PRMA協(xié)議的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制芯片設(shè)計(jì)
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PRMA多址接入?yún)f(xié)議就是一種以時(shí)分多址為基礎(chǔ)，結(jié)合話音的統(tǒng)計(jì)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(dòng)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?cè)谕ㄔ掃^(guò)程中的空閑期來(lái)增加系統(tǒng)容量的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人們?cè)谕ㄔ掃^(guò)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(shí)間軸分為時(shí)隙，若干個(gè)時(shí)隙組成一幀。每一幀中的時(shí)隙被分為兩類：一類是被預(yù)約的時(shí)隙，另一類是可用的空閑時(shí)隙。時(shí)隙的類別是根據(jù)在時(shí)隙末尾接收到的基站應(yīng)答信息來(lái)確定的。每個(gè)移動(dòng)臺(tái)在話音突發(fā)開(kāi)始時(shí)，采用ALOHA協(xié)議來(lái)競(jìng)爭(zhēng)可用的空閑時(shí)隙。若移動(dòng)臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)成功，則它就預(yù)定了后續(xù)幀中相同的時(shí)隙。在后續(xù)幀中，它將不會(huì)與其它移動(dòng)臺(tái)的分組發(fā)生碰撞。當(dāng)一個(gè)話音突發(fā)傳輸結(jié)束后，該移動(dòng)臺(tái)將釋放預(yù)約的時(shí)隙，使該時(shí)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(shí)隙內(nèi)不傳輸任何信息，基站檢測(cè)到該空閑時(shí)隙后，就會(huì)指明該時(shí)隙為可用時(shí)隙。圖1是PRMA系統(tǒng)的工作示例。
圖1中，各時(shí)隙內(nèi)的Rx表示該時(shí)隙已經(jīng)被節(jié)點(diǎn)x預(yù)約，而I表示該節(jié)點(diǎn)還未被預(yù)約。對(duì)于每一個(gè)時(shí)隙，如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)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(shí)隙2。如果發(fā)送終端處標(biāo)記為“一”，則表示相應(yīng)的時(shí)隙是空閑的，沒(méi)有節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。由圖1可見(jiàn)，在第I幀，時(shí)隙2處，節(jié)點(diǎn)6、4碰撞，基站無(wú)法識(shí)別信息，因而節(jié)點(diǎn)6和4收不到基站的應(yīng)答，所以預(yù)約第I+1幀的時(shí)隙2沒(méi)有成功。在第I幀的時(shí)隙3處，節(jié)點(diǎn)3沒(méi)有發(fā)送信息，表示節(jié)點(diǎn)3要釋放該時(shí)隙，因此第I+1幀的時(shí)隙3不再處于預(yù)約狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)6和4在第I+1幀的時(shí)隙3和4分別接入成功，并且預(yù)約了第I+2幀的時(shí)隙3和4。
經(jīng)過(guò)仿真分析，如果物理信道總數(shù)為20，即l幀被時(shí)分為20個(gè)時(shí)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(gè)。然而，若只采用TDMA協(xié)議，最多可容納的用戶數(shù)是20個(gè)，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(wú)法檢測(cè)到碰撞事件的發(fā)生，基站只能根據(jù)多址干擾，即MAI，來(lái)判斷信道狀態(tài)并確定是否允許時(shí)隙的預(yù)約。這樣，在每個(gè)時(shí)隙里，系統(tǒng)所允許的用戶數(shù)不再是一個(gè)，而是多個(gè)(如5～7個(gè))。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(jì)
2．1 處理器的選擇
顯然，實(shí)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(jī)。在系統(tǒng)中，由于信道的通信速率較高，如幾百Kbps，單片機(jī)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(qiáng)的處理能力，在電信級(jí)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(duì)比.(該圖引自EEMBC總裁Markus Levy的文章。)
圖2中，條狀圖對(duì)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(duì)處理器處理能力的一種定義。曲線的單位則是Telemark對(duì)功率的歸一化，即Telemark/mW。顯然，MPC7455的絕對(duì)處理能力是最強(qiáng)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(duì)接入系統(tǒng)的調(diào)試方便，設(shè)計(jì)中除了實(shí)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(shí)現(xiàn)。這樣，設(shè)計(jì)可采用如下兩種方案：方案①，擴(kuò)展的FPGA器件掛接在ARM處理器的外部擴(kuò)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(shí)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(shí)際需要在FPGA內(nèi)部添加外圍設(shè)備，方便系統(tǒng)設(shè)計(jì)。同時(shí)，Altera公司免費(fèi)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(guò)使用Altera的QUARTUS-II和SoPC開(kāi)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(jì)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(shí)現(xiàn)
2．2．1 幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)要求，采用TDD的雙工方式，每幀設(shè)置20個(gè)時(shí)隙，每時(shí)隙分為上行和下行兩個(gè)微時(shí)隙；系統(tǒng)采用上下行對(duì)稱鏈路，信道傳輸速率為512kbps，每個(gè)微時(shí)隙內(nèi)共有256位。幀及上行時(shí)隙結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3中，ux為上行時(shí)隙；Dx為下行時(shí)隙；TB為發(fā)信機(jī)輸出功率上升下降保護(hù)時(shí)間; Raddr為接收臺(tái)地址； Tx—addr為發(fā)射臺(tái)地址；Control為控制比特；Pay load為業(yè)務(wù)負(fù)載；GP為保護(hù)間隔； TR為收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)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(kāi)銷是不可避免的。由圖3可見(jiàn)，收發(fā)地址域分別有6位，因此網(wǎng)絡(luò)最多可識(shí)別64個(gè)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(kāi)銷，這是無(wú)法接受的。因此，對(duì)分組頭的壓縮是必須設(shè)法解決的問(wèn)題。
根據(jù)理論仿真結(jié)果，一個(gè)基站最多可以同時(shí)接入37個(gè)用戶通信，因此，6位的地址識(shí)別域?qū)τ谝粋€(gè)小區(qū)而言是足夠的。在網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)一個(gè)移動(dòng)臺(tái)發(fā)起呼叫或被呼時(shí)，該小區(qū)的基站首先將其在全網(wǎng)內(nèi)的唯一識(shí)別地址(如IPv4地址)寫入自己的數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)為其分配一個(gè)本小區(qū)內(nèi)唯一的臨時(shí)地址(6位)。移動(dòng)臺(tái)與基站通信時(shí)，使用6位的臨時(shí)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(shí)隙為業(yè)務(wù)時(shí)隙，如C.0C.1=00.C.2和C.3則預(yù)留給以后的功能擴(kuò)展。
下行信道的時(shí)隙結(jié)構(gòu)與上行信道的時(shí)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(shí)隙。C.2和C.3預(yù)留給以后的功能擴(kuò)展。
由于信道速率為512kbps，因此6位的保護(hù)時(shí)間最多可以提供3.5km的傳播時(shí)延保護(hù)。
2.2.2 網(wǎng)絡(luò)同步的設(shè)計(jì)
在每個(gè)超幀里，設(shè)置一個(gè)專用的同步廣播信道，基站利用該信道廣播一個(gè)特定的同步訓(xùn)練序列。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)入基站的服務(wù)區(qū)時(shí)，即可檢測(cè)到該同步訓(xùn)練序列，完成開(kāi)環(huán)同步。
當(dāng)移動(dòng)臺(tái)發(fā)起呼叫時(shí)，首先向基站發(fā)出隨機(jī)接入分組。隨機(jī)接入突發(fā)的時(shí)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(tái)的全網(wǎng)唯一地址(附有1 6位的校驗(yàn)保護(hù))。Pay 10ad域的其它位合并給GP域。
當(dāng)基站接收到隨機(jī)接入突發(fā)后，將Rx_MAC_addr記錄入數(shù)據(jù)庫(kù)中，為其分配一個(gè)本小區(qū)內(nèi)的6位地址。同時(shí)，基站根據(jù)接收到的訓(xùn)練序列相關(guān)峰的位置可以計(jì)算出移動(dòng)臺(tái)與其的傳播時(shí)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(dòng)臺(tái)，完成網(wǎng)絡(luò)的閉環(huán)同步。
2.2.3 時(shí)隙狀態(tài)寄存器的設(shè)計(jì)
在PRMA系統(tǒng)中，每一個(gè)時(shí)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(diǎn)還沒(méi)有預(yù)約到信道時(shí)，它只能在可用時(shí)隙處競(jìng)爭(zhēng)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)預(yù)約到信道后，它不能再去競(jìng)爭(zhēng)信道，只能在自己的預(yù)約信道上傳輸數(shù)據(jù)。因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)時(shí)隙狀態(tài)的準(zhǔn)確跟蹤和識(shí)別是全網(wǎng)正確工作的基礎(chǔ)。時(shí)隙狀態(tài)寄存器就是起到這樣的作用。圖5是系統(tǒng)的時(shí)隙
Idle狀態(tài)即該時(shí)隙還未被預(yù)約，預(yù)約(Resetred)狀態(tài)表示該時(shí)隙已被預(yù)約。每個(gè)接入節(jié)點(diǎn)要跟蹤每一個(gè)下行信道，分析控制域的C.1位，判斷該時(shí)隙在下一幀的狀態(tài)，完成時(shí)隙狀態(tài)的跟蹤。在每一個(gè)上行信道起始處，各接入節(jié)點(diǎn)判斷當(dāng)前時(shí)隙的狀態(tài)，以決定是否發(fā)送分組。
時(shí)隙狀態(tài)寄存器為每一個(gè)時(shí)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(diǎn)預(yù)約;“Oll”表示信道被本節(jié)點(diǎn)預(yù)約。其它狀態(tài)預(yù)留給以后的功能擴(kuò)展。
2.2.4 分組緩存的設(shè)計(jì)
話音是對(duì)時(shí)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(gè)分組，話音時(shí)延最大不能超過(guò)40ms。顯然，每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置2個(gè)語(yǔ)音分組緩存就足夠了。我們將這兩個(gè)語(yǔ)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(jìng)爭(zhēng)接入的分組，VB2中的分組為排隊(duì)等待分組。這時(shí)第三個(gè)語(yǔ)音分組到達(dá)，那么該分組就直接緩存在VB1中，第一個(gè)語(yǔ)音分組被丟棄掉，同時(shí)VB2中的分組成為競(jìng)爭(zhēng)接入分組。
2.2.5 分組緩存狀態(tài)寄存器的設(shè)計(jì)
如上所述，每個(gè)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(duì)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(jì)數(shù)器。當(dāng)Bs=l后，每個(gè)時(shí)隙到達(dá)時(shí)，Drop Counter計(jì)數(shù)器就累加1。當(dāng)DropCounter累加到門限值時(shí)，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(gè)寄存器存儲(chǔ)分組丟棄門限值(drop threshold)。
2.2.6 幣點(diǎn)狀態(tài)寄存器
綜上所述，接入節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)可能是空閑狀態(tài)(即Idle，無(wú)等待分組傳輸)、競(jìng)爭(zhēng)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(diǎn)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(wú)線信道是極不可靠的，常常產(chǎn)生誤比特，有時(shí)甚至出現(xiàn)誤幀的情況。當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于預(yù)約狀態(tài)時(shí)，由于上傳的分組錯(cuò)誤較多，基站無(wú)法識(shí)別該分組，那么隨后的下行信道就會(huì)空閑，該節(jié)點(diǎn)就丟棄了對(duì)該時(shí)隙的預(yù)約權(quán)，由預(yù)約狀態(tài)轉(zhuǎn)移為競(jìng)爭(zhēng)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(gè)數(shù)值。C．0是下行信道控制域的第0位。節(jié)點(diǎn)狀態(tài)寄存器只需占用2位，區(qū)分節(jié)點(diǎn)的上述3種狀態(tài)。
2．2．7 節(jié)點(diǎn)的行為
時(shí)隙狀態(tài)、緩存狀態(tài)和節(jié)點(diǎn)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(shí)間(TR)處。無(wú)論U(x+1) 處是否發(fā)送了分組，節(jié)點(diǎn)都要分析Dx處基站發(fā)出的分組頭，刷新時(shí)隙狀態(tài)。另外，處理器還要檢測(cè)高層是否有語(yǔ)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(shí)，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(diǎn)狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)的改變。
在每個(gè)上行時(shí)隙Ux前，節(jié)點(diǎn)首先判斷時(shí)隙x的狀 態(tài)。如果該時(shí)隙被其它節(jié)點(diǎn)預(yù)約，則節(jié)點(diǎn)等待；如果該 時(shí)隙被自己預(yù)約，則準(zhǔn)備傳輸，假如此時(shí)緩存已經(jīng)為空，即節(jié)點(diǎn)已經(jīng)處于空閑狀態(tài)，那么Ux將空閑，節(jié)點(diǎn)釋放對(duì)x時(shí)隙的預(yù)約權(quán)；如果該時(shí)隙未被預(yù)約，且節(jié)點(diǎn) 處于競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)，那么節(jié)點(diǎn)將準(zhǔn)備競(jìng)爭(zhēng)該時(shí)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(shí)鐘源。實(shí)際中，我們采用了16．384MHz、O．1×1 0-6時(shí)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(shí)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(guò)輸入控制后，將訓(xùn)練序列等物理層的協(xié)議開(kāi)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(guò)橋按器與FPGA相連。我們?cè)贔PGA內(nèi)部設(shè)計(jì)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(diǎn)說(shuō)明
上述內(nèi)容是針對(duì)PRMA系統(tǒng)中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)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(jì)不再論述。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)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(fèi)。
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(kāi)銷，系統(tǒng)設(shè)計(jì)十分精簡(jiǎn)。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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