WIND-FLEX的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用場合

　　摘要：WIND－FLEX是一種新型的高比特速率、高頻譜效率、靈活可配置的17GHz調(diào)制調(diào)解器結(jié)構(gòu)，可為本地／SOHO戶內(nèi)環(huán)境提供網(wǎng)絡(luò)的無線接口。分析了WIND-FLEX的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并探討了其應(yīng)用場合。

　　關(guān)鍵詞：WIND-FLEX 正交頻分復(fù)用 物理層／媒體接入層／數(shù)據(jù)鏈路層

　　近年來，對高速率、高質(zhì)量無線局域網(wǎng)技術(shù)的市場需求推動了自適應(yīng)和可配置調(diào)制解調(diào)器的研究與開發(fā)。

　�。祝桑危模�ＦＬＥＸ(Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｉｎｄｏｏｒ Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｈｉｇｈ Ｂｉｔｒａｔｅ Ｍｏｄｅｍ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ)是由歐州ＩＳＴ(Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ)于２０００年６月啟動的一個項目，采用了１７ＧＨｚ無線載頻，有靈活的無線接口方案，可在極高連接速率 (１００Ｍｂｐｓ以上)進行有效通信。ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ的重點是ＯＳＩ分層的第一層(即物理層ＰＨＹ)和第二層(即媒體接入層ＭＡＣ和數(shù)據(jù)鏈路層ＤＬＣ)。在一個合理的復(fù)雜情況下，可通過一個聯(lián)合優(yōu)化自適應(yīng)系統(tǒng)獲得可靠的性能。該系統(tǒng)包括多址方式、調(diào)制和編碼(可變碼速和分組長度的Ｔｕｒｂｏ編碼)，以及均衡和解碼�；�于用戶的需求和信道條件，物理層輸入比特速率是可變的(６４ｋｂｐｓ～１５０Ｍｂｐｓ)。系統(tǒng)靈活性通過正交頻分復(fù)用(ＯＦＤＭ)獲得。

　�。祝桑危模�ＦＬＥＸ把空中信道分為４個波束，每個波束信道提供的最大速率為２１５Ｍｂｐｓ，其總的傳輸效率高于ＩＰ層的１００Ｍｂｐｓ。ＭＩＮＤ－ＦＬＥＸ技術(shù)能根據(jù)時變信道的條件、有效負荷和ＱｏＳ需求，動態(tài)優(yōu)化其基帶、ＲＦ和ＭＡＣ／ＤＬＣ參數(shù)，目的是保證在最小的功率消耗下獲得系統(tǒng)所需性能，同時維持與其它基于ＯＦＤＭ技術(shù)的無線局域網(wǎng)標準(如８０２．１１ａ、ＨＩＰＥＲＬＡＮ／２)的兼容性。


圖1 WIND-FLEX基帶結(jié)構(gòu)

１ ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ物理層結(jié)構(gòu)

　　ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ物理層的主要特征是：

　　(１)使用ＯＦＤＭ技術(shù)，子載波數(shù)為１２８；

　　(２)每個ＯＦＤＭ子載波根據(jù)信道狀態(tài)信息合理調(diào)整調(diào)制類型(如ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ等)；

　　(３)采用時分多址(ＴＤＭＡ)接入方案，每個時隙都有一個固定的時間長度，但就單個子載波而言，依據(jù)所采用的調(diào)制方式(在某一時刻)，運載的比特數(shù)量是可變的。

　�。祝桑危模�ＦＬＥＸ系統(tǒng)主要的物理層參數(shù)如表１所示。

表1 WIND-FLEX主要的物理層參數(shù)


１．１ 基帶結(jié)構(gòu)

　�。祝桑危模�ＦＬＥＸ基帶結(jié)構(gòu)是基于Ｔｕｒｂｏ編碼、ＯＦＤＭ調(diào)制，用于實時系統(tǒng)優(yōu)化的控制單元(參見圖１)。

　　可利用的子載波調(diào)制方案是ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ和６４ＱＡＭ。星座在各種方案中自適應(yīng)選擇；可變數(shù)量的子載波能被自適應(yīng)控制。為維持處理功率，采用了可伸縮的ＩＦＦＴ／ＦＦＴ結(jié)構(gòu)。

　�。祝桑危模�ＦＬＥＸ采用的編碼方案是一個并行的卷積Ｔｕｒｂｏ編碼，可利用的編碼速率是１／２、２／３、３／４，數(shù)據(jù)包的長度自適應(yīng)，主要依賴于編碼速率、星座大小和運行子載波數(shù)量。ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ的物理層幀結(jié)構(gòu)如圖２所示。

　�。祝桑危模�ＦＬＥＸ 控制器(ＳＰＶ)的功能是在當前給定的信道條件下，用最小的傳輸／處理功率，滿足來自ＭＡＣ層的ＱｏＳ需求。為達此目的，ＳＰＶ尋找傳輸系統(tǒng)最好的配置，為信息的傳遞設(shè)置最合適的參數(shù)。

　　優(yōu)化過程依賴于信道的互反性假設(shè)。由于ＴＤＭＡ／ＴＤＤ幀結(jié)構(gòu)的固有屬性，以及采用單個發(fā)射天線，這個假設(shè)是成立的。同時，信道的互反性也允許采用開環(huán)的自適應(yīng)方案。

１．２ ＲＦ／ＩＦ結(jié)構(gòu)

　�。希疲模湍茌^好地壓制相位噪聲，且在高階星座(如６４ＱＡＭ)具有穩(wěn)定的頻率特性，是ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ系統(tǒng)的一項重要技術(shù)�；�于低設(shè)計成本的ＲＦ結(jié)構(gòu)(如圖３)和ＩＦ結(jié)構(gòu)能獲得較低的相位噪聲和極高的頻率穩(wěn)定性。就濾波器而言，寬信道帶寬(即５０ＭＨｚ)并不一定要求昂貴的元件(如ＳＡＷ或陶瓷濾波器)，基于微帶或離散設(shè)備的低成本濾波器也能在這個設(shè)計中使用。

　　ＩＦ部分在帶寬２５ＭＨｚ～７５ＭＨｚ被給定了一個５０ＭＨｚ的ＯＦＤＭ頻譜。ＩＦ末端的功率級在８／－３８ｄＢｍ。信道選擇由基帶控制，并通過一個Ｉ２Ｃ的總線，在帶寬１７．１ＧＨｚ～１７．３ＧＨｚ時混合成最終頻率。功率控制也在基帶完成，發(fā)射功率在－２０／１０ｄＢｍ范圍。參數(shù)選擇以信道質(zhì)量為基礎(chǔ)。在ＳＯＨＯ戶內(nèi)環(huán)境，低的發(fā)射功率是必要的。這會導(dǎo)致一個更低的功率消耗和最小化同信道干擾。

　　由于ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ ＲＦ部分的最高頻率是１７ＧＨｚ，所以振蕩器對相位噪聲十分敏感。為了不對諸如６４ＱＡＭ的傳輸性能造成重大影響，ＲＦ部分的設(shè)計和開發(fā)考慮了當前的響應(yīng)與特定的控制板相聯(lián)系。為了增加其自由度，ＲＦ部分具有功率補償功能，整個ＲＦ盒的功率消耗低于５．５Ｗ。

　　另外，已開發(fā)出兩種不同的ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ天線模型：一種是單板模型，在定向模式有３ｄＢ的增益，將在原型機的測試過程使用；另一種模型是一個六面體結(jié)構(gòu)，在每個面包含一個序列的反饋天線。這個模型可滿足３ｄＢ增益的需要，是ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ采用的一種全向模式，其尺寸和重量還可以繼續(xù)改進。



２ ＭＡＣ／ＤＬＣ層結(jié)構(gòu)

２．１ 媒體接入層(ＭＡＣ)

　　在ＭＡＣ層，比特傳輸采用時分多址方式。時間軸被分成許多幀，每幀又分為１７８個時隙，其特征是；

　　(１)在一個固定的時間間隔(約２．８μｓ)，要求一個幀的長度約等于０．５ｍｓ。

　　(２)被傳送的比特數(shù)量是可變的。這個數(shù)量依賴于自適應(yīng)無線傳輸模型（由調(diào)制和信道編碼方案組成），且通過一個合適的接口，在物理層和ＭＡＣ層間進行通信。

　�。祝桑危模�ＦＬＥＸ在ＭＡＣ層采用Ｓｌａｖｅ－Ｍａｓｔｅｒ切換機制。Ｍａｓｔｅｒ完成同步和區(qū)群之間的協(xié)作，負責(zé)分配共享的無線資源；Ｓｌａｖｅ積極地參與通信，并將ＩＰ數(shù)據(jù)報視作唯一能到達上層的數(shù)據(jù)源。Ｍａｓｔｅｒ和Ｓｌａｖｅ設(shè)備的硬件和軟件結(jié)構(gòu)是相同的，每個設(shè)備都有機會成為一個Ｍａｓｔｅｒ。

　　ＭＡＣ層提供的服務(wù)可概括為(如圖４)：(１)發(fā)送和接收；(２)上層的接口；(３)分段存貯和數(shù)據(jù)管理；(４)長期調(diào)度(ＭＡＣ以上層)；(５)短期調(diào)度(ＭＡＣ以下層)；(６)同步；(７)時延；(８)時延站管理；(９)爭端解決和退出；(１０)長期調(diào)度所需控制信息的傳遞；(１１)短期信息所需控制信息的傳遞；(１２)子幀間的通信。

　�。祝桑危模�ＦＬＥＸ提供上述所有服務(wù)，但通常的通信只使用第(１)～(５)項服務(wù)。一個Ｍａｓｔｅｒ通常提供第(６)、(９)和(１１)項服務(wù)。如果定義的幀結(jié)構(gòu)允許，也能提供第(５)和(１２)項服務(wù)；否則，這些服務(wù)由Ｓｌａｖｅ提供，同時Ｓｌａｖｅ也提供第(９)項服務(wù)。



２．２ 數(shù)據(jù)鏈路層(ＤＬＣ)

　　對ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ ＤＬＣ的一個特別的要求是能快速和動態(tài)地自適應(yīng)物理層鏈接的變化。ＤＬＣ協(xié)議的向上接口為網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)， ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ將其視為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(ＩＰｖ４或ＩＰｖ６)。ＤＬＣ通過ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ空中接口，提供傳輸ＩＰ數(shù)據(jù)報到同等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實體的功能(如圖５），并針對不同的ＱｏＳ需求，將ＩＰ數(shù)據(jù)報映射成不同層次的服務(wù)。兩個ＤＬＣ實體間的數(shù)據(jù)交換總是面向連接的。

　　ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ ＤＬＣ層也運行一個合理的差錯控制協(xié)議，它以一個事先連接為基礎(chǔ)，考慮了不同層服務(wù)對ＱｏＳ不同的需求。差錯控制方案采用選擇性請求ＡＲＱ，提供了優(yōu)良的性能，也減小了重傳開銷。信息通過機載方式或一個控制ＰＤＵ，有選擇性地傳遞，以便請求已損壞或已丟失的ＰＤＵｓ得以重傳。



３ ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ的應(yīng)用場合

　　ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ作為下一代無線網(wǎng)絡(luò)的一個有高附加值的解決方案被提出，迎合了ＷＰＡＮ和ＷＬＡＮ應(yīng)用(包括家庭和企業(yè)環(huán)境)的性能需要。值得注意的是，就將來的家庭網(wǎng)絡(luò)方案而言，一個單集方式(即用單一的無線分布點覆蓋整個家庭范圍)難以適應(yīng)當前的多媒體應(yīng)用的需要。單集方式實際上以很低的每用戶有效負荷率為特征，在不同的建筑或其它單終端用戶場合缺乏靈活性。因此，ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ使用了多集方式，每單集都覆蓋一個有限的范圍，且被賦予特定的功能和需求(娛樂、生產(chǎn)、自動化和控制等)，盡可能最小化安裝和使用的時間、復(fù)雜度和開銷。另一方面，在企業(yè)范圍，除了彌補有線和無線方案的差異外，就連接速率而言，對安全性、移動性、容易的資源接入和信息交換(如會議)的強烈需求，推動了這種具有高性能、內(nèi)在的安全性和靈活性的無線接入方案的發(fā)展。兩個典型的ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ應(yīng)用場合如圖６所示。



　　當提供一個ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸ?zé)o線接口和協(xié)同定位時，在同樣的小范圍覆蓋區(qū)域(由多個和特定應(yīng)用的波束組成)提出的結(jié)構(gòu)預(yù)見了多個電子設(shè)備在戶內(nèi)環(huán)境(如辦公室、住宅)的出現(xiàn)，故能在非常高的速率下通信，并自動形成一個全連接網(wǎng)絡(luò)。當需要在無基礎(chǔ)設(shè)施的環(huán)境進行相互連接(如在家中的ＷＰＡＮ)，同時保持與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境(如那些典型的在企業(yè)中使用的ＷＬＡＮ場合)的兼容性時，這種考慮了通過運行時間對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備擔當角色進行動態(tài)分配的自配置網(wǎng)絡(luò)有極大的優(yōu)勢。