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基于GPS15L的移動自組網終端系統設計
摘要：無線通信的最終目標是5W�；赥D-SCDMA的移動自組網（MANET）是一種極具發展潛力的個性化通信方式，而全球定位系統為通信、導航等提供了極為有力的幫助。結合國家“863”研究項目，研究了基于GRS15L的TD-SCDMA移動自組網終端系統，分析了設計中可能存在的問題，提供了其設計思路和方法，指明了其系統設計的未來方向。關鍵詞：全球定位系統 移動自組網 時分多工同步碼分多址系統 幀同步
移動自組網（MANET）是一種由相互間能直接通信而沒有中心控制的移動節點組成的無線通信網絡�；赥D-SCDMA的MANET是在充分利用TD-SCDMA蜂窩網無線資源的條件下而設計的自組織網絡�；赥D-SCDMA的MANET的移動終端不但能夠進行內部的信息交互，而且能夠接入TD-SCDMA蜂窩網并進而連接到Internet。本文分別從底層硬件、軟件和協議的角度設計了基于GPS15L的TD-SCDMA自組網移動終端。
1 MANET終端系統總體設計
與德國FleetNet移動自組網[1]不同，基于TD-SCDMA的MANET沒有固定的網關、獨立的頻率資源和單獨的無線傳輸技術（RTT）等。因此，在移動終端（MT）的軟硬件平臺、通信協議設計及組網方式上與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絡側（包括Node B）的協調控制，使得MT既可充當純MANET的移動終端，也可是TD-SCDMA蜂窩網的普通用戶設備（UE），或是集MT和UE于一身的網關（GW）。因此，在MANET終端系統設計上，較普通的UE系統設計為更為復雜和深奧。
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充分利用現有的研究成果是系統設計的首要原則。硬件平臺上，在原有的現場試驗移動臺（FTMS；相當于UE）上增加OMAP1510開發板（含手寫顯示彩屏、鍵盤、鼠標等外設）和GPS模塊。為使增加的外部設備能夠與原有的FTMS協調工作，必須增加相應的硬件接口和驅動軟件等。同時，從物理層到應用層的協議軟件均需做相應的修改或重寫。
對基于TD-SCDMA的MANET移動終端系統設計本著從整體到局部、先概要設計到詳細設計和軟硬件并發設計的原則來進行。
2 硬件及接口設計
基于TD-SCDMA的MANET移動終端系統由以下幾部分組成：射頻及中頻模塊、模擬基帶處理模塊、數字基帶處理模塊、協議處理模塊、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。其組成和相互關系如圖1所示。
2.1 GPS15L模塊
為什么使用全球定位系統（GPS）？GPS是一種使基于TD-SCDMA的移動自組網得以正常通信的最為簡潔而高效的設備。TD-SCDMA中的“S”代表上行同步，即所有發送到Node B(基站)的用戶設備（UE）信號同時到達Node B。由于移動自組網是一種無中心控制的網絡，所以基于TD-SCDMA的移動自組網節點之間的通信需要一個統一的時間標志，使各個終端之間的信號接收和發送以一定的節拍進行（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，則減少幀中斷計數器值，否則增加其計數值，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開發板，由運行在該開發板上的高層協議處理。另外，GLS15L的串口速率是可以調整的，可以通過OMAP1510以一定的指令來調整其最佳工作速率（默認值為4800bps）。由于GPS送出位置信息不是主動的，因此必須編寫適當的指令以定期讀取這些信息。
2.2 OMAP1510接口模塊
OMAP(Open Multimedia Application Platform)則由TI公司生產的集成TMS320C5510數字信號處理器和ARM9 RISC處理器的高性能開放式多
媒體應用平臺。DSP+MUC是未來嵌入式應用的必然趨勢。OMAP1510開發板提供了嵌入式操作系統、彩色顯示屏、鍵盤和鼠標等外設，因此用它在未來的開發中替代目前配置的一個協議PC機和一個應用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OMAP內的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交換數據。
OMAP1510還提供了USB接口，用它做前期的仿真調試。最初的路由和應用層協議將運行在PC機上。為使PC與OMAP1510之間能有高速的數據交互（至少需要144kbps），使用了USB總線。當這些協議都運行成功之后，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，只把它設置在Slave方式下工作，它允許外部USB主設備通過USB總線進行配置和讀寫。
3 USB驅動程序及應用軟件設計
實際上，USB驅動程序包括兩部分：工作在（OMAP1510上的）Sybian操作系統中的主USB驅動程序以及工作在Windows 2000/XP(PC)中的從屬USB驅動程序。由于Sybian操作系統中的USB驅動程序由OMAP1510開發板供應商提供，只需要設計Windows環境下的USB驅動程序和應用程序即可。
筆者用Jungo公司[2]的WinDriver設計這些程序。首先，用KernelDriver 6.11驅動程序設計向導完成驅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、修改和編譯以產生系統文件（.DLL或.sys）。驅動程序生成之后還需要在PC上安裝以測試其可靠性和穩定性。最后，用KernelDriver生成的應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協議軟件設計
與TD-SCDMA的MANET協議棧相類似，基于TD-SCDMA的移動自組網協議軟件由物理層（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）層和應用層組成。它們的相互關系及運行實本如圖4所示。
L1層。物理層包括信息編碼、突發成幀、用戶檢測/聯合檢測、信道解碼、測量和控制等模塊。由于基于TD-SCDMA的移動自組網使用了TD-SCDMA一致的無線幀/時隙結構及信道編解碼技術，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、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換成對L1的命令（CMD）或請求（REQ）。接收來自L1的數據和信令，解析該數據/信令并把數據轉發或在本軟件中加以處理。
RLC/MAC層。該層主要做開環/閉環功控策略、物理層調度和自動重傳請求（ARQ）等以保證一定的鏈路質量等。
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MANET的IP分配與綁定、自組網節點路由/尋徑和傳輸控制等。這一層和應用層目前在PC機上實際，下一步將把它們移植到OMAP開發板上。
應用層。該層實現諸如HTTP、FTP等的網絡應用。
以上簡單介紹了基于TD-SCDMA的移動自組網協議棧設計。更詳細的信息請參看文獻[3～4]。
目前，基于GPS15L的TD-SCDMA自組網移動終端正在測試之中，還有許多關鍵技術[5]需要測試和調整。勿庸置疑，未來的基于TD-SCDMA的自組網移動終端將采用長碼（PN碼）自同步方式而不需要GPS的支持。在終端的節電機制及喚醒機制等方面還需要更多更深入的研究。
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