一種基于Wimax的無中心分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

［吳林印］

一種基于Wimax的無中心分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

［吳林?。?/p>

介紹了一種基于Wimax的無中心分布式組網(wǎng)方式，詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的工作原理和應(yīng)用方案，并分析了該設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中的組網(wǎng)方式和網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的論證。

Wimax 無中心分布式 設(shè)計(jì)

吳林印

工程師，中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所。

引言

Wimax的全名是微波存取全球互通（Worldwide Interoperability for Microwave Access），是一種基 于IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)的寬帶無線接入技術(shù)，可以替代現(xiàn)有的有線和DSL連接方式，提供固定、移動(dòng)、便攜形式的無線寬帶連接，并最終能夠在不需要直接視距基站的情況下提供最后一英里的無線寬帶接入［1］。作為一個(gè)新興的無線寬帶接入技術(shù)，Wimax一出現(xiàn)就成為業(yè)界所關(guān)注的熱點(diǎn)。同時(shí)，Wimax作為一種點(diǎn)對多點(diǎn)的寬帶無線接入系統(tǒng)，可以與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，同時(shí)具有數(shù)據(jù)、語音、圖像等多種業(yè)務(wù)的無線傳輸接入能力［2］。因此本文提出了一種基于Wimax（802.16）的無中心分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，變傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)樹形保障模式為扁平化的網(wǎng)絡(luò)模式，以滿足全工作區(qū)域內(nèi)的通信覆蓋。

1 基于Wimax的無中心分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的配置是相同的，可以任選一節(jié)點(diǎn)作為時(shí)間基準(zhǔn)（群首）組建TDMA+CSMA網(wǎng)絡(luò)，選與群首相同或不同的節(jié)點(diǎn)作為業(yè)務(wù)或指揮中心為各試驗(yàn)點(diǎn)提供通信保障，提供更加靈活的試驗(yàn)通信保障方案和更靈活的指揮作用。

在對業(yè)務(wù)的支持上，系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的地位是對等的。每個(gè)節(jié)點(diǎn)與周圍節(jié)點(diǎn)形成多條鏈路，根據(jù)路由信息來選擇其中一條鏈路進(jìn)行傳輸。相鄰節(jié)點(diǎn)均可進(jìn)行業(yè)務(wù)交換，在動(dòng)態(tài)路由協(xié)議的支持下不能直接通信的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可通過其它節(jié)點(diǎn)中繼進(jìn)行通信。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以作為中轉(zhuǎn)站，增加了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。動(dòng)態(tài)路由協(xié)議可以支持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，適應(yīng)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)移動(dòng)的通信需求。

本系統(tǒng)的組網(wǎng)方式使得網(wǎng)絡(luò)的抗毀性極高，任何節(jié)點(diǎn)受損都不會(huì)使網(wǎng)絡(luò)癱瘓，即使是指揮節(jié)點(diǎn)或時(shí)間基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)受損，也不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

2 系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

2.1 接入方式

系統(tǒng)的接入方式是基于TDMA的，雙工方式為TDD，每個(gè)幀的長度為10 ms。幀分為兩大類型：固定分配幀和動(dòng)態(tài)分配幀。其中固定分配幀是按照網(wǎng)絡(luò)規(guī)模固定配置給在網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的，而動(dòng)態(tài)分配幀是通過信令溝通動(dòng)態(tài)分配給有大業(yè)務(wù)量需求的節(jié)點(diǎn)的。

在固定分配幀中又有兩種類型的子幀，一種是網(wǎng)絡(luò)控制子幀，另一種是數(shù)據(jù)子幀。網(wǎng)絡(luò)控制子幀的作用是維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的同步和協(xié)商動(dòng)態(tài)分配幀的使用，是接入?yún)f(xié)議的核心功能幀。固定分配的數(shù)據(jù)子幀主要用于傳輸短報(bào)文和小流量業(yè)務(wù)。

動(dòng)態(tài)分配幀中全部是數(shù)據(jù)子幀，用來承載大流量業(yè)務(wù)。動(dòng)態(tài)分配幀是全部節(jié)點(diǎn)公用的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的發(fā)送業(yè)務(wù)需求來提出請求，通過在網(wǎng)絡(luò)控制子幀中交互信令來協(xié)商這部分帶寬的使用。系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)

2.2 調(diào)制方式

本系統(tǒng)采用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)，可用的調(diào)制方式（包括編碼方式）有：

（1）OFDM（BPSK 1/2）；

（2）OFDM（QPSK 1/2）、OFDM（（QPSK 3/4）；

（3）OFDM（16QAM 1/2）、OFDM（（16QAM 3/4）。

在進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸時(shí)，可根據(jù)接收信號(hào)的質(zhì)量自動(dòng)地調(diào)整調(diào)制方式和編碼方式。當(dāng)接收信號(hào)的質(zhì)量較好時(shí)，可選用高階的調(diào)制方式和高效的編碼方式，如OFDM（16QAM 3/4），提供高速的數(shù)據(jù)傳輸性能，用于傳輸圖像等高帶寬業(yè)務(wù)；當(dāng)接收信號(hào)的質(zhì)量較差時(shí)，可選用低階的調(diào)制方式及傳輸帶寬，如OFDM（BPSK 1/2）等，可保證基本的業(yè)務(wù)如語音、數(shù)據(jù)通信。

2.3 路由策略

為了節(jié)約無線帶寬并能適應(yīng)節(jié)點(diǎn)的較快移動(dòng)，系統(tǒng)采用按需路由方式。本系統(tǒng)的路由協(xié)議從AODV演化而來，在標(biāo)準(zhǔn)AODV的基礎(chǔ)上進(jìn)行了QoS方面的改造，使之更適合地面微波傳輸系統(tǒng)的鏈路特征。本協(xié)議命名為AODV-BW。

AODV-BW協(xié)議的典型過程如圖2所示，每個(gè)節(jié)點(diǎn)是平等，而且都可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。當(dāng)1和8要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，路由協(xié)議就開始發(fā)揮作用，通過前向廣播發(fā)起路由搜索，在目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路徑選擇，并通過反向單播在網(wǎng)絡(luò)中建立了一條從節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)8的路由，同時(shí)也建立起從節(jié)點(diǎn)8到節(jié)點(diǎn)1的反向路由，這樣數(shù)據(jù)可以在節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)8之間交互。與標(biāo)準(zhǔn)AODV不同的是，AODV-BW在路由搜索時(shí)會(huì)對路徑的分組成功率作出要求。路由層根據(jù)MAC層提供的鏈路質(zhì)量信息對路由報(bào)文進(jìn)行相應(yīng)處理，從而選出合乎要求的路徑。如果一次搜索沒有找到合乎要求的路徑，協(xié)議會(huì)降低要求再次搜索，直到路徑建立起來。協(xié)議會(huì)周期性的對活動(dòng)路由進(jìn)行動(dòng)態(tài)維護(hù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有更好的路徑或當(dāng)前路徑已發(fā)生故障時(shí)能夠及時(shí)切換到更好的路由上，保證節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)中的數(shù)據(jù)通信［3］。

圖2 AODV-BW協(xié)議的典型過程

2.4 QoS機(jī)制

系統(tǒng)的QoS機(jī)制包含兩部分的內(nèi)容，一部分是關(guān)于業(yè)務(wù)流的管理，它提供了一種實(shí)現(xiàn)QoS管理的機(jī)制，它是MAC層的核心功能，包括QoS參數(shù)集、業(yè)務(wù)流定義、分類符和動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)管理等；另一部分是相應(yīng)的QoS保證機(jī)制，包括調(diào)度算法、緩沖池管理和流量控制等。

系統(tǒng)有4種調(diào)度業(yè)務(wù)類型，規(guī)定如下：

（1）主動(dòng)授權(quán)業(yè)務(wù)

主動(dòng)授權(quán)業(yè)務(wù)（UGS）用于傳輸固定速率實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

（2）實(shí)時(shí)查詢業(yè)務(wù)

實(shí)時(shí)查詢業(yè)務(wù)（rtPS）用于支持可變速率實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，是為滿足動(dòng)態(tài)變化的業(yè)務(wù)需求而設(shè)計(jì)。

（3）非實(shí)時(shí)查詢業(yè)務(wù)

非實(shí)時(shí)查詢業(yè)務(wù)（nrtPS）支持非周期變長分組的非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流。

（4）盡力而為業(yè)務(wù)

盡力而為業(yè)務(wù)（BE）支持非實(shí)時(shí)無任何速率和時(shí)延抖動(dòng)要求的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，如ICMP、SNMP、HTTP等。

QoS的核心原理是通過把MAC層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包與一個(gè)由連接標(biāo)識(shí)符（CID）標(biāo)識(shí)的業(yè)務(wù)流關(guān)聯(lián)起來，數(shù)據(jù)包的業(yè)務(wù)類型和相應(yīng)參數(shù)都包含在CID中，使得每個(gè)數(shù)據(jù)包在進(jìn)行調(diào)度前具有相應(yīng)的QoS要求［4］。QoS的支持分為3部分：首先創(chuàng)建最初的業(yè)務(wù)流并對業(yè)務(wù)流的QoS參數(shù)進(jìn)行配置；然后對業(yè)務(wù)流進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，包括動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)增加（DSA）、動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)改變（DSC）和動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)刪除（DSD）；最后在通信過程中對MAC 的分組數(shù)據(jù)單元（PDU）進(jìn)行分類并依據(jù)業(yè)務(wù)流的類別區(qū)分優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度。

當(dāng)一個(gè)新業(yè)務(wù)接入系統(tǒng)時(shí)，必須能夠監(jiān)測該業(yè)務(wù)接入是否會(huì)對已有通信業(yè)務(wù)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致系統(tǒng)無法穩(wěn)定工作等，另外，根據(jù)用戶的資源申請進(jìn)行資源分配等，這是帶寬管理機(jī)制的主要功能。為了保證具有更高優(yōu)先權(quán)的業(yè)務(wù)接入系統(tǒng)，需要評估整個(gè)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量大小，為高優(yōu)先級的業(yè)務(wù)（如UGS）預(yù)留足夠的資源，這就是帶寬管理機(jī)制中的資源預(yù)留機(jī)制。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

3.1 自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）

自適應(yīng)調(diào)制編碼是一種根據(jù)信道情況自適應(yīng)改變調(diào)制及編碼方式的技術(shù)。由于Wimax物理層采用的是OFDM技術(shù)，所以時(shí)延擴(kuò)展、多普勒頻移、PAPR值、小區(qū)的干擾等對OFDM解調(diào)性能有重要影響的信道因素必須被考慮到AMC算法中，用于調(diào)整系統(tǒng)編碼調(diào)制方式，達(dá)到系統(tǒng)瞬時(shí)最優(yōu)性能。

在抗干擾方面有如下幾個(gè)突出的特點(diǎn)：

（1）處于信道情況好的用戶可以分配更高的調(diào)制方式及編碼速率，這樣能夠提高整個(gè)小區(qū)的平均數(shù)據(jù)吞吐量；

（2）基于調(diào)制編碼方式改變的AMC相對于發(fā)送功率控制方面能夠減小干擾的變化；

（3）將AMC和時(shí)域調(diào)度相結(jié)合，利用用戶終端的快速衰落特點(diǎn)可以使終端處于低衰落狀態(tài)。

3.2 信道編碼技術(shù)

由于無線信道的傳輸特性十分復(fù)雜，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)波形畸變，在接收端就可能發(fā)生碼元錯(cuò)誤判決。當(dāng)誤碼率達(dá)到一定程度的時(shí)候，就無法進(jìn)行正常的通信，所以要采用一些降低誤碼率的措施，信道編碼就是一種有效的對抗干擾的辦法。

對于突發(fā)性的錯(cuò)誤，RS碼可以在使用相對較少的符號(hào)數(shù)目下發(fā)現(xiàn)連續(xù)的比特錯(cuò)誤。卷積碼編碼譯碼均利用了信息碼元之間的相關(guān)性。使得同等條件下，其性能優(yōu)于分組碼。卷積Turbo碼編碼效率高，譯碼時(shí)延減小，并通過符號(hào)間交織增大最小自由距離，降低了誤碼平層。所以，相同復(fù)雜度譯碼器下，卷積Turbo碼的糾錯(cuò)性能優(yōu)于經(jīng)典Turbo碼。而LDPC碼性能優(yōu)于Turbo碼，譯碼簡單，高度并行的，很容易設(shè)計(jì)一個(gè)任意碼長和碼率的有競爭力的LDPC碼，并且很容易根據(jù)不同天線數(shù)或碼率進(jìn)行調(diào)整。

3.3 混合自動(dòng)請求重傳（HARQ）

混合自動(dòng)請求重傳技術(shù)將ARQ技術(shù)前向糾錯(cuò)編碼（FEC）技術(shù)完美結(jié)合起來。信息在傳輸過程中，由于不可避免的噪聲干擾的影響，在接收端會(huì)出現(xiàn)一些信息錯(cuò)誤的情況。而ARQ雖然可以保證得到較高的準(zhǔn)確率，但是當(dāng)信道條件惡劣，發(fā)送的信息在接收端都不能正確接收的情況下，就會(huì)出現(xiàn)通信鏈路擁塞的情況，從而一直處于信息重發(fā)狀態(tài)，前向糾錯(cuò)（FEC）能夠?qū)﹀e(cuò)誤的碼字進(jìn)行差錯(cuò)保護(hù)，并且糾正錯(cuò)誤的碼字，使得信息在信道中得到很好的保護(hù)，但是FEC并沒有反饋機(jī)制，只是一種“盡力而為”的抗干擾方式，不能充分地保證信息傳輸?shù)恼_率，因此ARQ和FEC的有效結(jié)合不僅提供了比單獨(dú)的ARQ系統(tǒng)更高的系統(tǒng)吞吐量，而且提供了比單獨(dú)的FEC系統(tǒng)更好的抗干擾特性。

3.4 智能天線技術(shù)

智能天線系統(tǒng)由天線陣和信息處理器組成，當(dāng)天線工作時(shí)，信息處理器的輸入和輸出特性按一定得算法來調(diào)整其內(nèi)部系數(shù)，從而自動(dòng)地修正和優(yōu)化天線的方向圖、頻率響應(yīng)和極化特征，搜索和跟蹤有用信號(hào)并消除干擾信號(hào)。它能在空間、頻率和極化方面自動(dòng)對干擾信號(hào)調(diào)零，對有用信號(hào)提供最大增益，主要有以下4種技術(shù)：

（1）數(shù)字波速形成技術(shù)：利用波束形成自適應(yīng)陣，在引導(dǎo)信號(hào)到達(dá)天線陣時(shí)，便給信息處理器提供一個(gè)方向信息，并在此方向上形成主瓣；

（2）自適應(yīng)調(diào)零天線技術(shù)：利用干擾信號(hào)和有用信號(hào)在幅度、頻率和空間方位的不同，通過對天線各陣元進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)處理，自動(dòng)控制和優(yōu)化天線陣的方向圖，在干擾源方向產(chǎn)生深度調(diào)零，使有用信號(hào)受到得干擾最少；

（3）極化調(diào)零自適應(yīng)天線陣：此天線用在有用信號(hào)和干擾信號(hào)的極化方式不同的情況下，用最小均方誤差算法對系統(tǒng)進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)控制，以便對干擾信號(hào)的極化調(diào)零，保證有用信號(hào)的最大輸出；

（4）采用OFDM-MIMO技術(shù)實(shí)現(xiàn)高頻譜效率的寬帶移動(dòng)傳輸技術(shù)。

將MIMO技術(shù)與OFDM技術(shù)相結(jié)合構(gòu)成的OFDMMIMO，同時(shí)具備MIMO技術(shù)顯著增加系統(tǒng)容量的優(yōu)勢，又具有OFDM抗多徑、頻譜利用率高、接收機(jī)實(shí)現(xiàn)簡單的優(yōu)點(diǎn)，在存在著多徑衰落和帶寬受限的無線電環(huán)境下，可實(shí)現(xiàn)高速率、高可靠的寬帶無線通信。

一個(gè)典型的OFDM-MIMO系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖3所示，根據(jù)用戶業(yè)務(wù)需要，為各子載波發(fā)射選擇不同調(diào)制方式，分配OFDM子載波及功率，在接收端利用信號(hào)處理的方法提高通信質(zhì)量。

對于高速移動(dòng)環(huán)境下多普勒頻移估計(jì)、跟蹤補(bǔ)償和信道估計(jì)擬采用的方案為：利用接收信號(hào)的特征估計(jì)時(shí)變頻偏，采用最小二乘算法估計(jì)出多普勒頻移及其變化速率，然后用廣義卡爾曼濾波算法進(jìn)行跟蹤。根據(jù)估計(jì)量對OFDM子載波頻率偏移值進(jìn)行預(yù)消除，然后采用TD-LMS算法消除系統(tǒng)殘留載波頻率偏移干擾。采用梳狀導(dǎo)頻結(jié)合判決反饋的方法進(jìn)行信道估計(jì)，采用基于卡爾曼濾波算法有效地跟蹤信道的快速變化，提高精度。

圖3 OFDM-MIMO寬帶傳輸系統(tǒng)框架

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用了自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)以適應(yīng)信道的信噪比變化，使用OFDM-MIMO寬帶傳輸技術(shù)能有效克服地面的多徑衰落；網(wǎng)絡(luò)規(guī)模可配置，可同時(shí)組成多個(gè)小網(wǎng)絡(luò)，靈活方便；最重要的是由于采用了無中心分布式系統(tǒng)可顯著提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音、圖像等多種業(yè)務(wù)的無線傳輸，并能區(qū)分各種業(yè)務(wù)的優(yōu)先級；同時(shí)，節(jié)點(diǎn)設(shè)備功能對等，可相互替換，網(wǎng)絡(luò)抗毀性強(qiáng)。

1董曉魯，黨梅梅，沈嘉等編著.WIMAX技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用［M］.人民郵電出版社.北京，2007年1月

2曾春亮等編著.WIMAX/802.16原理與應(yīng)用［M］.機(jī)械工業(yè)出版社出版.北京2006年10月

3WiMAX Network Working Group.WMF—T32—001一R015v01，WiMAX Forum Network Architecture（Stage 2：Architecture Tenets，Reference Model and Reference Poims）Release 1.5 Version 1［S］.November 21，2009

4趙元韜，楊壽保，滕達(dá)，黃彥彬，赫衛(wèi)卿 《WiMAX Mesh中分布與集度下的 QoS保障機(jī)制》計(jì)算機(jī)工程 2010，Vol.36，No.5.pp.86-88

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.10.015

（2016-09-08）