（通信与信息系统专业论文）gu双模基站双主通信及链路的研究与实现.pdf

摘要 摘要 基站在移动通信系统中占有很重要的位置，但随着通信技术的发展，移动通 信出现了多种制式并存的情况，双模基站就是基于两种不同制式的移动通信系统 而设计的。 分离式双模基站是基于g s m 和u m t s 两种不同制式设计的，通过软件和硬 件的改进使两种制式能组合成一个系统，实现了两种制式之间的通信，保证了基 站协调工作，避免冲突。本文主要对双模基站的双主通信和链路进行了深入分析 研究和实现。双主通信是两种制式基站系统的主控单元之间的数据交换，主要通 过协商机制完成数据通信、参数的确定、时钟提取等。双模基站系统中的软件链 路着重分析了在双模系统中基于主备模式实现的双模基站对公共部件的消息传递 和h d l c 链路在双模基站中的应用。 此外，实现了一种对u m t s 下行链路信道估计的简单模型仿真，提供了一种 简单的信道估计方法，大大降低了信道估计中的计算量。 关键词：双模基站链路h d l c 信道估计 a b s t r a c t a b s tr a c t t h eb a s es t a t i o ni sv e r yi m p o r t a n ti nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m h o w e v e r , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n , av a r i e t yo fs t a n d a r d sh a v eb e e n p r o p o s e d d u a l m o d eb a s es t a t i o ni sb a s e do nt w ok i n d so fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m d u a l m o d eb a s es t a t i o nd e s c r i b e di nt h i sp a p e ri sb a s e do ng s ma n du m t s ，t h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r ei si m p r o v e dt oe n s u r et h a tt w od i f f e r e n tb a s es t a t i o n sc a nb e c o - o r d i n a t i o na n dc o m m u n i c a t en o r m a l l y t l l i sp a p e ra i m sa tp r o v i d i n gn o to n l yt h e d e t a i l e da n a l y s i so ft h ed o u b l e - m a s t e r - c o m m u n i c a t i o nb u ta l s ot h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fs o r w a r el i n ki nd u a l - b a s es t a t i o n d o u b l e - m a s t e r - c o m m u n i c a t i o ni s d e s i g n e dt oi m p l e m e n tt h ed a t ac o m m u n i c a t i o n ，p a r a m e t e r sd e t e r m i n a t i o n , a n dc l o c k e x t r a c t i o nb e t w e e nt w os y s t e m st h r o u g ht h en e g o t i a t i o nm o d u l e a n dt h es o f t w a r el i n k i nd u a l - m o d eb a s es t a t i o ni n c l u d e sh d l cl i n ka n dt h ed a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w e e n m a s t e rc o n t r o l l e ra n de l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n t ， i na d d i t i o n ，as i m p l em o d e lo ft h ec h a n n e le s t i m a t i o ni nu m t sd o w n l i n ki s s i m u l a t e d ， a n dan e wm e t h o dr e d u c e dt h ec o m p m a t i o n mb u r d e ni sg i v e na n d s i m u l a t e d k e y w o r d s ：d u a l - m o d eb a s es t a t i o n l i n kh d l cc h a n n e le s t i m a t i o n 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 獬 日期鞘 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期泼脾缉相 醐号o 第一章绪论 第一章绪论 1 1 移动通信的发展 移动通信可以说从无线电发明之日就产生了。蜂窝移动通信的发展是从二十 世纪七十年代中期以后开始的。移动通信综合利用了有线、无线的传输方式，为 人们提供了一种快速便捷的通讯手段。随着技术的发展和业务需求的增加，移动 通信从最初的模拟通信系统发展到现在的数字移动通信系统，成为社会日常生活 中重要的组成部分。移动通信发展的历史说明了移动通信是在需求的牵引或推动 下不断发展的，每一代的变革又与技术上的突破密切相关，归纳起来移动通信的 发展大致可以分为四个阶段： 1 、第一代模拟移动通信系统 第一代移动电话网的建设由于受到技术发展的制约，电话的接续工作是由人 工操作来完成的。移动用户主要是和有线网用户相连接，所使用的终端体积庞大、 笨重而且昂贵，网络服务区也仅限于单个基站的覆盖范围。由于第一代系统的可 用频率少，没有使用蜂窝技术，因而系统的容量有限，服务质量也不好。随着集 成电路的发展和蜂窝技术的提出，使移动通信有了一个新的发展，这个时期系统 的主要技术是模拟调频、频分多址，以模拟方式工作，被称为蜂窝式模拟移动通 信系统。由于第一代以f d m a 技术为基础的模拟移动通信系统频谱利用率低，容 量有限，且制式太多不容易兼容等原因， 应运而生。 2 、第二代数字移动通信系统 第二代移动通信系统是以数字传输、 数字蜂窝移动通信系统的研制和发展便 时分多址、码分多址为主体技术，制定 了更加完善的呼叫处理和网络管理功能，克服了第一代移动通信系统的不足之处， 可与窄带综合业务数字网兼容，较模拟系统有着无可比拟的优越性。第二代移动 通信系统除了传送语音外，还可传送数据业务。目前主要的数字蜂窝系统有g s m 、 c d m a 等。 3 、第三代移动通信系统 第三代移动和个人通信系统需要有更大的系统容量和更灵活的高速率、多速 率数据的传输，除了语音业务外，还能传送2 m b i t s 的高质量活动图像，真正实 现“任何人在任何地点、任何时间可以同任何对方进行任何形式的通信 的目标。 第三代移动通信网将是一个特别庞大的、全球统一的移动通信网络，系统容量可 以满足全球人口的需求。 国际电信联盟( i t u t ) 综合各国标准化组织提出的建议不断地制定和完善 2 g u 双模基站双主通信及链路的研究与实现 第三代移动通信标准i m t - 2 0 0 0 ，形成了最具代表性的i m t - 2 0 0 0 技术标准： w c d m a ( 宽带码分多址) 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。 4 、未来移动通信的发展 目前通信技术和计算机技术、语音业务以及数据业务在不断地融合，无线互 联网、移动多媒体已初见端倪。关于未来移动通信的发展可以基本肯定，移动通 信网络将向全p 化的方向演进。在此过程中，在移动网络上的业务将逐步呈现分 组化特征，而网络结构将逐步实现以p 方式为核心的模式【2 4 1 。 1 23 g 标准的种类和功能 1 、w c d m a 技术体制 w c d m a 的核心网基于g s m g p r s 网络的演进，保持与g s m g p r s 网络的 兼容性。核心网络可以基于t d m 、a t m 和p 技术，并向全m 的网络结构演进。 核心网络逻辑上分为电路域和分组域两部分，分别完成电路型业务和分组型业务。 i 瓜a n 基于a t m 技术，统一处理语音和分组业务，并向d 方向发展。m a p 技 术和g p r s 隧道技术是w c d m a 体制移动性管理机制的核心。 空中接口特性如下： ( 1 ) 空中接口：采用w c d m a ； ( 2 ) 信号带宽：5 m h z ； ( 3 ) 码片速率：3 8 4 m o p s ( 4 ) 语音编码：a m r 语音编码； ( 5 ) 同步方式：支持异步基站运营模式； ( 6 ) 功率控制：上下行闭环加外环功率控制方式； ( 7 ) 发射分集方式：下行包括开环发射分集和闭环发射分集，提高u e 的接收 性能；开环发射分集又包括空时发射分集s t t d 和时分发射分集t s t d ；而闭环 发射分集也包括两种模式；发射分集是可选项： ( 8 ) 解调方式：导频辅助的相干解调方式，提高解调性能； ( 9 ) 编码方式：卷积码和t u r b o 码的编码方式； ( 1 0 ) 调制方式：上行b p s k 和下行q p s k 调制方式。 2 、c d m a 2 0 0 0 技术体制 c d m a 2 0 0 0 体制是基于i s 一9 5 的标准基础上提出的3 g 标准，目前其标准化 工作由3 g p p 2 来完成。电路域继承2 gc d m a 网络。分组域是基于m o b i l ei p 技 术的分组网络。无线接入网以a t m 交换机为平台，提供丰富的适配层接口。空 中接口特性如下： ( 1 ) 空中接1 2 ：采用c d m a 2 0 0 0 ，兼容i s 9 5 3 第一章绪论 ( 2 ) 信号带宽：n x1 2 5 m h z ( n = 1 ，3 ，6 ，9 ，1 2 ) ； ( 3 ) 码片速率：n 1 2 2 8 8 m o p s ； ( 4 ) 语音编码：8 k 1 3 kq c e l p 或8 ke v r c 语音编码； ( 5 ) 同步方式：基站需要g p s 同步方式运行； ( 6 ) 功率控制：上下行闭环加外环功率控制方式； ( 7 ) 发射分集方式：下行可以采用正交发射分集o t d 和空时扩展分集s t s ， 提高信道的抗衰落能力，改善了下行信道的信号质量； ( 8 ) 解调方式：上行采用导频辅助的相干解调方式，提高了解调性能； ( 9 ) 编码方式：采用卷积码和t u r b o 码的编码方式； ( 1 0 ) 调制方式：上行b p s k 和下行q p s k 调制方式。 3 、t d s c d m a 技术体制 t d s c d m a 第三代移动通信标准是信息产业部电信科学技术研究院( 现大唐 移动通信设备有限公司) 在国家主管部门的支持下，根据多年的研究而提出的具 有一定特色的3 g 通信标准。t d s c d m a 系统全面满足i m t - 2 0 0 0 的基本要求。 采用不需配对频率的t d d ( 时分双工) 工作方式，以及f d m a 仃d m c d m a 相 结合的多址接入方式。同时使用1 2 8 m o p s 的低码片速率，扩频带宽为1 6 m h z 。 t d s c d m a 系统还采用了智能天线、联合检测、同步c d m a 、接力切换及 自适应功率控制等诸多先进技术，与其它3 g 系统相比具有较为明显的优势，主 要体现在： ( 1 ) 频谱灵活性和支持蜂窝网的能力 t d s c d m a 采用t d d 方式，仅需要1 6 m h z ( 单载波) 的最小带宽。因此 频率安排灵活，不需要成对的频率，可以使用任何零碎的频段，能较好地解决当 前频率资源紧张的矛盾；若带宽为5 m h z 则支持3 个载波，在一个地区可组成蜂 窝网，支持移动业务； ( 2 ) 高频谱利用率 t d s c d m a 频谱利用率高，抗干扰能力强，系统容量大，适用于人口密集的 大、中城市。 传输对称与非对称业务。尤其适合于移动i n t e m e t 业务( 它将是第三代移动 通信的主要业务) ； ( 3 ) 适用于多种使用环境 t d c d m a 系统全面满足u 的要求，适用于多种环境。 ( 4 ) 设备成本低 设备成本低，系统性能价格比高。具有我国自主的知识产权，在网络规划、 系统设计、工程建设以及为国内运营商提供长期技术支持和技术服务等方面带来 方便，可大大节省系统建设投资和运营成本。三种主要技术体制的对比情况如表 4 g u 双模基站双主通信及链路的研究与实现 1 1 表所示2 1 。 1 3 论文研究的背景和意义 3 g p p 和3 g p p 2 制定的演进策略总体上都是渐进式的，双模基站的开发有利 于移动通信系统从2 g 到3 g 的平滑演进，从而实现多网的覆盖，有利于保证现有 投资和运营商利益，有利于现有技术的平滑过渡，可以充分利用现在的第二代网 络及其基础设施为向第三代通信过渡提供更有效、更便利的资源。 表1 13 种3 g 标准技术表 制式w c d m ac d m a 2 0 0 0t d s c d m a 采用国家欧洲、日本美国、韩国中国 继承基础 g s m 窄带c d m a g s m 同步方式异步 同步异步 码片速率 3 8 4 m o p s n x1 2 2 8 8 m e p s 1 2 8 m o p s 信号带宽 5 m h zn 1 2 5 m h z1 6 m h z 空中接口w c d m ac d m a 2 0 0 0 兼容i s - 9 5t d s c d m a 核心网 g s m m a pa n s i - 4 1g s m m a p 1 4 论文研究的主要工作和内容安排 论文主要工作为： l 、g u 双模基站双主通信相关技术的研究； 2 、g u 双模基站双主通信及其相关硬件通信的软件实现； 3 、g u 双模基站双主通信软件的集成与测试，以及测试结果的分析； 4 、u m t s 链路模型信道估计的仿真。 各章节安排： 第一章简要介绍了移动通信系统的发展历程，并对3 种3 g 标准的技术体制 和本文研究背景进行了概述。 第二章简要介绍整个w c d m a 网络结构系统和网络结构功能。 第三章具体描述了g u 双模基站构架、基本的工作方式、双主通信和软件链 路的研究和实现。 第四章对u m t s 下行链路信道估计进行仿真，并与简单模型信道估计进行比 较。 第二章w c d m a 中的关键技术和系统框架 第二章w c d m a 中的关键技术和系统框架 u m t s ( u n i v c r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) ，即通用移动通信系统。 u m t s 是国际标准化组织3 g p p 制定的全球3 g 标准之一。作为一个完整的3 g 移 动通信技术标准，u m t s 并不仅限于定义空中接口。它的主体包括c d m a 接入 网络和分组化的核心网络等一系列技术规范和接口协议。除w c d m a 作为首选空 中接口技术获得不断完善外，u m t s 还相继引入了t d s c d m a 和h s d p a 技术。 本文所论述的是基于g s m 网络基础结构和w - c d m a 空中接口的u m t s ，因此以 下统称u m t s 系统为w c d m a 系统。 2 1w c d m a 中的关键技术 l 、同步技术 w c d m a 是异步系统，这与其它的系统如i s 9 5 ，d m a 2 0 0 0 等有本质的区别， 但是它对同步的要求更高。w c d m a 系统的同步包括：小区搜索、码片同步、频 率同步、相位同步。因为是异步系统，所以w c d m a 的小区搜索分为3 步： ( 1 ) 获得时隙同步； ( 2 ) 获得帧同步与确定扰码组，在这一步，u e 要用ss c h 信道找到帧同步， 并确定已经获得时隙同步的下行扰码所在的扰码组号； ( 3 ) 确定扰码，利用第二步得到的帧同步信息，用扰码组中的扰码分别与 c p i c h 信道进行相关，从中选出主扰码。 小区搜索获得当前n o d e b 的帧同步，确定扰码后，就可以获取超帧同步，系 统信息和小区特有的b c c h 广播控制信道，信息就可以读取了。 码片同步是利用跟踪技术，尽可能地使接收端解调的p n 码与发射端的p n 码对齐，可以达到1 2 c l l i p ，1 4 c 螂或更高的同步性能。 频率同步是利用a f c 使接收端的频率与发射端的频率尽可能一致，a f c 将 约3 p p m 的频差矫正在0 1 p p m 的频差之内。 相位同步是利用信道估计的平滑、差值等方法，对接收信号的相位做前向估 计，纠正相位偏差。 2 、多径信道和r a k e 接收机 移动通信的主要特征之一是多径传播，传播过程中会遇到很多建筑物及起伏 地形的影响，从而引起能量的吸收或电波的反射、散射及绕射等情况。在移动环 境中，接收机接收信号是来自许多路径的反射波的合成，由于电波经历的路径不 同，信号到达接收机的时间和相位也不同，这些信号叠加在一起，接收信号的幅 度发生急剧的变化，即为多径衰落，多径衰落的深度可达2 0 3 0 d b 。同时在多径 6 g u 双模基站双主通信及链路的研究与实现 传播环境中，由于移动台的运动，接收信号还会发生多普勒频移，所以在多径移 动环境中，同时存在时延扩展和多普勒频移，即在时域和频域都发生了扩散，发 生频谱的交叠。w c d m a 系统中带宽远远大于信道的平坦衰落带宽，因而多径信 号相互间的时延超过了一个码片周期时，可以将它们看成不相关的噪声，r a k e 接收机是采用分集接收的思想，将接收到的多径信号分离成不相关的多路信号， 将多路分集信号按照某种规则合并起来，使接收的有用信号能量最大，从而提高 接收端的信干比。r a k e 接收机根据系统设计的不同有不同的接收径数，目前较 多的有4 径、6 径、8 径的r a k e 接收机。w c d m a 系统r a k e 接收机如图2 1 所示。 r a k e 接收机所做的就是：通过多个相关检测器接收多径信号中的各路信号， 并把它们合并在一起。图2 1 所示为一个r a k e 接收机，它是专为c d m a 系统设 计的经典的分集接收器，其理论基础就是：当传播时延超过一个码片周期时，多 径信号实际上可被看作是互不相关的。 i 图2 1w c d m a 中r a k e 接收机框图 3 、差错控制编码 数字信息在有噪声的信道中传输时，误码总是不可避免的，尤其在移动通信 环境中，信道状况恶劣，因此如何有效地控制误码率至关重要。在第三代移动通 信系统中，采用更强的差错控制编码技术，尤其采用了适用于数据业务的t u r b o 第二章w c d m a 中的关键技术和系统框架 7 编码，与其它系统相比，大大降低了相同信干比下的误码率。考虑到t u r b o 码的 译码复杂度大、译码时延大等原因，在语音和低速率等对译码时延要求比较苛刻 的数据链路中使用卷积码。 4 、w c d m a 中的其它技术 智能天线技术是w c d m a 系统中的增强技术，它包括两个重要的作用：一方 面对来自移动台的多径电波的方向进行到达角估计，并进行空间滤波，抑制其它 移动台的干扰，另一方面是对基站发送的信号进行波束形成，使基站发送信号能 够沿着无线电波的到达方向发送至移动台，从而降低发射功率，减少对其它移动 台的干扰。 功率控制被认为是所有关键技术的核心。如果小区中的所有用户均以相同功 率发射信号，则靠近基站的移动台到达基站的信号强，而远距离到达的弱信号将 会淹没在此强信号之中，这便是“远近效应 。这种“远近效应 是w c d m a 系 统所不能接受的，因为w c d m a 系统的所有用户共用同一频率形成白干扰，无法 保证高质量通信。功率控制技术就是要使所有用户到达基站的信号强度相等。根 据主从关系功率控制可分为正向功率控制和反向功率控制，而反向功率控制又可 分为仅由移动台参与的开环功率控制和移动台、基站同时参与的闭环功率控制。 h s d p a ( 高速下行分组接入) 技术是提高w c d m a 网络高速数据传输速率最 为重要的技术，因而使本系统较其它高数据率技术更富有竞争力。它不但支持高 速不对称数据服务、大大增加网络容量，同时还能使运营商投入成本最小化。 2 2w c d m a 网络体系结构和接口 2 2 1w c d m a 的网络体系结构 w c d m a 第三代移动通信系统通常称其为u m t s 系统，采用了与第二代移动 通信系统类似的结构，包括无线接入网络r a n 和核心网络c n 。无线接入网络处 理所有与无线有关的功能，核心网络处理w c d m a 通信系统内所有话音呼叫和数 据连接，并实现与外部网络的交换和路由功能。c n 从逻辑上分为电路交换域c s 和分组交换域p s 。u t r a n 、c n 与用户设备u e 一起构成了整个w c d m a 通信 系统。 2 2 2w c d m a 网络系统基本接口 w c d m a 网络体系结构如图2 2 所示，其中： ( 1 ) c u - c u 接1 ：3 是u s i m 卡和m e 之间的电气接口，c u 接1 3 采用标准接1 ：1 ； ( 2 ) u u ：u u 接1 ：3 是w c d m a 的无线接口。u e 通过u u 接e l 接入到u m t s 系 g u 双模基站双主通信及链路的研究与实现 统的固定网络部分，可以说u u 接口是u m t s 系统中最重要的开放接口； ( 3 ) i u ：i u 接口是连接u t r a n 和c n 的接口； ( 4 ) i u r ：i u r 接口是连接r n c 之间的接口，i u r 接口是u m t s 系统特有的接口， 用于对r a n 中移动台的移动管理； ( 5 ) i u b ：i u b 接口是连接n o d e b 与r n c 的接口，i u b 接口也是一个开放的标 准接口 2 0 】。 u ul u i i ： l n o d ebi 、田i ：网 口： i n o d ebp 爿r n i 一 il l u b l n o d eb 卜 、ir n c s g r nii g g r h i n o d ebp 1 。l lil 。“厂一l 。“r 1! il _ 一l 。 ll u t r a n j lc n 图2 2w c d m a 网络体系结构 2 3w c d m a 网络结构功能 1 、u e 功能 u e 是用户终端设备，它主要包括射频处理单元、基带处理单元、协议栈模 块以及应用层软件模块等。l i e 通过u u 接口与网络设备进行数据交互，为用户提 供电路域和分组域内的各种业务，包括普通话音、宽带话音、移动多媒体和i n t e m e t 应用( 如e - m a i l ，f t p 等) 2 1 。 2 、i 瓜a n 基本结构和功能 u t r a n 包含一个或几个无线网络子系统( r n s ) ，如图2 3 所示。一个r n s 由一个无线网络控制器( i 斟c ) 和一个或多个基站( n o d e b ) 组成。r n c 与c n 之间的接口是i u 接口，n o d e b 和r n c 通过i u b 接口连接。在u t r a n 内部，无 线网络控制器( r n c ) 之间通过i u r 互联，i u r 可以通过r n c 之间的直接物理连 接或通过传输网连接。r n c 用来分配和控制与之相连或相关的n o d e b 的无线资 源。n o d e b 则完成i u b 接口和u u 接口之间的数据流的转换，同时也参与部分无 线资源管理。 n o d e b 是3 g 通信系统中的基站( 即无线收发信机) ，包括无线收发信机和基 带处理部件，其通过标准的i u b 接口和r n c 相连，主要完成u u 接口物理层协议 第二章w c d m a 中的关键技术和系统框架 9 的处理，它的主要功能是扩频、调制、信道编码及解扩、解调、信道解码，还包 括基带信号和射频信号的相互转化等功能。 r n c 是无线网络控制器，主要完成连接建立、断开、切换，宏分集合并，无 限资源管理控制等功能。具体如下： ( 1 ) 执行信息系统广播与系统接入控制功能； ( 2 ) 切换和r n c 重定位等移动管理功能； ( 3 ) 宏分集合并、功率控制、无线承载分配等无线资源管理和控制功能。 图2 3u t r a n 体系结构 3 、核心网 ( 1 ) m s c v l r 是w c d m a 核心网c s 域功能节点，提供c s 域的呼叫接续、 移动性管理、鉴权和加密等功能： ( 2 ) g m s c 是w c d m a 移动网c s 域与外部网络之间的网关节点，完成v m s c 功能中呼入呼出的路由功能； ( 3 ) s g s n 是w c d m a 核心网p s 域功能节点，提供p s 域的路由转发、移动 性管理、会话管理、鉴权和加密等功能： ( 4 ) g g s n 是网关g p r s 支持节点，提供数据包在w c d m a 移动网和外部数 据之间的路由和封装 2 们。 第三章g u 双模基站取主通信与链路研究 第三章g u 双模基站双主通信与链路研究 31w c d m a 单模基站原理框图 根据w c d m a 中基站的作用，将基站分成若干组成部分，每一部分都有各自 的任务特点，各个部分之间互相协同作业。根据3 g p p 中规定的n o d e b 的作用将 w c d m a 中的基站分为主控单元、传输单元、基带单元、射频单元、天馈单元等， 如图3 1 所示。 算爿臼目目畔 = 叶卜一_ 旧m e 芭i i j 引l = = ：； 一一i j 卜t 4 * - 4 8 图3 1 n o d e b 组成框图 1 、主控制单元 主控制单元主要负责基站内部各单板的维护、调试和配置等功能。主要可以 分为： ( 1 ) 信令处理，主要是i u b 接口的信令处理； ( 2 ) 配置管理和资源管理： ( 3 ) 执行操作维护功能，接收维护终端下发的操作维护命令，对整个基站实 现操作维护： ( 4 ) 产生并提供整个基站的工作参考时钟： ( 5 ) 监控基站的工作状态； ( 6 ) 提供基站输入输出控制接口。 2 、传输单元 传输子系统主要由l u b 接口板组成，i u b 接口板包含n d t i n a o i n u t i 。传输 1 2 g u 双模基站双主通信及链路的研究与实现 子系统的主要功能是提供与r n c 的接口，完成基站与r n c 之间的信息交互。主 要功能有： ( 1 ) 提供n o d e b 和r n c 的接口； ( 2 ) 通过内部a t m 总线接口与基带子系统和控制子系统相连，完成n b a p 预处理，传输n o d e b 与r n c 的交互信息； ( 3 ) 根据单板差异分别提供e 1 t 1 a t m 光接口i p 作为基站与r n c 的物理接 口。支持为机房等其它设备提供传输通道。 3 、基带处理单元 基带子系统的主要功能包括下行发送、上行接收的物理层处理以及物理层的 闭环处理。其工作过程为： ( 1 ) 下行发送处理过程：基带子系统从传输子系统接收数据包，进行信道编 码、下行调制等，然后完成基带子系统到射频子系统的下行数据分配； ( 2 ) 上行接收处理过程：接收来自射频子系统的上行基带数据，基带子系统 完成解调、译码处理，再以包形式传送至传输子系统； ( 3 ) 物理层的闭环处理过程：包括灿信息的闭环处理、上下行物理层闭环功 率控制处理、下行的闭环发射分集处理。这些闭环处理过程从上行接收的信息中 解调得到相关的控制信息，这些信息包括捕获增益信息( 触) ，上行的u e 发射功 率控制信息( 上行t p c ) ，下行的基站发射功率控制信息( 下行t p c ) ，反馈信息 ( f b i ) ，然后将这些信息直接传送给下行发送通道。 4 、射频单元 射频单元主要包括上行信号处理和下行信号处理两部分： ( 1 ) 上行信号处理：通过天馈子系统接收信号，然后经过滤波、信号放大、 下变频，a d c 、数字下变频、匹配滤波和d a g c 处理，最后提供给基带子系统； ( 2 ) 下行信号处理：将基带子系统提供的下行数据经过成形滤波、数字上变 频、d a c 、中频模拟信号放大、模拟信号上变频，形成w c d m a 发射频段的射 频小信号，经过放大后通过天馈子系统发射出去。 5 、天馈单元 天馈子系统由天线、馈线、塔放( 可选) 等组成。 天线主要用来接收u e 发射过来的上行信号和发射n o d e b 输出的下行信号。 天馈系统除天线外的其它部分主要用来传输天线和n o d e b 之间的射频信号，其中 塔放对接收的上行信号进行了一定的放大。 另外天馈系统对n o d e b 还有一定的雷电保护作用，天馈系统中的避雷器将非 常大的雷电流导通到地面，从而大大减小了到达n o d e b 的雷电流。 对于一些公共机电部件设备，如电源系统( p m u ) ，温度控制系统( c m u ) 和环境控制系统( e m u ) 也是n o d e b 基站中不可缺少的部分，它们为基站的正 第三章g u 双模基站双主通信与链路研究 1 3 常运行提供电压，环境监控和温度检测。 3 2u m t s g s m 双模基站基本框图 3 2 1 双模基站的基本框图 双模基站采用的是分离式架构，g s m 和u m t s 系统完全采用各自单模状态 下的结构，硬件上采用背板连接g s m u m t s 的主控板单元，各基站系统使用各 自的传输单元和基带单元，共用r r u 和一些公共机电部件。分离式双模架构的 软件基本分为g s m 和w c d m a 两种制式，由于硬件上的限制，需要在两个主控 端进行必要的通信，对于电源系统、环境监控系统、温度监控系统等公共部件， 由c a n b u s 公共控制单元进行集中控制。整体双模构架如图3 2 所示。 图3 2 双模基站的基本原理框图 从图3 2 中可以看出分离的双模基站是有两种不同制式的系统组合而成的， 每种制式都有各自完整的系统，双模系统从软件上将两种不同制式的系统简单的 结合到一起。从图3 2 中还可以看到，在主控单元通过双模通道实现两种制式的 信息交互，在射频单元，虽然是共用的射频单元，但是其处理同样是分开进行的， 只是从设计上弥补了双模系统的一些固定缺点，实现了两种制式的协同工作，合 理地分配公共的资源。 1 4 g u 双模基站双主通信及链路的研究与实现 3 2 2 双模基站主控单元的软件构架 主控单元的软件构架同样是在单模软件架构的基础上实现两者的信息通信， 如图3 3 所示，可以看到每个系统都有各自的o m 模块和数据中心，主要是增加 公共控制单元的软件框架，并实现两种制式的o m 模块间的信息通信。 维护终端维护终端 r n c g b t s o mn o d e b o m ii li 习j k 1 ，乙n 廿a a 打j 程由1 、a 靠堤由一、j p 、毫墨盐! ： ：o ：巡丝! ：0 l”l j c a n - b u s 1 。“ 公共控制单元 s c p d n b a p 射羽l o m 图3 3g u 双模基站的主控单元的软件构架 g b t s 和n o d e b 软件分别运行在不同的硬件上，两者之间是相互独立的，功 能单元完全按照g s m 和w c d m a 原来的方式单独运行，两种制式间只通过一条 双模通道进行必要的通信，对于公共的基站维护设备则是通过公共控制单元 c a n b u s 模块进行操作，通过c a n b u s 对如环境监控仪，电源监控仪等设备的 操作控制，来保证基站的正常工作。 3 2 3 双模基站主控单元的主备模式 在单模的情况下为了保证可靠、健壮的通信状态，采用双主控板方式来维护 基站的正常通信。基站在正常工作的情况下，通常是两个主控板在硬件上保证工 作状态的一主一备，主用主控板处于正常工作状态，维护基站工作。但是，在主 用主控板出现异常工作流程的情况下，备用主控板会代替主用主控板，主备机制 的使用可以保证基站在系统出现严重问题时能及时地切换主控单元，保证正常运 行。 g u 双模的情况下，由于g s m 和w c d m a 处于完全独立的工作状态，而且 由于基站的工作状态可能处于不同的工作模式，g ( 单模) 、u ( 单模) 和g u 双模， 每种模式都能保证基站的正常工作状态，g 和u 单模的情况下，基于主备模式可 第三章g u 双模基站双主通信与链路研究 1 5 以理解为两个相同制式的主控单元。双模的情况下，g 和u 主控单元是分离的工 作状态，从而g s m 和w c d m a 两种制式都要求工作在主用状态。由于是在单模 的基础上实现的双模系统，所以硬件上仍然规定只能有一个主用主控板，因此在 双模基站中，通过高层软件对硬件的补充实现两种制式的主控都能工作在主用， 而且，双模中不同于单模情况的是，由于存在两种不同的需要同时正常工作的制 式，所以应当避免主备转化，两种制式始终工作在主用状态，即禁止主备倒换。 上述分析可以看出，双模基站在不同工作模式转化的情况下，物理层和应用 层对于主备倒换实现不同的处理，在如下假设的场景下描述物理层和应用层的协 作处理：双模情况下，两个主控单元都在位，且在物理层w 制式主控板处于备用 状态，g 制式主控板处于主用状态，在g 端主控单元失去主用地位后( 如掉电， 复位等) ，w 制式的主控单元将会由备变主，由于在双模情况下，主控板禁止主 备倒换，此时底层的主备倒换不会触发高层注册的主各倒换。如果此时只有一种 制式的存在，则基站的工作模式已经变为单模，在高层软件中应允许主备倒换， 来确保基站的正常运行。 3 2 4 双模基站的工作模式 为了保证基站工作在单模、g u 双模情况下各主控板高层软件能按正确的主、 备用状态正常初始化和工作，两端主控板需要确定基站工作制式。如w 主控板的 公共机制模块初始化时会从底层软件读取对方主控板的制式，基站工作模式计算 规则参见表3 1 ，根据表3 2 的计算规则决定基站的工作模式并按此工作模式启动 初始化，正常启动以后w 主控板软件周期地( 周期为1 秒) 从底层软件读取对方 主控板的制式，并根据对端主控的制式判定本板的工作模式为单模还是双模。 表3 1 基站工作模式计算规则 对板类型g s m 制式主控板w 制式主控板 未知 基站工作模式双模单模 单模 表3 2 主控板工作主备状态计算规则 基站工作模式双模 单模( 物理状态为主)单模( 物理状态为各) 主控板软件主各工作状态 主主 各 3 3 双模基站的双主通信机制 由于双模基站是由分离的两个系统组成的，其中g s m 和u m t s 的两个主控 板分别用来控制各自的基站系统。要实现双模基站的统一工作，两个主控单元之 间的通信是必不可少的，其中包括双模基站双主通道的建立、协商模块和在协商 1 6 g u 双模基站双主通信及链路的研究与实现 模块基础上实现的时钟协商机制，另外主控单元对基带板的制式管理也是双主通 信重要的组成部分。 3 3 1 双模基站主控板间的数据通道 引入双模后，对于两种模式共用的硬件，其配置、状态情况对两种制式都产 生一定的影响。例如时钟源的管理，双模基站硬件要求能且只能配置一个8 k h z 外部时钟源，如果g s m 制式主控板配置了一个时钟源，并且g s m 制式主控板主 控管理这个8 k h z 时钟源，w 制式主控时钟源则需要向g s m 主控时钟锁相。运 行过程中，如果g p s 时钟源发生频偏告警，不但影响g s m 的业务也会影响w 制 式主控板的业务。因此需要将g s m 制式主控板产生的时钟告警信息传给w 制式 主控板，需要在g 与w 的主控之间建立一条传送时钟状态信息的通道。双模通 道的建立正是保证两种制式之间的数据传输，它为两块主控板之间的通信搭建起 了数据桥梁，包括协商模块在内的双模通信都是以它为通道实现数据的互通。 实现两种制式之间信息互通的方法是由公共机制模块实现两个主控板之间的 通路建立、链路类型的创建、维护和数据收发的处理，向高层提供服务端口。g s m 与u m t s 的高层软件自定义应用层的消息格式，底层通路采用p c 通信方式，自 定义帧格式。 两个主控板板间双模通道的实现原理如图3 4 所示。从图3 4 中可以看出， w c d m a 和g s m 两种制式高层应用软件通过通信服务端口实现和m a c 层的连 接，在物理层实现消息的互通，通信服务端口通过c a n 管理归属模块注册在高 层控制软件中，以此实现层与层之间的通信。在物理层通过建立i d x l 数据通道 来传递数据。 在双模通道的软件的实现过程中，主要考虑的是两个方面的内容：一是消息 传递的格式和顺序，二是建立通道过程中的软件链路的维护工作。双模通道实现 方案如图3 5 所示，两种制式的主控单元通过高层软件向链路层中的双模通道发 送消息，由于消息格式的不同，故在高层软件和双模通道之间通过消息适配层进 行数据的转换。层与层之间实现双工通信，而双模通道的建链过程是通过握手方 式实现面向连接的通信。 第三章g u 双模基站双主通信与链路研究 1 7 图3 4 双模通道的实现原理图 双模通道链路的握手机制不同于t c p 协议中的3 次握手含义，提供不可靠的 传输。本端主控单元每隔1 s 向对端主控板发送握手请求，如果对端主控板在1 s 内回响应，则认为本次握手成功，同时把连续握手失败次数清零，累计握手成功 图3 5 双模通道的软件实现架构 的次数；否则认为握手失败，累计握手失败的次数，同时把连续握手成功次数清 零。如果连续5 次握手失败则认为链路断，连续2 次握手成功则认为链路恢复。 如图3 6 所示。， 由双模通道主动发起的链路握手用于检测双模通道链路的状态，链路通为双 模通道通信的首要条件，否则将上报链路状态断给高层控制软件。两端主控单元 传递的消息是否需要重发由高层保证，双模通道只负责消息的发送，消息的重发 取决于本端是否能检测到对应发送消息的响应帧，而对端会在收到消息帧的同时 发送响应帧。 1 8 g u 双模基站双主通信及链路的研究与实现 握手正常 次 次 链路状态由通变断链路状态由断变通 图3 6 双模通道建链的握手机制 3 3 2g u 双模基站的主控单元协商机制 等待一秒 等待一秒 连续成功 2 次链路状态 有断变通 由于两个不同制式的基站要组成统一的工作基站，因此对于两个基站来说不 同参数要协调统一。例如，对于不同制式基站的公共设备的初始化参数，在双模 基站正常工作的情况下要保持一致，否则对同一基站设置不同的参数，会使整个 系统陷入崩溃，因此在双模系统对于两个系统相关的参数进行设置时要进行双方 参数的协商，最终使参数达成一致，保证系统正常工作。双主通信就是实现两种 不同制式的主控单元进行参数协商的机制，通过协商使双模基站的两端参数配置 达成一致。协商模块根据情形的不同，主要分为启动协商和参数协商。 1 、启动协商 如图3 7 所示，启动协商是基站在启动过程中确定第一启动者的模块，因为 在系统初始时，要确保两种制式都处于正常的工作状态，对于启动较早的单模系 统来说，就会提前发出启动协商的请求，等对端启动完成后两者会通过启动协商 机制比较两种制式的一些基本信息，如软件版本号、各自的工作制式以及启动时 间等。软件版本号的比较主要是确保两端的软硬件相同，判断是否能够进入正常 的工作状态，相互工作制式的协商是得到两端的工作制式，并根据表3 1 计算基 站的工作状态为单模还是双模，以此为根据决定主控对基带单元、传输单元等的 控制方式。 从图3 7 中可以看到，如果主控单元假设为b 先启动，初始就进入启动协商 状态，定时向a 端发送协商信息交互请求消息，a 端在收到信息交互请求消息后 就向b 端发送成功响应消息，在b 端等待请求消息响应超时后会进入协商消息等 待状态，等待a 端发送过来的协商请求消息。由于在双模基站中无法确定哪个系 统能首先发出协商信息请求消息，因此，两个单模基站启动后都会进入协商