Разработка физического уровня (PHY) системы.

1.6.1. Формулирование требований к физическому уровню системы. Описание концепции взаимодействия абонентских терминалов с базовой станцией или другими терминалами сети на физическом уровне предварительный анализ радиоинтерфейса.

 

Как уже было сказано, на PHY происходит установление, разъединение и поддержание физического соединения по радиоканалу. Основное требование, которое предъявляется к физическому уровню – надежная передача символа по каналу связи. Помимо этого ФУ должен быть гибким в плане конфигурирования его под различные виды физических соединений и легко настраиваемым под постоянно меняющиеся параметры канала связи.

Итак, взаимодействие МС и БС на физическом уровне происходит по нескольким различным сценариям. Концепции этих взаимодействий уже упоминались ранее. В системе существуют несколько видов абонентских терминалов, и под каждый из них PHY настраивается определенным образом. Канальный ресурс делится между терминалами, как во временной, так и в частотной области. Во времени кадр поделен на слоты, которые выделяются в том или ином количестве в зависимости от типа трафика и требуемой скорости передачи. Для передачи речи и видео происходит резервирование временных слотов, т.к. подобный трафик чувствителен к задержкам и требует синхронных соединений. Слоты не занятые под синхронные каналы предоставляются пользователям модемов для передачи данных. В частотной области весь ресурс представлен множеством частотных каналов, на которые перестраиваются устройства в соответствии с псевдослучайным частотно-временным кодом (ЧВК или ЧВМ – частотно-временная матрица). В данной системе связи каждому скачку частоты будет соответствовать один переданный пакет физического уровня, занимающий один временной слот.

Обоснованный выбор параметров модуляции и FHSS, определение требуемого ОСШ на входе приемника. Оценка необходимости использования методов помехоустойчивого кодирования перемежения, деперемежения, оценка эффективности кодирования, проработка функциональной схемы физического уровня приемного устройства.

PHY в частотной области:

Для того чтобы лучше понять, что собой представляет ЧВМ приведем пример (рис. 10).

Рисунок 10. ЧВМ для 3-х кодов.

На данном рисунке изображены три ЧВК, которые можно сопоставить с тремя МС ведущими передачу одновременно. В каждый момент времени МС находятся на разных частотных каналах, которые изменяются по псевдослучайному закону и не мешают друг другу. Данные псевдослучайные последовательности удобно генерировать с помощью регистра сдвига. На выходе данного устройства имеем М-последовательность с периодом . Для нашей системы наиболее актуальны последовательности с периодом 63 (k = 6), генератор которых представлен на рис. 11. Элементы памяти содержат в себе двоичный код десятичного числа, которое соответствует номеру частотного канала. Следует отметить, что различные характеристические многочлены, в соответствии с которыми устанавливаются линии отводов на элемент XOR, порождают различные псевдослучайные последовательности. Также различные коды можно получить, меняя начальное состояние элементов памяти.

Рисунок 11. Формирование ПС кода.

В системах с FHSS обычно применяют MFSK модуляцию. Различают когерентную и некогерентную FSK. При некогерентной частотной манипуляции минимальное расстояние между тонами составляет:

;

В свою очередь при когерентном детектировании:

;

Видим, что при когерентной MFSK расстояние между тонами в 2 раза меньше. Это значит, что при одной и той же полосе частот можно использовать большие значения M, хотя при этом сложность приемника возрастает.

Зададим основную скорость передачи данных для самого простого случая (для FSK-2). Пусть R=250кбит/с, тогда длительность одного символа равна Tc=4мкс, а расстояние между тонами f1-f2=125 кГц. При этом требуемая полоса будет в два раза больше .

Очевидно, если использовать диапазон ISM-2.4 ГГц то можно рассчитывать на 63 частотных канала шириной 1МГц. Поэтому в данном случае целесообразно использовать FSK-8. При этом один символ (одна частота) несет информацию сразу о трех битах, следовательно, R будет в три раза выше чем при FSK-2, т.е. R=750 кбит/с. Наиболее наглядно ситуация представлена на рис. 12.

Рисунок 12. иллюстрация двух частотных каналов при FSK-8.

Как видим полоса частот, занимаемая FSK-8 сигналом (но в каждый момент времени передается только один символ/тон ширина которого ). Также считаю необходимым учесть защитные интервалы на расфильтровку между частотными каналами (допустим, это будут 125 кГц с каждой стороны). Тогда полоса одного частотного канала будет равна: Общая используемая полоса частот, занимаемая системой связи в таком случае: . По условию ТЗ выделенная полоса не должна превышать 10МГц, однако это несоответствие можно обосновать тем, что используется не лицензируемый диапазон частот, в котором доступная полоса составляет 83,5 МГц. К тому же при использовании только 10МГц полосы не получится обеспечить передачу больших объемов информации.

Следует отметить, что в один момент времени (в рамках одного слота) могут вести передачу не более 63 абонентов, иначе будут происходить коллизии из-за одновременного нахождения 2х или более абонентов на одном частотном канале. Таким образом, в системе должны существовать 63 псевдослучайных кода для разделения абонентов или логических каналов между собой. Необходимо также пояснить, что в пределах одной БС не могут использоваться сразу все 63 кода, так как зоны БС сильно перекрываются, что неизбежно будет приводить к нахождению нескольких абонентов на одних и тех же частотных каналах. В связи с этим необходимо провести некий аналог частного планирования, если быть точнее, то кодового планирования. Для этого весь набор из 63 кодов необходимо разделить на 3 группы и присваивать их БС, чьи зоны обслуживания не перекрываются (рис. 13). Таким образом, получим, что каждая БС в системе будет располагать набором из 21 кода, при этом абонентам в зависимости от требуемой скорости передачи может выделяться более одного кода.

Рисунок 13. распределение кодов между БС.

PHY во временной области:

Итак, ситуация в частотной области немного прояснилась, теперь опишем как происходит работа системы во времени.

Пусть временная ось разбита на кадры длительностью 10мс. В свою очередь кадры разбиты на временные слоты, которые выделяются абонентам. Скорость голосового трафика в системе является наименьшей. Предположим, что для организации голосового соединения в одном направлении (дуплекс можно реализовать использованием разных кодов) будет выделяться один слот. Таким образом, используя всего один слот в 10мс кадре, должна обеспечиваться приемлемая скорость для передачи речи. Проведя некоторые прикидки, приходим к следующему варианту (рис. 14). Кадр разделен на 20 слотов длительностью 500 мкс. Полная физическая скорость системы при использовании всех 20 слотов R=750 кбит/с. При выделении одного слота на канал, скорость будет составлять 37,5 кбит/с, чего вполне достаточно для передачи речи от одного абонента. Данные значения скоростей справедливы при использовании одного ЧВК. Для более гибкой подстройки скорости канала в рамках одного слота, могут выделяться несколько ЧВК. Подробнее данная ситуация будет описана при рассмотрении различных профилей функционирования системы.

 

Рисунок 14. структура кадра.

 

В данной системе помеха от ближайшей соты, работающей на тех же кодах смены частот, будет влиять на Pb в большей степени. Следовательно, целесообразней пользоваться отношением сигнал/интерференция (ОСИ). ОСИ определяется как:

– сумма мощностей интерферирующих сигналов;

– расстояние между БС

Т. к. размерность кластера C = 3, то имеем 6 источников помех (рис. 13). Тогда ОСИ можно вычислить следующим образом:

;

где, n – параметр учитывающий среду распространения. Примем n = 3,2.

Построим зависимость Pb от Eb/N0 для когерентной FSK-8 (рис. 15).

Рисунок 15. зависимость Pb от Eb/N0 для когерентной FSK-8.

Как видим из графика, для обеспечения требуется, чтобы сигнал превышал шум на 8,65дБ, однако ОСИ = 7,5дБ. Это значит, что интерференция влияет на полезный сигнал в большей степени и заданная Pb не обеспечивается. В связи с этим, появляется необходимость в использовании схем канального кодирования.