一种基于Wimax的无中心分布式系统设计

［吴林印］

一种基于Wimax的无中心分布式系统设计

［吴林印］

介绍了一种基于Wimax的无中心分布式组网方式，详细阐述了该系统的工作原理和应用方案，并分析了该设计在实际应用中的组网方式和网络覆盖范围的论证。

Wimax 无中心分布式 设计

吴林印

工程师，中国电子科技集团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），是一种基 于IEEE 802.16标准的宽带无线接入技术，可以替代现有的有线和DSL连接方式，提供固定、移动、便携形式的无线宽带连接，并最终能够在不需要直接视距基站的情况下提供最后一英里的无线宽带接入［1］。作为一个新兴的无线宽带接入技术，Wimax一出现就成为业界所关注的热点。同时，Wimax作为一种点对多点的宽带无线接入系统，可以与现有网络实现互联互通，同时具有数据、语音、图像等多种业务的无线传输接入能力［2］。因此本文提出了一种基于Wimax（802.16）的无中心分布式系统设计方案，变传统的点对点树形保障模式为扁平化的网络模式，以满足全工作区域内的通信覆盖。

1 基于Wimax的无中心分布式系统设计原理

系统内各个节点的配置是相同的，可以任选一节点作为时间基准（群首）组建TDMA+CSMA网络，选与群首相同或不同的节点作为业务或指挥中心为各试验点提供通信保障，提供更加灵活的试验通信保障方案和更灵活的指挥作用。

在对业务的支持上，系统内各节点的地位是对等的。每个节点与周围节点形成多条链路，根据路由信息来选择其中一条链路进行传输。相邻节点均可进行业务交换，在动态路由协议的支持下不能直接通信的两个节点可通过其它节点中继进行通信。由于每个节点都可以作为中转站，增加了网络的覆盖范围。动态路由协议可以支持网络拓扑结构的动态变化，适应实验点移动的通信需求。

本系统的组网方式使得网络的抗毁性极高，任何节点受损都不会使网络瘫痪，即使是指挥节点或时间基准节点受损，也不会影响网络的正常运行。

2 系统的技术特点

2.1 接入方式

系统的接入方式是基于TDMA的，双工方式为TDD，每个帧的长度为10 ms。帧分为两大类型：固定分配帧和动态分配帧。其中固定分配帧是按照网络规模固定配置给在网节点的，而动态分配帧是通过信令沟通动态分配给有大业务量需求的节点的。

在固定分配帧中又有两种类型的子帧，一种是网络控制子帧，另一种是数据子帧。网络控制子帧的作用是维护网络的同步和协商动态分配帧的使用，是接入协议的核心功能帧。固定分配的数据子帧主要用于传输短报文和小流量业务。

动态分配帧中全部是数据子帧，用来承载大流量业务。动态分配帧是全部节点公用的，每个节点根据自己的发送业务需求来提出请求，通过在网络控制子帧中交互信令来协商这部分带宽的使用。系统帧结构如图1所示。

图1 系统帧结构

2.2 调制方式

本系统采用自适应调制技术，可用的调制方式（包括编码方式）有：

（1）OFDM（BPSK 1/2）；

（2）OFDM（QPSK 1/2）、OFDM（（QPSK 3/4）；

（3）OFDM（16QAM 1/2）、OFDM（（16QAM 3/4）。

在进行业务传输时，可根据接收信号的质量自动地调整调制方式和编码方式。当接收信号的质量较好时，可选用高阶的调制方式和高效的编码方式，如OFDM（16QAM 3/4），提供高速的数据传输性能，用于传输图像等高带宽业务；当接收信号的质量较差时，可选用低阶的调制方式及传输带宽，如OFDM（BPSK 1/2）等，可保证基本的业务如语音、数据通信。

2.3 路由策略

为了节约无线带宽并能适应节点的较快移动，系统采用按需路由方式。本系统的路由协议从AODV演化而来，在标准AODV的基础上进行了QoS方面的改造，使之更适合地面微波传输系统的链路特征。本协议命名为AODV-BW。

AODV-BW协议的典型过程如图2所示，每个节点是平等，而且都可以转发数据。当1和8要进行数据通信时，路由协议就开始发挥作用，通过前向广播发起路由搜索，在目的节点进行路径选择，并通过反向单播在网络中建立了一条从节点1到节点8的路由，同时也建立起从节点8到节点1的反向路由，这样数据可以在节点1和节点8之间交互。与标准AODV不同的是，AODV-BW在路由搜索时会对路径的分组成功率作出要求。路由层根据MAC层提供的链路质量信息对路由报文进行相应处理，从而选出合乎要求的路径。如果一次搜索没有找到合乎要求的路径，协议会降低要求再次搜索，直到路径建立起来。协议会周期性的对活动路由进行动态维护，当发现有更好的路径或当前路径已发生故障时能够及时切换到更好的路由上，保证节点在移动中的数据通信［3］。

图2 AODV-BW协议的典型过程

2.4 QoS机制

系统的QoS机制包含两部分的内容，一部分是关于业务流的管理，它提供了一种实现QoS管理的机制，它是MAC层的核心功能，包括QoS参数集、业务流定义、分类符和动态业务管理等；另一部分是相应的QoS保证机制，包括调度算法、缓冲池管理和流量控制等。

系统有4种调度业务类型，规定如下：

（1）主动授权业务

主动授权业务（UGS）用于传输固定速率实时数据业务。

（2）实时查询业务

实时查询业务（rtPS）用于支持可变速率实时业务，是为满足动态变化的业务需求而设计。

（3）非实时查询业务

非实时查询业务（nrtPS）支持非周期变长分组的非实时数据流。

（4）尽力而为业务

尽力而为业务（BE）支持非实时无任何速率和时延抖动要求的分组数据业务，如ICMP、SNMP、HTTP等。

QoS的核心原理是通过把MAC层传输的数据包与一个由连接标识符（CID）标识的业务流关联起来，数据包的业务类型和相应参数都包含在CID中，使得每个数据包在进行调度前具有相应的QoS要求［4］。QoS的支持分为3部分：首先创建最初的业务流并对业务流的QoS参数进行配置；然后对业务流进行动态管理，包括动态业务增加（DSA）、动态业务改变（DSC）和动态业务删除（DSD）；最后在通信过程中对MAC 的分组数据单元（PDU）进行分类并依据业务流的类别区分优先级进行调度。

当一个新业务接入系统时，必须能够监测该业务接入是否会对已有通信业务产生影响，导致系统无法稳定工作等，另外，根据用户的资源申请进行资源分配等，这是带宽管理机制的主要功能。为了保证具有更高优先权的业务接入系统，需要评估整个系统的业务量大小，为高优先级的业务（如UGS）预留足够的资源，这就是带宽管理机制中的资源预留机制。

3 系统关键技术设计

3.1 自适应调制编码（AMC）

自适应调制编码是一种根据信道情况自适应改变调制及编码方式的技术。由于Wimax物理层采用的是OFDM技术，所以时延扩展、多普勒频移、PAPR值、小区的干扰等对OFDM解调性能有重要影响的信道因素必须被考虑到AMC算法中，用于调整系统编码调制方式，达到系统瞬时最优性能。

在抗干扰方面有如下几个突出的特点：

（1）处于信道情况好的用户可以分配更高的调制方式及编码速率，这样能够提高整个小区的平均数据吞吐量；

（2）基于调制编码方式改变的AMC相对于发送功率控制方面能够减小干扰的变化；

（3）将AMC和时域调度相结合，利用用户终端的快速衰落特点可以使终端处于低衰落状态。

3.2 信道编码技术

由于无线信道的传输特性十分复杂，会导致信号波形畸变，在接收端就可能发生码元错误判决。当误码率达到一定程度的时候，就无法进行正常的通信，所以要采用一些降低误码率的措施，信道编码就是一种有效的对抗干扰的办法。

对于突发性的错误，RS码可以在使用相对较少的符号数目下发现连续的比特错误。卷积码编码译码均利用了信息码元之间的相关性。使得同等条件下，其性能优于分组码。卷积Turbo码编码效率高，译码时延减小，并通过符号间交织增大最小自由距离，降低了误码平层。所以，相同复杂度译码器下，卷积Turbo码的纠错性能优于经典Turbo码。而LDPC码性能优于Turbo码，译码简单，高度并行的，很容易设计一个任意码长和码率的有竞争力的LDPC码，并且很容易根据不同天线数或码率进行调整。

3.3 混合自动请求重传（HARQ）

混合自动请求重传技术将ARQ技术前向纠错编码（FEC）技术完美结合起来。信息在传输过程中，由于不可避免的噪声干扰的影响，在接收端会出现一些信息错误的情况。而ARQ虽然可以保证得到较高的准确率，但是当信道条件恶劣，发送的信息在接收端都不能正确接收的情况下，就会出现通信链路拥塞的情况，从而一直处于信息重发状态，前向纠错（FEC）能够对错误的码字进行差错保护，并且纠正错误的码字，使得信息在信道中得到很好的保护，但是FEC并没有反馈机制，只是一种“尽力而为”的抗干扰方式，不能充分地保证信息传输的正确率，因此ARQ和FEC的有效结合不仅提供了比单独的ARQ系统更高的系统吞吐量，而且提供了比单独的FEC系统更好的抗干扰特性。

3.4 智能天线技术

智能天线系统由天线阵和信息处理器组成，当天线工作时，信息处理器的输入和输出特性按一定得算法来调整其内部系数，从而自动地修正和优化天线的方向图、频率响应和极化特征，搜索和跟踪有用信号并消除干扰信号。它能在空间、频率和极化方面自动对干扰信号调零，对有用信号提供最大增益，主要有以下4种技术：

（1）数字波速形成技术：利用波束形成自适应阵，在引导信号到达天线阵时，便给信息处理器提供一个方向信息，并在此方向上形成主瓣；

（2）自适应调零天线技术：利用干扰信号和有用信号在幅度、频率和空间方位的不同，通过对天线各阵元进行自适应加权处理，自动控制和优化天线阵的方向图，在干扰源方向产生深度调零，使有用信号受到得干扰最少；

（3）极化调零自适应天线阵：此天线用在有用信号和干扰信号的极化方式不同的情况下，用最小均方误差算法对系统进行自适应加权控制，以便对干扰信号的极化调零，保证有用信号的最大输出；

（4）采用OFDM-MIMO技术实现高频谱效率的宽带移动传输技术。

将MIMO技术与OFDM技术相结合构成的OFDMMIMO，同时具备MIMO技术显著增加系统容量的优势，又具有OFDM抗多径、频谱利用率高、接收机实现简单的优点，在存在着多径衰落和带宽受限的无线电环境下，可实现高速率、高可靠的宽带无线通信。

一个典型的OFDM-MIMO系统构成框图如图3所示，根据用户业务需要，为各子载波发射选择不同调制方式，分配OFDM子载波及功率，在接收端利用信号处理的方法提高通信质量。

对于高速移动环境下多普勒频移估计、跟踪补偿和信道估计拟采用的方案为：利用接收信号的特征估计时变频偏，采用最小二乘算法估计出多普勒频移及其变化速率，然后用广义卡尔曼滤波算法进行跟踪。根据估计量对OFDM子载波频率偏移值进行预消除，然后采用TD-LMS算法消除系统残留载波频率偏移干扰。采用梳状导频结合判决反馈的方法进行信道估计，采用基于卡尔曼滤波算法有效地跟踪信道的快速变化，提高精度。

图3 OFDM-MIMO宽带传输系统框架

4 结束语

本系统采用了自适应编码调制技术以适应信道的信噪比变化，使用OFDM-MIMO宽带传输技术能有效克服地面的多径衰落；网络规模可配置，可同时组成多个小网络，灵活方便；最重要的是由于采用了无中心分布式系统可显著提高网络覆盖范围，实现数据、语音、图像等多种业务的无线传输，并能区分各种业务的优先级；同时，节点设备功能对等，可相互替换，网络抗毁性强。

1董晓鲁，党梅梅，沈嘉等编著.WIMAX技术标准与应用［M］.人民邮电出版社.北京，2007年1月

2曾春亮等编著.WIMAX/802.16原理与应用［M］.机械工业出版社出版.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赵元韬，杨寿保，滕达，黄彦彬，赫卫卿 《WiMAX Mesh中分布与集度下的 QoS保障机制》计算机工程 2010，Vol.36，No.5.pp.86-88

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.10.015

（2016-09-08）