WIND-FLEX的系统结构及其应用场合

    作者：成都电子科技大学通信与信息工程学院信息所   罗微   吴诗其

    摘要：WIND－FLEX是一种新型的高比特速率、高频谱效率、灵活可配置的17GHz调制调解器结构，可为本地／SOHO户内环境提供网络的无线接口。

    分析了WIND-FLEX的系统结构，并探讨了其应用场合。

    要害词：WIND-FLEX正交频分复用物理层／媒体接入层／数据链路层

    近年来，对高速率、高质量无线局域网技术的市场需求推动了自适应和可配置调制解调器的研究与开发。

    ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ(ＷｉｒｅｌｅｓｓＩｎｄｏｏｒＦｌｅｘｉｂｌｅＨｉｇｈ Ｂｉｔｒａｔｅ Ｍｏｄｅｍ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ)是由欧州ＩＳＴ(Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ)于２０００年６月启动的一个项目，采用了１７ＧＨｚ无线载频，有灵活的无线接口方案，可在极高连接速率 (１００Ｍｂｐｓ以上)进行有效通信。ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ的重点是ＯＳＩ分层的第一层(即物理层ＰＨＹ)和第二层(即媒体接入层ＭＡＣ和数据链路层ＤＬＣ)。在一个合理的复杂情况下，可通过一个联合优化自适应系统获得可靠的性能。该系统包括多址方式、调制和编码(可变码速和分组长度的Ｔｕｒｂｏ编码)，以及均衡和解码。基于用户的需求和信道条件，物理层输入比特速率是可变的(６４ｋｂｐｓ～１５０Ｍｂｐｓ)。系统灵活性通过正交频分复用(ＯＦＤＭ)获得。

    ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ把空中信道分为４个波束，每个波束信道提供的最大速率为２１５Ｍｂｐｓ，其总的传输效率高于ＩＰ层的１００Ｍｂｐｓ。ＭＩＮＤ－ＦＬＥＸ技术能根据时变信道的条件、有效负荷和ＱｏＳ需求，动态优化其基带、ＲＦ和ＭＡＣ／ＤＬＣ参数，目的是保证在最小的功率消耗下获得系统所需性能，同时维持与其它基于ＯＦＤＭ技术的无线局域网标准(如８０２．１１ａ、ＨＩＰＥＲＬＡＮ／２)的兼容性。

    图1  WIND-FLEX基带结构

    １ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ物理层结构

    ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ物理层的主要特征是：

    (１)使用ＯＦＤＭ技术，子载波数为１２８；

    (２)每个ＯＦＤＭ子载波根据信道状态信息合理调整调制类型(如ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ等)；

    (３)采用时分多址(ＴＤＭＡ)接入方案，每个时隙都有一个固定的时间长度，但就单个子载波而言，依据所采用的调制方式(在某一时刻)，运载的比特数量是可变的。

    ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ系统主要的物理层参数如表１所示。

    表1  WIND-FLEX主要的物理层参数

    １．１基带结构

    ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ基带结构是基于Ｔｕｒｂｏ编码、ＯＦＤＭ调制，用于实时系统优化的控制单元(参见图１)。

    可利用的子载波调制方案是ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ和６４ＱＡＭ。星座在各种方案中自适应选择；可变数量的子载波能被自适应控制。为维持处理功率，采用了可伸缩的ＩＦＦＴ／ＦＦＴ结构。

    ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ采用的编码方案是一个并行的卷积Ｔｕｒｂｏ编码，可利用的编码速率是１／２、２／３、３／４，数据包的长度自适应，主要依靠于编码速率、星座大小和运行子载波数量。ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ的物理层帧结构如图２所示。

    ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ控制器(ＳＰＶ)的功能是在当前给定的信道条件下，用最小的传输／处理功率，满足来自ＭＡＣ层的ＱｏＳ需求。为达此目的，ＳＰＶ寻找传输系统最好的配置，为信息的传递设置最合适的参数。

    优化过程依靠于信道的互反性假设。由于ＴＤＭＡ／ＴＤＤ帧结构的固有属性，以及采用单个发射天线，这个假设是成立的。同时，信道的互反性也答应采用开环的自适应方案。

    １．２ＲＦ／ＩＦ结构

    ＯＦＤＭ能较好地压制相位噪声，且在高阶星座(如６４ＱＡＭ)具有稳定的频率特性，是ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ系统的一项重要技术。基于低设计成本的ＲＦ结构(如图３)和ＩＦ结构能获得较低的相位噪声和极高的频率稳定性。就滤波器而言，宽信道带宽(即５０ＭＨｚ)并不一定要求昂贵的元件(如ＳＡＷ或陶瓷滤波器)，基于微带或离散设备的低成本滤波器也能在这个设计中使用。

    ＩＦ部分在带宽２５ＭＨｚ～７５ＭＨｚ被给定了一个５０ＭＨｚ的ＯＦＤＭ频谱。ＩＦ末端的功率级在８／－３８ｄＢｍ。信道选择由基带控制，并通过一个Ｉ２Ｃ的总线，在带宽１７．１ＧＨｚ～１７．３ＧＨｚ时混合成最终频率。功率控制也在基带完成，发射功率在－２０／１０ｄＢｍ范围。参数选择以信道质量为基础。在ＳＯＨＯ户内环境，低的发射功率是必要的。这会导致一个更低的功率消耗和最小化同信道干扰。

    由于ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸＲＦ部分的最高频率是１７ＧＨｚ，所以振荡器对相位噪声十分敏感。为了不对诸如６４ＱＡＭ的传输性能造成重大影响，ＲＦ部分的设计和开发考虑了当前的响应与特定的控制板相联系。为了增加其自由度，ＲＦ部分具有功率补偿功能，整个ＲＦ盒的功率消耗低于５．５Ｗ。

    另外，已开发出两种不同的ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ天线模型：一种是单板模型，在定向模式有３ｄＢ的增益，将在原型机的测试过程使用；另一种模型是一个六面体结构，在每个面包含一个序列的反馈天线。这个模型可满足３ｄＢ增益的需要，是ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ采用的一种全向模式，其尺寸和重量还可以继续改进。

    ２  ＭＡＣ／ＤＬＣ层结构

    ２．１媒体接入层(ＭＡＣ)

    在ＭＡＣ层，比特传输采用时分多址方式。时间轴被分成许多帧，每帧又分为１７８个时隙，其特征是；

    (１)在一个固定的时间间隔(约２．８μｓ)，要求一个帧的长度约等于０．５ｍｓ。

    (２)被传送的比特数量是可变的。这个数量依靠于自适应无线传输模型（由调制和信道编码方案组成），且通过一个合适的接口，在物理层和ＭＡＣ层间进行通信。

    ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ在ＭＡＣ层采用Ｓｌａｖｅ－Ｍａｓｔｅｒ切换机制。Ｍａｓｔｅｒ完成同步和区群之间的协作，负责分配共享的无线资源；Ｓｌａｖｅ积极地参与通信，并将ＩＰ数据报视作唯一能到达上层的数据源。Ｍａｓｔｅｒ和Ｓｌａｖｅ设备的硬件和软件结构是相同的，每个设备都有机会成为一个Ｍａｓｔｅｒ。

    ＭＡＣ层提供的服务可概括为(如图４)：(１)发送和接收；(２)上层的接口；(３)分段存贮和数据治理；(４)长期调度(ＭＡＣ以上层)；(５)短期调度(ＭＡＣ以下层)；(６)同步；(７)时延；(８)时延站治理；(９)争端解决和退出；(１０)长期调度所需控制信息的传递；(１１)短期信息所需控制信息的传递；(１２)子帧间的通信。

    ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ提供上述所有服务，但通常的通信只使用第(１)～(５)项服务。一个Ｍａｓｔｅｒ通常提供第(６)、(９)和(１１)项服务。假如定义的帧结构答应，也能提供第(５)和(１２)项服务；否则，这些服务由Ｓｌａｖｅ提供，同时Ｓｌａｖｅ也提供第(９)项服务。

    ２．２数据链路层(ＤＬＣ)

    对ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸＤＬＣ的一个非凡的要求是能快速和动态地自适应物理层链接的变化。ＤＬＣ协议的向上接口为网络层提供服务，ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ将其视为网络协议(ＩＰｖ４或ＩＰｖ６)。ＤＬＣ通过ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ空中接口，提供传输ＩＰ数据报到同等网络协议实体的功能(如图５），并针对不同的ＱｏＳ需求，将ＩＰ数据报映射成不同层次的服务。两个ＤＬＣ实体间的数据交换总是面向连接的。

    ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸＤＬＣ层也运行一个合理的差错控制协议，它以一个事先连接为基础，考虑了不同层服务对ＱｏＳ不同的需求。差错控制方案采用选择性请求ＡＲＱ，提供了优良的性能，也减小了重传开销。信息通过机载方式或一个控制ＰＤＵ，有选择性地传递，以便请求已损坏或已丢失的ＰＤＵｓ得以重传。

    ３  ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ的应用场合

    ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ作为下一代无线网络的一个有高附加值的解决方案被提出，迎合了ＷＰＡＮ和ＷＬＡＮ应用(包括家庭和企业环境)的性能需要。值得注重的是，就将来的家庭网络方案而言，一个单集方式(即用单一的无线分布点覆盖整个家庭范围)难以适应当前的多媒体应用的需要。单集方式实际上以很低的每用户有效负荷率为特征，在不同的建筑或其它单终端用户场合缺乏灵活性。因此，ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ使用了多集方式，每单集都覆盖一个有限的范围，且被赋予特定的功能和需求(娱乐、生产、自动化和控制等)，尽可能最小化安装和使用的时间、复杂度和开销。另一方面，在企业范围，除了弥补有线和无线方案的差异外，就连接速率而言，对安全性、移动性、轻易的资源接入和信息交换(如会议)的强烈需求，推动了这种具有高性能、内在的安全性和灵活性的无线接入方案的发展。两个典型的ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ应用场合如图６所示。

    当提供一个ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ无线接口和协同定位时，在同样的小范围覆盖区域(由多个和特定应用的波束组成)提出的结构预见了多个电子设备在户内环境(如办公室、住宅)的出现，故能在非常高的速率下通信，并自动形成一个全连接网络。当需要在无基础设施的环境进行相互连接(如在家中的ＷＰＡＮ)，同时保持与现有基础设施环境(如那些典型的在企业中使用的ＷＬＡＮ场合)的兼容性时，这种考虑了通过运行时间对网络设备担当角色进行动态分配的自配置网络有极大的优势。