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基于GPS15L的移動(dòng)自組網(wǎng)終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要：無(wú)線通信的最終目標(biāo)是5W。基于TD-SCDMA的移動(dòng)自組網(wǎng)（MANET）是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ膫�(gè)性化通信方式，而全球定位系統(tǒng)為通信、導(dǎo)航等提供了極為有力的幫助。結(jié)合國(guó)家“863”研究項(xiàng)目，研究了基于GRS15L的TD-SCDMA移動(dòng)自組網(wǎng)終端系統(tǒng)，分析了設(shè)計(jì)中可能存在的問(wèn)題，提供了其設(shè)計(jì)思路和方法，指明了其系統(tǒng)設(shè)計(jì)的未來(lái)方向。關(guān)鍵詞：全球定位系統(tǒng) 移動(dòng)自組網(wǎng) 時(shí)分多工同步碼分多址系統(tǒng) 幀同步
移動(dòng)自組網(wǎng)（MANET）是一種由相互間能直接通信而沒(méi)有中心控制的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。基于TD-SCDMA的MANET是在充分利用TD-SCDMA蜂窩網(wǎng)無(wú)線資源的條件下而設(shè)計(jì)的自組織網(wǎng)絡(luò)。基于TD-SCDMA的MANET的移動(dòng)終端不但能夠進(jìn)行內(nèi)部的信息交互，而且能夠接入TD-SCDMA蜂窩網(wǎng)并進(jìn)而連接到Internet。本文分別從底層硬件、軟件和協(xié)議的角度設(shè)計(jì)了基于GPS15L的TD-SCDMA自組網(wǎng)移動(dòng)終端。
1 MANET終端系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
與德國(guó)FleetNet移動(dòng)自組網(wǎng)[1]不同，基于TD-SCDMA的MANET沒(méi)有固定的網(wǎng)關(guān)、獨(dú)立的頻率資源和單獨(dú)的無(wú)線傳輸技術(shù)（RTT）等。因此，在移動(dòng)終端（MT）的軟硬件平臺(tái)、通信協(xié)議設(shè)計(jì)及組網(wǎng)方式上與FleetNet均有較大差異。同時(shí)，基于TD-SCDMA的MANET各個(gè)移動(dòng)終端由于沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)側(cè)（包括Node B）的協(xié)調(diào)控制，使得MT既可充當(dāng)純MANET的移動(dòng)終端，也可是TD-SCDMA蜂窩網(wǎng)的普通用戶設(shè)備（UE），或是集MT和UE于一身的網(wǎng)關(guān)（GW）。因此，在MANET終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，較普通的UE系統(tǒng)設(shè)計(jì)為更為復(fù)雜和深?yuàn)W。
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充分利用現(xiàn)有的研究成果是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要原則。硬件平臺(tái)上，在原有的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)移動(dòng)臺(tái)（FTMS；相當(dāng)于UE）上增加OMAP1510開(kāi)發(fā)板（含手寫(xiě)顯示彩屏、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等外設(shè)）和GPS模塊。為使增加的外部設(shè)備能夠與原有的FTMS協(xié)調(diào)工作，必須增加相應(yīng)的硬件接口和驅(qū)動(dòng)軟件等。同時(shí)，從物理層到應(yīng)用層的協(xié)議軟件均需做相應(yīng)的修改或重寫(xiě)。
對(duì)基于TD-SCDMA的MANET移動(dòng)終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)本著從整體到局部、先概要設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)和軟硬件并發(fā)設(shè)計(jì)的原則來(lái)進(jìn)行。
2 硬件及接口設(shè)計(jì)
基于TD-SCDMA的MANET移動(dòng)終端系統(tǒng)由以下幾部分組成：射頻及中頻模塊、模擬基帶處理模塊、數(shù)字基帶處理模塊、協(xié)議處理模塊、語(yǔ)音編解碼模塊、SIM卡及電源管理模塊、鍵盤(pán)及顯示模塊、GPS模塊、PC接口模塊和電源等。其組成和相互關(guān)系如圖1所示。
2.1 GPS15L模塊
為什么使用全球定位系統(tǒng)（GPS）？GPS是一種使基于TD-SCDMA的移動(dòng)自組網(wǎng)得以正常通信的最為簡(jiǎn)潔而高效的設(shè)備。TD-SCDMA中的“S”代表上行同步，即所有發(fā)送到Node B(基站)的用戶設(shè)備（UE）信號(hào)同時(shí)到達(dá)Node B。由于移動(dòng)自組網(wǎng)是一種無(wú)中心控制的網(wǎng)絡(luò)，所以基于TD-SCDMA的移動(dòng)自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間的通信需要一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)志，使各個(gè)終端之間的信號(hào)接收和發(fā)送以一定的節(jié)拍進(jìn)行（幀同步）。美國(guó)GARMIN公司的GPS15L提供了秒脈沖（PPS），其精度為±100ns。利用這一特性，當(dāng)一個(gè)秒脈沖到來(lái)時(shí)（上升沿），把它定義為每200個(gè)5ms無(wú)線子幀的起始點(diǎn)。在這里PPS的作用相當(dāng)于Node B發(fā)送的DwPTS。
除了提供PPS之外，GPS15L通過(guò)RS-232接口還提供了時(shí)間信息和地理位置信息，這些信息對(duì)設(shè)計(jì)功率控制算法和路由算法極為有利。有了對(duì)方的相對(duì)位置，終端在計(jì)算發(fā)射功率時(shí)就更為準(zhǔn)準(zhǔn)確確可靠，路由尋址就更有目的性。GPS15L的接口如圖2所示。
GPS的PPS送到FPGA以后，與5ms的幀中斷（幀同步）計(jì)數(shù)器進(jìn)行比較。如果在兩個(gè)PPS之間多于200個(gè)幀中斷信號(hào)，則減少幀中斷計(jì)數(shù)器值，否則增加其計(jì)數(shù)值，直到剛好有200個(gè)幀中斷信號(hào)為止。
GPS的位置位置信息直接送到OMAP1510開(kāi)發(fā)板，由運(yùn)行在該開(kāi)發(fā)板上的高層協(xié)議處理。另外，GLS15L的串口速率是可以調(diào)整的，可以通過(guò)OMAP1510以一定的指令來(lái)調(diào)整其最佳工作速率（默認(rèn)值為4800bps）。由于GPS送出位置信息不是主動(dòng)的，因此必須編寫(xiě)適當(dāng)?shù)闹噶钜远ㄆ谧x取這些信息。
2.2 OMAP1510接口模塊
OMAP(Open Multimedia Application Platform)則由TI公司生產(chǎn)的集成TMS320C5510數(shù)字信號(hào)處理器和ARM9 RISC處理器的高性能開(kāi)放式多
媒體應(yīng)用平臺(tái)。DSP+MUC是未來(lái)嵌入式應(yīng)用的必然趨勢(shì)。OMAP1510開(kāi)發(fā)板提供了嵌入式操作系統(tǒng)、彩色顯示屏、鍵盤(pán)和鼠標(biāo)等外設(shè)，因此用它在未來(lái)的開(kāi)發(fā)中替代目前配置的一個(gè)協(xié)議PC機(jī)和一個(gè)應(yīng)用PC機(jī)，使FTMS具有更大的移動(dòng)性和可靠性。其接口如圖3所示。
OMAP1510與GPS的接口比較簡(jiǎn)單，它通過(guò)RS-232接口從GPS得到位置信息。位置信息經(jīng)OMAP內(nèi)的ARM9處理后送到其上運(yùn)行的路由層。OMAP1510通過(guò)雙端口隨機(jī)存儲(chǔ)器（DPRAM）與FTMS的物理層控制芯片ARM7交換數(shù)據(jù)。
OMAP1510還提供了USB接口，用它做前期的仿真調(diào)試。最初的路由和應(yīng)用層協(xié)議將運(yùn)行在PC機(jī)上。為使PC與OMAP1510之間能有高速的數(shù)據(jù)交互（至少需要144kbps），使用了USB總線。當(dāng)這些協(xié)議都運(yùn)行成功之后，將逐步移植到OMAP1510中。因此，USB在這里只是過(guò)渡性質(zhì)的。
2.3 USB接口模塊
OMAP1510上的USB控制器既可以在主控模式下（Master），也可以在從屬模式下（Slave）工作。在這里，只把它設(shè)置在Slave方式下工作，它允許外部USB主設(shè)備通過(guò)USB總線進(jìn)行配置和讀寫(xiě)。
3 USB驅(qū)動(dòng)程序及應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)
實(shí)際上，USB驅(qū)動(dòng)程序包括兩部分：工作在（OMAP1510上的）Sybian操作系統(tǒng)中的主USB驅(qū)動(dòng)程序以及工作在Windows 2000/XP(PC)中的從屬USB驅(qū)動(dòng)程序。由于Sybian操作系統(tǒng)中的USB驅(qū)動(dòng)程序由OMAP1510開(kāi)發(fā)板供應(yīng)商提供，只需要設(shè)計(jì)Windows環(huán)境下的USB驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序即可。
筆者用Jungo公司[2]的WinDriver設(shè)計(jì)這些程序。首先，用KernelDriver 6.11驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)向?qū)瓿沈?qū)動(dòng)程序源代碼的生成（包括安裝信息文件）。然后用VC++6.0等C++語(yǔ)言工具對(duì)這些源程序進(jìn)行編輯、修改和編譯以產(chǎn)生系統(tǒng)文件（.DLL或.sys）。驅(qū)動(dòng)程序生成之后還需要在PC上安裝以測(cè)試其可靠性和穩(wěn)定性。最后，用KernelDriver生成的應(yīng)用程序加以修改和編譯。對(duì)編譯生成的.exe文件做USB配置測(cè)試。
4 基于TD-SCDMA的MANET協(xié)議軟件設(shè)計(jì)
與TD-SCDMA的MANET協(xié)議棧相類(lèi)似，基于TD-SCDMA的移動(dòng)自組網(wǎng)協(xié)議軟件由物理層（L1）、物理層控制層（L1C）、無(wú)線鏈路控制（RLC）/媒體接入控制（MAC）層、邏輯鏈路控制（LLC）、TCP/IP（含MANET路由）層和應(yīng)用層組成。它們的相互關(guān)系及運(yùn)行實(shí)本如圖4所示。
L1層。物理層包括信息編碼、突發(fā)成幀、用戶檢測(cè)/聯(lián)合檢測(cè)、信道解碼、測(cè)量和控制等模塊。由于基于TD-SCDMA的移動(dòng)自組網(wǎng)使用了TD-SCDMA一致的無(wú)線幀/時(shí)隙結(jié)構(gòu)及信道編解碼技術(shù)，因此它們的物理層基本一致。
L1C層。物理層控制層包括公共服務(wù)、接口處理、過(guò)程控制等。主要用來(lái)解析高層命令和消息并把它轉(zhuǎn)換成對(duì)L1的命令（CMD）或請(qǐng)求（REQ）。接收來(lái)自L1的數(shù)據(jù)和信令，解析該數(shù)據(jù)/信令并把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)或在本軟件中加以處理。
RLC/MAC層。該層主要做開(kāi)環(huán)/閉環(huán)功控策略、物理層調(diào)度和自動(dòng)重傳請(qǐng)求（ARQ）等以保證一定的鏈路質(zhì)量等。
LLC層。該層主要用來(lái)控制邏輯鏈路以使鏈路建立/保持/拆除連接。
TCP/IP層。該層主要實(shí)現(xiàn)MANET的IP分配與綁定、自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)路由/尋徑和傳輸控制等。這一層和應(yīng)用層目前在PC機(jī)上實(shí)際，下一步將把它們移植到OMAP開(kāi)發(fā)板上。
應(yīng)用層。該層實(shí)現(xiàn)諸如HTTP、FTP等的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。
以上簡(jiǎn)單介紹了基于TD-SCDMA的移動(dòng)自組網(wǎng)協(xié)議棧設(shè)計(jì)。更詳細(xì)的信息請(qǐng)參看文獻(xiàn)[3～4]。
目前，基于GPS15L的TD-SCDMA自組網(wǎng)移動(dòng)終端正在測(cè)試之中，還有許多關(guān)鍵技術(shù)[5]需要測(cè)試和調(diào)整。勿庸置疑，未來(lái)的基于TD-SCDMA的自組網(wǎng)移動(dòng)終端將采用長(zhǎng)碼（PN碼）自同步方式而不需要GPS的支持。在終端的節(jié)電機(jī)制及喚醒機(jī)制等方面還需要更多更深入的研究。
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