[01077023]提高移动通信系统容量及数据传输速率的理论与芯片设计

更高的通信质量和系统容量是移动通信发展不断追求的重要目标。随着数字移动通信技术的发展，移动数据传输业务迅速增长。由于频率资源非常有限，采用无线信道传输数据信号，例如2.5G的GPRS系统，其传输速率比有线信道低很多。这意味着无线上网必然产生用户难以容忍的时间迟延。在满足一定的误码率要求的前提下，如何提高系统容量及数据传输速率，是近年来该领域国内外的研究热点。该研究的目的是：在不增加系统带宽的前提下，利用极化分集和数字信号处理技术，通过设计研制两种专用芯片以提高数字移动通信系统的容量和数据传输速率。研究内容包括以下三个方面①系统总体方案设计(包括可视化程序设计)②基站专用芯片(B芯片)设计、移动台专用芯片(M芯片)设计；③天线系统及支持软件系统设计；应用前景：该研究的最终成果是两种芯片，即基站专用芯片(B芯片)，移动台专用芯片(M芯片)，以及相关支持软件。B芯片用于基站的每一个信道，M芯片用于手机。根据有关统计资料，中国移动公司和中国联通公司目前拥有大约5万个基站，移动用户总数1.3亿。近十年来，中国的移动用户数以每年80％-200％的速度扩大规模。由于目前国际国内还没有这种专用芯片，因此该产品的潜在市场将是十分巨大的。在移动通信过去蓬勃发展的10年中，为了扩大系统容量、增加市场占有率，移动公司不惜投入巨资花费几亿乃至几十亿美圆更新设备。如果采用该系统，每个基站只需配备B芯片和分集天线系统，用户手机配置M芯片，就可使数据传输速率和系统容量提高到3-6倍，而达到这样的效果其投资规模只占更新设备总投资的20％左右。保守地估计，在4-6年内，该产品中M芯片将有1.2亿－1.5亿片的需求量，B芯片有300－500万片的需求量。符合国家产业政策和技术政策情况：近年来，中国信息技术发展突飞猛进，数字蜂窝移动通信和固定电话通信服务业已成为带动其他经济发展的新的经济增长点。西部大开发，信息产业是龙头产业，研究开发具有自主知识产权的通信芯片，对西部的经济发展必将产生巨大的影响。该项研究不仅完全符合国家的产业和技术政策，也属于该市产业开发重点和技术优先发展领域。国家主席江泽民同志和国务院总理朱镕基同志多次在不同场合强调信息技术对于带动中国其它工业经济发展的促进作用。国内外现状及发展趋势：在这一领域，美国贝尔实验室和哈佛大学目前处于国际最领先地位。他们在GSM900MHz和CDMA1800MHz两种系统进行试验，试验结果表明数据传输速率提高了3倍，这一研究结果使国际移动通信界专家们大为震惊。国际最权威的科学杂志《Nature》曾对此作了详细的报道。他们下一步的计划是，先设计相关软件和信号处理系统，然后进行系统优化，计划在2005年5月形成产品投放市场。课题组通过长期跟踪该领域国际国内的研究动态，通过分析和研究，提出适合中国、东南亚及欧洲移动通信发展特点的设计方案。其研究内容包括芯片设计(M芯片和B芯片)、分集天线设计和支持软件设计。目前正通过系统仿真和计算机的模拟，证明设计方案的可行性，并编制相关软件，深入分析研究。主要技术内容、研究方法及技术路线：1．主要技术内容移动通信的发展追求更高的通信质量和更大的系统容量。为了实现这一目标，可以采用高效的调制解调方式、编码方式、多址方式、以及小区复用方式。同时可以通过动态的分配发射功率和信道，达到有效的降低系统干扰、提高通信质量、扩大系统容量的目的。在该项目中，课题组的总体方案是：在不改变原有移动通信网营运总带宽与每个信道分配带宽的前提下，利用电磁波在散射环境产生的附加极化，通过极化分集的方式，配合特殊的天线与芯片系统使每个信道在原有频带上获得3-6个独立通道。这样对于每个移动用户，当进行一些大数据量的通信传输时(如多媒体通信、无线上网)可以将原来大量的串行数据并行的发送到若干个极化独立通道上去，大大的提高了通信速率；对于整个系统而言，相当于获得了更多的可以接入用户的独立信道，即更大的系统容量，从而满足了通信网络对容量和质量的更高的要求。2．实现方案采用B芯片与M芯片后，基站与移动台的功能框图只要在现有的移动台加入M芯片，在基站的每一信道对应的收发系统中加入B芯片，再配合相应的支持软件，就可以将一路串行信号在原有信道上(带宽、时隙、码序列)通过几个独立的极化通道进行并行传输，使系统的传输速率与系统容量得到提高。3．工作过程：移动台开机后始终监测各个可用信道以及这些信道的极化通道的状况，同时基站也不断监测各个信道。通信链路建立之前，移动台与基站进行协商，依照预先制定的算法，以干扰最小或系统容量最大为准则，选择信道。通信中，移动台与基站仍然实时的检测信道使用情况，根据业务负载与信道分配及干扰情况，动态地调整所使用的信道。当综合计算系统各个参数后，可能需要将正在使用的信道上的业务转换到新的极化通道上去，以提高通信质量或系统容量。这时为保证通信的连续性与可靠性，采用一种所谓的软极化切换方式进行，即在转换极化通道前移动台与基站选定将要切换的极化通道，然后移动台使用这两个极化通道与基站进行通信，当新的极化通道上通信链路完全建立之后再切断旧链接，释放原有极化通道。综上所述，该项目的研究内容是：1)研制基站用B芯片。2)研制手机用M芯片。3)设计相关支持软件。4)设计专用的天线系统。4．采用的技术路线与研究方法：M芯片与B芯片：在移动台与基站中需要相应的专用控制芯片，实现所需的信号处理过程。如极化通道通信质量的检测，极化信道的选择以及数据的串\并转换等等。根据现有移动通信系统的体制规范与信号处理方式，研究极化检测的具体实施方法与控制算法，研制DSP系统。先以DSP的方式对极化信道检测、信道选择以及数据的串\并转换等信号处理过程进行实现。使用TI<'TM>的TMS320C54x的定点DSP上实现，编译环境为TMS320C54x的codegeneratortools最新版本3.5版，调试环境为含一片c541的EVM板及Emulator调试器。将DSP的实现方式转入ASIC的设计，定型投片，以芯片的形式最终实现设计功能。天线系统：该方案是通过极化分集来实现传输速率与系统容量的提高的，针对这样一种特殊的极化分集方式需要特殊的天线形式。课题组在设计天线系统时充分地考虑到移动通信用户对通信终端体积的要求，也就是说，将尽可能的在满足各种技术要求的同时，减小其尺寸。相关支持软件：实现这一方案需要基站控制系统采用相关的支持软件。课题组将研究现有的控制算法与程序，添加相应的模块，以尽可能小的系统开销实现控制算法。5．技术成熟性与可靠性：以上方案的理论基础是相当成熟的，目前的主要任务在于需要一种特定的天线结构以及相应的信号处理系统来实现。随着通信频带进一步向更高的频率范围扩展，天线系统的尺寸可以进一步减小，通过合理设计，其天线大小完全能够与移动台相匹配；信号处理系统的设计工作主要集中于DSP系统的实现以及设计专用芯片，以形成最终产品。6．预期成果形式及技术水平：①全套设计方案(包括基站和移动台)。②可视化软件。⑧M处理芯片和B处理芯片设计。以上技术水平和设计紧跟国际水平，属于国内首创。市场分析预测：在4－6年内，该产品中M芯片将有1.2亿-1.5亿片的需求量，B芯片有300－500万片的需求量。中国目前拥有各类手机用户1.3亿，近十年来，以80％-200％的速率扩大规模。如果在香港或台湾进行芯片加工，在批量生产的情况下，估计每个芯片成本约7美元，售价约15美元。整个过程可分为四个阶段：1．方案设计、系统仿真，开发相应的支持软件；2．天线系统设计与并/串变换的DSP实现；3．芯片设计(通过吸引投资，以公司的方式运作)投片和外协加工；4．开发市场，扩大应用。预期经济、社会效益：该项目彻底完成后，可形成具有自主知识产权的两种芯片，每年供应移动设备生产商100－150万片；年产值：(100万－150万)×15美元=1500－2250万美元；年利润：(100万－150万)×8美元=800－1200万美元；社会效益评价：该研究项目符合节约能源，环境保护，维护生态平衡，资源保护及综合利用的原则，而且对西部大开发、西安经济发展，全面提升西安在西北地区IT科技发展中的带头作用，提高社会经济科技水平具有重要的影响和意义。