??? 摘? 要: 結合國家“863”研究項目,研究了基于TD-SCDMA" title="TD-SCDMA">TD-SCDMA移動通信系統" title="移動通信系統">移動通信系統的移動自組網" title="移動自組網">移動自組網軟硬件系統,分析了系統設計" title="系統設計">系統設計上的一些問題,給出了相應的處理策略。?
??? 關鍵詞: 時分多工同步碼分多址系統??? 移動自組網?? 網絡接入
?
??? 未來移動通信的發展將是通信的個性化,即任意兩個通信節點可以直接交互信息而無需其它節點的參與;同時,當存在其它節點時,又可以通過第三個節點與其它節點通信。本文研究了基于TD-SCDMA移動通信系統的自組網系統組成原理,主要討論了系統的硬件平臺及協議軟件,分析了構建移動自組網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 硬件系統設計?
??? TD-SCDMA移動通信協議是符合IMT-2000和3GPP規范的世界三大移動通信國際標準之一。基于TD-SCDMA移動通信系統自組網的通信節點在有中心控制器(Node B)存在的情況下,信息交互都通過中心控制器轉發(純TD-SCDMA電信網模型)。當中心控制器不可獲得時,這些通信節點又能自適應地切換到peer-to-peer通信的工作方式(純計算機網模型)。在整個切換過程中,網絡的通信協議基本保持不變或作少量的自適應修改即可。根據這一設計思想,基于TD-SCDMA移動通信系統的自組網系統組成如圖1所示。?
?
?
1.1 射頻及A/D、D/A變換單元?
??? 射頻單元用來接收、發送頻率約為2GHz的已調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(發送時相反;下同)。模擬基帶信號經過適當的濾波處理送到A/D單元做4倍頻采樣變換成數字信號。采樣數據為Chip結構余弦分量In和正弦分量Qn。?
??? 需要說明:當自組網移動終端" title="移動終端">移動終端(UE)同時與電信網(Node B)和自組網其它UE通信時(這時,UE可當作自組網的一個網關),UE需要兩套RF和A/D、D/A單元。?
1.2 FPGA協處理模塊?
??? FPGA要完成采樣后數字信號的濾波處理、系統幀號產生、物理層用戶檢測的矩陣乘法、Vitebi譯碼、GPS數據處理以及為DSP提供時鐘等。筆者選用了Xilinx公司的XCV1000E做FPGA芯片,用Foundation 4.1i軟件平臺設計FPGA內部邏輯。底層使用Verilog硬件描述語言設計其邏輯處理單元以使邏輯設計可移植,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,如小區初搜、臨近UE搜索、用戶數據檢測、信道編解碼、突發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越性。物理層的部分算法(如矩陣乘法和Vitebi譯碼等)由FPGA協助完成,稱之為DSP的協處理器。實際上,這些算法都可以用DSP實現,但硬件乘法具有較高的效率。筆者使用TI公司的TMS320C6416完成這些實時算法。?
??? DSP程序和FPGA邏輯數據存儲在Flash中。在系統板上電或復位后由ARM9處理器加載FPGA邏輯,之后DSP自行引導。?
1.4 GPS同步及位置信息處理模塊?
??? 當基于TD-SCDMA的移動自組網終端工作在無中心控制器的對等網絡中時,相互之間的定時和同步就成為一個極為迫切又重要的問題。在TD-SCDMA移動通信系統,定時和同步通過Node B實現,而它在自組網中并不存在。另外,TD-SCDMA系統使用了較短的擴頻碼(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現,幀同步也就無從談起。因此需要借助GPS提供絕對的時鐘參考和同步基準。另外一般的GPS還提供了位置信息,這對UE計算發送時間提前量等有很大的幫助。?
??? GPS能提供精度為100ns的秒脈沖(PPS),用來實現幀同步調整。雖然幀同步調整頻率遠低于TD-SCDMA系統的200次/秒,但由于采用了穩定度較高的晶振(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內部實現,位置信息由MCU處理(以產生系統幀號)。接口電路如圖2所示。?
??? 當MANET移動終端切換到TD-SCDMA移動通信系統與Node B通信時,MCU發出指令使GPS系統停止工作,系統的定時和同步由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。采樣后的數據送到PCF5087中的話音編碼器RD16022變換成線性預測碼。話音回放電路包括D/A變換器、線性預放和功率放大器。語音編解碼由數字信號處理器RD16022完成,實現原始話音數據與話音線性預測碼的變換。鍵盤掃描實現電話撥號、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。?
?
?
1.6 MCU及PC接口模塊?
??? 該模塊用來處理二層(MAC/RLC)、三層通信協議軟件(TCP/IP等)、高層應用程序(電子郵件、Internet瀏覽器等)和PC接口通信。移動終端與PC的通信接口主要用于系統調試時,可以方便地在PC機上實現移動自組網的二層、三層和應用軟件,這些協議軟件都存儲在Flash中。另外,可以通過該通信接口控制移動終端的工作狀態。這部分的電路如圖4所示。
?
?
??? 應注意的是:MCU與DSP之間有一塊雙端口的共享內存,用來交互MAC層和物理層的數據。另外一塊內存區則為MCU專用,主要用來執行三層和應用程序。與PC機通信的程序及數據也在這里執行和存儲。?
2 軟件系統設計?
??? 軟件設計的總體要求是軟件的可移植性、穩定性、高性能。對于底層軟件,還要求有實時性。在移動自組網終端軟件系統中,各軟件模塊均用C/C++語言編寫。設計流程要求符合軟件工程規范,在設計文檔、版本定義、代碼編寫和歸并到版本管理器ClearCase等多方面都有嚴格要求。?
2.1 物理層協議軟件?
??? 物理層協議軟件直接控制硬件并為高層軟件服務。由于TMS320C6416內部有8個邏輯執行單元及巨大的吞吐能力(4800 MIPS @ 600 MHz),所以在物理層軟件設計中只使用C語言而不考慮匯編語言。同時,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用的庫函數,這可以大大減少程序編寫的工作量。物理層協議軟件如圖5所示。?
?
?
??? 物理層接收來自高層的命令和上報物理層解調數據都通過共享內存與MCU傳遞信息。DSP讀完MCU寫到內存的數據后就把內存清零,MCU讀完DSP寫到內存的數據后也把它清零。這兩塊內存互不重疊。共享內存機制可以快速地交互信息,提高程序運行效率。?
2.2 MAC/RLC協議軟件?
??? 二層軟件用來控制物理層使用的物理資源和進行無線鏈路的控制等。目前的二層軟件用C++語言寫成,以動態鏈接庫形式工作在PC機的Windows 2000操作系統下。當然二層軟件經過適當的修改,也可以工作在Windows CE3.0上。?
??? 在MANET中,二層軟件的一個重要功能是進行信道訪問沖突檢測以競爭信道的使用權。這主要包括控制信道和業務信道的使用檢測,在程序設計上有一定的難度。在移動和多跳的無線環境中,信道的使用不像在有基站控制的那樣有明確定義,在移動自組網中的MAC層協議應考慮更多更復雜的情況。?
2.3 RR層及應用軟件?
??? 三層和高層應用軟件主要用來進行無線資源管理、移動性管理、連接性管理及高層應用等。這些軟件均用C++語言編寫,工作在Windows 2000操作系統下。這些軟件目前工作在PC機上,在以后的程序設計中,必須把它們移植到嵌入式操作系統中。這些軟件的設計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 系統設計中的一些關鍵問題及處理策略?
??? 基于TD-SCDMA的移動自組網系統設計是一個極具挑戰性的課題。在設計過程中有不少的困難和問題,下面對一些關鍵問題做探討。?
3.1 系統同步
??? TD-SCDMA的“S”代表上行同步,即各UE發射的信號是“同時”到達Node B的。只有在同步狀態下,Node B才能利用Walsh碼的正交性正確解調出各用戶數據。在基于TD-SCDMA的移動自組網中同樣要利用這一性質,要求移動終端在發送數據前能與目標移動終端同步,通過GPS來解決這一問題。當GPS不可使用時,移動終端通過發送非調制已知數據逐步達到同步狀態。?
3.2 功率控制?
??? 功率控制是一個難點。由于多徑、信道衰落、移動等原因,移動自組網的移動終端很難做到精確的功控。一般情況下,依然可以按照開環/外環/內環的思想設計功控軟件。在初期試驗中,通常關閉功率控制來測試其他軟件的執行情況,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和更新。在自組網系統中,移動終端多為隱藏終端,各個終端都需要在一定的時間內更新自己的路由表。另外,在應用層面上,對實時性要求較強的業務,可以使用非最短路由而使用信道狀況最佳以保證鏈路質量。?
3.4 兩套通信系統切換與同時工作?
??? 信號干擾是主要問題。當移動自組網終端同時接入TD-SCDMA網絡和移動自組網時,這兩套系統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,在實際使用中效果較好。?
??? 本文研究了基于TD-SCDMA的移動自組網終端系統設計的原理和一些關鍵問題。在系統硬件設計上,主要考慮如何在現有的現場試驗移動臺(FTMS)的基礎上設計新的既適合于TD-SCDMA移動通信網又適合于基于TD-SCDMA的移動自組網的硬件平臺。在軟件設計上,主要考慮充分利用現有的軟件體系結構和調試技術。在系統的綜合測試上,還需要與現有的TD-SCDMA現場試驗網進行聯合調試等,還有許多工作要做。?
參考文獻?
1 H. Wu, C. Qiao, S. De, and O. Tonguz. Integrated cellular?and ad hoc relaying system:iCAR. IEEE Journal on Selected?Area in Communications, 2001;19(10):2105-2115.?
2 李小文. TD-SCDMA移動通信系統、信令及實現[M].北京: 人民郵電出版社, 2003:10-17?
3 彭 林. 第三代移動通信技術[M]. 北京: 電子工業出版社, 2003:149-155.?