后3G无线接入系统的软硬件平台研究和设计

来源:百度文库 编辑:神马文学网 时间:2024/03/29 15:55:43
www.ccicc.com.cn    来源:电信科学   日期:2005-05-30
东南大学移动通信国家重点实验室 赵新胜
摘要:本文分析了后3G移动通信系统的业务特征和网络发展趋势,研究了后3G空中接口技术和无线接入系统平台设计需求,探讨了后3G无线接入系统的软硬件平台设计方法,并将之应用于后3G实验验证系统的实现。
关键词:后3G移动通信系统;无线接入系统;空中接口;软硬件平台;GMC-TDD-xDMA实验验证系统
引言
第三代蜂窝移动通信系统(3G)标准(WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA等)的发展增强和改进了2.5G的无线接入网和移动核心网,并在其基础上逐步演进为可以兼容电路交换和数据分组交换、支持峰值速率2Mbit/s多媒体业务的传输系统,但3G系统仍无法满足未来移动用户对高速、宽带数据传输业务不断增长和更高服务质量(QoS)的要求。后3G移动通信系统(beyond 3G,以下简称后3G系统)除了提供语音、数据和影像等3G多媒体业务[1]以外,还提供流媒体和高速网络浏览等高速数据传输业务。流媒体等业务的显著特征是高速、宽带传输,要求后3G系统的空中接口和地面网络的传输速率有高达20~100 Mbit/s或更高的高速数据传输能力(3G系统传输能力的十倍或几十倍)、网络频谱具有更宽的带宽、支持不同业务类型的QoS要求和高达250 km/h的高速车载移动用户、能提供不同系统间无缝切换等。
后3G系统的发展目标是支持高速、移动、宽带传输业务和具有向下兼容2.5G和3G标准的能力,可以满足任何人在任何时间、任何地点以任何方式高速无缝接入到无线接入网络的要求。为了充分利用现有的无线接入网络和已分配的无线频谱资源,要求后3G系统的网络能够以全IP的形式与现有移动蜂窝网、WLAN以及卫星/数字广播网等不同无线接入系统[2~4]进行融合。用户可根据其特定的业务类型和QoS要求选择适当的无线网络接入方案。不同无线接入系统可以根据负荷条件和干扰条件等动态分配带宽,以增加整个系统的容量和提高无线频谱利用率。后3G系统、异质无线接入网络的系统构架已经成为国际电信联盟无线标准化组(ITU-R)、欧洲电信标准化协会(ETSI)以及Internet工程任务组(IETF)等国际标准组织针对未来通信系统标准讨论的主要议题,目前主要是在欧盟的信息社会技术组(informationsocietytechnologies,IST)、电气与电子工程师学会(instituteofelectricaland electronic engineers,IEEE)和中国科学技术部等资助下进行面向未来的无线通信系统的研究和开发工作,预计在2010年投入商用[5,6]。
本文针对后3G系统的业务特征和网络发展趋势,研究了后3G系统的空中接口技术和无线接入系统平台设计要求,探讨了用于后3G无线接入系统平台的软硬件设计方法,并将其应用于一种后3G无线接入系统——广义多载波时分双工混合多址(generalizedmulti-carriertimedivision duplex hybrid division multiple access,GMC-TDD-xDMA)的实验验证系统平台设计。
后3G系统空中接口技术和无线接入系统平台设计
后3G系统空中接口技术
后3G系统需要支持流媒体等高速、宽带业务,因此其空中接口部分需要采用新的无线通信技术,以保障宽带无线传输和提高无线频谱资源的利用率。目前,后3G空中接口的物理层主流候选技术为正交频分复用(OFDM)、多载波码分多址(MC-CDMA)和GMC-TDD-xDMA等,可采用频分双工(FDD)和时分双工(TDD)两种双工方式。评估后3G空中接口技术物理层和上层协议总体性能的指标主要有传输数据速率、误码率、系统容量以及无线频谱利用率等。后3G空中接口采用的关键技术均是针对提高和改善这些指标而提出的。
为满足后3G系统高数据速率传输的要求,采用OFDM或多载波等技术可以达到20~100Mbit/s、甚至更高传输速率,可以对抗无线传播信道的动态时变特性。后3G系统的编码技术将考虑使用TCM码、Turbo码、LDPC码,并采用自适应调制编码(AMC)技术以自适应信道的实时特性和改善系统误码率性能。
xDMA是将FDMA、TDMA和CDMA中的两种或三种多址方案结合的多址技术,可以增加系统的灵活性,更好地满足未来移动用户数迅猛增长对后3G的系统容量要求。智能天线、时空编码(STC)与发送分集结合、MIMO以及MIMO与STC结合等时间域、频率域和空间域相结合的通信新技术,可以改善系统性能,提高抗干扰能力和无线频谱利用率。此外,多用户检测、干扰抵消、均衡等技术也可以减少和抑制多径干扰、多址干扰和码间干扰,以达到改善性能、提高抗干扰能力和增加系统容量的能力。
2.2后3G无线接入系统平台设计
3G系统在全球范围内已经逐步走向商用化,与此同时,后3G系统的研究和开发也成为业界研究的热点课题。当前后3G系统面临着以下四大挑战:
·移动用户对业务和应用的多样化以及高速数据传输业务的要求更高。
·不同无线接入系统的互通或融合问题变得尤为突出,包括漫游、系统的垂直切换和系统内的水平切换在内的移动性管理等。
·复杂的物理层新技术不断发展成熟并且在无线接入系统中被采用,对移动终端和基站设备的计算处理能力提出了更高的要求。例如,自适应多载波、Turbo编码、智能天线、MIMO天线以及STC等先进技术的使用,大大增加了接入系统设备的存储量和计算复杂度的需求。
·为了更好地利用稀缺的无线频谱资源,要求后3G无线接入系统平台的设计必须考虑动态无线资源管理、分布式、自适应和动态频谱利用等无线接入系统的发展方向。
因此,后3G无线接入系统的软硬件平台设计应具有高度的灵活性、自适应性、可重配置性和扩展性,以支持全IP、全球无缝漫游、高速、宽带多媒体接入服务[5]。此外,系统平台设计还必须达到软硬件的运算量和性能指标要求。
系统软硬件设计方法
3.1系统硬件设计
以摩尔定律为标志的计算技术和微电子工艺技术的飞速发展,芯片制造工艺日新月异,极大地影响和推进了移动通信技术的发展步伐。以数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)为代表的高速微电子芯片在计算处理方面和高性能微处理器在实时微处理控制方面的巨大优势,已经广泛应用到移动通信技术领域的移动台和基站设计中[7~10],可以用以实现空中接口物理层的编译码、调制解调、扩频解扩、分集接收以及时空编码和MIMO等基带处理。
DSP除了强调运算处理的实时性和具备通用微处理器的高速运算与控制功能外,针对实时数字信号处理的要求,在处理器结构、指令系统和数据流程上做了很大的改动。由于DSP芯片一般具有哈佛总线结构、流水线操作、多总线同时进行数据和指令存取、内置高速的硬件乘法/加法器和片内RAM机制等特点,决定其运算速度要比通用微处理器高。正是由于DSP具有诸多的优点,已经被广泛应用到无线通信信号物理层处理中。DSP设计流程可以大致分为算法模拟、DSP芯片及外围芯片的选择、软硬件设计、软硬件调试和系统集成与测试五个阶段。DSP属于串行处理器,适合串行算法,多个DSP并行处理系统也只能适应小型的并行运算。
FPGA具有高集成度、高速并行处理和高可靠性的特点,可以在片内实现高度并行的运算结构,适合于快速并行计算处理算法,因此,尤其适合后3G实验验证系统对高速并行运算处理能力的要求,并已经广泛应用于无线通信系统实验验证平台的基带设计中。采用FPGA器件设计和实现数字系统一般可分为设计输入、设计处理、模拟仿真和下载编程等四个步骤。FPGA开发可采用原理图输入和硬件描述语言(HDL)输入。流行的HDL语言有VerilogHDL、VHDL和ABELHDL等。
由于后3G系统中移动台和基站的管理、控制功能变得越来越复杂[4],而且要求具有高度的智能性和严格的实时性,普通的8位或16位单片机无法满足这种要求,因此,使用高性能微处理器和嵌入式实时操作系统来进行管理和控制变得尤为重要。后3G无线接入系统的软件平台可使用嵌入式微处理器与嵌入式操作系统结合的方法,设计能够满足实时性、高灵活性和鲁棒性的软硬件平台。嵌入式硬件系统具有响应时间快、能够处理异步并发事件等特点,嵌入式实时多任务操作系统支持所有的软件任务或线程,并对实时和非实时任务进行不同的处理。
Motorola公司的PowerPC系列、MIPS公司的Vx55xx系列、ARM公司的ARM系列以及Intel的StrongARM系列等嵌入式微处理器已广泛应用到移动通信系统的移动台和基站设计中。由于嵌入式系统设计的差异性极大,因此嵌入式微处理器的选择是多样化的。在选择处理器时,设计者主要考虑的因素有处理器速度、技术指标、功耗、软件支持工具以及是否内置调试工具等。其次是考虑该处理器的一些配套的支持芯片,如DMA控制器、内存管理器、中断控制器、串行设备和时钟等。
3.2系统软件设计
软件设计主要采用自顶向下或自下向上的系统开发方法,而面向对象、自顶向下、结构化的系统设计方法以其适合多媒体数据业务、多任务处理的独特优点得到众多软件设计者的采纳[6,8~11]。采用面向对象、结构化设计方法,使后3G系统具有很强的灵活性,可以适合不同的对象需求。
实时多任务嵌入式操作系统具有多任务并行执行和可抢占性、支持多任务间通信、实时时钟服务、中断服务以及存储器优化管理等优点,可以很好地满足移动通信系统对硬实时要求,已经被广泛应用于移动通信系统的移动台和基站设计中。此外,形式化描述语言(SDL)也有助于设计结构化、鲁棒的系统软件[11]。嵌入式系统软件设计开发流程主要包括需求分析、软件模型建立、任务划分、任务分配、调度计划、语言实现、模型集成测试和系统集成测试等步骤。不同的嵌入式微处理器对嵌入式操作系统的支持能力不同,因此相应的嵌入式操作系统也多种多样。现在流行的嵌入式操作系统主要有VxWorks、pSOS、Nucleus、嵌入式Linux以及WindowsCE等。这些操作系统都提供了较好的内核、多任务通信机制、基于TCP/IP的网络组件、文件管理以及I/O服务,是集编辑、编译、调试和仿真为一体的集成开发环境,支持用户使用C、C++进行应用程序开发。可用于嵌入式系统软件开发的操作系统很多,但关键是如何选择一个合适的操作系统,通常需要考虑操作系统提供的开发工具、实时性、可裁剪性以及可移植性等因素。
VxWorks是WindRiver公司设计开发的RTOS实时操作系统,该系统主要应用于单板机、数据网络(以太网交换机、路由器)和无线通信等领域。VxWorks为目标机应用提供可靠性高的硬实时,而主机被用来进行应用开发和运行非实时的应用程序。VxWorks可进行源代码裁剪,开发者可根据应用需要进行取舍。此外,VxWorks可以利用基于主机和目标机的交叉开发平台(Tornado)来编辑、编译、连接和动态加载实时应用的可执行代码,然后在VxWorks上运行和调试实时应用。VxWorks虽具有以上优点,但开发者必须为其支付昂贵的License费用。pSOS是世界上最早的实时系统之一,也是最早进入中国市场的RTOS。pSOS是IntegratedSystems公司开发的产品,是一个完全可扩展的嵌入式RTOS。pSOS具有可裁剪性,支持多种类型的处理器,其板级支持包(BSP)也比较全。pSOS的主要缺点是上下文切换时间长,实时性不如VxWorks。Nucleus是AcceleratedTechnology公司设计的可扩展RTOS,提供Web支持、网络、图形包和文件系统等模块,且移植很方便。Nucleus最大的特点是价格低廉并且全部提供源代码,免去用户购买License和支付使用费(Royalties)。Nucleus的另外一个特点是,应用程序开发者只需要通过动态连接库(DLL)便可进行任务级调试,无需编写繁琐的BSP。嵌入式Linux改善了Linux内核在硬实时性能方面的不足。嵌入式Linux最大的优点是源码完全公开和高度的可裁剪性,其缺点是实时性能不如VxWorks和pSOS等专业RTOS。
3.3软硬件系统的协同设计
为了缩短开发周期,通常采用软硬件协同设计方法。软硬件协同设计方法是指在完成需求分析和系统设计后,并行进行硬件设计和软件设计以减少整个系统设计和开发时间。此外,在设计硬件时还可以利用现有的知识产权核(intellectualproperty,IP)来实现部分功能,例如Turbo译码和快速傅立叶变换(fastfouriertransform,FFT)等。图1为系统软硬件协同设计方法的示意图,图中将系统软硬件协同设计分为实时操作系统、嵌入式微处理器、可编程FPGA或DSP以及通信接口四个模块。系统软硬件系统设计采用自顶向下的协同开发流程,包括需求分析、总体设计、软件设计和硬件设计、系统软硬件集成和系统集成测试,其中软件设计和硬件设计是同时进行的。硬件设计包括行为动作设计、结构设计、逻辑设计和物理实现,软件设计流程包括概要设计、详细设计、语言实现和测试调试四个部分。
通过可编程FPGA或DSP可以灵活地实现复杂的物理层算法,同时也可使用现有的IP核(如编译码、FFT、FIR滤波器等)。FPGA或DSP通过PCI、USB、PCMCIA和IEEE1394等通信接口与其他设备相连。嵌入式微处理器和RTOS通过实时任务机制共同实现对可编程FPGA或DSP的控制和管理功能,RTOS在嵌入式微处理器内运行。
GMC-TDD-xDMA系统的设计
GMC-TDD-xDMA系统是在国家“863”FuTURE工程组框架下,由东南大学移动通信国家重点实验室开发的后3G无线接入系统方案[6]。该系统工作在5GHz或2.4GHz的频带上,占用20MHz的无线传输带宽,实现峰值传输速率不低于20Mbit/s、误码率小于10-6的高速分组数据传输。整个20 MHz频带分成16个1.2 8MHz的3 dB带宽的子载波,每个子载波使用基于块的传输、自适应时隙结构、增强的多码扩频、AMC以及时空联合检测等技术以支持高效分组传输。在GMC-TDD-xDMA系统中,采用TDD双工模式可以灵活支持非对称数据业务,使用xDMA混合多址方案以提高无线资源的利用率,每个用户可以使用一个子载波中的一个或多个时隙和一个或多个码道,也可以使用多个子载波以支持更高的用户数据速率要求。
4.1系统总体方案
GMC-TDD-xDMA实验验证系统平台包括接入点(AP)、移动终端(MT)、本地管理终端(LMT)和Internet网关服务器(IGS),如图2所示。
该验证系统平台的接口包括AP与MT间的空中接口和AP与外部网络间的固定接口,前者完成无线接入系统空中接口的物理层功能,后者通过IGS与外部因特网相连。为支持业务演示、系统管理和维护,要求AP通过以太网接口与因特网及本地管理终端(LMT)相连,AP完成系统控制和MT接入功能,能够同时与两个MT进行通信。LMT用于本地维护和对AP操作进行监测。MT包括移动台(MS)和终端PC,MT间可经由AP进行通信,也可在不需AP的情况下直接通信。MT中的MS处理无线数据的发送和接收,终端PC则完成高速业务演示功能。此验证系统可以支持中低速的语音、高速数据、图像等多媒体和高速的流媒体业务,保证数据传输服务的峰值传输速率大于20Mbit/s、误码率小于10-6。
4.2系统硬件方案
实验验证系统的硬件设计包括MT和AP两部分,由于第一阶段仅考虑AP与MT间点对点互通,因此两者的硬件设计是相同的,只是其内部算法实现有一些差别。主要采用Xilinx的Virtex-IIFPGA和Motorola高性能微处理器PowerPC8260进行验证,FPGA实现空中接口的物理层技术(包括串行基带处理和并行基带处理),PowerPC微处理器完成对各FPGA板的控制与管理、通信协议栈软件功能。系统硬件由串行基带处理、并行基带处理以及射频(RF)处理三部分组成,共同完成后3G空中接口物理层的发送和接收处理过程。串行基带处理和并行基带处理使用Xilinx公司的Virtex-II3000系列芯片实现,硬件描述语言使用VerilogHDL。AP和MT的系统硬件设计方案如图3所示。
串行基带处理:主要完成发送处理过程中的编码、交织、调制、打孔(即速率匹配)和接收处理过程中的去打孔、解调、去交织和译码。采用的编码方案有卷积码、级联码、Turbo码和LDPC码等,调制采用QPSK、8PSK、16QAM或64QAM等高阶调制,解调和译码分别采用软解调和Viterbi软译码方案。
并行基带处理:并行基带处理部分实现GMC-TDD-xDMA的多址复用功能,包括xDMA的扩频与解扩、GMC调制与解调以及TDMA。图3中未画出TDMA部分。
RF处理:RF处理部分目前采用的是一发四收,以后将采用智能天线、时空信号处理以及MIMO天线技术。
系统硬件设计方案遵从灵活性、可重配置性和自适应性要求[5],使得系统硬件能够达到后3G移动通信系统的基带算法处理和性能要求。根据系统所需的性能要求和传播环境的不同,各自处理模块可以灵活、自适应地采用相应的方案。例如,在传播信道恶劣的环境下使用Turbo码或LDPC码代替卷积编码,以达到系统的性能要求。此外,基于FPGA的高速并行处理能力,软件部分媒体接入控制的分复接可以在FPGA内实现,从而减少嵌入式微处理器的处理负担。
4.3系统软件方案
实验验证系统中MT和AP的系统软件采用WindRiver公司[6]的VxWorks实时多任务操作系统作为系统工作平台,系统软件运行在Motorola高性能PowerPC8260嵌入式微处理器上。整个系统软件分成多个子任务,各任务间通过数据流、消息队列或中断的方式进行通信和交互。每个模块对应一个VxWorks子任务程序。MT和AP侧的系统软件由六个模块功能块构成,分别为控制与监测、呼叫会话管理与多媒体业务应用层、会聚层、数据链路控制/媒体接入控制层、物理信道驱动以及无线资源控制和管理。MT和AP侧各协议功能块的协议功能基本相同,但由于各自面向的处理目标有所不同,所承担的功能任务也有区别。系统软件的结构如图4所示。
控制/监测模块:控制命令的发起,激活各种不同类型的业务模块,对各种业务的业务流量进行监视和控制,并通过资源控制/管理功能模块,反映物理层编码、调制、多载波和帧结构等相关内容的工作状态。
呼叫会话管理/多媒体业务应用层模块:呼叫会话管理完成系统中MT与AP间的呼叫、会话建立、维持、修改和释放功能。多媒体业务应用则面向语音、高速数据和图像的多媒体业务,针对各种媒体进行相应的处理操作。
会聚层模块:将来自高层的各种IP业务转换成数据链路控制层能够提供的业务,仅提供面向IP业务的会聚层协议。
数据链路控制/媒体接入控制层模块:数据链路控制层是根据资源控制/管理功能模块的系统参数完成控制信令的内容更新、设置、参数调整和维护,建立面向逻辑信道的链路传输协议,通过链路传输机制保障各信令帧正确传送。媒体接入控制层完成物理信道与逻辑信道之间的映射、信令数据和业务数据的分复接、业务质量控制等功能。在MT侧和AP侧的数据链路控制/媒体接入控制层处理基本相同。
物理信道驱动层模块:处理物理信道的发送信道和接收信道的驱动和管理,在MT侧和AP侧的收发信道执行相反处理操作。
无线资源控制/管理功能模块:它是整个实验验证系统软件的总控中心,对整个系统设备、无线信道资源等动态无线资源进行管理(radioresourcemanagement,RRM)[4]。通过控制命令和状态报告的形式与控制平面和业务平面的各模块传输信息,并建立和维护各系统参数表。
结束语
后3G移动通信系统要求支持中低速多媒体业务、高速流媒体业务和异质网络接入,对其采用的空中接口技术和无线接入系统平台设计有更高的要求。采用高速处理能力的DSP或FPGA芯片、高性能的嵌入式微处理器和实时操作系统相结合的软硬件设计方法,已经成为后3G实验验证系统设计的主流方案。基于这三者的软硬件协同设计的集成方案,可以很好地满足后3G验证系统软硬件设计对灵活性、自适应性、可重配置性以及扩展性的要求。