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)" title="戶內(nèi)">戶內(nèi)環(huán)境提供網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線接口" title="無(wú)線接口">無(wú)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(chǎng)合。

　　關(guān)健詞: WIND-FLEX? 正交頻分復(fù)用? 物理層/媒體接入層" title="接入層">接入層/數(shù)據(jù)鏈路層

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

　　WIND-FLEX(Wireless Indoor Flexible High Bitrate Modem Architectures)是由歐州IST(Information Society Technologies)于2000年6月啟動(dòng)的一個(gè)項(xiàng)目,采用了17GHz無(wú)線載頻,有靈活的無(wú)線接口方案,可在極高連接速率 (100Mbps以上)進(jìn)行有效通信。WIND-FLEX^[1][2]的重點(diǎn)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" title="鏈路層">鏈路層DLC)。在一個(gè)合理的復(fù)雜情況下,可通過一個(gè)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(zhǎng)度的Turbo編碼),以及均衡和解碼?；谟脩舻男枨蠛托诺罈l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。

　　WIND-FLEX[3]把空中信道分為4個(gè)波束,每個(gè)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(shí)變信道的條件、有效負(fù)荷和QoS需求,動(dòng)態(tài)優(yōu)化其基帶、RF和MAC/DLC[4]參數(shù),目的是保證在最小的功率消耗" title="功率消耗">功率消耗下獲得系統(tǒng)所需性能,同時(shí)維持與其它基于OFDM技術(shù)的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)(如802.11a、HIPERLAN/2)的兼容性。

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(gè)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(shí)分多址(TDMA)接入方案,每個(gè)時(shí)隙都有一個(gè)固定的時(shí)間長(zhǎng)度,但就單個(gè)子載波而言,依據(jù)所采用的調(diào)制方式(在某一時(shí)刻),運(yùn)載的比特?cái)?shù)量是可變的。

　　WIND-FLEX系統(tǒng)主要的物理層參數(shù)如表1所示。

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1.1 基帶結(jié)構(gòu)

　　WIND-FLEX基帶結(jié)構(gòu)是基于Turbo編碼、OFDM調(diào)制,用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)優(yōu)化的控制單元(參見圖1)。

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　　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)。

　　WIND-FLEX采用的編碼方案是一個(gè)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(zhǎng)度自適應(yīng),主要依賴于編碼速率、星座大小和運(yùn)行子載波數(shù)量。WIND-FLEX的物理層幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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　　WIND-FLEX 控制器(SPV)的功能是在當(dāng)前給定的信道條件下,用最小的傳輸/處理功率,滿足來(lái)自MAC層的QoS需求。為達(dá)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(gè)發(fā)射天線,這個(gè)假設(shè)是成立的。同時(shí),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)

　　OFDM能較好地壓制相位噪聲,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(xiàng)重要技術(shù)?；诘驮O(shè)計(jì)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(gè)設(shè)計(jì)中使用。

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　　IF部分在帶寬25MHz～75MHz被給定了一個(gè)50MHz的OFDM頻譜。IF末端的功率級(jí)在8/-38dBm。信道選擇由基帶控制,并通過一個(gè)I2C的總線,在帶寬17.1GHz～17.3GHz時(shí)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(huì)導(dǎo)致一個(gè)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(duì)相位噪聲十分敏感。為了不對(duì)諸如64QAM的傳輸性能造成重大影響,RF部分的設(shè)計(jì)和開發(fā)考慮了當(dāng)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(bǔ)償功能,整個(gè)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(jī)的測(cè)試過程使用;另一種模型是一個(gè)六面體結(jié)構(gòu),在每個(gè)面包含一個(gè)序列的反饋天線。這個(gè)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(jìn)。

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(shí)分多址方式。時(shí)間軸被分成許多幀,每幀又分為178個(gè)時(shí)隙,其特征是;

　　(1)在一個(gè)固定的時(shí)間間隔(約2.8μs),要求一個(gè)幀的長(zhǎng)度約等于0.5ms。

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

　　WIND-FLEX在MAC層采用Slave-Master切換機(jī)制。Master完成同步和區(qū)群之間的協(xié)作,負(fù)責(zé)分配共享的無(wú)線資源;Slave積極地參與通信,并將IP數(shù)據(jù)報(bào)視作唯一能到達(dá)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(gè)設(shè)備都有機(jī)會(huì)成為一個(gè)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(zhǎng)期調(diào)度(MAC以上層);(5)短期調(diào)度(MAC以下層);(6)同步;(7)時(shí)延;(8)時(shí)延站管理;(9)爭(zhēng)端解決和退出;(10)長(zhǎng)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。

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

2.2 數(shù)據(jù)鏈路層(DLC)

　　對(duì)WIND-FLEX DLC的一個(gè)特別的要求是能快速和動(dòng)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(bào)到同等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)體的功能(如圖5),并針對(duì)不同的QoS需求,將IP數(shù)據(jù)報(bào)映射成不同層次的服務(wù)。兩個(gè)DLC實(shí)體間的數(shù)據(jù)交換總是面向連接的。

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

3 WIND-FLEX的應(yīng)用場(chǎng)合

　　WIND-FLEX作為下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)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(lái)的家庭網(wǎng)絡(luò)方案而言,一個(gè)單集方式(即用單一的無(wú)線分布點(diǎn)覆蓋整個(gè)家庭范圍)難以適應(yīng)當(dāng)前的多媒體應(yīng)用的需要。單集方式實(shí)際上以很低的每用戶有效負(fù)荷率為特征,在不同的建筑或其它單終端用戶場(chǎng)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(gè)有限的范圍,且被賦予特定的功能和需求(娛樂、生產(chǎn)、自動(dòng)化和控制等),盡可能最小化安裝和使用的時(shí)間、復(fù)雜度和開銷。另一方面,在企業(yè)范圍,除了彌補(bǔ)有線和無(wú)線方案的差異外,就連接速率而言,對(duì)安全性、移動(dòng)性、容易的資源接入和信息交換(如會(huì)議)的強(qiáng)烈需求,推動(dòng)了這種具有高性能、內(nèi)在的安全性和靈活性的無(wú)線接入方案的發(fā)展。兩個(gè)典型的WIND-FLEX應(yīng)用場(chǎng)合如圖6所示。

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　　當(dāng)提供一個(gè)WIND-FLEX無(wú)線接口和協(xié)同定位時(shí),在同樣的小范圍覆蓋區(qū)域(由多個(gè)和特定應(yīng)用的波束組成)提出的結(jié)構(gòu)預(yù)見了多個(gè)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(dòng)形成一個(gè)全連接網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)需要在無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的環(huán)境進(jìn)行相互連接(如在家中的WPAN),同時(shí)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(chǎng)合)的兼容性時(shí),這種考慮了通過運(yùn)行時(shí)間對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備擔(dān)當(dāng)角色進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配的自配置網(wǎng)絡(luò)有極大的優(yōu)勢(shì)。

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參考文獻(xiàn)

1 WIND-FLEX A flexible radio interface architecture for short- range high-speed wireless networking.WIND-FLEX White Paper v32, 0/05/2002,http://www.vtt.fi/ele/reasearch/els/projects/windflex.htm.

2 Garcia, J.L., Lobeira M., Perez C. The final modem specification for baseband, RF/IF block and upper layers, IST-1999-10025.WIND-FLEX D2.5, 3/11/2000.

3 Garicia J.L, A. Bello, J. Chuan. RF/IF Architecture,IST- 1999-10025, WIND-FLEX DII.3, 30/06/2000.