PRMA協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)控制芯片設(shè)計
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(xué)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(yù)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(yù)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(yīng)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(yù)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(dāng)一個話音突發(fā)傳輸結(jié)束后，該移動臺將釋放預(yù)約的時隙，使該時隙從預(yù)約狀態(tài)變成可用狀態(tài)。釋放的方法就是在預(yù)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(yù)約，而I表示該節(jié)點還未被預(yù)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(dǎo)致碰撞發(fā)生，如第I幀的時隙2。如果發(fā)送終端處標(biāo)記為“一”，則表示相應(yīng)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(yīng)答，所以預(yù)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(yù)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(yù)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(dá)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(yù)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(dāng)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(fù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(wù)負(fù)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。如果采用IPV4的尋址方式，網(wǎng)絡(luò)容量雖可以達(dá)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(dāng)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(dāng)分組進(jìn)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(biāo)記為C．0、C.1、C.2和C.3。在上行信道中，用C.0和C.1標(biāo)記該時隙為業(yè)務(wù)時隙，如C.0C.1=00.C.2和C.3則預(yù)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(yù)約下一幀的該時隙。C.2和C.3預(yù)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(xùn)練序列。當(dāng)移動臺進(jìn)入基站的服務(wù)區(qū)時，即可檢測到該同步訓(xùn)練序列，完成開環(huán)同步。
當(dāng)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(biāo)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。
當(dāng)基站接收到隨機接入突發(fā)后，將Rx_MAC_addr記錄入數(shù)據(jù)庫中，為其分配一個本小區(qū)內(nèi)的6位地址。同時，基站根據(jù)接收到的訓(xùn)練序列相關(guān)峰的位置可以計算出移動臺與其的傳播時延。將上述兩信息在隨后的下行信道中一同發(fā)給主呼移動臺，完成網(wǎng)絡(luò)的閉環(huán)同步。
2.2.3 時隙狀態(tài)寄存器的設(shè)計
在PRMA系統(tǒng)中，每一個時隙有兩種狀態(tài)，即可用狀態(tài)和預(yù)約狀態(tài)。當(dāng)節(jié)點還沒有預(yù)約到信道時，它只能在可用時隙處競爭；當(dāng)節(jié)點預(yù)約到信道后，它不能再去競爭信道，只能在自己的預(yù)約信道上傳輸數(shù)據(jù)。因此，每個節(jié)點對時隙狀態(tài)的準(zhǔn)確跟蹤和識別是全網(wǎng)正確工作的基礎(chǔ)。時隙狀態(tài)寄存器就是起到這樣的作用。圖5是系統(tǒng)的時隙
Idle狀態(tài)即該時隙還未被預(yù)約，預(yù)約(Resetred)狀態(tài)表示該時隙已被預(yù)約。每個接入節(jié)點要跟蹤每一個下行信道，分析控制域的C.1位，判斷該時隙在下一幀的狀態(tài)，完成時隙狀態(tài)的跟蹤。在每一個上行信道起始處，各接入節(jié)點判斷當(dāng)前時隙的狀態(tài)，以決定是否發(fā)送分組。
時隙狀態(tài)寄存器為每一個時隙保留3位空間。我們定義：“000”表示信道空閑;“001”表示信道被其它節(jié)點預(yù)約;“Oll”表示信道被本節(jié)點預(yù)約。其它狀態(tài)預(yù)留給以后的功能擴展。
2.2.4 分組緩存的設(shè)計
話音是對時延有嚴(yán)格要求的業(yè)務(wù)。在系統(tǒng)中，采用的話音編碼器每20ms輸出1個分組，話音時延最大不能超過40ms。顯然，每個節(jié)點設(shè)置2個語音分組緩存就足夠了。我們將這兩個語音分組緩存分別標(biāo)記為VB1和VB2。
如果VBl和VB2已滿，假設(shè)VBl中的分組為競爭接入的分組，VB2中的分組為排隊等待分組。這時第三個語音分組到達(dá)，那么該分組就直接緩存在VB1中，第一個語音分組被丟棄掉，同時VB2中的分組成為競爭接入分組。
2.2.5 分組緩存狀態(tài)寄存器的設(shè)計
如上所述，每個分組緩存可能是空的，也可能已被占用，其中的分組可能是接入分組，也可能是等待分組，還有可能被丟棄掉。因此，要對分組緩存的狀態(tài)，包括其緩存分組的狀態(tài)予以跟蹤。圖6為分組緩存狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，圖7為緩存狀態(tài)寄存器的結(jié)構(gòu)。
圖6、7中，Bs為緩存狀態(tài)位，“1”表示緩存已滿，“0”表示緩存空閑，即Idle。As為接入狀態(tài)位，“1”表示當(dāng)前分組為接入分組，“0”表示當(dāng)前分組為等待分組。Drop Counter為丟棄計數(shù)器。當(dāng)Bs=l后，每個時隙到達(dá)時，Drop Counter計數(shù)器就累加1。當(dāng)DropCounter累加到門限值時，當(dāng)前分組就被丟棄掉，緩存恢復(fù)為Idle狀態(tài)。當(dāng)然，系統(tǒng)還需要一個寄存器存儲分組丟棄門限值(drop threshold)。
2.2.6 幣點狀態(tài)寄存器
綜上所述，接入節(jié)點的狀態(tài)可能是空閑狀態(tài)(即Idle，無等待分組傳輸)、競爭狀態(tài)(即：Compete，有分組等待傳輸，但還未預(yù)約到信道)及預(yù)約狀態(tài)(即Reserve，有分組等待傳輸且已經(jīng)預(yù)約到信道)。接入節(jié)點的狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖8所示。
由于衰落、噪聲和干擾等因素的存在，無線信道是極不可靠的，常常產(chǎn)生誤比特，有時甚至出現(xiàn)誤幀的情況。當(dāng)節(jié)點處于預(yù)約狀態(tài)時，由于上傳的分組錯誤較多，基站無法識別該分組，那么隨后的下行信道就會空閑，該節(jié)點就丟棄了對該時隙的預(yù)約權(quán)，由預(yù)約狀態(tài)轉(zhuǎn)移為競爭狀態(tài)。
圖8中，Wp表示等待分組的數(shù)目，在目前的系統(tǒng)中可取0、1、2三個數(shù)值。C．0是下行信道控制域的第0位。節(jié)點狀態(tài)寄存器只需占用2位，區(qū)分節(jié)點的上述3種狀態(tài)。
2．2．7 節(jié)點的行為
時隙狀態(tài)、緩存狀態(tài)和節(jié)點狀態(tài)的轉(zhuǎn)移都發(fā)生在由Dx到U(x+1)的收發(fā)轉(zhuǎn)換時間(TR)處。無論U(x+1) 處是否發(fā)送了分組，節(jié)點都要分析Dx處基站發(fā)出的分組頭，刷新時隙狀態(tài)。另外，處理器還要檢測高層是否有語音分組發(fā)給自己，刷新Wp及緩存狀態(tài)，如果Drop Cou“ter數(shù)值已經(jīng)達(dá)到Drop Threshold時，相應(yīng)的分組應(yīng) 該被丟棄掉，置Bs位為0。結(jié)合Dx處下行分組的C．0位 及Wp值，節(jié)點狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)的改變。
在每個上行時隙Ux前，節(jié)點首先判斷時隙x的狀 態(tài)。如果該時隙被其它節(jié)點預(yù)約，則節(jié)點等待；如果該 時隙被自己預(yù)約，則準(zhǔn)備傳輸，假如此時緩存已經(jīng)為空，即節(jié)點已經(jīng)處于空閑狀態(tài)，那么Ux將空閑，節(jié)點釋放對x時隙的預(yù)約權(quán)；如果該時隙未被預(yù)約，且節(jié)點 處于競爭狀態(tài)，那么節(jié)點將準(zhǔn)備競爭該時隙。
2．2．8基帶收發(fā)器
由于PRMA是全網(wǎng)同步系統(tǒng)，因此需要高穩(wěn)定度高精度的時鐘源。實際中，我們采用了16．384MHz、O．1×1 0-6時鐘源。由于分組在VBx中并不包含信道需要的訓(xùn)練序列和TB時間等，因此在串并轉(zhuǎn)換器與發(fā)送緩存間加入了輸出控制模塊。同樣，接收到的數(shù)據(jù)通過輸入控制后，將訓(xùn)練序列等物理層的協(xié)議開銷就屏蔽掉，進(jìn)入接收緩存的數(shù)據(jù)是PRMA接入控制系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)，如圖9所示。
EXPA 1系統(tǒng)的內(nèi)部總線采用的是ARM公司的AHB總線。該總線通過橋按器與FPGA相連。我們在FPGA內(nèi)部設(shè)計的AHB SLAVE接口(AHB從接口)就是與該橋接器相連，完成AHB橋接器與FPGA數(shù)據(jù)交換的功能。
3 幾點說明
上述內(nèi)容是針對PRMA系統(tǒng)中移動節(jié)點側(cè)接入控制芯片的討論。由于篇幅的限制，關(guān)于基站側(cè)接入系統(tǒng)的設(shè)計不再論述。
通過實驗測試，系統(tǒng)可以完成PRMA的功能要求，而且進(jìn)行一些改進(jìn)后，系統(tǒng)性能可以得到提高。例如：在上行分組的Control域內(nèi)利用C.3位向基站指示下一幀的該時隙是否繼續(xù)預(yù)約，這樣就可以減少信道空閑造成的浪費。
由于使用了SoPC芯片，因此在系統(tǒng)上不需要太多的外設(shè)開銷，系統(tǒng)設(shè)計十分精簡。而且，如果使用更大容量的SoPC芯片，如EXPA4或EXPA10，那么完全可以將中頻部分也集成于該芯片內(nèi)。
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