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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)的未來方向。移動(dòng)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(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的無線通信網(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FleetNet移動(dòng)自組網(wǎng)[1]不同，基于TD-SCDMA的MANET沒有固定的網(wǎng)關(guān)、獨(dú)立的頻率資源和單獨(dú)的無線傳輸技術(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。
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)場試驗(yàn)移動(dòng)臺(tái)（FTMS；相當(dāng)于UE）上增加OMAP1510開發(fā)板（含手寫顯示彩屏、鍵盤、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。
對基于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(dòng)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(hào)同時(shí)到達(dá)Node B。由于移動(dòng)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(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)秒脈沖到來時(shí)（上升沿），把它定義為每200個(gè)5ms無線子幀的起始點(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，這些信息對設(shè)計(jì)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(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開發(fā)板，由運(yùn)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(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處理器的高性能開放式多媒體應(yīng)用平臺(tái)。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(biāo)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(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(yùn)行的路由層。OMAP1510通過雙端口隨機(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
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