［吳林印］

一種基于Wimax的無(wú)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(wú)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(wú)中心分布式 設(shè)計(jì)

吳林印

工程師，中國(guó)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(wú)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(wú)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(wú)線寬帶接入［1］。作為一個(gè)新興的無(wú)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(duì)多點(diǎn)的寬帶無(wú)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(yǔ)音、圖像等多種業(yè)務(wù)的無(wú)線傳輸接入能力［2］。因此本文提出了一種基于Wimax（802.16）的無(wú)中心分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，變傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)樹(shù)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(wú)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(duì)業(yè)務(wù)的支持上，系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的地位是對(duì)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(lái)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(guò)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(zhǎng)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(guò)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(lái)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(lái)提出請(qǐng)求，通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)控制子幀中交互信令來(lái)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(yǔ)音、數(shù)據(jù)通信。

2.3 路由策略

為了節(jié)約無(wú)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(lái)，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(guò)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(kāi)始發(fā)揮作用，通過(guò)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(guò)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(duì)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(duì)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(méi)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(lái)。協(xié)議會(huì)周期性的對(duì)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(guò)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(zhǎng)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(wú)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(guò)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(lái)，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(duì)業(yè)務(wù)流的QoS參數(shù)進(jìn)行配置；然后對(duì)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(guò)程中對(duì)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(jí)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(cè)該業(yè)務(wù)接入是否會(huì)對(duì)已有通信業(yè)務(wù)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法穩(wěn)定工作等，另外，根據(jù)用戶的資源申請(qǐng)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(píng)估整個(gè)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量大小，為高優(yōu)先級(jí)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(duì)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(duì)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(wú)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(wú)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(duì)抗干擾的辦法。

對(duì)于突發(fā)性的錯(cuò)誤，RS碼可以在使用相對(duì)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(guò)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(jiǎn)單，高度并行的，很容易設(shè)計(jì)一個(gè)任意碼長(zhǎng)和碼率的有競(jìng)爭(zhēng)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(qǐng)求重傳（HARQ）

混合自動(dòng)請(qǐng)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(lái)。信息在傳輸過(guò)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(méi)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(lái)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(duì)干擾信號(hào)調(diào)零，對(duì)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(guò)對(duì)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)控制，以便對(duì)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(shì)，又具有OFDM抗多徑、頻譜利用率高、接收機(jī)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，在存在著多徑衰落和帶寬受限的無(wú)線電環(huán)境下，可實(shí)現(xiàn)高速率、高可靠的寬帶無(wú)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(duì)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(duì)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(yǔ)

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)?？膳渲茫赏瑫r(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(wú)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(yǔ)音、圖像等多種業(yè)務(wù)的無(wú)線傳輸，并能區(qū)分各種業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)；同時(shí)，節(jié)點(diǎn)設(shè)備功能對(duì)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）