基于TD-SCDMA的MANET移動(dòng)終端設(shè)計(jì)

2019-11-03 09:19:01

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供稿：網(wǎng)友

　　北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院（100876）彭佛才

　　北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院（100876）韓翠紅

　　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（ＮｏｄｅＢ）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。

　　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(hào)并把高頻模擬信號(hào)變換成帶寬為１．６ＭＨｚ的模擬基帶信號(hào)（發(fā)送時(shí)相反；下同）。模擬基帶信號(hào)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(hào)。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（ＵＥ）同時(shí)與電信網(wǎng)（ＮｏｄｅＢ）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。

　　１．２ＦＰＧＡ協(xié)處理模塊

　　ＦＰＧＡ要完成采樣后數(shù)字信號(hào)的濾波處理、系統(tǒng)幀號(hào)產(chǎn)生、物理層用戶檢測(cè)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Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ４．１ｉ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。

　　１．３ＤＳＰ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(cè)、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)。

　　１．４ＧＰＳ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(duì)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ＮｏｄｅＢ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(duì)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(duì)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(hào)）。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ＮｏｄｅＢ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ＮｏｄｅＢ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(cè)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(hào)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(cè)碼的變換。鍵盤掃描實(shí)現(xiàn)電話撥號(hào)、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。

　　１．６ＭＣＵ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。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(duì)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?jìng)€(gè)邏輯執(zhí)行單元及巨大的吞吐能力（４８００ＭＩＰＳ＠６００ＭＨｚ），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ＣｏｄｅＣｏｍｐｏｓｅｒＳｔｕｄｉｏ２．０ｆｏｒＣ６ｘ編譯器有很高的編譯效率（相對(duì)ＣＣＳ１．２ｆｏｒＣ６ｘ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。

　　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。

　　２．２ＭＡＣ／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Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００操作系統(tǒng)下。當(dāng)然二層軟件經(jīng)過適當(dāng)?shù)男薷模部梢怨ぷ髟冢祝椋睿洌铮鳎?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(cè)以競(jìng)爭(zhēng)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(cè)，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。

　　２．３ＲＲ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Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００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(duì)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(hào)是"同時(shí)"到達(dá)ＮｏｄｅＢ的。只有在同步狀態(tài)下，ＮｏｄｅＢ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(cè)試其他軟件的執(zhí)行情況，這些軟件基本測(cè)試完成后再加入功控并測(cè)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(duì)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(hào)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(chǎng)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(cè)試上，還需要與現(xiàn)有的ＴＤ－ＳＣＤＭＡ現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試等，還有許多工作要做。

摘自《電子技術(shù)應(yīng)用》

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