（通信与信息系统专业论文）gbps无线通信系统协议软件设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着移动通信技术和移动通信市场的迅速发展，3 g ( 第三代移动通信) 网络的技术已经达到了相 对成熟的阶段，其各种标准和规范已达成协议并已进入商用。在这种情况下，世界上主要国家都将 研发重点转移到了对b 3 g 和4 4 3 系统的开发上来，并且取得了一些研究成果。 东南大学移动通信国家重点实验室与其他高校合作在b 3 g 项目中成功实现了在移动环境下空 中接1 2 1 上下行速率可同时达到1 0 0 m b p s 的移动通信系统，而o b p s 无线通信试验系统是在b 3 g 项目 研究的基础上，突破速率达到1 g b p s 无线传输所需的基础性硬件与软件关键技术，研制开发出在静 止或低速移动的环境下，无线数据传输能力达到1 g b p s 以上的试验验证系统，并进行相关试验和典 型业务的传输演示。 在静止或低速移动环境下空中接口速率可达到1 g b p s 是本系统最重要的技术指标，对于物理层 能够提供如此高速率的通信系统，需要有相应的业务软件验证，同时可以对系统的演示情况进行调 试和监控等。本文主要论述g b p s 无线通信系统协议软件的设计与实现工作。具体包括演示界面的 设计和实现、d 层的设计与实现。演示界面直观地显示出系统演示过程中的实时状况，如同步情况， 实时速率与误包率等，同时可以对系统的一些参数进行初始化。疋层部分详细论述了如何通过m u x 方案，以太网存储池的设计，实现业务数据的零拷贝工作，节约c p u 资源。另外，本文还对系统软 件的后续工作进行了展望。 关键词lg b p s 无线通信系统，演示界面，m f c ，v x w o r k s ，零拷贝，m u x a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ti nt e c h n o l o g e sa n dn m r k e to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n , t h e3g e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o nh a sr e a c h e dar e l a t i v e l ym a t u r es t a g e , a n di t ss t a n d a r da n ds p e c i f i c a t i o nh a v e b e e n a g r e e da n dd e p l o y e da l lo v e rt h ew o r l d t h e r e f o r e ，m o r ea n dn t o r e c o u n t r i e sh a v eg r a d u a l l yt z a n s f e r r e d t h e i rf o c u st ot h er e s e a r c ho fb e y o n d3 go r4 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n daf e wo fo u t c o m e s h a v eb e e na c h i e y e d c o o p e r a t i n gw i t ho t h e ru n i v e r s i t i e s ，t h en a t i o n a lm o b i l ec o m r m m i c a t i o n sr e s e a r c hl a b o r a t o r yo f s o u t h e a s tu n i v e r s i t yh a ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e dt h em o b i l ee o m m u n i c a i l o ns y s t e mw i t ht h ed a t al a t e b e y o n d1 0 0m b p si nah i g hs p e e dw i r e l e s se n v i r o n m e n ti nt h en a t i o n a l8 6 3b 3 gp r o j e c t o nt h eb a s i so f t h ea c h i e v e m e n t so fb 3 gp r o j e c t , g b p sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mf o c u s e so nb r e a k i n gt h r o u g h r e q u i r e m e n to ft h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ef o u n d a t i o n a lh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h ep r o j e c tc o m p l e t e sa d e m o n s 仃a t i o ns y s t e mw h i c hc o u l ds u p p o r tad a t ar a t eb e y o n d1g b p sa n dt h ep e r f o r m a n c ee x h i b i t i o nb a s e d o nt h i sd a t ar a t e t h em o s ti m p o r t a n tt e c h n i c a li n d e xo ft h i ss y s t e mi st oo b t a i n1 g b p smt h eu p l i n l d d o w n l i n kv e l o c i t y o fs p a t i a li n t e r f a c e su n d e rs m i l eo rl o ws p e e dm o b i l ee n v i r o n m e n t i tr e q u i r e st h ev a l i d a t i o no f c o r r e s p o n d i n g l yp r o f e s s i o n a ls o f t w a r e ，d e b u g g i n ga n dm o n i t o r i n gt ot h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n f o rt h e p h y s i c a ll a yt op r o v i d es u c hah i g hv e l o c i t yi nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so nt h e d e s i g na n di m p l e m e n to f p r o t o c o ls o l , w a r e , i n c l u d i n gt h ed e s i g na n di m p l e m e n to fd e m o n s t r a t i o ni n t e r f a c e a n di pl a y e r d e m o n s t r a t i o ni n t e r f a c ev i s u a l l yd i s p l a y sr e a l - t i m es i t u a t i o ni nt h ep r o c e s so fo p e r a t i o n , s u c h a sr e a l - t i m ev e l o c i t ya n dp a c k e te r r o rr a t e i ta l s oc a ni n i t i a l 娩es o n l gp a r a m e t e r si nt h ec o m m u n i c a t i o n s y s t e mi nt h es e c t i o no fi pl a y e r , w ed e s c r i b eh o wt oi m p l e m e n tt h ez e r o - c o p yd a t ao p e r a t i o nt os a v eal o t o fc p ur e s o u r c e sb ym u xs c h e m ea n dd e s i g no fm e m o r yp 0 0 1 f i n a l l y , t h ee x p e c t a t i o no fs u c c e s s i v e w o r ki nt h er e l e v a n tt o p i ca r eb e e ns u m m a r i z e d k e yw o r d s ：g b p sw i r e l e s sc o r n m u n i c a d o ns y s t e m , d e m o n s t r a t i o ni n t e r f a c e ，m f c ，v x w o r k s ，z e r o - c o p y , n i i 缩略语 英文缩写 4 g a g c a p c b 3 g b t s b s p c p r i d c f p g a f u l r i 瓜e g d i 口 玎u m a c m f c m 刀m 0 m l d m t j x n g n o f d m q o s l u c s t f s s o f d n 【a t c p 1 d d u d p 缩略语 英文全称中文解释 4 t hg e n e r a t i o n 第四代移动通信 a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l 自动增益控制 a u t o m a t i cp o w e rc o n t r o l 自动功率控制 b e y o n d3 r dg e n e r a t i o n 超三代移动通信 b a s et r a n s m i s s i o ns t a t i o n 基站 b o a r ds u p p o r tp a c k a g e 板级支持包 c o m m o np u b l i cr a d i oi n t e r f a c e 公共无线接口规范 d e v i c ec o n t e x t 设备描述环境 f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y 现场可编程门阵列 f u t u r et e c h n o l o g i e sf o ru n i v e r s a lr a d i o 未来通用无线环境技术 e n v i r o n m e n t g r a p h i c a ld e v i c ei n t e r f a c e 图形设备接口 i n t e m e tp r o t o c o l网络协议 i n t e r n a t i o n a lt c l e c o m r m m i c a t i o nu n i o n 国际电信联盟 m e d i aa c c e s sc o n t r o l 媒体接入控制 m i c r o s o f tf o u d a t a t i o nc l a s s e s微软基础类库 m u l 卸l e i n p u tm u l i t i p l e - o u t p u t 多入多出 m a x i m u ml i k e l i h o o dd e t e c t i o n 最大似然检测 m o b i l et e r m i n a l 移动终端 m u l t i p l e x e r 多路转换器 n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k 下一代网络 o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 正交频分复用 q u a l i t yo fs e r v i c e 服务质量 r a d i ol i n kc o n 舡o l 无线链路控制 s p a c et i m ef r e q u e n c y - s i g n a ls p r e a d - 空时频- 信号扩展- 正交 o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x 频分多址 a c c e s s t r a m r n i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l 传输控制协议 t i m ed i v i s i o nd u p l e x时分双工 u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l用户数据报协议 x i 插图目录 插图目录 图2 1g b p s 试验系统演示平台6 图2 2g b p s 试验系统硬件平台结构6 图2 3 主控板与基带板搭建示意图7 图2 - 4 基带板硬件平台结构图8 图2 5 高层及业务接口实现方案9 图2 - 6g b p s 演示系统中物理信道与逻辑信道的映射关系1 0 图2 7 试验系统协议栈模块映射关系图1 1 图2 8 实体t c t r l i n t f 示意图1l 图2 - 9 实体t s i g p r o c 示意图1 2 图2 1 0 实体t c 仃1 1 示意图。1 2 图2 1 l 发送t d c 消息时的三次握手机制1 3 图2 1 2 实体t o z l r c 示意图1 3 图2 1 3 实体r c t r l i a f f 示意图1 4 图2 1 4 实体r s i g p r o c 示意图。1 4 图2 1 5 实体吒l 仃n 示意图。1 4 图2 1 6 实体r c t x l r c 示意图。1 5 图2 1 7g b p s 演示系统软件及其外围模块1 6 图3 1g b p s 无线通信试验系统业务演示框架。1 9 图3 2t c ps o c k e t 编程时序图2 2 图3 3u d ps o c k e t 编程时序图。2 2 图3 4 演示界面原始外观2 4 图3 5 监控p c 任务处理框图2 4 图3 - 6 调试p c 及主控板和基带板的配置图2 5 图3 7 开始按钮功能框图2 6 图3 8 点击开始按钮后的演示界面外观2 7 图4 1v x w o r k s 操作系统的基本结构。3 3 图4 2 基于主机与目标机的交叉开发与调试环境3 5 图4 3p 层的总体框架及其与其它模块的关系3 6 图4 4 母层的业务模块3 7 图4 5v x w b r k s 的网络结构图。3 8 图4 6v x w o r k s 中s o c k e t 数据通信流程图3 9 图4 _ 7h o o k 函数处理以太网数据包流程过程图4 0 图4 8o s i 网络模型和m u x 接口4 l 图4 9 接收以太网数据流程图4 5 v i i 东南大学硕士学位论文 图4 1 0 配置网卡d 地址流程图。4 6 图4 - 1 1 以太网数据包存储形式4 7 图4 1 2 不同n 】b l k 共用同一个簇4 8 图4 - 1 3n e t p o o l i n i t o 甬数原型4 9 图4 1 4n e t p o o i i n i t o 建立存储池5 0 v i i i 表格目录 表格目录 表2 1g b p s 演示系统主要技术指标5 表2 - 2g b p 6 演示系统中的物理信道9 表2 - 3g b p s 演示系统中的逻辑信道1 0 表3 - l 控制信息t y p e 取值及类型3 0 i x 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究一t = 作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同：i ：作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：至垦：鹅 日期：妇：2 ，2 莶 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：酗导师签名：孚至一日期：堡掣 第l 章绪论 第1 章绪论 移动通信是当前通信领域中发展潜力最大，市场前景最广的热门技术随着人们对移动通信系 统的需求与日俱增，当前世界对移动通信的研究重点已经转移到对4 g 移动通信的研究上。本章简 要介绍4 g 移动通信的发展和g b p s 无线传输系统的概况及主要研究内容，最后介绍本文的主要工作 和组织结构。 i 1 论文背景 i i 14 g 移动通信 自移动通信诞生之日起其主流业务一直是人与人之间通过移动通信系统用语音进行沟通的语 音业务。随着i n t e m e t 及多媒体技术的快速发展，用户越来越不满足这种人与人之间的单一。通信方 式。人们希望移动通信系统能够提供更丰富的业务，例如因特网接入、图像传送、视频点播、数据 互传、实时电视节目等数据或多媒体业务。 现在已经投入商用的2 g 、2 5 g 系统和部分投入商用的3 g 系统已经不能满足现代移动通信系统 日益增长的高速多媒体数据业务，因此研究新的移动通信技术就势在必行。第四代移动通信与第三 代移动通信相比，将在技术和应用上有质的飞跃。4 g 将适合所有的移动通信用户，最终实现商业无 线网络、局域网、蓝牙、广播、电视卫星通信的无缝衔接并相互兼容。 目前关于4 g 的定义尚无定论国际电信联盟( i t u ) 对4 ( 3 的描述为：移动状态下能够达到 1 0 0 m b p s 的传输速率，静止状态下能够实现i g b p s 的速率。与现有的移动通信技术相比，4 g 的传 输速度可提高1 0 0 0 倍 尽管国际上还没有正式的4 g 标准，但是有几点大家公认的，就是4 g 将实现移动化、宽带化、 m 化移动化将人们从地理的限制上解脱出来，实现无时不在、无所不在的信息传递。宽带化是满 足用户对视频业务、流媒体等业务带宽的需求。而下一代网络将是全d 网，从核心网到用户设备均 支持协议。随着向4 g 演进，趋势将是不同的无线技术在n g n 架构下融合、共存，发挥各自的 优势，形成多层次的无线网络爿：境。 4 g 通信系统有以下几个基本特征【l 】： ( 1 ) 移动化 移动化将人们从地理的限制上解脱出来，实现无时不在、无所不在的信息传递。不仅是无线， 距离还得够远，以基地台为圆心，传输距离得在直径1 0 k i n 以上。无线已是现代通信的必要手段， 传输距离的远近，会直接影响建设的进度与成本。 ( 2 ) 宽带化 宽带化是满足用户对视频业务、流媒体等业务带宽的需求。在2 g 和3 g 网络解决了语音应用和 一部分数据应用之后，视频应用将是4 g 网络上的最主要内容。3 g 向视频迈出了重要一步，但是较 东南大学硕士学位论文 2 g 的提升有限，并未从根本上改变无线结构。比如3 g 的带宽问题，多用户同时使用就会出现拥堵。 而4 g 的带宽是3 g 的1 0 倍，频谱利用率大约也是1 0 倍，这样吞吐量就是1 0 0 倍 ( 3 ) p 化 下一代网络将是全口网，从核心网到用户设备均支持口协议。未来的通信世界，应该一切以 口为基础，形成网络化的移动世界。每一个网络使用者，只要具有专属的p 号码，可以在任何时 间、任何地点，透过4 g 网络来通信，至于是语音、数据，还是视频，不再是运营商该管的事了。 ( 4 ) 融合化 随着4 g 的演进，不同的无线技术在下一代网络( n g n ) 架构下将实现融合、共存，发挥各自的 优势，形成多层次的无线网络环境。4 g 应该是n g n 的一部分，4 g 必须适应三网融合的发展需求， 既要实现“无所不在，无所不能”，又要满足个性化服务的需求。因此，多体制、多技术仍将共存， 必须统一的将是共同的承载网络一互联网。三网都将失去其独立组网特征，而沦为n g n 的接入 网。 4 g 移动通信系统支持更丰富的移动业务，包括高清晰度图像业务、会议电视、虚拟现实业务等， 用户在任何地方都可以获得任何所需的信息服务将个人通信、信息系统、广播和娱乐等行业结合 成一个整体，更加安全、方便地向用户提供更广泛的服务与应用。 ( 5 ) 灵活性 4 g 移动通信系统采用智能技术使其能自适应地进行资源分配，能对通信过程中不断变化的业务 大小进行相应处理而满足通信要求，采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境进行信 号的正常发送与接收，有很强的智能性、适应性和灵活性。 ( 6 ) 兼容性 4 g 移动通信系统是实现全球统一的标准，让所有移动通信运营商的用户享受共同的4 g 服务， 真正实现一部手机在全球的任何地点都能进行通信。 ( 7 ) 层叠系统 为了实现l g b p s 的峰值速率，4 g 系统需要宽达1 0 0 m h z 的系统带宽，但在3 g h z 以下频段分 配1 0 0 m h z 连续频谱几乎是不可能的，而在高频段又很难实现无缝全域覆盖和高速移动，因此需要 同时使用部分3 g h z 以下频谱。也就是说，4 g 系统将是一个层叠系统需要同时使用上述两段离散 的频谱，这形成了4 g 系统的一个重要特征。 1 1 2g b p s 无线通信系统简介 4 g 的移动通信实际上分成两个部分，一个部分是大范围覆盖，一个部分是热点覆盖。对于大范 围覆盖这一部分，它的传输速率要求达到1 0 0 m b p s 以上；对于区域性的无线传输技术它要求达到 1 g b p s ，甚至更高 2 1 2 0 0 1 年，中国高技术研究计划( 8 6 3 计划) 启动了面向后三代四代( b 3 g 4 g ) 移动通信发展的重大 研究计划未来通用无线环境研究计划( f u t u r e 计划) 。截止到2 0 0 6 年已经取得了相当多的科研 成果，在国内外申请移动通信技术发明专利1 0 0 余项。建在上海的试验网已经具有在移动状态中 1 0 0 m b p s 的峰值速率及高清晰度交互式图像业务等功能。 2 第l 章绪论 在成功地实现了在高速移动的环境下1 0 0 m b p s 以上的传输速率的基础上，东南大学移动通信国 家重点实验室又申请了国家8 6 3 课题“g t , p s 无线传输关键技术与试验系统研究开发”，将在原有课 题研究的基础上突破速率到达g b p s 无线传输所需的基础性硬件与软件关键技术，研制开发出在 静止或低速移动的环境下，无线数据传输能力达到m b p s 以上的试验验证系统，并进行相关试验和 典型业务传输演示 本系统采用s t f s s o f 【) m a ( 空时频信号扩展正交频分多址) 技术的系统方案，并拟构建基 于此方案的硬件试验演示系统。根据s 矸s s o f d m a 方案的理论设计，系统能够在小于1 0 0 m h z 的无线传输带宽内，支持高达1 7 g b p s 的无线传输速率：而在5 0 米的传播距离内，能够实现的无线 传输速率超过1g b p s p 】。 s t f - s s o f d m a 采用o f d m a 的多址方案，并且其简化方案与d f t - s o f d m 方案具有相似的 结构，因此能够向后兼容3 g p p 标准化组织l t e 计划的技术提案。s t f s s o f d m a 的提出和研究， 一方面可以为3 g p pl t e 的产业化积累关键技术，另一方面可以为将来从3 g p pl t e 到4 g 的演进和 标准化打下基础。 在未来的超高速无线通信系统中，为提高系统的吞吐率，一般需要采用高码率的信道编译码技 术，因此信道编码增益减小；同时要求支持快速重传，需要采用短的时隙，可承受的收发延时很 短，因此，可获得的时间分集增益空间非常有限。在这样的条件下。在接收端一般需要采用复杂的 接收技术，如最大似然检测( m a x i m u ml i k e l i h o o dd e t e c t i o n , m l d ) 等，才能获得满意的性能。而 在1 g b p s 以上速率的系统中，采用这些复杂的接收技术，实现将变得：1 f 常困难。 s t f s s o f d m a 方案的特点之一是“信号扩展”，即尽量将每一个符号的能量均匀扩展到时域、 空域和频域的各处，以期大幅度地提高系统的分集增益。在这样的情况下，在接收端采用一般复杂 度的接收技术，即可获得满意的性能，因而可以大幅度地降低系统的实现复杂度、功耗和成本。 s t f s s o f d m a 采用时分双工( t i m ed i v i s i o nd u p l e x , t d d ) 模式，通过时分复用和正交频分 复用，可以将系统总的传输能力灵活、有序地分配给不同需求的众多用户，并为每个用户提供带宽、 时延等服务质量( q u a l i t y o f s e r v i c e ，q o s ) 保证。s t f s s o f d m a 采用环境自适应机制，根据工作 时的信道条件、干扰情况和业务需求等，自适应地调节系统参数、配置系统资源，获得优化的性能 1 2 相关研究与设计实现 本文主要对g b p s 无线通信系统的协议软件进行研究，即根据系统的软件设计方案完成系统的 协议软件的设计与实现工作，其研究内容包括： 1 ) 分析g b p s 无线通信系统的无线资源和演示需求，完成g b p s 无线通信系统软件的总体设计。 2 ) 根据g b p s 无线通信系统的演示需求，实现试验系统的演示界面，完成应用层控制监控模 块的设计与实现工作。 3 ) p 层根据软件系统总体对c p u 资源的占用与高速率业务传输的要求。制定相应的m p u 侧 业务数据的发送与接收方案 3 东南大学硕士学位论文 1 3 本文的主要工作和组织结构 本文主要介绍了g 1 ，p s 无线通信试验系统协议软件的设计与实现，全文共分为五章，组织结构 如下： 第一章论述了本文的相关背景以及本文的研究内容与论文结构。 第二章从整体上介绍了g b p s 无线通信试验演示系统的技术指标、演示平台和硬件体系结构等， 根据系统的协议栈进行了软件的总体设计。 第三章根据g b p s 无线通信系统的演示需求对试验系统的演示界面进行了设计，并且详细论述 了各部分功能的创建与实现方法。 第四章论述了g b p s 无线通信系统口层的具体设计与实现。本章节详细论述了如何用m u x 方 式实现零拷贝操作，提高系统的c p u 利用率。 最后一章对全文进行了总结，简要介绍各章的实现内容和完成情况。同时对软件系统未来的工 作进行了展望 1 4 本章小结 本章首先论述本文提出的背景，介绍了4 g 移动通信系统的基本特征，在此基础上引入了对g b p s 无线通信系统的简要介绍，然后分析了本文的相关研究与设计实现工作。最后介绍了本文的主要工 作和组织结构。 4 第2 章g b p s 无线通信试验系统软件总体设计 第2 章g b p s 无线通信试验系统软件总体设计 4 g 系统要求在移动台高速移动的情况下，基站与移动台之间的空中接口速率可以达到 1 0 0 m b p s ，这一目标在上一期的f u t u r e f d d 无线蜂窝试验系统项目中已经成功得到验证。而在移 动台相对基站静止或者慢速移动的时候，要求点对点的传送能力能够达到1 g b p s 。g b p s 无线通信试 验系统即是在此条件下提出来的。 g b p s 无线通信试验系统的目标是g b p s 业务的演示，不需要达到商用化电信级性能、质量要求， 因此，不需要考虑大量用户接入而接入的问题，采用的是一个基站和一个移动台之间的通信。 本章将主要介绍g t , p s 无线通信试验系统的软件总体设计。本章首先介绍试验系统的主要技术 指标和演示平台，然后说明整个系统的硬件体系结构和协议栈。最后论述软件的总体设计与各个模 块的功能。 2 1g b p s 无线通信试验演示系统概述 2 1 1 主要技术指标 本演示系统的主要目的是为了验证能够达到g b p s 级别的无线传输能力，其主要技术指标在表 2 - 1 中给出： 表2 1o b p s 演示系统主要技术指标 2 1 2 演示平台 项目指标 结构点点双向传输 双工方式 t d d 载频 3 5 g h z 带宽 l o o m h z 双向速率总和：l g b p s 传输速率 单向速率峰值：l g b p s 空中接口 m i m 0 ：4 6 关键技术 o f d m ：1 0 2 4 点 传输距离5 0 m 传输环境室内 移动性 静止或低速移动 g b p s 无线通信演示系统是一个简单的点点无线传输系统，分为基站端和移动台端，两端有相 5 东南大学碗学* 立 同的硬件结构。基站和移动台都采用4 靛6 收的多灭线结构，系统上忭在35 g h z 频段- 实际占用 的带宽为1 0 0 m h z 。g b p s 试验演示系统支持高清晰视频( d v ) ，视频点播( v o d ) ，视频会议( v q ， 文什高速f 载( f t p l 及语音、务等。既有面向连接的t c p 数鼎k 务- x 有面向无连接的u d p 数据业 务。 上 b 阳雕 图2 - 1g b d s 试验系统演示平台 g b p s 无线通信试验系统的演示平台如图2 - 1 所示n 从图中可以看出，业务演示p c 与基带板连 接，l m 调试，手控p c 与+ 控扳相连，土控扳对两块基带扳进行控制，完成对演示系统的调试。 2 1 3g b p s 无线通信试验系统的硬件体系结构 2 13 1 硬件平台总体架构 田2 - 2 g b p s 试验系统硬件平台结构 本试验系统甲台的移动e ( m 1 ) 和基站( b t s ) 来用同一套硬件结构，每端都包吉一个基带处理 “*w 第2 章g b p s 无线通信试验系统软件总体设计 机框，三个中频处理机框，一个射频功放处理机框，如图2 2 所示 o b p s 试验系统硬件平台单板分为：基带处理板( b b u ) 、主控板、中射频板和射频板四类。由 于我们所用到的主要是主控板和基带处理板，因此下面将重点介绍一下这两块板。 2 i 3 2 基带板 g b p s 试验系统中移动台和基站使用相同的硬件结构，都包含一个c p 机框。机框内有一块主 控板和两块基带信号处理板，机框划分为八个槽位。每块基带板横跨两个槽位的宽度，一个槽位的 高度。基带板之间，基带板和主控板之间都是通过背板实现数据交互。主控板与基带板之间的搭建 关系如图2 3 所示。 槽位0槽位4 槽位l 基带板 槽位5 槽位2主控板槽位6 槽位3基带板槽位7 图2 3 主控板与基带板搭建示意图 基带板负责系统业务接入、基带信号发送接收、基带信号处理等，并提供基带系统所需的各种 时钟。 每块基带单板上都有6 片f p g a ，分别记为f p g a o 到f p g a 5 。这6 片f p g a 将完成千兆业务 处理，l d p c 编解码，发射端的o f d m 调制，接收端的同步，信道估计，多天线检测等功能。基带 板和背板之间，基带板上每片f p g a 之间都有高速s e r d e s 差分线。基带板硬件平台结构框图如图2 4 所示。 由图2 _ 4 可以看出基带单板上6 片f p g a 之间的通信关系，为了标示两块基带单板上相应f p g a 实现的功能不同，分别在各个小方框图上给出不同的标记，其中每片f p g a 方框图内部上面的说明 为上基带板功能，下面的说明为下基带板功能。具体功能描述如下： f p g a 0 ：上基带板主要用来进行接收信号的同步处理、频偏估计、频偏校正、自动增益控 制和自动相位校正以及发送信号的i f f t 、串并转换等功能：下基带板主要用来进行发送信 号的l d p c 编码。 f p g a l ：上基带板主要用来完成接收信号的h 叮处理、信道估计以及天线选择等功能；下 基带板主要用来进行信号的l d p c 译码处理。 f p g a 2 - 上基带板主要用来完成接收信号的检测；下基带板不做处理。 f p g a 3 上基带板同样是用来完成接收信号的检测；下基带板完成对业务演示终端传送过 来的数据流进行处理。 f p g a 4 ：上基带板同样是完成接收信号的f f r 处理、信道估计等功能；下基带板主要用来 7 南大学碗学位t 女 完成信号的l d p c 译码处理。 f p g a 5 ：上基带板士要用来完成同步处理、额偏仙计、频偏桎正、自动增益控制和自动相 位校正以及发送信号的f t 、串井转换等功能：f 基带扳币做处理。 图2 - 4 基带板硬什、f 台结构图 在g b p s 无线通信试验系统t 作时对于基站端来说首先下基带板通过e o g a 3 接收业务演示 终端传送过来的高速数据流，并送往下基带板的f p g a 0 信5l d p c 编码处理，接着通过背板传 送到e 基带扳的f p g a 5 和p p g a 0 进行i f f t 处理，接着将数据送往中射频板进行处理。当移动台 端收到传送过来的信号后，首先进行中射频处理，接着将数据送往上基带板的f p g a 0 和f p g a 5 进 行情g - 的同步处理、频偏估计、频偏校正以及自动增益控制和自动相位校止等处理接着将数摒通 过6 路s 日m s 传送到f p g a i 和f p g a 4 进行f f t 和信道估处理接着再将信号送往f p g a 2 和 f p g a 3 进行信呼检测处理然后再特检测后的数据通过背扳传送到f 基带扳的f p g a i 和f p g a 4 进行译码处理，最后再通过f p g a 3 将数据送往业务演小终端进_ h _ 显币。 2 i3 , 3 丰控板 本系统基带扳支持脱框调试使用外部屯源单独绘基带板供电。但最终系统必须耍有丰挡板， 主控板主要用于演示过程的调试住控所用，它演示负责将m t 或b t s 连接到本地操作维护终端，将 系统需要演示的参数显示到主控板界面，而且通过背扳可以提供荽带扳所需的帧定时等控制信号。 同时也有调试阿口和串口，通过t e l n e t 可以同时调试埘块笨带板既简x 方便。 第2 章g b p s 无线通信试验系统软件总体设计 2 1 4 高层协议实现方案 由于高速传输的需要，控制信号和数据信号的传输速率和带宽需求将有很大的不同，因此在协 议设计时有必要将它们分成控制平面和数据平面，以利于无线接入系统的优化。考虑到高达g b p s 的业务数据处理需求，g b p s 无线通信系统的高层协议及业务接口实现方案将控制平面的信令和用户 平面的业务数据分离实现。其高层及业务接口实现方案如图2 5 所示。 操f 1 ：维 护摇u 业务 接i j 图2 5 高层及业务接口实现方案 由图2 - 5 可以看出，高层协议及业务接口由系统主控m p u 、业务接口模块、协议处理模块三大 部分共同承担。系统主控m p u 只负责l 3 控制平面的处理，业务接口模块和协议处理模块负责l 3 用户平面、l 2 的处理。用户的业务数据通过业务接口送往业务接口模块，由业务接口模块完成l 3 用户平面与外部网络的接口、以及l 2 子层协议处理，协议处理模块完成l 2 的r l c 和m a c 处理， 将采用硬件实现。业务接1 2 1 考虑采用和8 个千兆以太网接e 1 以支持高达l g b p 的数据传输。 2 2 试验系统的物理信道与逻辑信道 c b p s 无线通信试验系统有两种信道，分别是物理信道和逻辑信道，它们的功能说明如下所示： 物理信道：各种信息在无线接口传输时的最终体现形式，每一种使用特定的载波频率、码、调 制方式以及载波相对相位的信道都可以理解为一类特定信道。 逻辑信道：直接承载用户业务：根据承载的是控制平面业务还是用户平面业务分为两大类，即 控制信道和业务信道。 2 2 1 物理信道 表2 - 2g b p s 演示系统中的物理信道 方向名称用途 t - p o d 发送控制数据 发送 t d a d a t a 发送业务数据 r - p c t r l接收控制数据 接收 r - p d a t a接收业务数据 9 东南大学硕士学位论文 2 2 2 逻辑信道 表2 - 3g b p s 演示系统中的逻辑信道 方向名称用途 t d c 与发送有关的层3 信令 t - c t r t t d c - a e k 与发送有关的层3 信令的应答信令 t d c - t i r 与发送有关的层3 信令的清除信令 发送 t - a c k与发送有关的a c k 数据 t d t n发送的实时业务数据 t - d a t a t d t n r t 发送的非实时业务数据 r d c与接收有关的层3 信令 r - o r l r d c a c k与接收有关的层3 信令的心答信令 r d c c l r 与接收有- 火的层3 信令的清除信令 接收 r a c k 与接收有关的a c k 数据 r d t n 接收的实时业务数据 r - d a t a r d t n n 接收的非实时业务数据 2 2 3 物理信道与逻辑信道之间的映射关系 在本演示系统中，逻辑信道与物理信道之间的映射关系如图2 - 6 所示： 逻辑信道 t d c t d c a e k t d c c k l - a c k t d t - r t t d t - n a t r c i c r ，c a e k f c ) c e k r i a c k r 【) t r t r d t - a r t 物理信道 t - p c t r l t - p d a t a r - p c t r l r - p d a t a 图2 - 6g b p s 演示系统中物理信道与逻辑信道的映射关系 1 0 弟2 $ g b 口j t 线遇信试验幕统软件n 体设* 本试验系统是一个点对点的链路级演示系统，所咀采用了“发送一接收”的说法，而没有采用常 见的“上行- 下行”的说法。固此所有的信道方向都是针对某个用户来说的。从a 发往b 的链路， 对于a 方就是发送，对于b 方就是接收而从b 发往a 的链路，对于a 方就是接收方对于b 方 就是靛送方。信道命名时约定与篮送端有关的信道名前加t ：与接收端有关的信道名前加r 。 2 3 协议栈 图2 - 7 是试验系统的协议栈模块映射关系图。其中彩色部分强调了逻辑信道和物理信道之间的 复用关系1 。 一i j l j d 博ii 臣兰j l 兰! 竺j 审审下者 f n o p 。一 囱围 堇口1 咛叩中学 i l_