??? 摘? 要: 結(jié)合國家“863”研究項(xiàng)目,研究了基于TD-SCDMA" title="TD-SCDMA">TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)" title="移動(dòng)通信系統(tǒng)">移動(dòng)通信系統(tǒng)的移動(dòng)自組網(wǎng)" title="移動(dòng)自組網(wǎng)">移動(dòng)自組網(wǎng)軟硬件系統(tǒng),分析了系統(tǒng)設(shè)計(jì)" title="系統(tǒng)設(shè)計(jì)">系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的一些問題,給出了相應(yīng)的處理策略。?

??? 關(guān)鍵詞: 時(shí)分多工同步碼分多址系統(tǒng)??? 移動(dòng)自組網(wǎng)?? 網(wǎng)絡(luò)接入

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??? 未來移動(dòng)通信的發(fā)展將是通信的個(gè)性化,即任意兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)可以直接交互信息而無需其它節(jié)點(diǎn)的參與;同時(shí),當(dāng)存在其它節(jié)點(diǎn)時(shí),又可以通過第三個(gè)節(jié)點(diǎn)與其它節(jié)點(diǎn)通信。本文研究了基于TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)的自組網(wǎng)系統(tǒng)組成原理,主要討論了系統(tǒng)的硬件平臺(tái)及協(xié)議軟件,分析了構(gòu)建移動(dòng)自組網(wǎng)所需的工作及面臨的問題,以及解決這些問題的策略和方法,。?

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

??? TD-SCDMA移動(dòng)通信協(xié)議是符合IMT-2000和3GPP規(guī)范的世界三大移動(dòng)通信國際標(biāo)準(zhǔn)之一,。基于TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)自組網(wǎng)的通信節(jié)點(diǎn)在有中心控制器(Node B)存在的情況下,信息交互都通過中心控制器轉(zhuǎn)發(fā)(純TD-SCDMA電信網(wǎng)模型)。當(dāng)中心控制器不可獲得時(shí),這些通信節(jié)點(diǎn)又能自適應(yīng)地切換到peer-to-peer通信的工作方式(純計(jì)算機(jī)網(wǎng)模型)。在整個(gè)切換過程中,網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議基本保持不變或作少量的自適應(yīng)修改即可。根據(jù)這一設(shè)計(jì)思想,基于TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)的自組網(wǎng)系統(tǒng)組成如圖1所示,。?

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1.1 射頻及A/D、D/A變換單元?

??? 射頻單元用來接收、發(fā)送頻率約為2GHz的已調(diào)制高頻模擬信號并把高頻模擬信號變換成帶寬為1.6MHz的模擬基帶信號(發(fā)送時(shí)相反;下同),。模擬基帶信號經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波處理送到A/D單元做4倍頻采樣變換成數(shù)字信號,。采樣數(shù)據(jù)為Chip結(jié)構(gòu)余弦分量In和正弦分量Qn。?

??? 需要說明:當(dāng)自組網(wǎng)移動(dòng)終端" title="移動(dòng)終端">移動(dòng)終端(UE)同時(shí)與電信網(wǎng)(Node B)和自組網(wǎng)其它UE通信時(shí)(這時(shí),UE可當(dāng)作自組網(wǎng)的一個(gè)網(wǎng)關(guān)),UE需要兩套RF和A/D,、D/A單元,。?

1.2 FPGA協(xié)處理模塊?

??? FPGA要完成采樣后數(shù)字信號的濾波處理、系統(tǒng)幀號產(chǎn)生,、物理層用戶檢測的矩陣乘法,、Vitebi譯碼、GPS數(shù)據(jù)處理以及為DSP提供時(shí)鐘等,。筆者選用了Xilinx公司的XCV1000E做FPGA芯片,用Foundation 4.1i軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)FPGA內(nèi)部邏輯,。底層使用Verilog硬件描述語言設(shè)計(jì)其邏輯處理單元以使邏輯設(shè)計(jì)可移植,頂層使用原理圖連接各邏輯單元和外部引腳。?

1.3 DSP處理模塊?

??? 該模塊用來完成物理層的所有操作,如小區(qū)初搜,、臨近UE搜索,、用戶數(shù)據(jù)檢測、信道編解碼,、突發(fā)成幀和物理層的命令解析等,。用DSP處理物理層的算法具有很大的優(yōu)越性。物理層的部分算法(如矩陣乘法和Vitebi譯碼等)由FPGA協(xié)助完成,稱之為DSP的協(xié)處理器,。實(shí)際上,這些算法都可以用DSP實(shí)現(xiàn),但硬件乘法具有較高的效率,。筆者使用TI公司的TMS320C6416完成這些實(shí)時(shí)算法。?

??? DSP程序和FPGA邏輯數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Flash中,。在系統(tǒng)板上電或復(fù)位后由ARM9處理器加載FPGA邏輯,之后DSP自行引導(dǎo),。?

1.4 GPS同步及位置信息處理模塊?

??? 當(dāng)基于TD-SCDMA的移動(dòng)自組網(wǎng)終端工作在無中心控制器的對等網(wǎng)絡(luò)中時(shí),相互之間的定時(shí)和同步就成為一個(gè)極為迫切又重要的問題。在TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng),定時(shí)和同步通過Node B實(shí)現(xiàn),而它在自組網(wǎng)中并不存在,。另外,TD-SCDMA系統(tǒng)使用了較短的擴(kuò)頻碼(長度為1,、2、4,、8,、16的Walsh碼;最大為16比特),碼片間的同步很難通過軟同步的方法實(shí)現(xiàn),幀同步也就無從談起。因此需要借助GPS提供絕對的時(shí)鐘參考和同步基準(zhǔn),。另外一般的GPS還提供了位置信息,這對UE計(jì)算發(fā)送時(shí)間提前量等有很大的幫助。?

??? GPS能提供精度為100ns的秒脈沖(PPS),用來實(shí)現(xiàn)幀同步調(diào)整,。雖然幀同步調(diào)整頻率遠(yuǎn)低于TD-SCDMA系統(tǒng)的200次/秒,但由于采用了穩(wěn)定度較高的晶振(0.1ppm),所以PPS能夠滿足幀同步的要求,。為提高幀同步的精度和軟件處理的靈活性,PPS在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn),位置信息由MCU處理(以產(chǎn)生系統(tǒng)幀號)。接口電路如圖2所示,。?

??? 當(dāng)MANET移動(dòng)終端切換到TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)與Node B通信時(shí),MCU發(fā)出指令使GPS系統(tǒng)停止工作,系統(tǒng)的定時(shí)和同步由Node B控制,。?

1.5 話音、鍵掃描及顯示單元?

??? 這部分電路用來處理語音采集、話音回放,、話音編解碼,、鍵盤掃描和液晶顯示接口等。語音采集包括拾音器,、線性放大器,、采樣保持器等。采樣后的數(shù)據(jù)送到PCF5087中的話音編碼器RD16022變換成線性預(yù)測碼,。話音回放電路包括D/A變換器,、線性預(yù)放和功率放大器。語音編解碼由數(shù)字信號處理器RD16022完成,實(shí)現(xiàn)原始話音數(shù)據(jù)與話音線性預(yù)測碼的變換,。鍵盤掃描實(shí)現(xiàn)電話撥號,、短信功能等。PCF5087包含有LCD接口電路,可以直接連接到液晶顯示屏,這部分電路如圖3所示,。?

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1.6 MCU及PC接口模塊?

??? 該模塊用來處理二層(MAC/RLC),、三層通信協(xié)議軟件(TCP/IP等)、高層應(yīng)用程序(電子郵件,、Internet瀏覽器等)和PC接口通信,。移動(dòng)終端與PC的通信接口主要用于系統(tǒng)調(diào)試時(shí),可以方便地在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)移動(dòng)自組網(wǎng)的二層、三層和應(yīng)用軟件,這些協(xié)議軟件都存儲(chǔ)在Flash中,。另外,可以通過該通信接口控制移動(dòng)終端的工作狀態(tài),。這部分的電路如圖4所示。

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??? 應(yīng)注意的是:MCU與DSP之間有一塊雙端口的共享內(nèi)存,用來交互MAC層和物理層的數(shù)據(jù),。另外一塊內(nèi)存區(qū)則為MCU專用,主要用來執(zhí)行三層和應(yīng)用程序,。與PC機(jī)通信的程序及數(shù)據(jù)也在這里執(zhí)行和存儲(chǔ)。?

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

??? 軟件設(shè)計(jì)的總體要求是軟件的可移植性,、穩(wěn)定性,、高性能。對于底層軟件,還要求有實(shí)時(shí)性,。在移動(dòng)自組網(wǎng)終端軟件系統(tǒng)中,各軟件模塊均用C/C++語言編寫,。設(shè)計(jì)流程要求符合軟件工程規(guī)范,在設(shè)計(jì)文檔、版本定義,、代碼編寫和歸并到版本管理器ClearCase等多方面都有嚴(yán)格要求,。?

2.1 物理層協(xié)議軟件?

??? 物理層協(xié)議軟件直接控制硬件并為高層軟件服務(wù)。由于TMS320C6416內(nèi)部有8個(gè)邏輯執(zhí)行單元及巨大的吞吐能力(4800 MIPS @ 600 MHz),所以在物理層軟件設(shè)計(jì)中只使用C語言而不考慮匯編語言,。同時(shí),TI的Code Composer Studio 2.0 for C6x編譯器有很高的編譯效率(相對CCS1.2 for C6x版本其編譯成等效匯編程序的效率約提高70%),因此,物理層軟件用C語言編寫,。另外,CCS2.0編譯器還提供了大量的可直接調(diào)用的庫函數(shù),這可以大大減少程序編寫的工作量。物理層協(xié)議軟件如圖5所示,。?

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??? 物理層接收來自高層的命令和上報(bào)物理層解調(diào)數(shù)據(jù)都通過共享內(nèi)存與MCU傳遞信息,。DSP讀完MCU寫到內(nèi)存的數(shù)據(jù)后就把內(nèi)存清零,MCU讀完DSP寫到內(nèi)存的數(shù)據(jù)后也把它清零,。這兩塊內(nèi)存互不重疊。共享內(nèi)存機(jī)制可以快速地交互信息,提高程序運(yùn)行效率,。?

2.2 MAC/RLC協(xié)議軟件?

??? 二層軟件用來控制物理層使用的物理資源和進(jìn)行無線鏈路的控制等,。目前的二層軟件用C++語言寫成,以動(dòng)態(tài)鏈接庫形式工作在PC機(jī)的Windows 2000操作系統(tǒng)下。當(dāng)然二層軟件經(jīng)過適當(dāng)?shù)男薷?也可以工作在Windows CE3.0上,。?

??? 在MANET中,二層軟件的一個(gè)重要功能是進(jìn)行信道訪問沖突檢測以競爭信道的使用權(quán),。這主要包括控制信道和業(yè)務(wù)信道的使用檢測,在程序設(shè)計(jì)上有一定的難度。在移動(dòng)和多跳的無線環(huán)境中,信道的使用不像在有基站控制的那樣有明確定義,在移動(dòng)自組網(wǎng)中的MAC層協(xié)議應(yīng)考慮更多更復(fù)雜的情況,。?

2.3 RR層及應(yīng)用軟件?

??? 三層和高層應(yīng)用軟件主要用來進(jìn)行無線資源管理,、移動(dòng)性管理、連接性管理及高層應(yīng)用等,。這些軟件均用C++語言編寫,工作在Windows 2000操作系統(tǒng)下,。這些軟件目前工作在PC機(jī)上,在以后的程序設(shè)計(jì)中,必須把它們移植到嵌入式操作系統(tǒng)中。這些軟件的設(shè)計(jì)除了考慮要完成既定的功能之外,還要考慮如何提高效率和精簡程序,。?

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一些關(guān)鍵問題及處理策略?

??? 基于TD-SCDMA的移動(dòng)自組網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的課題,。在設(shè)計(jì)過程中有不少的困難和問題,下面對一些關(guān)鍵問題做探討。?

3.1 系統(tǒng)同步

??? TD-SCDMA的“S”代表上行同步,即各UE發(fā)射的信號是“同時(shí)”到達(dá)Node B的,。只有在同步狀態(tài)下,Node B才能利用Walsh碼的正交性正確解調(diào)出各用戶數(shù)據(jù),。在基于TD-SCDMA的移動(dòng)自組網(wǎng)中同樣要利用這一性質(zhì),要求移動(dòng)終端在發(fā)送數(shù)據(jù)前能與目標(biāo)移動(dòng)終端同步,通過GPS來解決這一問題。當(dāng)GPS不可使用時(shí),移動(dòng)終端通過發(fā)送非調(diào)制已知數(shù)據(jù)逐步達(dá)到同步狀態(tài),。?

3.2 功率控制?

??? 功率控制是一個(gè)難點(diǎn),。由于多徑、信道衰落,、移動(dòng)等原因,移動(dòng)自組網(wǎng)的移動(dòng)終端很難做到精確的功控,。一般情況下,依然可以按照開環(huán)/外環(huán)/內(nèi)環(huán)的思想設(shè)計(jì)功控軟件。在初期試驗(yàn)中,通常關(guān)閉功率控制來測試其他軟件的執(zhí)行情況,這些軟件基本測試完成后再加入功控并測試,。?

3.3 多跳路由?

??? 主要考慮路由表的維護(hù)和更新,。在自組網(wǎng)系統(tǒng)中,移動(dòng)終端多為隱藏終端,各個(gè)終端都需要在一定的時(shí)間內(nèi)更新自己的路由表。另外,在應(yīng)用層面上,對實(shí)時(shí)性要求較強(qiáng)的業(yè)務(wù),可以使用非最短路由而使用信道狀況最佳以保證鏈路質(zhì)量,。?

3.4 兩套通信系統(tǒng)切換與同時(shí)工作?

??? 信號干擾是主要問題,。當(dāng)移動(dòng)自組網(wǎng)終端同時(shí)接入TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)自組網(wǎng)時(shí),這兩套系統(tǒng)相互間的射頻干擾較大。為盡量減少它們之間的干擾,采用了接地良好的RF屏蔽和兩套RF器件異面安裝等處理技術(shù),在實(shí)際使用中效果較好,。?

??? 本文研究了基于TD-SCDMA的移動(dòng)自組網(wǎng)終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理和一些關(guān)鍵問題,。在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)上,主要考慮如何在現(xiàn)有的現(xiàn)場試驗(yàn)移動(dòng)臺(tái)(FTMS)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)新的既適合于TD-SCDMA移動(dòng)通信網(wǎng)又適合于基于TD-SCDMA的移動(dòng)自組網(wǎng)的硬件平臺(tái)。在軟件設(shè)計(jì)上,主要考慮充分利用現(xiàn)有的軟件體系結(jié)構(gòu)和調(diào)試技術(shù),。在系統(tǒng)的綜合測試上,還需要與現(xiàn)有的TD-SCDMA現(xiàn)場試驗(yàn)網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試等,還有許多工作要做,。?

參考文獻(xiàn)?

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2 李小文. TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)、信令及實(shí)現(xiàn)[M].北京: 人民郵電出版社, 2003:10-17?

3 彭 林. 第三代移動(dòng)通信技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2003:149-155.?