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調制調解器結構,可為本地/SOHO戶內" title="戶內">戶內環境提供網絡的無線接口" title="無線接口">無線接口。分析了WIND-FLEX的系統結構,并探討了其應用場合。

　　關健詞: WIND-FLEX? 正交頻分復用? 物理層/媒體接入層" title="接入層">接入層/數據鏈路層

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　　近年來,對高速率、高質量無線局域網技術的市場需求推動了自適應和可配置調制解調器的研究與開發。

　　WIND-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^[1][2]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和數據鏈路層" title="鏈路層">鏈路層DLC)。在一個合理的復雜情況下,可通過一個聯合優化自適應系統獲得可靠的性能。該系統包括多址方式、調制和編碼(可變碼速和分組長度的Turbo編碼),以及均衡和解碼。基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)。系統靈活性通過正交頻分復用(OFDM)獲得。

　　WIND-FLEX[3]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技術能根據時變信道的條件、有效負荷和QoS需求,動態優化其基帶、RF和MAC/DLC[4]參數,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所需性能,同時維持與其它基于OFDM技術的無線局域網標準(如802.11a、HIPERLAN/2)的兼容性。

1 WIND-FLEX物理層結構

　　WIND-FLEX物理層的主要特征是:

　　(1)使用OFDM技術,子載波數為128;

　　(2)每個OFDM子載波根據信道狀態信息合理調整調制類型(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,依據所采用的調制方式(在某一時刻),運載的比特數量是可變的。

　　WIND-FLEX系統主要的物理層參數如表1所示。

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1.1 基帶結構

　　WIND-FLEX基帶結構是基于Turbo編碼、OFDM調制,用于實時系統優化的控制單元(參見圖1)。

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　　可利用的子載波調制方案是BPSK、QPSK、16QAM和64QAM。星座在各種方案中自適應選擇;可變數量的子載波能被自適應控制。為維持處理功率,采用了可伸縮的IFFT/FFT結構。

　　WIND-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,數據包的長度自適應,主要依賴于編碼速率、星座大小和運行子載波數量。WIND-FLEX的物理層幀結構如圖2所示。

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　　WIND-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尋找傳輸系統最好的配置,為信息的傳遞設置最合適的參數。

　　優化過程依賴于信道的互反性假設。由于TDMA/TDD幀結構的固有屬性,以及采用單個發射天線,這個假設是成立的。同時,信道的互反性也允許采用開環的自適應方案。

1.2 RF/IF結構

　　OFDM能較好地壓制相位噪聲,且在高階星座(如64QAM)具有穩定的頻率特性,是WIND-FLEX系統的一項重要技術。基于低設計成本的RF結構(如圖3)和IF結構能獲得較低的相位噪聲和極高的頻率穩定性。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),基于微帶或離散設備的低成本濾波器也能在這個設計中使用。

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　　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,發射功率在-20/10dBm范圍。參數選擇以信道質量為基礎。在SOHO戶內環境,低的發射功率是必要的。這會導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部分的設計和開發考慮了當前的響應與特定的控制板相聯系。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構,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改進。

2 MAC/DLC層結構

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)被傳送的比特數量是可變的。這個數量依賴于自適應無線傳輸模型(由調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。

　　WIND-FLEX在MAC層采用Slave-Master切換機制。Master完成同步和區群之間的協作,負責分配共享的無線資源;Slave積極地參與通信,并將IP數據報視作唯一能到達上層的數據源。Master和Slave設備的硬件和軟件結構是相同的,每個設備都有機會成為一個Master。

　　MAC層提供的服務可概括為(如圖4):(1)發送和接收;(2)上層的接口;(3)分段存貯和數據管理;(4)長期調度(MAC以上層);(5)短期調度(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,但通常的通信只使用第(1)～(5)項服務。一個Master通常提供第(6)、(9)和(11)項服務。如果定義的幀結構允許,也能提供第(5)和(12)項服務;否則,這些服務由Slave提供,同時Slave也提供第(9)項服務。

2.2 數據鏈路層(DLC)

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

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　　WIND-FLEX DLC層也運行一個合理的差錯控制協議,它以一個事先連接為基礎,考慮了不同層服務對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的應用場合

　　WIND-FLEX作為下一代無線網絡的一個有高附加值的解決方案被提出,迎合了WPAN和WLAN應用 (包括家庭和企業環境)的性能需要。值得注意的是,就將來的家庭網絡方案而言,一個單集方式(即用單一的無線分布點覆蓋整個家庭范圍)難以適應當前的多媒體應用的需要。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、自動化和控制等),盡可能最小化安裝和使用的時間、復雜度和開銷。另一方面,在企業范圍,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、內在的安全性和靈活性的無線接入方案的發展。兩個典型的WIND-FLEX應用場合如圖6所示。

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　　當提供一個WIND-FLEX無線接口和協同定位時,在同樣的小范圍覆蓋區域(由多個和特定應用的波束組成)提出的結構預見了多個電子設備在戶內環境(如辦公室、住宅)的出現,故能在非常高的速率下通信,并自動形成一個全連接網絡。當需要在無基礎設施的環境進行相互連接(如在家中的WPAN),同時保持與現有基礎設施環境(如那些典型的在企業中使用的WLAN場合)的兼容性時,這種考慮了通過運行時間對網絡設備擔當角色進行動態分配的自配置網絡有極大的優勢。

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參考文獻

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.