作者：成都電子科技大學通信與信息工程學院信息所   羅微   吳詩其

    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戶內環境提供網絡的無線接口。

    分析了WIND-FLEX的系統結構，并探討了其應用場合。

    要害詞：WIND-FLEX正交頻分復用物理層／媒體接入層／數據鏈路層

    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(ＷｉｒｅｌｅｓｓＩｎｄｏｏｒＦｌｅｘｉｂｌｅＨｉｇｈ 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和數據鏈路層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?；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)。系統靈活性通過正交頻分復用(ＯＦＤＭ)獲得。

    ＷＩＮＤ－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參數，目的是保證在最小的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。

    圖1  WIND-FLEX基帶結構

    １ＷＩＮＤ－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。

    表1  WIND-FLEX主要的物理層參數

    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)。

    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，主要依靠于編碼速率、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。

    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。

    優化過程依靠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，信道的互反性也答應采用開環的自適應方案。

    １．２ＲＦ／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?；诘驮O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。

    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－ＦＬＥＸＲＦ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。這個數量依靠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)分段存貯和數據治理；(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)時延站治理；(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。

    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。假如定義的幀結構答應，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－ＦＬＥＸＤＬＣ的一個非凡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。

    ＷＩＮＤ－ＦＬＥＸＤＬＣ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。值得注重的是，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、輕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。

    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。