在無線通信領(lǐng)域中,有限的頻譜資源與不斷膨脹的需求是促使無線通信技術(shù)日新月異的源動力,那么,如何有效利用寶貴的頻譜資源自然就成為一個十分有意義的課題。為了提高頻譜利用率,目前主要從如下兩個方面入手：①采用更為高效的調(diào)制解調(diào)技術(shù),如QAM等;②在多址接入方面,除尋找更加有效的方法外,如0FDMA,如何將頻分、時分、碼分及空分技術(shù)有效地融合也是目前的研究熱點。
PRMA多址接入?yún)f(xié)議就是一種以時分多址為基礎(chǔ),結(jié)合話音的統(tǒng)計模型有效提高系統(tǒng)容量的一種方法。PRMA協(xié)議是G00dman等學者早在1989年提出的。伴隨著第三代移動通信技術(shù)的發(fā)展,PRMA協(xié)議又一次獲得了人們的關(guān)注,其與CDMA的聯(lián)合多址技術(shù),即CDMA／PRMA多址接入?yún)f(xié)議,使系統(tǒng)容量得到明顯提高。
1 PRMA協(xié)議介紹
PRMA(Packet Reservation Multiple Access)協(xié)議,即分組預約多址協(xié)議,是利用人們在通話過程中的空閑期來增加系統(tǒng)容量的。據(jù)統(tǒng)計,人們在通話過程中,傳輸話音的帶寬占總帶寬的35％～50％,另外約50％的帶寬都是空閑的。PRMA 協(xié)議的內(nèi)容是將時間軸分為時隙,若干個時隙組成一幀。每一幀中的時隙被分為兩類：一類是被預約的時隙,另一類是可用的空閑時隙。時隙的類別是根據(jù)在時隙末尾接收到的基站應答信息來確定的。每個移動臺在話音突發(fā)開始時,采用ALOHA協(xié)議來競爭可用的空閑時隙。若移動臺競爭成功,則它就預定了后續(xù)幀中相同的時隙。在后續(xù)幀中,它將不會與其它移動臺的分組發(fā)生碰撞。當一個話音突發(fā)傳輸結(jié)束后,該移動臺將釋放預約的時隙,使該時隙從預約狀態(tài)變成可用狀態(tài)。釋放的方法就是在預約的時隙內(nèi)不傳輸任何信息,基站檢測到該空閑時隙后,就會指明該時隙為可用時隙。圖1是PRMA系統(tǒng)的工作示例。
圖1中,各時隙內(nèi)的Rx表示該時隙已經(jīng)被節(jié)點x預約,而I表示該節(jié)點還未被預約。對于每一個時隙,如果有兩個或兩個以上的節(jié)點同時發(fā)送,那么在基站處必然導致碰撞發(fā)生,如第I幀的時隙2。如果發(fā)送終端處標記為“一”,則表示相應的時隙是空閑的,沒有節(jié)點發(fā)送信息。由圖1可見,在第I幀,時隙2處,節(jié)點6、4碰撞,基站無法識別信息,因而節(jié)點6和4收不到基站的應答,所以預約第I+1幀的時隙2沒有成功。在第I幀的時隙3處,節(jié)點3沒有發(fā)送信息,表示節(jié)點3要釋放該時隙,因此第I+1幀的時隙3不再處于預約狀態(tài)。節(jié)點6和4在第I+1幀的時隙3和4分別接入成功,并且預約了第I+2幀的時隙3和4。
經(jīng)過仿真分析,如果物理信道總數(shù)為20,即l幀被時分為20個時隙,采用PRMA協(xié)議后,系統(tǒng)可容納的用戶總數(shù)最多可達37個。然而,若只采用TDMA協(xié)議,最多可容納的用戶數(shù)是20個,系統(tǒng)容量得到明顯提高。
CDMA/PRMA協(xié)議的基本思想與PRMA協(xié)議類似,只是在cDMA/PRMA協(xié)議中,基站無法檢測到碰撞事件的發(fā)生,基站只能根據(jù)多址干擾,即MAI,來判斷信道狀態(tài)并確定是否允許時隙的預約。這樣,在每個時隙里,系統(tǒng)所允許的用戶數(shù)不再是一個,而是多個(如5～7個)。當然,各用戶采用的碼字必須不同。
2 PRMA專用控制芯片的設(shè)計
2．1 處理器的選擇
顯然,實現(xiàn)PRMA協(xié)議幾乎不需要什么復雜的算法,而主要依靠程序的控制,因此選擇單片機。在系統(tǒng)中,由于信道的通信速率較高,如幾百Kbps,單片機是不能勝任的,因此,選用了32位的嵌入式處理器。嵌入式處理器有很多種,但是處理內(nèi)核主要有以下4種：MIPs內(nèi)核(64位)、ColdFire內(nèi)核、PowerPC內(nèi)核和ARM內(nèi)核。
powerPC處理器由于其較強的處理能力,在電信級的高端產(chǎn)品中應用較多;而ARM處理器由于其優(yōu)異的功耗性能,因此在便攜式設(shè)備中應用廣泛。圖2是幾款處理器的性能對比.(該圖引自EEMBC總裁Markus Levy的文章。)
圖2中,條狀圖對應的單位是Telemark。該單位的含義與傳統(tǒng)衡量處理器處理能力的單位Dhrystone的含義類似,是對處理器處理能力的一種定義。曲線的單位則是Telemark對功率的歸一化,即Telemark/mW。顯然,MPC7455的絕對處理能力是最強的,但是考慮到功耗后,ARMl020E的性能顯然是最優(yōu)的。我們最終選用的是ARM9處理器。
考慮到與傳輸系統(tǒng)的接口以及對接入系統(tǒng)的調(diào)試方便,設(shè)計中除了實現(xiàn)PRMA協(xié)議外,還包括基帶收發(fā)系統(tǒng)。顯然,基帶收發(fā)系統(tǒng)應該使用FPGA實現(xiàn)。這樣,設(shè)計可采用如下兩種方案：方案①,擴展的FPGA器件掛接在ARM處理器的外部擴展總線上;方案②,選用A1tera公司的SoPC系統(tǒng)。
SoPC系統(tǒng),即可編程片上系統(tǒng),將處理器內(nèi)核與FPGA集成于一體。目前,ALtera公司的SoPC系統(tǒng)主要有兩類：一類是硬核SoPC系統(tǒng),另一類是軟核SoPC系統(tǒng)。硬核SoPC系統(tǒng)采用的是ARM處理器。該處理器固化在芯片內(nèi),是不能被重新加載的。軟核SoPC系統(tǒng)采用的是Altera公司的N10s或N10S.II內(nèi)核。該內(nèi)核在每次上電或復位時與FPGA內(nèi)部的邏輯電路一起重新加載。采用SoPc系統(tǒng)的好處在于用戶可根據(jù)實際需要在FPGA內(nèi)部添加外圍設(shè)備,方便系統(tǒng)設(shè)計。同時,Altera公司免費提供一些常用外圍設(shè)備的IP核,如：網(wǎng)卡控制器、串口控制器、USB控制器等等。通過使用Altera的QUARTUS-II和SoPC開發(fā)軟件,可以在soPc系統(tǒng)上輕松地構(gòu)建專用控制芯片。
另外,在SoPC系統(tǒng)內(nèi),處理器內(nèi)核與FPGA間采用標準系統(tǒng)總線,如上述硬核soPc系統(tǒng)內(nèi)部采用的是ARM公司的AMBA-AHB總線。這樣,處理器和FPGA間的數(shù)據(jù)交換速率要比上述方案①快許多。在我們的設(shè)計中,采用了Altera公司的EXPAl處理器。該處理器的內(nèi)核為ARM922T。
2．2 PRMA協(xié)議的實現(xiàn)
2．2．1 幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計
根據(jù)系統(tǒng)要求,采用TDD的雙工方式,每幀設(shè)置20個時隙,每時隙分為上行和下行兩個微時隙;系統(tǒng)采用上下行對稱鏈路,信道傳輸速率為512kbps,每個微時隙內(nèi)共有256位。幀及上行時隙結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3中,ux為上行時隙;Dx為下行時隙;TB為發(fā)信機輸出功率上升下降保護時間; Raddr為接收臺地址; Tx—addr為發(fā)射臺地址;Control為控制比特;Pay load為業(yè)務負載;GP為保護間隔; TR為收發(fā)轉(zhuǎn)換時間。
與TDMA多址接入技術(shù)不同,PRMA是一種面向分組的多址接入技術(shù),因此,分組頭的開銷是不可避免的。由圖3可見,收發(fā)地址域分別有6位,因此網(wǎng)絡(luò)最多可識別64個用戶。顯然,這樣的網(wǎng)絡(luò)容量是遠遠不夠的。如果采用IPV4的尋址方式,網(wǎng)絡(luò)容量雖可以達到要求,但是收發(fā)地址域就要占用64位的開銷,這是無法接受的。因此,對分組頭的壓縮是必須設(shè)法解決的問題。
根據(jù)理論仿真結(jié)果,一個基站最多可以同時接入37個用戶通信,因此,6位的地址識別域?qū)τ谝粋�小區(qū)而言是足夠的。在網(wǎng)絡(luò)中,當一個移動臺發(fā)起呼叫或被呼時,該小區(qū)的基站首先將其在全網(wǎng)內(nèi)的唯一識別地址(如IPv4地址)寫入自己的數(shù)據(jù)庫中,同時為其分配一個本小區(qū)內(nèi)唯一的臨時地址(6位)。移動臺與基站通信時,使用6位的臨時地址,當分組進入支撐網(wǎng)絡(luò)后,則使用全網(wǎng)內(nèi)的唯一地址。地址碼的轉(zhuǎn)換在基站處完成。
控制域共有4位,由左到右,分別將其標記為C．0、C.1、C.2和C.3。在上行信道中,用C.0和C.1標記該時隙為業(yè)務時隙,如C.0C.1=00.C.2和C.3則預留給以后的功能擴展。
下行信道的時隙結(jié)構(gòu)與上行信道的時隙結(jié)構(gòu)基本相同,只是控制域的含義不同。C.0表示上行信道接入的分組是否正確,C.1表 示是否預約下一幀的該時隙。C.2和C.3預留給以后的功能擴展。
由于信道速率為512kbps,因此6位的保護時間最多可以提供3.5km的傳播時延保護。
2.2.2 網(wǎng)絡(luò)同步的設(shè)計
在每個超幀里,設(shè)置一個專用的同步廣播信道,基站利用該信道廣播一個特定的同步訓練序列。當移動臺進入基站的服務區(qū)時,即可檢測到該同步訓練序列,完成開環(huán)同步。
當移動臺發(fā)起呼叫時,首先向基站發(fā)出隨機接入分組。隨機接入突發(fā)的時隙格式如圖4所示。Rx_addr標記為基站地址,如全網(wǎng)定義地址“000000”為所有基站的空中接口地址,而在支撐網(wǎng)絡(luò)內(nèi),各基站使用全網(wǎng)唯一的IPv4地址�？刂朴虻腃.0和C.1設(shè)置為“01”,指示該分組為接入突發(fā)分組。Pay_load域只使用48位。該信息為主呼臺的全網(wǎng)唯一地址(附有1 6位的校驗保護)。Pay 10ad域的其它位合并給GP域。
|
66821730(技術(shù)支持)
