Маршрутный регистратор системы передачи данных

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 04 Января 2013 в 22:15, дипломная работа

Краткое описание

В даній бакалаврській роботі розроблено безпровідний маршрутний контролер транспортних засобів. В процесі виконання було розроблено схему електричну принципову рухомого комунікаційного блоку та функціональну схему пульту центрального спостереження. Проведено проектування мережі передавання даних для м. Вінниця та Вінницького району, розраховану на 3 тис. транспортних засобів. Крім того був докладно описаний принцип побудови мереж передавання даних стандарту DECT. Проведено комп’ютерне моделювання рухомого комунікаційного блоку системи.

Вложенные файлы: 1 файл

ДИПЛОМ.doc

— 1.10 Мб (Скачать файл)

 

Мережа, яка розробляється не розрахована  на взаємодію з вже існуючими  мережами інших стандартів, таких  як телефонна мережа загального користування (PSTN), або мережа з інтеграцією служб (ISDN) і пакетною передачею даних (PDN). Це спрощує структурну схему мережі. Архітектура розроблюваної DECT мережі показана на рисунку 2.1

Базові станції (в іноземній  літературі вони називаються – Radio Fixed Part) забезпечують необхідне радіопокриття. Базова станція це прийомопередавач, який забезпечує одночасну роботу по 4-12 каналам, працюючий на дві просторово рознесені антени. Базові станції (БС) виконують в двох варіантах – для внутрішнього та зовнішнього розташування. Для підвищення зони покриття базової станції може також застосовуватись ретранслятор (репітер).

 

 

Рисунок 2.1 – Архітектура комунікаційної мережі

 

В DECT відсутнє частотне планування, але  є територіальне. Це означає що необхідно розрахувати зону впевненого прийому сигналів БС та РКМ в залежності від стану та рельєфу місцевості. DECT відноситься до пікостільникових систем, відповідно радіуси стільників в місті, як правило, не перевищують 300-500 м, а самі стільники обмежені оточуючими будівлями. Всередині будівель зона дії БС ще менша, та зазвичай складає кілька десятків метрів. В сільській місцевості, де перешкод на шляху розповсюдження хвиль  менше радіус може досягати кількох кілометрів.

Структура типового мобільного апарату для мовного зв’язку стандарту DECT показана на рисунку 2.2 [19].

Сигнал приймається антеною  і поступає на вхід підсилювача радіочастоти (РЧ), який виконує попереднє підсилення. Для виділення з РЧ сигналу мовної складової і сигналів керування на змішувачі його перемножують з сигналом синтезатора частот. В спектрі вихідного сигналу змішувача корисною є спектральна складова з проміжною частотою (ПЧ), яка дорівнює різниці частот РЧ сигналу і синтезатора частот. ПЧ сигнал демодулюється. В результаті утворюється кодова послідовність, яка потрапляє на ADPCM декодер, де відновлюється мовне повідомлення.

Мовний сигнал від мікрофону  потрапляє на ADPCM кодер, а потім на модулятор. Далі цей сигнал переноситься у спектр більш високих частот та підсилюється у підсилювачі, коефіцієнт підсилення якого змінюється відповідно до команд мікропроцесора (МП). 

Основні характеристики РКМ стандарту DECT:

  • робочий діапазон частот: 1880-1900 МГц;
  • номінальна випромінювана потужність передавача: 10 мВт;
  • максимальна випромінювана потужність передавача: 250 мВт;
  • модуляція: GFSK;
  • метод кодування мови: ADPCM;
  • швидкість кодування мови: 32 кбіт/с;

 

 

 

Рисунок 2.2 – Структура  мобільного апарату стандарту DECT

 

На основі структури мобільного апарату стандарту DECT синтезуємо узагальнену структуру мобільного модулю  системи, що розробляється.

Структура пікостільникової мережі включає  в себе компоненти: базові станції, керуючі роботою мережі в цілому та абонентські термінали. Для організації  пікостільникової мережі на визначеній території базові станції встановлюються з таким розрахунком, щоб вони могли забезпечити радіозв’язком всю територію. Базові станції встановлюються послідовно на відстані від 100 до 600 метрів одна від одної (в приміщеннях зона дії БС близько 50 метрів). Таке розташування базових станції дозволяє абонентам мережі завжди та в будь-кому місці через найближчу БС мати доступ до радіозв’язку. Під час зв’язку абонент може переміщуватись з зони дії однієї БС в зону дії іншої БС, при цьому не перериваючи зв’язку. Трубка сама буде обирати вільний канал.

 

 

Рисунок 2.3 – Узагальнена структура  мобільного модулю розроблюваної системи

 

Розвиток мережі може плануватись  вільно: частотне планування відсутнє, мережа розширяється шляхом включення нових базових станцій та абонентських терміналів.

2.2 Опис ефірного інтерфейсу DECT

 

Радіоінтерфейс DECT ґрунтується на методології радіодоступу з використанням  декількох несучих, принципу множинного доступу з розділенням часу, дуплексу з розділенням часу (MC/TDMA/TDD).  Виділення базової частоти DECT використовує 10 частотних каналів (МС - Multi Carrier) в діапазоні 1880-1990 Мгц. Часовий спектр для DECT підрозділяється на часові фрейми, що повторюються кожні 10 мс. Фрейм складається з 24 часових слотів, кожен з яких індивідуально доступний (TDMA - Time Division Multiple Access), слоти можуть використовуватися або для передачі або для прийому. Два часові слоти, з розділенням в 5 мс, утворюють пару.

Щоб за допомогою звичайної схеми TDD отримати необхідну абонентові швидкість передачі даних потік бітів спочатку поділяється передавачем на рівні сегменти, які стискаються у часі і передаються у формі пакетів, а приймаюча сторона потім відновлює вихідну швидкість даних. Між передачею пакетів в протилежних напрямках є коротка перерва, потрібна для встановлення каналу зв'язку. Таким чином, реальна швидкість передачі даних в каналі повинна бути більш ніж у два рази вище, ніж швидкість передачі даних, необхідна кінцевим системам.

Право передачі даних періодично переходить від однієї сторони до іншої. При цьому кожна сторона відправляє блоки деякої фіксованої довжини, передача яких займає час Тb (лінійна функція числа бітів в блоці). Для поширення сигналу від передавача до приймача потрібен час Тр (лінійна функція відстані між передавачем і приймачем). Також необхідний захисний час Tg. Таким чином, час, необхідний для відправлення одного блоку становить  Тр + Тb + Tg. Крім того, оскільки дві сторони повинні передавати дані по черзі, швидкість передачі блоків будь-якою стороною можна записати як 1 / 2 (Тр + Тb + Tg). Цю величину можна пов'язати з ефективною швидкістю передачі даних R. Нехай розмір блоку дорівнює В біт, а необхідне значення швидкості передачі R біт / с. Тоді ефективна кількість бітів, переданих в секунду, буде

R=B/2(Трb+Tg).                                             (2.1)

Реальну швидкість передачі даних у середовищі, А, легко записати як:

 

А=В/Тb.                                                      (2.2)

 

Таким чином отримаємо:

 

                                                (2.3)

 

Таким чином, реальна швидкість передачі даних по каналу зв'язку більш ніж удвічі перевищує ефективну швидкість передачі. Вибір розміру блоку В диктується суперечливими вимогами до системи. При збільшенні значення В знижується реальна швидкість передачі даних, А. Але в цьому випадку спрощується реалізація системи. З іншого боку, підвищення розмірів блоку супроводжується збільшенням часу затримки через необхідність буферизації, що небажано при передаванні мови.

Схема TDD спочатку призначалася для дротових абонентських систем, проте в даний час вона знайшла застосування і в системах з бездротовою конфігурацією. У бездротової системі TDD дозволяє передавати і приймати сигнали на одній і тій же несучій частоті, але в різні моменти часу. Бездротова схема TDD, як правило, використовується у поєднанні з технологією TDMA, в якій декілька абонентів можуть по черзі приймати сигнали в прямому каналі (від базової станції до трубки) і потім передавати сигнали в зворотному каналі (від трубки до базової станції) по черзі, використовуючи при цьому одну і ту ж несучу частоту.

Використання дуплексу з тимчасовим поділом має дві важливих переваги перед використанням системи TDMA з двома різними несучими частотами, по одній на кожен напрямок. Першою перевагою є можливість усунення швидкого завмирання, а другим - покращений розподіл пропускної здатності.

Що стосується швидкого завмирання, то його ефект змінюється зі зміною частоти. Тому зв'язок з мобільним користувачем, що приймає на одній частоті, а  передає на інший, може погіршуватися тільки в одному напрямку. Одним із способів подолання швидкого завмирання є просторове рознесення антен. У такій схемі приймач використовує дві антени, відстань між якими не менше довжини хвилі. При такій конфігурації досить велика ймовірність того, що при сильному завмирання сигналу від однієї з антен сигнал від іншої антени буде поширюватися нормально. У цьому випадку приймач зможе вибрати для демодуляції сильніший з вхідних сигналів. Такий метод підходить для великої базової станції, проте непрактичний для маленьких, недорогих. Більше того, бажано уникати використання складних алгоритмів вирівнювання або прямого захисту від помилок. Втім, у схемі TDD все ж таки можна використовувати просторове рознесення антен. Для прийому кожного пакета, що прибуває на базову станцію по прямому каналу зв'язку, базова станція обирає ту антену, сигнал якої сильніше. Потім базова станція використовує ту ж антену для подальшої передачі у відповідному прямому каналі. З огляду на те що для обох напрямків використовується одна і та ж частота, ця антена повинна забезпечувати самий сильний сигнал і у зворотному напрямку.

Друга перевага схеми TDD - TDMA перед схемою FDMA - TDMA проявляється в механізмі розподілу пропускної здатності. Для багатьох програм, орієнтованих на роботу з даними (на відміну від програм, призначених для роботи з промовою), найбільший обсяг навантаження припадає, як правило, на прямий напрямок, а не на протилежний. При використанні звичайної схеми FDMA з наданням для прямого і зворотного каналів смуг частот однакової ширини, системи проектуються з урахуванням навантаження в прямому каналі, так що більша частина смуги зворотного каналу зазвичай не використовується. Якщо ж використовувати схему TDD, то контролер системи динамічно розподіляє слоти TDMA в кожному напрямку, так що при необхідності прямому каналу може надаватися більша кількість слотів.

Структурою TDMA забезпечується до 12 одночасних голосових з'єднань DECT (повний дуплекс) на кожен трансивер, що дає значні цінові переваги в порівнянні з технологіями, що дозволяють лише одне з'єднання на трансивер. Завдяки вдосконаленому радіопротоколу, DECT може пропонувати канали різної ширини, об’єднуючи декілька каналів в один.

Для передачі конфіденційних даних утворюються зашифровані, захищені від помилок канали із швидкостями передачі в n x 24 кбіт/с, максимально до 552 кбіт/с, при цьому, як зазначено у стандарті DECT, забезпечується повна безпека.

В діапазоні шириною 20 МГц виділено десять несучих частот з інтервалом 1,728 МГц. В DECT  використовується технологія доступу з часовим розділенням каналів TDMA. Часовий спектр поділений на окремі кадри по 10 мс. Кожний кадр розділений на двадцять чотири часових слота: дванадцять слотів для прийому (відносно рухомого терміналу), та дванадцять для передачі. На рисунку 2.3 зображена структура кадру. Таким чином на кожній з десяти носійних частот формується дванадцять дуплексних каналів – всього сто двадцять. Дуплекс забезпечується часовим розділенням (TDD) (з інтервалом 5 мс) прийому/передачі.

Для  синхронізації застосовується 32-бітная послідовність <<101010…>>. В DECT передбачено стискання мови в відповідності з технологією  адаптивної диференційної імпульсно-кодової  модуляції (ADPCM) зі швидкістю 32 біт/с (рекомендація ITU-T G.726). Тому інформаційна частина кожного слоту 320 біт.

При передачі даних можливе об’єднання часових слотів. В радіотракті  використовується частотна модуляція  з фільтром Гауса (GFSK).

В радіотракті апаратури DECT потужність сигналу досить мала – від 10 до 250 мВт. При чому 10 мВт практично номінальна потужність для   пікостільникових систем з радіусом стільника 30-50 м в середини будівлі, та до 300-400 м на відкритому просторі. Передавачі потужність до 250 мВт використовуються для радіо покриття великих територій (до 5 км при направленій антені). Така низька потужність робить пристрої DECT найбільш безпечними для здоров’я. Тому в європейських медичних установах дозволене використання систем радіотелефонії тільки цього стандарту.

Базові станції та мобільні апарати (МА) DECT постійно сканують всі доступні канали. При цьому вимірюється  потужність сигналу на кожному з  каналів, яка заноситься в список RSSI (Resived Signal Strength Indication). Якщо канал  зайнятий (наприклад завади від другого DECT пристрою), показник RSSI для нього високий. БС обирає канал з самим низьким значенням  RSSI для постійної передачі службової інформації про виклики абонентів, ідентифікатори станції, можливостях системи, тощо. Ця інформація грає роль опорних сигналів для РКМ, по ним абонентський пристрій визначає, чи є у нього право доступу до тої чи іншої БС, чи надає вона потрібні абоненту послуги, чи є в системі вільна ємність і обирає БС з найбільш якісним сигналом.

В DECT канал зв’язку завжди обирає РКМ. При запиті з’єднання від БС (вхідне з’єднання) РКМ отримує повідомлення, та обирає радіоканал. Службова інформація передається БС і аналізується РКМ постійно, відповідно РКМ завжди синхронізується з самою близькою з доступних БС. При встановлення нового з’єднання РКМ обирає канал з самим низьким значення  RSSI, це гарантує що нове з’єднання встановиться на самому "чистому” каналі з доступних. Дана процедура динамічного розподілу каналів DCS (Dinamic Channel Selection) дозволяє позбавитись частотного планування – найважливіша властивість DECT.

Оскільки РКМ постійно (навіть при  встановленому з’єднанні) аналізує доступні канали, може відбуватись  їх динамічне переключення під час  сеансу зв’язку. Таке переключення можливе  як на другий канал тієї ж БС, так і на другу БС. Ця процедура називається хендовер. При хендовері РКМ встановлюється нове з’єднання, та деякий час зв'язок підтримується по обох каналах. Потім обирається кращій. Автоматичне переключення між каналами різних БС відбувається практично непомітно для користувача та повністю ініціюється РКМ. Це особливо важливо для побудови пікостільникових систем дозволяючи абоненту переходити абоненту з стільника в стільник без переривання з’єднання. В DECT також передбачена можливість повідомлення РКМ про низьку якість сигналу, що може ініціювати хендовер.

 

Рисунок 2.3 – Структура кадру DECT

 

Хендовер в DECT це механізм відходу  від каналів з великім рівнем завад, або з низьким рівнем сигналу, але хендовер відбувається недостатньо швидко, щоб протидіяти ситуаціям швидкого завмирання. Для цього БС може бути оснащена рознесеними антенами. Стандартом передбачений протокол сигналізації для контролю за вибором антени БС з РКМ. Постійне динамічне обрання та виділення каналу і процедура хендовер демонструють відмінну сумісність навіть в умовах сильної інтерференції [3].

Стандартом  передбачено також передавання  мови. Для оцифрування мови в схемі DECT використовується процедура ADPCM (адаптивна  диференціальна імпульсно-кодова модуляція). Ця процедура була стандартизована ITU-T і багато де використовується, включаючи цифрові мережі з комутацією каналів, такі як ISDN, та при реалізації багатьох бездротових ЛЗ.

Информация о работе Маршрутный регистратор системы передачи данных