Analysis Tool, входящую в состав пакета прикладных программ MATLAB. По техническому заданию необходимо обеспечить вероятность ошибки на бит не более, чем 3*10-6. В результате исследования были получены графики, представленные на рисунке .

Рис.7- Зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ (без кодирования)

 

Основываясь на полученном графике, можно сделать вывод, что для обеспечения заданной ошибки необходимое ОСШ составит:

 

10,09 дБ для BPSK;

13,96  дБ для QAM-16.

QAM-16 представлен на графике для сравнения.

 

Для увеличения порога ОСШ добавим избыточность посредством сверточного кодирования.

Рис.8-Зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ (без кодирования и с применением кодирования)

Исходя из изображенных графиков (рис. 7), можно сделать вывод, что для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки требуется ОСШ равное:

         6,86 дБ для модуляции BPSK, что на 10,09 – 6,86 = 3,23 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.

    В разрабатываемой системе применяется сверточный код с параметрами (7, [171 133]) и жестким декодированием по Витерби, что позволяет декодировать полученную последовательность кодовых слов с большой степенью правдоподобия.

  Перемежение в данной сети используется для обеспечения борьбы с пакетными ошибками. Оценка минимально необходимой полосы производилась в пункте 1.6.5 и коррекции не требует.

 

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:

Проведем расчет уровня мощности передатчика и его излучения при BPSK-модуляции:

Минимальную полосу пропускания определим из канальной скорости передачи данных и количества OFDM поднесущих, использующихся для передачи данных.

R = 1,144 Мбит/с - исходная скорость передачи, полученная в пункте 1.3.8 работы;

     n = 416 - общее количество символов на выходе кодера;

     k = 200- количество информационных символов кода.

Тогда скорость на выходе помехоустойчтвого кодера:

Rc = (n / k) * R = (416 / 200) * 1,144 * 10 ^ 6 =  2,38Мбит/с.

Скорость передачи по радиоканалу получим, разделив скорость на выходе помехоустойчивого кодера по числу OFDM поднесущих, использующихся для передачи данных:

RN = Rc / 100 =  2,38* (10 ^ 6) / 100 = 23,8 кбит/с.

Теперь мы можем определить эффективную полосу пропускания:

Δf = RN / log2(2) = 23,8 * (10 ^ 3) / 1 = 23,8 кГц.

Шумовая полоса приемника:

Пш = Δf * 1,1 = 23,8 * (10 ^ 3) *1,1 =26,18кГц.

Мощность шума на выходе приемника определяется как: Pш = k * T * Пш, где k = 1,38 * (10 ^ (-23)) Дж/К - постоянная Больцмана, T = 296 К - шумовая температура.

Pш = k * T * Пш = 1,38 * (10 ^ (-23)) * 296 * 26,18* (10 ^ 3) = 106,94 аВт =        = -130 дБм=-159.7дБ

Для расчета аналогового ОСШ нам потребуется значение ОСШ, полученное в пункте 1.6.7 (для BPSK - Eb/N0 = 6,86 дБ):

C/N = Eb/N0 + 10 * lоg (RN / Пш) = 6,86 + 10 * log (23,8 * (10^3) / (26,18* (10^3))) = 5.9069дБ.

Коэффициент шума первых каскадов приемника примем равным Nk = 2. Тогда чувствительность приемника:

Pпрм = Pш + Nk + Eb/N0 = -159.7+ 2 + 5.9069=  -151.7931 дБ.

Мощность излучения подвижной станции расчитаем по формуле: Pизл = Pпрм + L - GT - GR , где L - затухание в радиоканале (посчитано в п.1.6.6), GT и GR - коэффициенты усиления передающей и принимающей антенн. Примем их равными меж собой и GT = GR = 10 дБ. Получим:

Pизл = Pпрм + L - GT - GR = -151.7931+ 122.44- 10 - 10 = -49.3531 дБ= 11,606 мкВт.

Суммарная излучаемая мощность (с учетом 100 информационных поднесущих и 20 пилот-сигналов):

∑Pизл = Pизл * 120 = 11.606 * 10^(-6) * 120 =  1,4мВт

1,4 мВт < 150 мВт, что соответствует ТЗ.

Данный расчет справедлив для области уверенного приема в 50% точек.

Проведем расчет для 95%, необходимых по ТЗ.

Имеем формулу для расчета:

В которой WL- есть функция Лапласа от ((100-95)/100),так как по ТЗ имеем 95%, 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 приведена  функций Лапласа найдем значение ближайшее к 0.05 и получим W=2. Для целочисленного отношения σ/n, которое будем смотреть по графику и принятых условий застройки, необходимых по ТЗ, выберем σ=10 , n=5.

	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
0,0	0,3989	0,3989	0,3989	0,3988	0,3986	0,3984	0,3982	0,3980	0,3977	0,3973
0,1	0,3970	0,3965	0,3961	0,3956	0,3951	0,3945	0,3939	0,3932	0,3925	0,3918
0,2	0,3910	0,3902	0,3894	0,3885	0,3876	0,3867	0,3857	0,3847	0,3836	0,3825
0,3	0,3814	0,3802	0,3790	0,3778	0,3765	0,3752	0,3739	0,3726	0,3712	0,3698
0,4	0,3683	0,3668	0,3652	0,3637	0,3621	0,3605	0,3589	0,3572	0,3555	0,3538
0,5	0,3521	0,3503	0,3485	0,3467	0,3448	0,3429	0,3410	0,3391	0,3372	0,3352
0,6	0,3332	0,3312	0,3292	0,3271	0,3251	0,3230	0,3209	0,3187	0,3166	0,3144
0,7	0,3123	0,3101	0,3079	0,3056	0,3034	0,3011	0,2989	0,2966	0,2943	0,2920
0,8	0,2897	0,2874	0,2850	0,2827	0,2803	0,2780	0,2756	0,2732	0,2709	0,2685
0,9	0,2661	0,2637	0,2613	0,2589	0,2565	0,2541	0,2516	0,2492	0,2468	0,2444
1,0	0,2420	0,2396	0,2371	0,2347	0,2323	0,2299	0,2275	0,2251	0,2227	0,2203
1,1	0,2179	0,2155	0,2131	0,2107	0,2083	0,2059	0,2036	0,2012	0,1989	0,1965
1,2	0,1942	0,1919	0,1895	0,1872	0,1849	0,1826	0,1804	0,1781	0,1758	0,1736
1,3	0,1714	0,1691	0,1669	0,1647	0,1626	0,1604	0,1582	0,1561	0,1539	0,1518
1,4	0,1497	0,1476	0,1456	0,1435	0,1415	0,1394	0,1374	0,1354	0,1334	0,1315
1,5	0,1295	0,1276	0,1257	0,1238	0,1219	0,1200	0,1182	0,1163	0,1145	0,1127
1,6	0,1109	0,1092	0,1074	0,1057	0,1040	0,1023	0,1006	0,0989	0,0973	0,0957
1,7	0,0940	0,0925	0,0909	0,0893	0,0878	0,0863	0,0848	0,0833	0,0818	0,0804
1,8	0,0790	0,0775	0,0761	0,0748	0,0734	0,0721	0,0707	0,0694	0,0681	0,0669
1,9	0,0656	0,0644	0,0632	0,0620	0,0608	0,0596	0,0584	0,0573	0,0562	0,0551
2,0	0,0540	0,0529	0,0519	0,0508	0,0498	0,0488	0,0478	0,0468	0,0459	0,0449
2,1	0,0440	0,0431	0,0422	0,0413	0,0404	0,0395	0,0387	0,0379	0,0371	0,0363
2,2	0,0353	0,0347	0,0339	0,0332	0,0325	0,0317	0,0310	0,0303	0,0297	0,0290
2,3	0,0283	0,0277	0,0270	0,0264	0,0258	0,0252	0,0246	0,0241	0,0235	0,0229
2,4	0,0224	0,0219	0,0213	0,0208	0,0203	0,0198	0,0194	0,0189	0,0184	0,0180
2,5	0,0175	0,0171	0,0167	0,0163	0,0158	0,0154	0,0151	0,0147	0,0143	0,0139
2,6	0,0136	0,0132	0,0129	0,0126	0,0122	0,0119	0,0116	0,0113	0,0110	0,0107
2,7	0,0104	0,0101	0,0099	0,0096	0,0093	0,0091	0,0088	0,0086	0,0084	0,0081
2,8	0,0079	0,0077	0,0075	0,0073	0,0071	0,0069	0,0067	0,0065	0,0063	0,0061
2,9	0,0060	0,0058	0,0056	0,0055	0,0053	0,0051	0,0050	0,0048	0,0047	0,0046
3,0	0,0044	0,0043	0,0042	0,0040	0,0039	0,0038	0,0037	0,0036	0,0035	0,0034
3,1	0,0033	0,0032	0,0031	0,0030	0,0029	0,0028	0,0027	0,0026	0,0025	0,0025
3,2	0,0024	0,0023	0,0022	0,0022	0,0021	0,0020	0,0020	0,0019	0,0018	0,0018
3,3	0,0017	0,0017	0,0016	0,0016	0,0015	0,0015	0,0014	0,0014	0,0013	0,0013
3,4	0,0012	0,0012	0,0012	0,0011	0,0011	0,0010	0,0010	0,0010	0,0009	0,0009
3,5	0,0009	0,0008	0,0008	0,0008	0,0008	0,0007	0,0007	0,0007	0,0007	0,0006
3,6	0,0006	0,0006	0,0006	0,0005	0,0005	0,0005	0,0005	0,0005	0,0005	0,0004
3,7	0,0004	0,0004	0,0004	0,0004	0,0004	0,0004	0,0003	0,0003	0,0003	0,0003
3,8	0,0003	0,0003	0,0003	0,0003	0,0003	0,0002	0,0002	0,0002	0,0002	0,0002
3,9	0,0002	0,0002	0,0002	0,0002	0,0002	0,0002	0,0002	0,0002	0,0002	0,0001

 

Рис. 9 - вырезка из таблицы функций Лапласа

 

 r₅₀ определим по графику, приведенному на рисунке 13

.

Рис.10 - Определение площади уверенного приема.

Для определения r₅₀ нам потребуется отношение σ/n. Рассчитаем: σ/n = 10 / 5 = 2. 
    Из графика получаем r₅₀ = 0,78. Теперь вычислим площадь уверенного приема в 95% точек:

R₉₅ = (10 ^ ((-2 * 10) / (10 * 5))) * 0,78 = 0.3105км.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

Рис.11- Алгоритм приёма/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").

5.http://omoled.ru/publications/view/848

6. http://omoled.ru/publications/view/850