（信号与信息处理专业论文）基于cdma2000的移动多媒体终端设计.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于c d m a 2 0 0 0 的移动多媒体终端设计 摘要 3 g 技术为移动多媒体的应用和发展提供了良好的平台。c d m a 2 0 0 01 x e v d o 网络进 入了商用阶段，通过c d m a 2 0 0 0l x e v d o 网络，我们可以实现可视电话、在线游戏、视 频欣赏等需要较高数据传输速率才能实现的功能。这些功能对于网络使用者而言具有相当 的吸引力。智源公司推出的a r m 9 处理器g m 8 1 8 0 具有处理速度快、h 2 6 4 视频压缩、功 耗低等一系列优点，非常适合嵌入式的开发。 本文将围绕中兴通讯公司生产的1 x e v d o 模块m c 8 6 3 0 设计一套移动多媒体终端设 备，认真探讨l x e v d o 的理论知识并对系统的硬件和软件设计进行详细分析，本文的具体 工作如下： 首先，研究分析了3 g 和移动多媒体的发展现状以及前景，并给出了本文研究的实际 意义，随后提出了实现方案的具体框图。 接着，详细分析c d m a 2 0 0 01 x e v d o 技术的基本原理和移动多媒体关键技术，为后 续章节做好必要的理论铺垫，并在本章的结尾引入了3 g 模块m c 8 6 3 0 。 然后，具体介绍以m c 8 6 3 0 和g m 8 1 8 0 为核心的移动多媒体终端设备的硬件设计方法 和周边电路的设计方案。 随后，详细讲解了移动多媒体终端设备在音频、视频、3 g 网络接口方面软件的设计思 路和具体实现方法，并给出了3 g 无线视频传输的效果图。 最后，说明了硬件的调试技巧，并总结全文对未来的前景做了展望。 关键词：g m 8 1 8 0 ，m c 8 6 3 0 ，嵌入式系统，1 ) 【e v d o 浙江工业大学硕士学位论文 d e s i g no ft h em o b i l em u i r i m e d i ad e v i c e b a s e do nc d m a 2 0 0 0 a b s t r a c t 3 gt e c h n o l o g yp r o v i d e sa9 0 0 dp l a t f 0 mf o r 印p l i c a t i o n sa n dd e v e l o p m e n to fm o b i l e m u l t i m e d i a c d m a 2 0 0 0lx e v d on e t 、) r o r ki sb e i n ga p p l i e db yc o m m e r c i a ls t a g e w i t l lt 1 1 e c d m a 2 0 0 0lx e v d on e t w o r k ，、v ec a i lb r i n gv i d e op h o n e ，o n l i n eg 锄i n ga 1 1 dv i d e ov i e 谢n ge t c w h i c hr e q u i r el l i 曲e r r a t e si n t 0o u rl i f e t h e f e a t u r e sa r eq u i t ea t t r a c t i v ef o rn e t 、0 r k u s e r s q 面np r o d u c eaa i 己m 9p r 0 c e s s o rc a l l e dg m 8l8 0 晰t l lah i 曲p r o c e s s o rs p e e d ，h 2 6 4v i d e o c o m p r e s s i o n ，l o wp o w e rc o l l s u m p t i o n 锄do t l l e ra d v a i l t a g e s ，w h i c hi sv e r ) ，s u i 切b l ef o re m b e d d e d d e v e l o p m e n t t l ：l i s 孤i c l e 、访ud e s i g nam o b i l em u l t i m e d i at e 加1 i l l a l sb a s e do nm c 8 6 3 0w l l i c hi sp r o d u c e d b yz t e 1 1 1 ea n i c l e 、i nd i s c l l s s 1x e v d ot l l e o r e t i c a ll 【i l o w l e d g e 锄da i l a l y z eh 莉w a r ea n d s o 僦o f 也es y s t e mi i ld “1 1 1 1 es p e c i f i cw o r ko f t h j sa n i c l ei s ： a tf i r s tt l l ea n i c l ea 1 1 a l y z e st l l es t a n l s 锄dp r o s p e c to f3 ga n dm o b i l em u l t i m e d 试锄ds t u d i e s t l l ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo ft b j sa r t i c l e ，锄dp r o p o s eb l o c kd i a g r a mo fs c h e m e 1 1 1 e nt i l ea r t i c l e 趾a l y s i s 缸研n c i p l eo fc d m a 2 0 0 0lx e v d o 锄dm ek e y 妣h n o l o g yo f m o b i l em u l t i l l l e d i a ，w 王l i c h 、i 1 1b el l s e di n 吐l ef o l l o 诵n gc l w ) t e r s ，a i l di n t r o d u c en l e3 gm o d u l e m c 8 6 3 0i i lt l l ee n do f t h j sc h a m e r n e x tc h a p t e rt l l ea n i c l es t u d yt l l eh 灿a r ed e s i g n 锄dp e r i p h e r a lc i r c u i td e i g no fm o b i l e m u l t 曲e d i 岛w k c h 谢l lb ed e s i 印e d b ym c 8 6 3 0a n dg m 8 l8 0 t h e nt h ea l t i c l e 咖d yt l l es o f h a r eo fm o b i l em u l t i m e d i aa b o u t 卸d i o ，v i d e o ，3 gn e t 、0 r k i n t e r f a c e ，a n dp e 墒mt l l er e r l d e r i n g so f3 gm o b i l em u l t i m e d i a f i n a l l y 舭a n i c l ed e s c m e st l l eh 砌、v a r ed e b u g g i n gs l 【i l l s ，t h e nc o n c l u d e st l l ew h o l ea n i c l e 锄dp r 0 s p e c t st l l e k e yw o r d s ： g m 8l8 0 ，m c 8 6 3 0 ，e m b e d d e ds y s t e m ，1x e v d o 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究的背景与意义 现在无线视频传输的方式主要有3 种：卫星传输、微波传输、3 g 传输。卫星传输以及 微波传输所产生的信号具有稳定性好、传输质量高的特点，但是微波传输无法实现广域传 输，卫星传输的费用比较昂贵而且只能在室外进行。因此与微波传输和卫星传输相比较而 言，3 g 通信系统具有覆盖范围广、相对传输速度快的优点，更适合在广域范围内进行视频 传输【。 同时伴随2 0 0 8 年电信重组的落幕和2 0 0 9 年3 g 牌照的发放，可以说我国通信市场跨 入了新的时代。中国移动、中国电信、中国联通三家电信运营商有各自的3 g 业务品牌， 因此我国3 g 时代必定热闹非凡。作为3 g 时代的重量级业务之一，无线视频通信业务依靠 3 g 技术，得到了广泛的应用和发展。从计世资讯相关数据来看，在随后的5 年，我国视频 通信业务将要以3 0 的速率增长【2 1 。 c d m a 2 0 0 01 ) 【e v d o 版本a 的前反向峰值速率分别达到了3 1 m b i 佻和1 8m b i 讹，其 在e v d o 版本0 的基础上增强了空间接口帧的灵活性、提高接入速率、降低了延时。支持 多流、包分接入的特性以及相关标准的q o s 映射、控制机制，如此就为e v d o 版本a 支 持实时业务提供了可能性，比如：v t 视频、v o i p 和广播多播业务。 基于此市场背景和现有的3 g 技术特点，视频通信业务在3 g 时代中的发展成为了业界 普遍关注的话题。除了视频通信业务之外，音频通信等其他多媒体数据业务的3 g 传输也 受到人们的关注。因此研究一种基于3 g 技术的移动多媒体终端设备具有很深远的实际意 义，本文研究的移动多媒体的终端设计对中国电信c d m a 2 0 0 0l x e v d o 技术在多媒体业 务方面提供了一个很好的应用。 1 2 国内外研究现状 1 2 13 g 发展现状以及c d m a 2 0 0 0l x e v d o 3 g ( 3 r dg e n e r a t i o n ) 第3 代移动通信技术与第l 代和第2 代移动通信系统相比较，主要 特征是可提供丰富的移动多媒体业务，在高速移动环境中支持1 4 4 k b s ，慢速移动环境中 支持3 8 4 k b s ，静止状态下支持2 m b s 。其设计目标既要兼容第2 代移动通信系统，又要提 l 浙江工业大学硕士学位论文 供比第2 代移动通信系统更大的系统容量、更好的通信质量，还要为用户提供语音、数据、 多媒体等各种业务。2 0 0 9 年1 月7 日，工业和信息化部正式发放了3 g 牌照，中国联通、 中国电信和中国移动分别获得了w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 牌照，此举标志我 国正式进入3 g 时代。 c d m a 是c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( 码分多址) 的缩写，是第3 代移动通信系统的 技术基础【3 】。第l 代移动通信系统采用频分多址技术，由于受到传输带宽的限制，不能进 行移动通信的长途漫游，只能作为一种区域性的移动通信系统。此技术的缺点在于容量有 限、制式太多、频谱利用率低、互不兼容、通话质量不高、保密性差、不能提供数据业务 与不能提供自动漫游等。第2 代移动通信系统主要采用时分多址( t d m a ) 的数字调制技 术，与第一代相比较具有频谱利用率高、保密性强、标准化程度高、能提供丰富的业务等 特点，但t d m a 的系统容量依然有限，区域切换性能仍不完善。第三代移动通信系统 ( i m t - 2 0 0 0 ) ，在第二代移动通信技术基础上进一步演进的以宽带c d m a 技术为主，并能 同时提供话音和数据业务的移动通信系统。c d m a 通信系统频率规划简单、系统容量大、 抗多径能力强、通信质量好等特点，有着巨大的发展潜力。 w c d m a 全名是w i d e b 锄dc d m a ( 宽带码分多址) 。w c d m a 继承了第2 代移动通信 系统g s m 标准化程度高和开放性好的特点。其主要特点是：基站支持异步和同步的基站 运作方式、组网方式灵活、适应多种速率的传输、提高了系统容量、降低了传输功率、保 持了与g s m g p r s 网络的兼容性。 c d m a 2 0 0 0 的主要特点是：前反向同时采用导频辅助相干解调、射频宽带从1 2 5 m 到 2 0 m 可调，在下行信道传输中，定义直扩和多载波传输两种方式、核心网保持与a n s i 4 1 网络的兼容性。在无线接口方面，3 g p p 2 从2 0 0 0 年开始在c d m a 2 0 0 01 x 基础上制定了 1 x 的增强技术，即1 x e v 标准，目前1 】【e v 分两个阶段，分别是：c d m a 2 0 0 01 ) ( e v d o ( d a t a o i l l y ) 和c d m a 2 0 0 0lx e v d v ( d a t a 觚dv o i c e ) 。 t d s c d m a 全称为n m ed i v i s i o n s y i l c h r o n o u sc d m a ( 时分同步的码分多址) ，集合了 c d m a 技术、t d m a 技术和f d m a 技术的优点，具有大容量系统、较高的频谱利用率、 强抗干扰特性，同时采取了同步c d m a 、智能天线、接力切换、联合检测、低码片速率、 软件无线电等技术。 w c d m a 是全球3 g 技术中用户最广、技术和商业化应用最成熟的。c d m a 2 0 0 0e v d o 是c d m a 技术的升级。t d s c d m a 是我国自主3 g 标准。 c d m a 2 0 0 0l x e v d o 标准最早起源于q u a l c o 呦公司的h d r ( 高速数据) 技术，早在 2 浙江工业大学硕士学位论文 1 9 9 7 年的时候q u a l c o m m 就向c d g 提出了h d r 的概念，此后经过不断地完善和实验在 2 0 0 0 年3 月份以c d m a 2 0 0 0l xe v d o 的名称向3 g p p 2 提交了正式的技术方案。1 x e v 的 意思是e v o l u t i o n ，也表示标准的发展，d o 的意思为d a t a o l l 】y f 4 1 。 l x e v d o 技术能够在c d m a 2 0 0 01 x 技术的基础上进一步提高分组数据传输能力，它 能在独立于c d m a 2 0 0 0l x 的载波上给予移动终端高速无线数据业务，但是不支持话音业 务。c d m a 2 0 0 0 在向3 g 技术演进中出现了两个方向，1 x 的升级版本1 x e v d v 和支持数 据的l 】( e v d o 。尽管e v d v 能够兼容l x ，同时支持语音和数据，但目前e v d o 在商用方 面占尽优势。e v d o 版本o 为了满足面对无线i n t e 鼢姬t 接入的非实时、非对称高数据业 务，前向峰值速率为2 4 m b i t s ，反向峰值速率为1 5 3 6 k b i t s 。e v d o 版本a 在e v d o 版 本0 的基础上进一步提高了前反向峰值速率，分别达到3 1 m b i t s 和1 8 m b i t s 【5 1 。除此外， 版本a 还增强了空间接口帧的灵活性、降低了延时，提高了接入速率。e v d o 版本a 提供 了对多流的支持，对低延时及q o s 的支持：应用层多流的映射。m a c 层提供了丰富的短 数据包，单包多用户复用、多包多用户复用有效地支持了延时的降低。基于技术的增强和 演进，e v d o 版本a 相对于版本0 能提供更多的多媒体业务，特别是v o i p 和分组视频电 话【6 1 。 1 2 2 移动多媒体发展现状 多媒体是视频技术和计算机的结合体，实际上就是声音和图像。多媒体代表数字控制 和数字媒体的汇合，数字媒体是现在音频和视频的主要存储和传播方式。 伴随社会信息技术的快速发展，通讯工具已经处于移动化、多媒体化。人们现在已经 可以随时随地发送多媒体信息，获取高质量的新闻信息。多媒体技术的出现极大的拓展了 人们传递信息的深度和维度。移动流媒体和移动无线接入技术的结合，使得多媒体信息的 传播产生了质的飞跃，由此产生的移动多媒体技术将很可能成为下一代多媒体的主流技 术。随着视频、音频、图像等多媒体业务从有线转移到无线上的成功，相信移动多媒体技 术会在将来的社会信息传播中起到越来越重要的作用。 当今移动多媒体大多采取l 肿j x 嵌入式操作系统，软件和硬件具有较高的复杂度， 目前国内在移动多媒体的系统开发上主要有如下3 个问题【刀： 1 移动多媒体系统的硬件复杂程度非常高、功耗问题突出。伴随着复杂性的增加， e m c e m i 的问题也变得很突出。 2 嵌入式多媒体的软件开发问题。图像的编解码、图形的加速等功能增大了移动多 3 浙江工业大学硕士学位论文 媒体系统软件的复杂程度，尤其是关于可拓展的高性能技术平台，需要技术上的 突破。 3 目前市场中流行的用于移动多媒体应用的处理器类型和结构不尽相同。但主要被 外国公司垄断，包括芯片价格和技术上面的垄断，这就制约了本国应用产业。目 前国内厂家，虽在该方面努力攻关，但是如何在核心算法、系统构架等方面实现 技术创新是难点，往往只能在低端方案与传统技术架构上的实现，对新一代的移 动多媒体处理芯片缺乏自主创新能力。 1 2 3 面向3 g 通信的移动多媒体应用 伴随无线通信技术的迅速发展，多媒体处理能力的提高，在移动环境下给用户提供多 媒体业务成为运营商的重要业务增长点。多媒体在无线上的应用对通信网络提出了更高的 要求。视频点播、移动电视和可视电话等各种多媒体应用需要服务质量( q o s ) 的保证和 平滑的实时数据传输。无线通信中，传输信道的恶劣性，用户的移动性使得移动通信的服 务质量保证非常复杂。在提升3 g 网络资源使用效率的同时，还要兼顾各式各样业务类型 的服务质量和不同业务流间的公平问题1 8 】。 在无线环境下提供优质的q o s 保证面临诸多的挑战。无线网络所处的环境具有动态 的、通信信道带宽有限、误码率高、不够稳定等不利因素。同时无线信号在传输过程中的 衰减、失真、随机干扰和障碍物的阻挡都会影响到信号的传输质量。除此之外，实时多媒 体数据的传输要求很高的网络带宽，对于实时视频传输，需要在较长的时间内连续传送视 频数据，具有严格的端到端时延和延时抖动要求【9 】。随着3 g 移动通信系统的商用化，无 线实时多媒体业务就有了更好的发展平台，同时也吸引了学术界和工业界众多研究人员的 关注。 1 3 课题研究内容及实现方案 基于c d m a 2 0 0 0 的移动多媒体系统的发展是以应用的便捷性、技术的先进性为方向。 此系统无论在应用、技术还是发展环境上皆具有独特的魅力和优势，必定可以在移动多媒 体领域占据一定比例。 本文研究的重点是基于c d m a 2 0 0 01 x e v d o 技术的视音频等多媒体数据传输的终端 设计，结合当前的数字技术开发趋势以及实际的需求，采取以嵌入式平台为基础，应用3 g 通信技术来设计一套无线视频、音频等多媒体数据传输的终端设备。本设计方案的另一个 4 浙江工业大学硕士学位论文 特色是具有掉电保护功能，考虑到外部电源存在断电的可能性，为了保证多媒体数据能够 不问断传输，本终端设备可以外接镍氢充电电池且设备内部自带充电电路。论文主要讲述 了该设计方案的软硬件设计的核心问题。 整个系统的简要框图，如图1 1 所示。 心s _ 图1 1 系统简要框图 终端设备将摄像头捕获的一路视频信号传输给t w 9 9 1 0 芯片，t w 9 9 1 0 将采集到的模 拟信号转化为8 位数字信号传递给核心处理器g m 8 1 8 0 。语音芯片w m 8 7 3 l 将麦克风采集 过来的音频信号转化为数字信号传递给g m 8 1 8 0 。g m 8 1 8 0 将捕获到的音频信号以及视频 信号经过压缩编码以后，传递给m c 8 6 3 0 ( c d m a 2 0 0 01 x e v d o 模块) ，然后通过c d m a 2 0 0 0 的网络将数据发送到服务器再传送给客户端，最终实现3 g 无线视音频播放。其他多媒体 5 浙江工业大学硕士学位论文 数据的传输方法类似。 1 4 本文工作 本文主要讲述c d m a 2 0 0 0l x e v d o 的主要工作原理，以及围绕l x e v d o 设计出一套 可以用来进行远程监控的终端设备，包括系统的主要硬件和核心软件设计以及调试技巧。 第一章绪论主要讲解3 g 的发展现状及未来的展望，关于c d m a 2 0 0 0l x e v d o 和移动 多媒体的基本概念以及整个系统的简要框架。 第二章主要分析了c d m a 2 0 0 01 x e v d o 的技术原理，包括：e v d o 技术概述、e v d o 空中接口技术、e v d o 关键技术。随后讲解了移动多媒体的关键技术。最后介绍了中兴公 司的e v d o 芯片m c 8 6 3 0 的主要功能。 第三章介绍了整个系统的硬件架构和各个部分电路的设计原理，包括：内存、f l a s h 、 电源部分、视频、音频以及各种外部接口的设计。重点阐述了视音频的硬件电路以及3 g 模块电路的实现方法。 第四章研究了视频和音频数据的软件采集、压缩，3 g 拨号上网的方法。 第五章大致介绍了电路的基本调试方法，主要是针对本文所设计的终端设备的调试方 法。最后对本文进行了总结和展望。 6 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章 c d m a 2 0 0 01 x e v d o 原理概述及 移动多媒体的关键技术 对于我国主要的3 种3 g 标准而言，t d s c d m a 虽然拥有最多的先进技术，t d 也可 以改上行链路带来更高的网络利用率，但是其技术还不够成熟，经常出现断网、低传输速 率等问题。而从g p r s 过渡过来的w c d m a 在其核心网络区域可以由h s d p a 实现3 0 m b p s 的理论极限下行速率，但是上行速率和c d m a 2 0 0 01 x e v d oi 己e v a 是差不多的。而由于 c d m a 2 0 0 0 是从原先的c d m a 系统直接升级而来，所以不管是覆盖范围、稳定性和费用 都比w c d m a 来的有优势。因为本项目3 g 模块主要用于上传数据，所以w c d m a 高速 下行的优势在本项目中并不明显。综合各方面的考虑本终端设计最后确定使用c d m a 2 0 0 0 l x e v d o 作为无线传输方案。在移动多媒体方面，最大的难点是巨大的视频数据在无线网 络中的传输，因此必须要有一种高效的压缩算法来解决这个问题，其中h 2 6 4 压缩算法相 对其他算法拥有极大的优势。出于上述分析，本章有必要对c d m a 2 0 0 01 x e v d o 的技术 原理和移动多媒体的关键技术做一定的说明，为后续章节的软硬件设计做理论准备。 2 1c d m a 2 0 0 0l x e v d o 本小节将对c d m a 2 0 0 0l x e v d o 进行介绍，分析其技术的优越性，以及让我们了解 e v d o 信令传输的大致过程，这对于理解后续章节的3 g 网络软硬件设计有所帮助。 2 1 1c d m a 2 0 0 0l x e v d o 技术概述 在介绍e v d o 技术之前，让我们来首先了解下c d m a 数据业务发展历程【1 0 1 ，如下图 2 1 所示： 7 浙江工业大学硕士学位论文 一“* ；。 a 豫赫姗：1 砸m t 芷v d o _ ! 固寥囊， c d m a 誊c d m a 舯m o f d m 图2 1c d m a 数据业务发展历程 对于电信运营商是否成功的判定，除了数据传输速率和市场占有率以外，还要把用户 平均收益( a i 冲u ) 作为一项重要指标。而随着c d m a 技术的演进，其越冲u 值也出现了 快速的增长。例如一家韩国的c d m a 运营商的报告称从c d m a o n e 到c d m a1 x ，其数 据业务的a r p u 增长超过5 倍；从c d m a 2 0 0 01 x 到c d m a 2 0 0 01 x e v d o ，数据业务a r p u 增长超过3 钭1 1 】。从这个例子我们可以发现下一代c d m a 技术演进会对数据业务的舢冲u 产生积极的影响。因此研究新一代的c d m a 技术显得非常的重要。 c d m a 2 0 0 01 x e v d o 在传输速率上相比c d m a 2 0 0 0l x 具有明显的优势。c d m a 2 0 0 0 1 x e v d o 前向支持平均速率0 6 5 1 5 m b p s ，e v d or e l 0 峰值速率为2 4 m b p s 的高速数据 业务，e v d or e l a 前向速率达到了3 1 m b p s 。除此之外c d m a 2 0 0 0l x e v d o 的技术特点 还有：前向链路由时分为主码分为辅，反向链路由码分为主时分为辅；基站前向总是以最 大功率发射，功率以时分方式分配给用户，任何一个时刻，只能服务于一个用户；网络结 构纯粹采用分组域，与电路域核心网无关；c d m a 2 0 0 01 x e v d o 前向为虚拟软切换，反向 软切换1 1 2 】。 基于c d m a 2 0 0 01 x e v d 0 所具有的特点，其技术应用非常广阔，如下图2 2 所示： 囤 浙江工业大学硕士学位论文 r 错薛务在糯+ 一 图2 2c d m a 2 0 0 01x e ) o 技术应用 通过c d m a 2 0 0 0l x e v d o 技术，我们可以实现视频电话、在线游戏、视频欣赏等等 需要较高数据传输速率才能实现的功能。对于网络使用者而言具有相当的诱惑力。 现在我们来了解下c d m a 2 0 0 01 ) 【e v d o 的网络结构【1 3 】，如下图2 3 所示： a t r a n a 1 3 l 一! 三 图2 3c d m a 2 0 0 01 】e ) o 的网络结构 上图中，a t 的含义是接入终端；a n 的含义是接入网；p c f 的含义是分组控制功能实 体；a n a a a 的意思是接入网鉴权、授权及计费服务器；p d s n 的意思是分组数据业务节 点；a a a 的意思是鉴权、授权及计费服务器。 从接口协议上来看，c d m a 2 0 0 01 ) 【e v d o 定义了新的u m 接口协议，其a 接口功能以及 通信协议同c d m a 2 0 0 01 x 基本一致；核心网内部接口协议及其和外部i p 网络之间的接口协 9 浙江工业大学硕士学位论文 议同c d m a 2 0 0 0l x 基本一致，遵从c d m a 2 0 0 0 无线i p 网络标准中的有关规定。凡埘提供 p c n ( 分组核心网) 与a t 间的无线承载，传送非接入层面的信令消息和用户数据。埘主要 负责无线信道的建立、维护和释放，进行无线资源管理以及移动性管理。 a n 相当于c d m a 2 0 0 01 x 系统中基站的概念，是由基站收发器( b t s ) 和基站控制器 ( b s c ) 组成。一般情况下，b s c 需要完成u m 接口其他协议层功能、移动性管理功能和呼 叫控制，b t s 则需要完成u m 接口物理层协议功能。 a n a a a 是接入网执行接入鉴权和对用户进行授权的逻辑实体。其通过a 1 2 接口和a n 交换接入鉴权的参数及结果。当a t 与a n 完成c h a p 查询响应信令交互后，a n 向a n 丸蚣 发送a 1 2 接入请求消息，请求a n 儿a 对该信息所指示的用户进行鉴权。p c f 与a n 配合完 成与分组数据业务有关的无线信道控制功能。 2 1 21 x e v d o 空中接口技术 空中接口被分为七层，并为每层( 和每层中的每个协议) 定义接口。它使得今后对层 或者协议的修改是独立的。下表2 1 为空中接口分层结构【1 0 1 ，如下所示： 表2 1 空中接口分层结构 应用层 流层 会话层 连接层 安全层 m a c 层 物理层 应用层的任务是完成分组应用和信令应用数据分组的收发及其控制功能；流层需要完 成应用层数据和信令流的q o s 标识功能；会话层完成会话的建立、维护和释放功能；连接 层完成系统的捕获、连接和释放；安全层完成密钥交换、数据加密和空口鉴权等功能；m a c 层完成对物理信道的访问权控制；物理层为前反向信道提供信道结构、频率、输出功率和 调制规定。 下面来细说原始信令是如何传送的【1 2 j 。下图2 _ 4 为应用层协议，如下所示： l o 浙江工业大学硕士学位论文 图2 - 4 应用层协议 应用层信令的主要功能即协议：用于实现信令路由可靠传送、拆分、组合包含s n p 、 s l p d 和s l p f 协议。其中s n p ( 信令网络协议) 对原始信令消息进行打包，打包后的 s n p 数据包内包含会话建立协商的内容，承载该信息的物理信道类型、寻址模式、传送模 式和优先级；s l p d 完成对s n p 数据包的可靠传送或尽力而为传送；s l p f 完成对s l p d 数据包进行分组的任务。 下图2 5 为流层协议，如下所示： i 流层一h流层p 上 会话层p 图2 5 流层协议 流层主要的功能是对不同q o s 要求的业务应用打标识，连接层根据此标识对不同优 先级的业务分组进行合并重组。对来自应用层的数据分组，流层只在数据分组包头加上对 应的流层标识。上图中流层一h 是指流层报头；流层一p 指流层负荷；会话层一p 指会话 层负荷 会话层协议如下图2 6 所示： 浙江工业大学硕士学位论文 会话层p i 连接层p 图2 - 6 会话层协议 会话层包含用于协商接入终端和接入网间会话的协议。会话是接入终端和接入网间所 维持的共享状态，含有如下信息：分配给接入终端的单点广播地址；接入网和接入终端在 空中链路上通信所使用的一系列协议；这些协议的配置设置；目前接入终端位置的估计。 连接层的主要功能是完成系统的捕获、连接的建立维持释放监控、连接状态下的无 线链路管理和移动性管理等功能。发送时，根据业务的优先级，为来自会话层的业务分组 分配无线链路资源；接收时，对来自安全层的业务分组进行拆封装，并送往会话层。连接 层协议如下图2 7 所示： f o 咖a t a 连接层p 上 l 安全层一 f 0 m a t b h e a d e r连接层ph e a d e r连接层pp a d 上 安全层p 图2 7 连接层协议 连接层具体完成的功能：管理网络初始捕获；管理连接的打开和关闭；管理连接开时 和关时的通信；维持每个连接状态下接入终端的近似位置；管理连接开时接入终端和接入 网间的无线链路；执行连接开时和连接关时的监控；按照优先级排列并封装会话层接收到 的数据，并把它发送到安全层；解封装从安全层接收到的数据，发送到会话层。 安全层的协议如下图2 8 所示： 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 h 加密p t h 鉴权p t h 安全p t 安全层p a c k e t 图2 8 安全层协议 安全层主要实现的功能包括提供用于a t 和a n 交换鉴权和加密所必须的密钥；a t 和 a n 鉴权数据业务；加密业务数据；提供鉴权和加密协议所必须的公共变量。安全层协议 主要包括密钥交换协议、鉴权协议、加密协议和安全协议。 m a c 层是完成对物理信道的访问控制功能，其中一共包括4 个协议：控制信道m a c 协议中描述了控制信道的时序要求与传送方式；接入信道m a c 协议描述了长码生成方式 与终端接入系统方式；前向业务信道m a c 协议描述了前向业务信道的复用解复用方法以 及速率控制；反向业务信道m a c 协议规定了反向业务信道的捕获和速率选择机制，在这 里限于篇幅，我只给出m a c 层控制信道协议，如下图2 9 所示： 图2 - 9m a c 层控制信道协议 2 1 3e v d o 关键技术 在e v d o 当中涉及到的关键技术【1 4 1 主要有：时分复用技术、混合自动重传技术、速率 1 3 浙江工业大学硕士学位论文 控制技术、切换技术。 时分复用技术主要是指：不同的前向信道分时共享每个时隙，每种信道满功率发射； 不同用户分享系统的时隙资源，在每一个时隙内系统只可以为特定用户服务；在每一个时 隙内，在保护多用户服务公平的前提条件下，选择链路最好的用户给予服务，可以获得较 高的多用户分集增益，能够提高系统容量。 e v d o 系统采用融合信道编码的检纠错功能和传统址重传功能的地恹q 技术。 h 触( 混合自动重传技术) 能够保存无法正确译码的数据帧，并与收到的重传数据帧进 行合并译码，从而提高正确译码的概率。托埋q 增加了递增冗余译码机制，该机制根据逐 次增加发送码字的冗余度，从而提高译码的正确率。当首次传送经过编码以后的数据帧的 时候，首先发送的是编码速率较高而冗余度较低的方式，如果接收端不能正确实现译码， 那么降低数据帧的编码速率从而增大编码冗余度，重传该数据帧，接收端将这些具有相同 信息的数据帧进行合并译码，如此反复执行发送，直到最后重传次数达到最大值或者译码 正确为止。 速率控制技术分为前向速率控制和反向速率控制技术。 前向链路速率控制原理是：在每个时隙内，终端测量前向导频的信噪比。估计下个时 隙内前向链路能支持的最大传输速率，然后以速率请求的形式反馈给系统，从而系统据此 来分配无线资源。e v d o 前向链路以时隙为单位进行速率控制。前向速率控制调整过程分 为4 步： 1 导频信噪比估计，在每个时隙，基站下发1 9 2 b i t 的前向导频信号，a t 计算其信噪 比。 2 a t 信道预测：分析过去一时段内前向导频的信噪比估计值来达到估计下一个时隙内 的前向导频信噪比。 3 a r 根据自适应调整的信噪比门限或者事先设置过的信噪比门限，然后应用查表的方 法获得下一个时隙的最大数据传送速率。 4 a t 在反向d r c 信道中向a n 反馈两个数值：d i 配v 甜u e 和d r cc o r e r 来决定由激 活集中的哪个扇区对a t 服务，d r c u e 告诉a n 期望接收的速率。 反向速率控制具体步骤如下： 1 基站每帧将所测量出来的反向链路i 的t 与原先设定过的门限比较，计算出系统 当前的负载水平( 墟) ，若r o t 超过门限，则r a b = 1 ，否则为0 。 2 基站通过前向m a c 子信道r a 把镪发送给本扇区终端。 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 3 终端合并其激活集中所有基站下发的r a b ，反向业务信道m a c 协议根据规定的 约束规则，选择反向速率。 e v d o 的切换技术由3 部分组成：l x e v d o 切换、e v d o 内部切换、l x 与e v d o 间 切换。其中l x e v d o 切换包括e v d o 内部切换和1 x 与e v d o 之间切换；e v d o 内部切换 包括前向支持虚拟软切换，反向支持虚拟更软切换和虚拟软切换，a n 间休眠态切换，a n 间激活态切换；1 x 与e v d 0 间切换包括e v d 0 与1 x 间休眠态切换、e v d o 与l x 的激活 态切换，l x 向e v d o 的休眠态切换。下图为虚拟软切换的示意图，如图2 1 0 所示： 图2 1 0 虚拟软切换的示意图 2 2 移动多媒体关键技术 移动多媒体的一个重要问题就是解决视频数据的压缩，从而降低无线数据的传输大小。 对于硬件设计而言就是要选择功能强劲的处理器以及视音频芯片等硬件设备。本文的终端 设备采用了h 2 6 4 的视频压缩算法，该算法的优越性会在本小节中阐述。 2 2 1多媒体信息处理技术 多媒体信息处理的关键技术【”】主要包括了：数据压缩技术、高速信号处理技术和多媒 体通信同步技术。 多媒体信息中有大量的视频和音频数据，具有非常大的数字化数据量，必须采用先进 的压缩算法才能提供移动通信中的数据传输效率，从而使得高速移动多媒体通信系统成为 可能。m p e g 和h 系列是当今主流的两大压缩格式。m p e g - 4 是针对一定比特率下的视音 频编码，更为注重多媒体系统的交互性与灵活性。m p e g - 4 的传输速率在4 8 0 0 b p s 6 4 0 0 b p s 间，分辨率是1 7 6 1 4 4 ，它能够利用较窄的带宽运用帧重建技术来进行数据压缩和数据传 1 5 浙江工业大学硕士学位论文 输，以此可以用最少的数据获得最佳的图像质量。为了能够满足多媒体应用中逐渐增长的 视频数据传输量，就必须有一种更高的压缩编码，m p e g ( m o v i n gp i c n 鹏e x p e r tc 的u p ) 运动图像专家组与v c e g ( v i d e oc o d i n ge x p e r tg r o u p ) 视频编码专家组一起研发出一种码 率低质量高的视频压缩编码标准h 2 6 4 。h 2 6 4 具有如下特点： ( 1 ) 较高的视频压缩率 在相同画质的情况下，h 2 6 4 压缩方式能够比m p e g 2 平均节约6 4 的码流，相对于 m p e g - 4 平均节约4 0 。此压缩比使得高清视频在无线网络上能够进行传输，特别是窄带 情况下h 2 6 4 的优势显得更加明显。 ( 2 ) 抗丢包和抗误码特性 h 2 6 4 的编码方式具有相关性，某一帧出现的错误会直接影响接下去一块数据的正确 性，为了减小该相关性导致的错误，h 2 6 4 把图像分为一个或者多个独立的片，通过重同 步方式来降低相关性对误码的持续影响。除此之外h 2 6 4 运用灵活宏块排序来提高解码时 错误的恢复能力。 ( 3 ) 较强的网络适应性 h 2 6 4 提出了v c l 与n a l 两个概念性的编码层，从而方便信息的封装与更好的优先 级控制。h 2 6 4 把连续的视频数据分割成n a l 单元，从而更有利于网络的流媒体传输与分 组传输。 多媒体通信的时空同步技术伴随着多媒体技术的发展。在移动多媒体通信过程中，信 道的多经效应会给多媒体的传输带来巨大的困难，核心网络的延时以及拥塞也将影响信息 的同步，于是实现多媒体通信中的同步问题显得异常重要。对于多媒体通信来说，同步是 建立在不同层次基础之上，根据层次化来分析各种相关的因素，以此找到正确的解决方法。 下图2 1 1 为一个四层同步模型，如下所示： 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 多媒体场景多媒体应用 应用层 f上 l 时域定义方案上 描述层 1r j 对象层表现层 同步机制 1r 流层 会话层 媒体层 传输层 网络层 链路层 物理层 时域参考框架 四层同步参考框架七层网络协议模型 图2 - 1l 为一个四层同步模型 为实现同步还需要进行规划，这称之为调度。同步机制首先生成某种调度方案，该调 度方案同将要进行处理的多媒体数据有着直接关系，其次，同步机制需要按照同步容限和 多媒体数据的特点申请必须的资源。然后，在执行调度方案中同步机制会根据同步容限的 要求完成对偏差的控制，从而维持多媒体数据的时域关系。 在对移动信号的发射和接受中，由于移动信道传输信道的恶劣性，必须要有一套高效 的纠错编解码技术，因此通信设备必须具有很强的信号处理能力。另外多媒体信息中的实 时性业务需要很高的信息传输速率，这也要求通信设备具有高速的处理能力。于是高速信 号处理技术也是移动多媒体通信中的重要环节。 2 2 2 多媒体信息传输技术 多媒体信息传输技术主要是指：射频技术、多址方式以及调制方式【9 】。 c d m a 是第三代移动通信具有代表性的多址接入方式。c d m a 可以提高用户接入的 灵活性，而且在多小区组网的环境下能够有比较好的频率复用系数，其最大数据传输速率 为2 m b s ，能够满足多媒体通信的需求，能够成为移动多媒体的接入方式。在第3 代移动 通信系统中使用的是2 g h z 频段，有部分建议让移动多媒体使用的通信频段是2 5 g h z 和 5 g h z 的频段，但是其传播特性不是很理想。如今有很多机构在研究1 7 g h z 甚至更高频段 的应用。 正交频分复用( o f d m ) 技术的特点是可以用低复杂度有效地降低无线信道中的多径 1 7 浙江工业大学硕士学位论文 衰落问题。o f d m 是一种很特殊的多载波传输技术，其将一部分较宽的传输带宽割成互相 正交的多载波的子载波，在子载波里面，信号被认为是平坦衰落的，如此o f d m 能够降低 频率选择性衰落。o f d m 的各个子载波相互交叠，如此o f d m 就具有了较好的频率利用 率和系统容量。o f d m 的子载波信道的符号传输速率比较低，具备较长的符号周期，可以 有效的减少多径干扰的影响。除此之外，每一个o f d m 符号前有循环前缀，同样可以削弱 多径干扰的影响。随着o f d m 的多数问题被解决，使得o f d m 技术的应用进一步广泛。 2 2 3多媒体信息软件技术 移动多媒体系统的操作平台和中间件研究也是移动多媒体技术的一个关键领域。在高 层次的操作系统方面，l i n u x 的裁剪与移植的需求量很大，尤其针对不同的平台，在移植 过程中，需要做大量的研究工作，其涉及到系统的体系架构、软件体系定义、系统的稳定 性能、软件运行效率和功能拓展性。因此必须从算法、中间件以及应用层各个方面进行分 析。其内容主要包括：基于f r e e s c a l e 的懈3 l 的l i m 多媒体平台的设计和优化， 尤其是对此操作系统的不同应用的平台搭建和可靠性问题；基于t i3 2 0 的l i n u x 多媒体 平台的设计与优化，即对此操作系统的不同应用的平台搭建和可靠性问题；基于上述平台 的w i n d o w sc e 的移植以及应用系统的设