摘 要:结合国家“863”研究项目,研究了基于TD-SCDMA" title="TD-SCDMA">TD-SCDMA移动通信系统" title="移动通信系统">移动通信系统的移动自组网" title="移动自组网">移动自组网软硬件系统,分析了系统设计" title="系统设计">系统设计上的一些问题,给出了相应的处理策略。

关键词:时分多工同步码分多址系统 移动自组网 网络接入

未来移动通信的发展将是通信的个性化,即任意两个通信节点可以直接交互信息而无需其它节点的参与;同时,当存在其它节点时,又可以通过第三个节点与其它节点通信。本文研究了基于TD-SCDMA移动通信系统的自组网系统组成原理,主要讨论了系统的硬件平台及协议软件,分析了构建移动自组网所需的工作及面临的问题,以及解决这些问题的策略和方法。

1 硬件系统设计

TD-SCDMA移动通信协议是符合IMT-2000和3GPP规范的世界三大移动通信国际标准之一。基于TD-SCDMA移动通信系统自组网的通信节点在有中心控制器(Node B)存在的情况下,信息交互都通过中心控制器转发(纯TD-SCDMA电信网模型)。当中心控制器不可获得时,这些通信节点又能自适应地切换到peer-to-peer通信的工作方式(纯计算机网模型)。在整个切换过程中,网络的通信协议基本保持不变或作少量的自适应修改即可。根据这一设计思想,基于TD-SCDMA移动通信系统的自组网系统组成如图1所示。

1.1 射频及A/D、D/A变换单元

射频单元用来接收、发送频率约为2GHz的已调制高频模拟信号并把高频模拟信号变换成带宽为1.6MHz的模拟基带信号(发送时相反;下同)。模拟基带信号经过适当的滤波处理送到A/D单元做4倍频采样变换成数字信号。采样数据为Chip结构余弦分量In和正弦分量Qn。

需要说明:当自组网移动终端" title="移动终端">移动终端(UE)同时与电信网(Node B)和自组网其它UE通信时(这时,UE可当作自组网的一个网关),UE需要两套RF和A/D、D/A单元。

1.2 FPGA协处理模块

FPGA要完成采样后数字信号的滤波处理、系统帧号产生、物理层用户检测的矩阵乘法、Vitebi译码、GPS数据处理以及为DSP提供时钟等。笔者选用了Xilinx公司的XCV1000E做FPGA芯片,用Foundation 4.1i软件平台设计FPGA内部逻辑。底层使用Verilog硬件描述语言设计其逻辑处理单元以使逻辑设计可移植,顶层使用原理图连接各逻辑单元和外部引脚。

1.3 DSP处理模块

该模块用来完成物理层的所有操作,如小区初搜、临近UE搜索、用户数据检测、信道编解码、突发成帧和物理层的命令解析等。用DSP处理物理层的算法具有很大的优越性。物理层的部分算法(如矩阵乘法和Vitebi译码等)由FPGA协助完成,称之为DSP的协处理器。实际上,这些算法都可以用DSP实现,但硬件乘法具有较高的效率。笔者使用TI公司的TMS320C6416完成这些实时算法。

DSP程序和FPGA逻辑数据存储在Flash中。在系统板上电或复位后由ARM9处理器加载FPGA逻辑,之后DSP自行引导。

1.4 GPS同步及位置信息处理模块

当基于TD-SCDMA的移动自组网终端工作在无中心控制器的对等网络中时,相互之间的定时和同步就成为一个极为迫切又重要的问题。在TD-SCDMA移动通信系统,定时和同步通过Node B实现,而它在自组网中并不存在。另外,TD-SCDMA系统使用了较短的扩频码(长度为1、2、4、8、16的Walsh码;最大为16比特),码片间的同步很难通过软同步的方法实现,帧同步也就无从谈起。因此需要借助GPS提供绝对的时钟参考和同步基准。另外一般的GPS还提供了位置信息,这对UE计算发送时间提前量等有很大的帮助。

GPS能提供精度为100ns的秒脉冲(PPS),用来实现帧同步调整。虽然帧同步调整频率远低于TD-SCDMA系统的200次/秒,但由于采用了稳定度较高的晶振(0.1ppm),所以PPS能够满足帧同步的要求。为提高帧同步的精度和软件处理的灵活性,PPS在FPGA内部实现,位置信息由MCU处理(以产生系统帧号)。接口电路如图2所示。

当MANET移动终端切换到TD-SCDMA移动通信系统与Node B通信时,MCU发出指令使GPS系统停止工作,系统的定时和同步由Node B控制。

1.5 话音、键扫描及显示单元

这部分电路用来处理语音采集、话音回放、话音编解码、键盘扫描和液晶显示接口等。语音采集包括拾音器、线性放大器、采样保持器等。采样后的数据送到PCF5087中的话音编码器RD16022变换成线性预测码。话音回放电路包括D/A变换器、线性预放和功率放大器。语音编解码由数字信号处理器RD16022完成,实现原始话音数据与话音线性预测码的变换。键盘扫描实现电话拨号、短信功能等。PCF5087包含有LCD接口电路,可以直接连接到液晶显示屏,这部分电路如图3所示。

1.6 MCU及PC接口模块

该模块用来处理二层(MAC/RLC)、三层通信协议软件(TCP/IP等)、高层应用程序(电子邮件、Internet浏览器等)和PC接口通信。移动终端与PC的通信接口主要用于系统调试时,可以方便地在PC机上实现移动自组网的二层、三层和应用软件,这些协议软件都存储在Flash中。另外,可以通过该通信接口控制移动终端的工作状态。这部分的电路如图4所示。

应注意的是:MCU与DSP之间有一块双端口的共享内存,用来交互MAC层和物理层的数据。另外一块内存区则为MCU专用,主要用来执行三层和应用程序。与PC机通信的程序及数据也在这里执行和存储。

2 软件系统设计

软件设计的总体要求是软件的可移植性、稳定性、高性能。对于底层软件,还要求有实时性。在移动自组网终端软件系统中,各软件模块均用C/C++语言编写。设计流程要求符合软件工程规范,在设计文档、版本定义、代码编写和归并到版本管理器ClearCase等多方面都有严格要求。

2.1 物理层协议软件

物理层协议软件直接控制硬件并为高层软件服务。由于TMS320C6416内部有8个逻辑执行单元及巨大的吞吐能力(4800 MIPS @ 600 MHz),所以在物理层软件设计中只使用C语言而不考虑汇编语言。同时,TI的Code Composer Studio 2.0 for C6x编译器有很高的编译效率(相对CCS1.2 for C6x版本其编译成等效汇编程序的效率约提高70%),因此,物理层软件用C语言编写。另外,CCS2.0编译器还提供了大量的可直接调用的库函数,这可以大大减少程序编写的工作量。物理层协议软件如图5所示。

物理层接收来自高层的命令和上报物理层解调数据都通过共享内存与MCU传递信息。DSP读完MCU写到内存的数据后就把内存清零,MCU读完DSP写到内存的数据后也把它清零。这两块内存互不重叠。共享内存机制可以快速地交互信息,提高程序运行效率。

2.2 MAC/RLC协议软件

二层软件用来控制物理层使用的物理资源和进行无线链路的控制等。目前的二层软件用C++语言写成,以动态链接库形式工作在PC机的Windows 2000操作系统下。当然二层软件经过适当的修改,也可以工作在Windows CE3.0上。

在MANET中,二层软件的一个重要功能是进行信道访问冲突检测以竞争信道的使用权。这主要包括控制信道和业务信道的使用检测,在程序设计上有一定的难度。在移动和多跳的无线环境中,信道的使用不像在有基站控制的那样有明确定义,在移动自组网中的MAC层协议应考虑更多更复杂的情况。

2.3 RR层及应用软件

三层和高层应用软件主要用来进行无线资源管理、移动性管理、连接性管理及高层应用等。这些软件均用C++语言编写,工作在Windows 2000操作系统下。这些软件目前工作在PC机上,在以后的程序设计中,必须把它们移植到嵌入式操作系统中。这些软件的设计除了考虑要完成既定的功能之外,还要考虑如何提高效率和精简程序。

3 系统设计中的一些关键问题及处理策略

基于TD-SCDMA的移动自组网系统设计是一个极具挑战性的课题。在设计过程中有不少的困难和问题,下面对一些关键问题做探讨。

3.1 系统同步

TD-SCDMA的“S”代表上行同步,即各UE发射的信号是“同时”到达Node B的。只有在同步状态下,Node B才能利用Walsh码的正交性正确解调出各用户数据。在基于TD-SCDMA的移动自组网中同样要利用这一性质,要求移动终端在发送数据前能与目标移动终端同步,通过GPS来解决这一问题。当GPS不可使用时,移动终端通过发送非调制已知数据逐步达到同步状态。

3.2 功率控制

功率控制是一个难点。由于多径、信道衰落、移动等原因,移动自组网的移动终端很难做到精确的功控。一般情况下,依然可以按照开环/外环/内环的思想设计功控软件。在初期试验中,通常关闭功率控制来测试其他软件的执行情况,这些软件基本测试完成后再加入功控并测试。

3.3 多跳路由

主要考虑路由表的维护和更新。在自组网系统中,移动终端多为隐藏终端,各个终端都需要在一定的时间内更新自己的路由表。另外,在应用层面上,对实时性要求较强的业务,可以使用非最短路由而使用信道状况最佳以保证链路质量。

3.4 两套通信系统切换与同时工作

信号干扰是主要问题。当移动自组网终端同时接入TD-SCDMA网络和移动自组网时,这两套系统相互间的射频干扰较大。为尽量减少它们之间的干扰,采用了接地良好的RF屏蔽和两套RF器件异面安装等处理技术,在实际使用中效果较好。

本文研究了基于TD-SCDMA的移动自组网终端系统设计的原理和一些关键问题。在系统硬件设计上,主要考虑如何在现有的现场试验移动台(FTMS)的基础上设计新的既适合于TD-SCDMA移动通信网又适合于基于TD-SCDMA的移动自组网的硬件平台。在软件设计上,主要考虑充分利用现有的软件体系结构和调试技术。在系统的综合测试上,还需要与现有的TD-SCDMA现场试验网进行联合调试等,还有许多工作要做。

参考文献

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移动通信系统、信令及实现[M].北京: 人民邮电出版社, 2003:10-17

3 彭 林. 第三代移动通信技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2003:149-155.