北京邮电大学电子工程学院（100876） 彭佛才
北京邮电大学电信工程学院（100876） 韩翠红
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（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。
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。
摘自《电子技术应用》
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