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基于TD-SCDMA的MANET移動終端系統(tǒng)設(shè)計
摘要：結(jié)合國家“863”研究項目，研究了基于TD-SCDMA移動通信系統(tǒng)的移動自組網(wǎng)軟硬件系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)設(shè)計上的一些問題，同了相應(yīng)的處理策略。關(guān)鍵詞：時分多工同步碼分多址系統(tǒng) 移動自組網(wǎng) 網(wǎng)絡(luò)接入
未來移動通信的發(fā)展將是通信的個性化，即任意兩個通信節(jié)點要吧直接交互信息而無需其它節(jié)點的參與；同時，當存在其它節(jié)點時，又可以通過第三個節(jié)點與其它節(jié)點通信。本文研究了基于TD-SCDMA移動通信系統(tǒng)的自組網(wǎng)系統(tǒng)組成原理，主要討論了系統(tǒng)的硬件平臺主協(xié)議軟件，分析了構(gòu)建移動自組網(wǎng)所需工作及面臨 的一，以及解決這些問題的策略和方法。
1 硬件系統(tǒng)設(shè)計
TD-SCDMA移動通信協(xié)議是符合IMT-2000和3GPP規(guī)范的世界三大移動通信國際標準之一�；赥D-SCDMA移動通信組網(wǎng)的通信節(jié)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(zhuǎn)發(fā)（Node B）存在的情況下，(范文先生網(wǎng)www.panasonaic.com收集整理)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）。當吣控制器不可獲得時，這些通信節(jié)點又能自適應(yīng)地切換到peer-to-peer通信的工作方式（純計算機網(wǎng)模型）。在整個切換過程中，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)計思想，基于TDSCDMA移動通信系統(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)制高速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)送時相反；下同）。模擬基帶信號經(jīng)過適當?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：當自組網(wǎng)移動終端（UE）同時與電信網(wǎng)（Node B）和自組網(wǎng)其它UE通信時（這時，UE可當作自組網(wǎng)的一個網(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提供時鐘等。筆者選擇了Xilinx公司的XCV1000E做FPGA芯片，用Foundation 4.1i軟件平臺設(shè)計FPGA內(nèi)部邏輯。底層使用Verilog硬件描述語言設(shè)計其邏輯處理單元以使邏輯設(shè)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(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。用戶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)議完成，稱之為DSP的協(xié)處理器。實際上，這些算法都可以用DSP實現(xiàn)，但硬件乘法具有較高的效率。筆者使用TI公司的TMS320C6416完成這些實時算法。
DSP程序和FPGA邏輯數(shù)據(jù)存儲在Flash中。在系統(tǒng)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(wǎng)終端工作無中心控制器的對等網(wǎng)絡(luò)中時，相互之間的定時和步就成為一個極迫切又重要的問題。在TD-SCDMA移動通信系統(tǒng)，定時和同步通過Node B實現(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(xiàn)，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(fā)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(xiàn)幀同步調(diào)整。雖然幀同步調(diào)整頻率遠低于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MANET移動終端切換到TD-SCDMA移動通信系統(tǒng)與Node B通信時，MCU發(fā)出指令使GPS系統(tǒng)停止工作，系統(tǒng)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、語音回放、語音編解碼、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中的語音編碼器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，實現(xiàn)原始語音數(shù)據(jù)與話音性預(yù)測碼變換。鍵盤掃描實現(xiàn)電話拔號、短信號功能等。PCF5087包含有LCD接口電路，可以直接連接以液晶顯示屏，這部分電路如3圖所示。
1.6 MCU及PC接口模塊
該模塊用來處理二層（MAX/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。移動終端與PC的通信接口主要用于系統(tǒng)調(diào)試時，可以方便地在PC機實現(xiàn)移動自組網(wǎng)二層、三層和應(yīng)用軟件，這些協(xié)議軟件都存儲在Flash中。另外，可以通過該主接口控制移動終端的工作狀態(tài)。這部分的電路如圖4所示。
應(yīng)注意的是：MCU與DSP之間有一以端口的共享內(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機通信的程序及數(shù)據(jù)也這里執(zhí)行和存儲。
2 軟件系統(tǒng)設(shè)計
軟件設(shè)計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，還求有實時性。移動自組網(wǎng)終端軟件系統(tǒng)中，各軟件模塊均用C/C++語音編寫。設(shè)計流程要求符合軟件工程規(guī)范，在設(shè)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(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)計中只使用C語言不考慮匯編語言。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(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。
物理層接收來自高層的命令和上報物理層解調(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)存機制可以快速地交互信息，提高程序運行效率。
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(tài)接庫形式工作在PC機的Windows 2000操作系統(tǒng)下。當然二層軟件經(jīng)過的修改，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(quán)。這主要包括控制信道和業(yè)務(wù)信道使用檢測，在程序設(shè)計 有一定 難度。在移動和多跳 的無線環(huán)境中，信疲乏的使用不在有基站控制那親有明確定義，在移動自組網(wǎng)聽MAX層協(xié)議應(yīng)考慮更多更復雜的情況。
2.3 RR層及應(yīng)用軟
件三層高層應(yīng)用軟件要用來進行我線資源管理、移動性管理、連接性管理及譏支應(yīng)用等。這些軟件均用C++言編寫，工作在Windows 2000操作系統(tǒng)下。這些軟件目前工作在PC機上，在以后的程序設(shè)計中，必須把它們移植以嵌入式操作系統(tǒng)中。這些軟件的設(shè)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(tǒng)設(shè)計中的一些關(guān)鍵問題及處理策略
基于TD-SCDMA的移動自組網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計是一個極具挑占性的課題。在設(shè)計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”到達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的移動自組網(wǎng)中同樣要利用這一性質(zhì)，要求移動終端在發(fā)送數(shù)據(jù)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(fā)送非調(diào)制已知數(shù)據(jù)達到同步狀態(tài)。
3.2 功率控制
功率則一個難點。由于多徑、信道衰落、移動等原因，移動自組網(wǎng)的移動終端很難做到精確的功控。一盤情況下，依然可以按照開環(huán)/外環(huán)/內(nèi)環(huán)的思想設(shè)計功控軟件。在初期試驗中，通常關(guān)閉功率控制來測試其他軟件的執(zhí)行情況，這些軟件基本測試一再加入功控并測試。
3.3 多跳路由
主要考慮路由表的維護和更新。在自組網(wǎng)系統(tǒng)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(nèi)更新自己的路由表。另外，在應(yīng)用層面上，對實時性要求較強的，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)切換與同時工作
信號干擾是主要問題。當移動自組網(wǎng)終端同時接入TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)和移動自組網(wǎng)時，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)，在實際使用中效果較好。
本文研究基于TD-SCDMA的移動自組網(wǎng)終端系統(tǒng)設(shè)計的原理和一些關(guān)鍵問題。在系統(tǒng)硬件設(shè)計上，主要考慮如何在現(xiàn)有的現(xiàn)場試驗移動臺（FTMS）的基礎(chǔ)上設(shè)計新的既適合于TD-SCDMA移動網(wǎng)又適合于基于TD-SCDMA的移動自組網(wǎng)的硬件平臺。在軟件設(shè)計上，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)場試驗網(wǎng)進行聯(lián)合調(diào)試等，還有許多工作要做。
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