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(xiàng)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。?

　　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(diǎn)要吧直接交互信息而無需其它節(jié)點(diǎn)的參與；同時，當(dāng)存在其它節(jié)點(diǎn)時，又可以通過第三個節(jié)點(diǎn)與其它節(jié)點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)之一?；赥D-SCDMA移動通信組網(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)（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)吣控制器不可獲得時，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（純計算機(jī)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(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(dāng)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(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(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(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(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(shí)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(shí)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(jī)實(shí)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(jī)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(shí)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(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(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，以動態(tài)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(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(fù)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(jìn)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(jī)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(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(biāo)移動終端同步，通過GPS來解決這一問題。當(dāng)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(dá)到同步狀態(tài)。

3.2 功率控制

　　功率則一個難點(diǎn)。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(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(hù)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(shí)時性要求較強(qiáng)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(dāng)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(shí)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(yàn)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(yàn)網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試等，還有許多工作要做。