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基于TD-SCDMA的MANET移動(dòng)終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要：結(jié)合國家“863”研究項(xiàng)目，研究了基于TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)的移動(dòng)自組網(wǎng)軟硬件系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的一些問題，同了相應(yīng)的處理策略。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)要吧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)主協(xié)議軟件，分析了構(gòu)建移動(dòng)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(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(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TDSCDMA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)制高速模擬信號(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)（Node B）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R(shí)F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(hào)的濾波處理、系統(tǒng)幀號(hào)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(shí)鐘等。筆者選擇了Xilinx公司的XCV1000E做FPGA芯片，用Foundation 4.1i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。
1.3 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(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)。
1.4 GPS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)和步就成為一個(gè)極迫切又重要的問題。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(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Node B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(hào)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(hào)、短信號(hào)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(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)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)自組網(wǎng)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，可以通過該主接口控制移動(dòng)終端的工作狀態(tài)。這部分的電路如圖4所示。
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