基于GPS15L的移動自組網(wǎng)終端系統(tǒng)設(shè)計

    摘要：無線通信的最終目標是5W?；?a href="http://www.wenjunhu.com/soft/data/43-47/" target="_blank">TD-SCDMA的移動自組網(wǎng)（MANET）是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ膫€性化通信方式，而全球定位系統(tǒng)為通信、導航等提供了極為有力的幫助。結(jié)合國家“863”研究項目，研究了基于GRS15L的TD-SCDMA移動自組網(wǎng)終端系統(tǒng)，分析了設(shè)計中可能存在的問題，提供了其設(shè)計思路和方法，指明了其系統(tǒng)設(shè)計的未來方向。

移動自組網(wǎng)（MANET）是一種由相互間能直接通信而沒有中心控制的移動節(jié)點組成的無線通信網(wǎng)絡(luò)?；赥D-SCDMA的MANET是在充分利用TD-SCDMA蜂窩網(wǎng)無線資源的條件下而設(shè)計的自組織網(wǎng)絡(luò)?；赥D-SCDMA的MANET的移動終端不但能夠進行內(nèi)部的信息交互，而且能夠接入TD-SCDMA蜂窩網(wǎng)并進而連接到Internet。本文分別從底層硬件、軟件和協(xié)議的角度設(shè)計了基于GPS15L的TD-SCDMA自組網(wǎng)移動終端。

1 MANET終端系統(tǒng)總體設(shè)計

與德國FleetNet移動自組網(wǎng)[1]不同，基于TD-SCDMA的MANET沒有固定的網(wǎng)關(guān)、獨立的頻率資源和單獨的無線傳輸技術(shù)（RTT）等。因此，在移動終端（MT）的軟硬件平臺、通信協(xié)議設(shè)計及組網(wǎng)方式上與FleetNet均有較大差異。同時，基于TD-SCDMA的MANET各個移動終端由于沒有網(wǎng)絡(luò)側(cè)（包括Node B）的協(xié)調(diào)控制，使得MT既可充當純MANET的移動終端，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)計上，較普通的UE系統(tǒng)設(shè)計為更為復雜和深奧。

    充分利用現(xiàn)有的研究成果是系統(tǒng)設(shè)計的首要原則。硬件平臺上，在原有的現(xiàn)場試驗移動臺（FTMS；相當于UE）上增加OMAP1510開發(fā)板（含手寫顯示彩屏、鍵盤、鼠標等外設(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)動軟件等。同時，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。

對基于TD-SCDMA的MANET移動終端系統(tǒng)設(shè)計本著從整體到局部、先概要設(shè)計到詳細設(shè)計和軟硬件并發(fā)設(shè)計的原則來進行。

2 硬件及接口設(shè)計

基于TD-SCDMA的MANET移動終端系統(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、語音編解碼模塊、SIM卡及電源管理模塊、鍵盤及顯示模塊、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的移動自組網(wǎng)得以正常通信的最為簡潔而高效的設(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）信號同時到達Node B。由于移動自組網(wǎng)是一種無中心控制的網(wǎng)絡(luò)，所以基于TD-SCDMA的移動自組網(wǎng)節(jié)點之間的通信需要一個統(tǒng)一的時間標志，使各個終端之間的信號接收和發(fā)送以一定的節(jié)拍進行（幀同步）。美國GARMIN公司的GPS15L提供了秒脈沖（PPS），其精度為±100ns。利用這一特性，當一個秒脈沖到來時（上升沿），把它定義為每200個5ms無線子幀的起始點。在這里PPS的作用相當于Node B發(fā)送的DwPTS。

    除了提供PPS之外，GPS15L通過RS-232接口還提供了時間信息和地理位置信息，這些信息對設(shè)計功率控制算法和路由算法極為有利。有了對方的相對位置，終端在計算發(fā)射功率時就更為準準確確可靠，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）計數(shù)器進行比較。如果在兩個PPS之間多于200個幀中斷信號，則減少幀中斷計數(shù)器值，否則增加其計數(shù)值，直到剛好有200個幀中斷信號為止。

GPS的位置位置信息直接送到OMAP1510開發(fā)板，由運行在該開發(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OMAP1510以一定的指令來調(diào)整其最佳工作速率（默認值為4800bps）。由于GPS送出位置信息不是主動的，因此必須編寫適當?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)字信號處理器和ARM9 RISC處理器的高性能開放式多媒體應(yīng)用平臺。DSP+MUC是未來嵌入式應(yīng)用的必然趨勢。OMAP1510開發(fā)板提供了嵌入式操作系統(tǒng)、彩色顯示屏、鍵盤和鼠標等外設(shè)，因此用它在未來的開發(fā)中替代目前配置的一個協(xié)議PC機和一個應(yīng)用PC機，使FTMS具有更大的移動性和可靠性。其接口如圖3所示。

OMAP1510與GPS的接口比較簡單，它通過RS-232接口從GPS得到位置信息。位置信息經(jīng)OMAP內(nèi)的ARM9處理后送到其上運行的路由層。OMAP1510通過雙端口隨機存儲器（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)議將運行在PC機上。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。當這些協(xié)議都運行成功之后，將逐步移植到OMAP1510中。因此，USB在這里只是過渡性質(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USB總線進行配置和讀寫。

3 USB驅(qū)動程序及應(yīng)用軟件設(shè)計

實際上，USB驅(qū)動程序包括兩部分：工作在（OMAP1510上的）Sybian操作系統(tǒng)中的主USB驅(qū)動程序以及工作在Windows 2000/XP(PC)中的從屬USB驅(qū)動程序。由于Sybian操作系統(tǒng)中的USB驅(qū)動程序由OMAP1510開發(fā)板供應(yīng)商提供，只需要設(shè)計Windows環(huán)境下的USB驅(qū)動程序和應(yīng)用程序即可。

筆者用Jungo公司[2]的WinDriver設(shè)計這些程序。首先，用KernelDriver 6.11驅(qū)動程序設(shè)計向?qū)瓿沈?qū)動程序源代碼的生成（包括安裝信息文件）。然后用VC++6.0等C++語言工具對這些源程序進行編輯、修改和編譯以產(chǎn)生系統(tǒng)文件（.DLL或.sys）。驅(qū)動程序生成之后還需要在PC上安裝以測試其可靠性和穩(wěn)定性。最后，用KernelDriver生成的應(yīng)用程序加以修改和編譯。對編譯生成的.exe文件做USB配置測試。

4 基于TD-SCDMA的MANET協(xié)議軟件設(shè)計

與TD-SCDMA的MANET協(xié)議棧相類似，基于TD-SCDMA的移動自組網(wǎng)協(xié)議軟件由物理層（L1）、物理層控制層（L1C）、無線鏈路控制（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)系及運行實本如圖4所示。

L1層。物理層包括信息編碼、突發(fā)成幀、用戶檢測/聯(lián)合檢測、信道解碼、測量和控制等模塊。由于基于TD-SCDMA的移動自組網(wǎng)使用了TD-SCDMA一致的無線幀/時隙結(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、過程控制等。主要用來解析高層命令和消息并把它轉(zhuǎn)換成對L1的命令（CMD）或請求（REQ）。接收來自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。該層主要做開環(huán)/閉環(huán)功控策略、物理層調(diào)度和自動重傳請求（ARQ）等以保證一定的鏈路質(zhì)量等。

LLC層。該層主要用來控制邏輯鏈路以使鏈路建立/保持/拆除連接。

TCP/IP層。該層主要實現(xiàn)MANET的IP分配與綁定、自組網(wǎng)節(jié)點路由/尋徑和傳輸控制等。這一層和應(yīng)用層目前在PC機上實際，下一步將把它們移植到OMAP開發(fā)板上。

應(yīng)用層。該層實現(xiàn)諸如HTTP、FTP等的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

以上簡單介紹了基于TD-SCDMA的移動自組網(wǎng)協(xié)議棧設(shè)計。更詳細的信息請參看文獻[3～4]。

目前，基于GPS15L的TD-SCDMA自組網(wǎng)移動終端正在測試之中，還有許多關(guān)鍵技術(shù)[5]需要測試和調(diào)整。勿庸置疑，未來的基于TD-SCDMA的自組網(wǎng)移動終端將采用長碼（PN碼）自同步方式而不需要GPS的支持。在終端的節(jié)電機制及喚醒機制等方面還需要更多更深入的研究。