CC BY
15Специализированный микропроцессор для вычисления переменного шага изменения мощности передатчика
подвижной станции
Бирюков П.Г. ([email protected] )
ЮникАйСиз, Москва
В системах сотовой связи (ССС) с кодовым разделением каналов (КРК) управление мощностью (УМ) передатчика подвижной станции (ПС) является одним из методов борьбы с замираниями сигнала, основной причиной которых является многолучевое распространение радиоволн. В [1] замкнутая петля УМ передатчика ПС обеспечивает передачу команд УМ от базовой станции (БС) к ПС с частотой 800 команд/с с целью установки необходимой мощности передатчика ПС для обеспечения постоянства уровня сигнала на входе приемника БС при быстрых изменениях этого уровня.
Формирование команд УМ на основе ошибки УМ (разницы между требуемым и истинным значением отношения сигнал-помеха на входе приемника ПС) осуществляется в идеальном ограничителе. Поэтому вероятностные характеристики апериодического случайного процесса на выходе ограничителя связаны с вероятностными характеристиками пересечения заданного уровня ("0") случайным процессом (ошибкой УМ), действующим на входе данного ограничителя [2].
Формирование на БС команд УМ одного знака, принимаемых ПС, позволяет использовать переменный шаг ИМ для сокращения длительности сохранения знака ошибки УМ, отражающей длительность замирания сигнала на входе приемника БС.
Примем, что величина шага ИМ AP изменяется по закону возрастающей арифметической прогрессии с параметром прогрессии 5a :
N ~
ZAP (n03) = D, (1)
поз =1
где D - сумма прогрессии, N - число членов прогрессии, AP (.)- члены прогрессии
(величина переменного шага ИМ), AP (1) - первый член этой прогрессии, n03 - текущее
значение числа команд одного знака, принятых ПС, определяемое с помощью следующего выражения:
[поз(k -1) +1 если s(k) = s(k -1),
n03(k) Hi (, ) ^ (, 1) (2)
[1, если s(k) Ф s(k -1),
где s(k)- команда УМ на k -том интервале УМ, принимающая значение "+1", если требуется
увеличить мощность передатчика ПС, и "-1" - в противном случае.
Введем следующие ограничения на величину шага ИМ: шаг ИМ принимает минимальное значение АРмин при n03 > N и шаг ИМ не может принимать сколь угодно
большое значение, т.е.
AP(n03 ) = тт{АРмакс, АРмин + 5а (n03 - 1)} • (3)
В [3-6] последовательность команд УМ представлялась чередующейся последовательностью блоков команд одного знака, разделенных последовательностью блоков команд противоположного знака, и число членов прогрессии N определялось по доплеровскому расширению спектра сигнала.
Последовательность команд УМ может быть представлена и иным способом, а именно, последовательностью перекрывающихся комбинаций элементов [7]. В этом случае в последовательности п -элементных комбинаций (независимо от знака элемента) соседние комбинации отличаются друг от друга только одним элементом.
На рис. 1 представлено эмпирическое распределение частот р(п) перекрывающихся п -элементных комбинаций, образованных командами УМ одного знака, полученное в результате имитационного моделирования обратной линии ССС с КРК [1] с замкнутой
петлей УМ с фиксированным шагом ИМ АР = 1 дБ. Оценка частот р(п) производилась по выборке, объемом 48000 команд УМ, что соответствует 60 с времени сеанса связи. Анализ рис. 1 показывает, что распределение частот р (п) зависит от доплеровского расширения спектра сигнала /доп.
'доп = 0Г^
и = 10Гч
'„пп = 20 Гц доп 4
'„пп = 30 Гц доп ч
ип = 40 Гц доп ^
= 50 Гц ДОП 1
ип = 60 Гц доп 4
ип = 70 Гц ДОП 4
'„пп = 100 Гц доп ч
и = 130 Гц доп ч
ип = 200 Гц доп ч
= 300 Гц доп ^
Рис. 1. Эмпирическое распределение частот перекрывающихся п -элементных комбинаций одного знака (канал с релеевскими замираниями)
Представление потока команд УМ, принимаемых ПС, последовательностью перекрывающихся п -элементных комбинаций одного знака, позволяет получить рекуррентные выражения для изменяющегося в процессе сеанса связи эмпирического
распределения частот р(п) перекрывающихся п -элементных комбинаций, образованных командами УМ одного знака, и числа последовательно принятых ПС команд УМ одного знака, для которых шаг ИМ является переменным (числа членов прогрессии)
Н(к) = 2 £ (^п(р (%) - Р0) +1), (4)
2 ]=1
где т - максимальное учитываемое в вычислениях число элементов в перекрывающейся комбинации, р(^)(к)- вектор, образованный значениями р(п) на к -том интервале УМ, Р0-пороговое значение эмпирического распределения частот перекрывающихся п -элементных комбинаций одного знака.
Вектор р определяется на к -м интервале УМ следующим образом:
- вычисляется вектор-строка y(k), элементы которого у(j) равны единице в диапазоне индексов j , удовлетворяющих условию 1 < j < n, и равны нулю для n < j < m ;
- вычисляется вектор-строка Л03 (k) = Л03 (k -1) - у(k - W) + y(k), где W - число последних принятых подвижной станцией команд УМ, использующихся для вычисления эмпирической функции распределения перекрывающихся n -элементных комбинаций, образованных командами УМ одного знака;
- вычисляется вектор p как поэлементное отношений двух векторов Л03 (k) и
b = [W ,W - 1,...,W - m +1].
Сумму прогрессии D можно определить по интенсивности флуктуаций мгновенных значений огибающей сигнала как отношение к-квантиля и (1-к)-квантиля функции распределения значений уровня сигнала или по выражению D = KN, где K > AP (1). В первом случае величина D является постоянной величиной при релеевских замираниях сигнала.
Применение указанных подходов в определении суммы и числа членов прогрессии позволяет разработать два алгоритма УМ с переменным шагом ИМ передатчика ПС, в которых:
- число членов прогрессии N определяется по распределению частот перекрывающихся n -элементных комбинаций, образованных командами УМ одного знака, а сумма прогрессии D - по функции распределения амплитуды сигнала прямой линии;
- число членов прогрессии N и сумма прогрессии D определяются по распределению частот перекрывающихся n -элементных комбинаций, образованных командами УМ одного знака.
В качестве одного из основных направлений схемной реализации указанных алгоритмов УМ может рассматриваться использование ресурсов ПС за счет перепрограммирования имеющегося в ПС микропроцессора, в результате чего дополнительно к выполняемым им функциям добавляются операции, выполняемые при вычислении шага ИМ.
Чтобы определить, обладает ли имеющийся в ПС микропроцессор (МП) необходимой производительностью, использован пакет программ ARM Software Toolkit Version 2.0 в составе ARM Project Manager и ARM Debugger [8]. Выбор данного программного продукта обусловлен использованием компанией Qualcomm, являющейся основоположником системы сотовой связи с КРК и мировым лидером в разработке устройств для этой технологии, процессоров фирмы Advanced RISC Machines, Ltd (ARM, Ltd) в модемах ПС [9]. Так, например, в модемах, предназначенных для ПС второго поколения (стандарт IS-95), MSM3100 [10], разработанных в 1999 г., используется МП ARM7TDMI, производительность которого может достигать 120 MIPS [11]. В модемах серии MSM7xxx [12] для ПС следующего поколения, используются процессоры ARM1136J-S [13] производительностью порядка 400 MIPS.
Максимальная вычислительная сложность алгоритма УМ с определением числа членов прогрессии N по распределению частот перекрывающихся n -элементных комбинаций одного знака, а суммы прогрессии D - по функции распределения амплитуды сигнала прямой линии, составляет 3,73 MIPS при максимальном числе элементов в перекрывающейся комбинации, образованной командами УМ одного знака, m =8. При m =12 максимальная вычислительная сложность составляет 4,53 MIPS, при m =16 - 5,32 MIPS. Полученные результаты свидетельствуют практически о линейной зависимости вычислительной сложности алгоритма от максимального числа учитываемых элементов в перекрывающейся n -элементные комбинации m (вычислительная сложность увеличивается на 0,2 MIPS при увеличении m на единицу).
Аналогично оценивается максимальная вычислительная сложность алгоритма УМ с определением числа членов прогрессии N и суммы прогрессии D по распределению частот перекрывающихся n -элементных комбинаций, образованных командами УМ одного знака: 3,77 MIPS при m =8, 4,58 MIPS при m =12 и 5,37 MIPS при m =16, что примерно на 0,05 MIPS больше, чем для предыдущего алгоритма УМ. Увеличение вычислительной сложности объясняется вычислением суммы прогрессии D на каждом интервале УМ (800 раз в сек), тогда как в алгоритме с определением суммы прогрессии как отношение к-квантиля и (1-к)-квантиля функции распределения значений уровня сигнала значение D равно постоянной величине (в случае релеевских замираний).
Так же получено, что средняя вычислительная сложность алгоритмов УМ с переменным шагом ИМ при обработке команд УМ, принимаемых ПС, оказывается примерно в 2 раза меньше, чем максимальная вычислительная сложность.
Возможность реализации алгоритма УМ без внесения изменений в архитектуру ПС определяется количеством свободного ресурса ПС, который можно для этой задачи задействовать.
Сравнивая вычислительную сложность алгоритмов УМ с переменным шагом ИМ с производительностью МП [11], приходим к выводу, что реализация алгоритмов УМ посредством перепрограммирования имеющегося в ПС микропроцессора (в результате чего дополнительно к выполняемым им функциям добавляются операции, выполняемые алгоритмом УМ) приводит к потреблению не более 6% (при максимальном числе элементов в перекрывающейся комбинации, образованной командами УМ одного знака, m =12) ресурсов МП. При реализации на перспективных микропроцессорах ARM1136J-S эта доля окажется в несколько раз меньше.
Расширение услуг, предоставляемых средствами сотовой связи абонентам, предъявляет новые требования к МП, применяющимся в ПС, причем это отражается не только на повышении производительности, но и на функциональных возможностях [11,13]. Вместе с этим растет энергопотребление МП - 0,06 мВт/МГц у ARM7TDMI [11] и 0,6-0,8 мВт/МГц у ARM1136J-S [13] при изготовлении с топологическими нормами 0,13 мкм.
Поэтому в ПС третьего поколения разработанные алгоритмы УМ будут занимать меньше свободного ресурса МП, но при этом возрастет энергопотребление МП. Следует ожидать, что использование современного (или перспективного) МП окажется "энергетически" нецелесообразным.
В связи с этим разработаны требования на специализированный МП (рис. 2) с необходимым быстродействием и сравнительно простыми возможностями, предназначенным для реализации алгоритма УМ.
Новый МП должен содержать следующие основные аппаратные блоки (операционные и интерфейсные части):
- арифметическо-логическое устройство (АЛУ), выполняющее операции сложения, вычитания, сдвига и логические операции;
- умножитель, позволяющий в десятки раз уменьшить число тактов процессора, за которые выполняется умножение, по сравнению с программной реализацией команды умножения [14,15];
- внутреннюю (внутрикристальную) оперативную память (ОП) для хранения результатов вычислений;
- внутреннюю (внутрикристальную) постоянную память (1111) для хранения программной реализации алгоритма УМ, тип ПП - программируемое маской на предприятии-изготовителе;
- регистры общего назначения (РОН), используемые для хранения операндов и результатов выполнения команд, а также для формирования адреса при обращении к данным в памяти;
- шину данных для обмена данными между РОН, ОП и на внешнее устройство ввода/вывода;
- шину адреса для передачи адреса в ОП, ПП или схему ввода-вывода;
- схему ввода-вывода, обеспечивающую прием микропроцессором команд УМ и выдачу вычисленного значения шага ИМ;
- схему управления расходом энергии, изменяющую частоту тактового генератора.
Сравнение архитектуры известных МП показывает, что управляющая функциональная
часть МП может быть типовой и, поэтому, не рассматривается. По этой же причине не рассматриваются такие типовые элементы архитектуры МП, как регистр состояния (регистр флагов) и счетчик команд.
Анализ программного обеспечения, описывающего разработанные алгоритмы УМ, позволил сделать вывод о том, что восьми регистров общего назначения оказывается достаточным для выполнения МП требуемых вычислений.
Разрядность регистров, шины данных определяется данными, которые должен обрабатывать МП, разрядность шины адреса - объемом памяти, требуемым для хранения данных.
Из (3) следует, что значение шага ИМ выражается вещественным числом.
Арифметические и логические операции с плавающей точкой можно выполнять путем их программной эмуляции в командах МП арифметики с фиксированной точкой. Таким способом, например, осуществляются вычисления в микропроцессорах ARM [16]. Настройки компилятора позволяют перед компиляцей исходной программы (написанной на языке Си) указать, что вычисления с плавающей точкой должны производиться в процессоре ARM. Для программной эмуляции существует специальный библиотечный модуль "fplib". При программной эмуляции не требуется создание команд МП для выполнения действий с вещественными числами, а все вычисления осуществляются с целочисленными регистрами.
Естественно ожидать, что выполнение арифметических операций с плавающей точкой посредством их программной эмуляции в командах МП арифметики с целыми числами потребует больше времени, чем при выполнении аппаратными средствами. Несмотря на это при загрузке числа из памяти в регистр МП арифметики с плавающей точкой это число автоматически преобразуется в вещественный формат независимо от исходного формата, а при записи в память осуществляется обратное преобразование в формат получателя, что увеличивает время выполнения команд загрузки и запоминания двоичных целых чисел [14,15]. В целом быстродействие МП арифметики с плавающей точкой при выполнении арифметических операций оказывается ниже МП арифметики с целыми числами [14,15]. Поскольку в разработанных алгоритмах УМ арифметические и логические операции выполняются преимущественно над целыми числами, то предпочтительным является выбор типа МП - с фиксированной точкой.
Емкость ОП определяется количеством и разрядностью данных, необходимых для хранения в процессе выполнения алгоритма УМ. При определении с помощью ARM Project Manager требуемая емкость ОП составляет порядка 19 кбайт при хранении двухбайтных данных в каждой ячейке. Согласно [15] разрядность шины адреса в данном случае равна 14.
Размер ПП определяется размером кода программной реализации алгоритма УМ, который приближенно равен 20,5 кбайта при определении с помощью ARM Project Manager.
В результате, функциональная схема МП может быть представлена, как показано на рис. 2.
Схема ввода-вывода преобразует бит УМ в шестнадцатиразрядный формат представления данных МП, а так же осуществляет преобразование вычисленного значения переменного шага ИМ в требуемый формат данных, зависящий от конкретной архитектуры ПС (на рис. 2 в качестве иллюстрации показано, что схема ввода-вывода преобразует значение шаг ИМ в тридцатидвухразрядный формат).
Поскольку вычислительная сложность разработанных алгоритмов УМ зависит от результата выполнения той или иной операции сравнения и в среднем примерно в два раза меньше максимальной, то после вычисления значения переменного шага ИМ схема управления расходом энергии переводит МП в режим ожидания. В режиме ожидания тактовый генератор выключается до поступления в МП запроса на выдачу значения переменного шага ИМ. Аналогичный режим работы реализован с помощью специальной команды в [17,18].
Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:
1. Оценка вычислительной сложности разработанных алгоритмов УМ передатчика ПС системы сотовой связи с КРК, использующие переменный шаг ИМ, показывает, что требуемая производительность МП должна составлять 5 MIPS.
2. Анализ производительности МП, использующихся в ПС, предназначенных для работы в ССС второго и третьего поколения, показал, что вычислительная сложность разработанных алгоритмов УМ составляет не более 6% от производительности МП, широко использующихся в ПС, предназначенных для работы в ССС второго поколения. Это соотношение оказывается в несколько раз меньше при сравнении с производительностью перспективных МП, предназначенных для использования в ПС ССС третьего поколения.
Сравнение ресурсов ПС с требованиями в части реализации разработанных алгоритмов УМ позволяет сделать вывод о том, что разработанные алгоритмы УМ реализуемы посредством перепрограммирования имеющегося в ПС МП, в результате чего дополнительно к выполняемым им функциям добавляются операции, выполняемые алгоритмом УМ.
Это означает, что реализация в ПС разработанных алгоритмов УМ, не приводит к конструктивным изменениям архитектуры ПС.
3. Анализ технических характеристик МП, использующихся в ПС ССС с КРК, показал, что с увеличением производительности МП растет энергопотребление (частично снижаемое переходом на более совершенные технологии изготовления). Поэтому в ПС третьего поколения разработанные алгоритмы УМ будут занимать меньше свободного ресурса МП, но при этом возрастет энергопотребление МП. В связи с этим целесообразным оказывается использование специализированного МП с низким энергопотреблением (МГц/мВт) за счет обладания сравнительно простыми возможностями, предназначенными для выполнения алгоритма УМ.
4. Разработанные алгоритмы УМ реализуются на специализированном МП, архитектура которого содержит следующие основные операционные и интерфейсные части: 16-разрядные АЛУ с умножителем для выполнения вычислительных и логических операции с фиксированной точкой, восемь 16-разрядных РОН, 14-разрядную шину адреса и 16-разрядную шину данных, схему ввода-вывода, преобразующая бит УМ в формат представления данных МП и значение переменного шага ИМ в требуемый формат данных конкретной архитектуры ПС, схему управления расходом энергии, ОП емкостью 19 кбайт и ПП емкостью 20,5 кбайта.
Рис. 2. Функциональная схема микропроцессора
Список литературы
1. Physical layer standard for cdma2000 spread spectrum systems. - TIA/EIA/IS-2000-2. -March, 1999.
2. Левин Б.Р. Теоретическое основы статистической радиотехники. - М.: Сов. радио, 1974. - Книга первая. - 552 с.
3. Бирюков П.Г. Управление мощностью передатчика подвижной станции системы сотовой связи с КРК переменным шагом УМ замкнутой петли // Аспирант и соискатель. -2002. - №4. - С. 168-171.
4. Бирюков П.Г. Эффективность замкнутой петли управления мощностью в обратной линии // Электросвязь. - 2002. - №10. - С. 17-18.
5. Бирюков П.Г. Использование двубитовой команды в алгоритме УМ с переменным шагом // Телекоммуникационные и вычислительные системы. Тез. докл. научн. конф. 27 ноября 2002 г. - Москва. - 2002. - С. 152-153.
6. Бирюков П. Г. Улучшение отношения сигнал-помеха за счет применения двубитовой команды в алгоритмах управления мощностью передатчика подвижной станции // Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук: Тез. докл. XLV научная конф. МФТИ 29-30 ноября 2002 г. -Долгопрудный. - 2002. - С. 35.
7. Венедиктов М.Д. и др. Дельта-модуляция. Теория и применение. - М.: Связь. - 1976. -
272 с.
8. ARM software development toolkit. Version 2.0. Reference manual (document number: ARM DUI 0020D) / Advanced RISC Machines Ltd (ARM), June 1995. - 470 p.
9. QUALCOMM licenses next-generation ARM core [Электронный ресурс]: press release / QUALCOMM Incorporated. - October 15, 2002. - Режим доступа: http://www.cdmatech.com/
news/releases/2002/021015_arm.jsp. - Загл. с экрана. - яз. англ.
10. MSM3100 mobile station modem [Электронный ресурс] / QUALCOMM Incorporated. - USA, June 2003. - Режим доступа: http://www.cdmatech.com/solutions/pdf/msm3100.pdf.
11. ARM7 Family Flyer [Электронный ресурс] / Advanced RISC Machines Ltd. - Режим доступа: http://www.arm.com/miscPDFs/4490.pdf. - Загл. с экрана. - Яз. англ.
12. MSM7xxx Series Chipset Solution. Overview [Электронный ресурс] / QUALCOMM Incorporated. - USA. -http://www.cdmatech.com/solutions/products/msm7xxx_chipset_solution.jsp. - Загл. с экрана. -Яз. англ.
13. ARM11 Family [Электронный ресурс] / Advanced RISC Machines Ltd. - Режим доступа: http://www.arm.com/products/CPUs/families/ARM11Family.html. - Загл. с экрана. -Яз. англ.
14. Григорьев В. Л. Архитектура и программирование арифметического сопроцессора. -М.: Энергоатомиздат, 1991. - 208 с.
15. Калабеков Б.А. Микропроцессоры и их применение в системах передачи и обработки сигналов: Учеб. пособие для вузов.-М.: Радио и связь, 1998.-368 с.
16. ARM architecture reference manual (document number: DUI0100D) / Advanced RISC Machines Ltd (ARM), Feb. 2000. - 759 p.
17. R8830LV. 16-Bit RISC microcontroller user's manual (final version 1.9) / RDC Semiconductor Co., Ltd, January 5, 2004. - 107 p.
18. MIPS32 4KEc processor core datasheet, revision 02.00 / MIPS Technologies Inc., November 8, 2002. - 43 p.
