TCP/IP -- 實體層

• 實體層是TCP/IP 網絡模型的第一層,它雖然處于最底層,卻是整個通信系統

  

  的基礎, 正如高速公路和街道是汽車通行的基礎一樣。理層為裝置之間的資料通信提供傳輸媒體及 互連裝置,為資料傳輸提供可靠的環境。

目錄

• 實體層功能
• 實體層關心的内容
• 實體層基本傳輸與多址方式
• WiMAX實體層關鍵技術及其演進

實體層功能

• 　　實體層的功能首要功能就是為資料端裝置提供傳送資料的通路。其次,實體層的功能是傳輸資料。要完成這兩個功能,實體層協定規定了如何建立,維護和拆除一條實體鍊路。

  

  　　如圖所示的一個簡單計算機網絡模型中, 實體層規定了信号該如何發送, 如何接收, 什麼樣的信号代表什麼含義,應該使用什麼樣的傳輸媒體和什麼樣的接口。

實體層關心的内容

• 　　信号的傳輸離不開傳輸媒體，而傳輸媒體兩端必然有接口用于發送和接收信号。是以，既然實體層主要關心如何傳輸信号，實體層的主要任務就是規定各種傳輸媒體和接口與傳輸信号相關的一些特性。

  　　1．機械特性

  　　也叫實體特性，指明通信實體間硬體連接配接接口的機械特點，如接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等。這很像平時常見的各種規格的電源插頭，其尺寸都有嚴格的規定。

  　　圖列出了各類已被ISO 标準化了的DCE接口的幾何尺寸及插孔芯數和排列方式。

  　　一般來說，DTE(Data Terminal Equipment，資料終端裝置，用于發送和接收資料的裝置，例如使用者的計算機)的連接配接器常用插針形式，其幾何尺寸與．DCE(Data Circuit-terminating Equipment，資料電路終接裝置，用來連接配接DTE與資料通信網絡的裝置，例如Modem數據機)連接配接器相配合，插針芯數和排列方式與DCE連接配接器成鏡像對稱。

  

  　　圖 常用連接配接機械特性(機關：mm)

  　　2．電氣特性

  　　規定了在實體連接配接上，導線的電氣連接配接及有關電路的特性，一般包括：接收器和發送器電路特性的說明、信号的識别、最大傳輸速率的說明、與互連電纜相關的規則、發送器的輸出阻抗、接收器的輸入阻抗等電氣參數等。

  　　3．功能特性

  　　指明實體接口各條信号線的用途(用法)，包括：接口線功能的規定方法，接口信号線的功能分類--資料信号線、控制信号線、定時信号線和接地線4類。

  　　4．規程特性

  　　指明利用接口傳輸比特流的全過程及各項用于傳輸的事件發生的合法順序，包括事件的執行順序和資料傳輸方式，即在實體連接配接建立、維持和交換資訊時，DTE／DCE雙方在各自電路上的動作序列。

  　　以上4個特性實作了實體層在傳輸資料時，對于信号、接口和傳輸媒體的規定。

實體層基本傳輸與多址方式

• 　　無線通信系統的基礎。36PP經過激烈的讨論，決定LTE采用上下行正交頻分多址（OFDMA），上行單載波頻分多址（SC-FDMA）的方式。

  　　OFDM是LTE系統的主要特點，它的基本思想是把高速資料流分散到多個正交的子載波上傳輸，進而使子載波上的符号速率大大降低，符号持續時間大大加長，因而對時延擴充有較強的抵抗力，減少了符号間幹擾的影響。通常在OFDM符号前加入保護間隔，隻要保護間隔大于信道的時延擴充則可以完全消除符号間幹擾ISI。

  　　OFDM參數設定對整個系統的性能會産生決定性的影響，如循環字首。它主要用于有效消除符号間幹擾，其長度決定了OFDM系統的抗多徑能力和覆寫能力。長CP利于克服多徑幹擾、支援大範圍覆寫，單系統開銷也會相應增加，導緻資料傳輸能力下降。為了達到小區半徑lOOkm的覆寫要求，LTE系統采用長短兩套循環字首方案，根據具體場景進行選擇：短cp方案為基本選項，長CP方案用于支援LTE大範圍小區覆寫和多小區廣播業務。

  　　上行方向，LTE系統采用基于帶有循環字首的SC-FDMA技術。最大的好處是降低了發射終端的峰均功率比、減少了終端的體積和成本，這是選擇SC-FDMA作為LTE上行信号接入方式的一個主要原因。其特點還包括頻譜帶寬配置設定靈活、子載波序列固定、采用循環字首對抗多徑衰落和可變的傳輸時間間隔等。

  　　載波間隔是LTE系統中最基本的參數之一。經過理論分析與仿真比較，最終确定采用15kHz。上下行的最小資源塊均為375kHz，也就是25個子載波寬度。資料到資源塊的映射方式可采用集中方式或離散方式。通過合理配置子載波數量，系統可以實作1.25～20MHz的靈活帶寬配置。

WiMAX實體層關鍵技術及其演進

• 　　以IEEE 802.16e标準為基礎的寬帶無線技術已經成為WiMAX技術的主流，接入無線網絡已經成為很多人生活的一部分。為了滿足人們對傳輸速率日益增長和高速移動性的要求，IEEE在相繼推出了802.16a、802.16d、802.16e後，IEEE即将提出下一代的先進空口技術标準——802.16m。 2006年12月IEEE啟動了IEEE 802.16m标準的制訂工作，很多全球着名廠家将參與其中。

  　　WiMAX實體層的技術特點[1]：

  　　(1)在實體層采用正交頻分複用，實作高效的頻譜使用率。

  　　(2)雙工方式：支援時分雙工(TDD)、頻分雙工(FDD)，同時也

  　　支援半雙工頻分雙工(HFDD)。FDD需要成對的頻率，TDD則不需要，而且可以實作靈活的上下行帶寬動态配置設定。半雙工頻分雙工方式降低了終端收發器的要求，進而降低了對終端收發器的要求。

  　　(3)可支援移動和固定的情況，移動速度最高可達120 km/h。

  　　(4)帶寬劃分靈活，系統的帶寬範圍為1.25 MHz～20 MHz。WiMAX規定了幾個系列的帶寬：1.25 MHz的倍數系列、1.75 MHz的倍數系列。其中1.25 MHz倍數系列包括：1.25 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz、20 MHz等，1.75 MHz倍數系列包括：1.75 MHz、3.5 MHz、7 MHz、14 MHz等。

  　　(5)使用先進的多天線技術提高系統容量和覆寫範圍。

  　　(6)采用混合自動重傳(HARQ)技術。混合自動重傳操作中融合了前向糾錯(FEC)的功能，使得每一次分組包的發送操作都能夠為最終的正确解碼做出貢獻。主要分為兩類：追趕合并和遞增備援。

  　　(7)采用自适應調制編解碼(AMC)技術。AMC根據接收信号的品質，随時調整分組包的調制、編碼方式、編碼速率，使得系統在能夠達到足夠的可靠性的基礎上，使用盡可能高的資料傳輸速率。

  　　(8)采用功率控制技術，目标是最大化頻譜效率，而同時滿足其他系統名額。

  　　(9)采用先進的信道編碼技術增加通信品質，擴大覆寫範圍。

  　　從先進國際移動通信和下一代移動網絡的技術需求來看，未來移動通信的傳輸速率要求達到百兆比特位每秒甚至吉比特位每秒，目前的IEEE 802.16e中最高的實體層速率是75 Mb/s，為了能夠在保證通信品質的同時達到很高的資料速率，在未來的标準演進中，必須對實體層的關鍵技術進行有效的演進。

  　　1 OFDM和OFDMA技術

  　　在802.16d/16e中均引進了正交頻分複用(OFDM)和正交頻分複用多址(OFDMA)技術，在未來的實體層技術演進中，OFDM和 OFDMA仍然是主要的關鍵技術之一。正交時分複用(OTDM)則是在最近倍受大家關注的另外一種複用技術，有可能成為未來的實體層複用技術之一。

  　　1.1正交頻分複用

  　　OFDM[2]的主要思想是：将信道分成若幹正交子信道，将高速資料信号轉換成并行的低速子資料流，調制到每個子信道上進行傳輸。正交信号通過接收端采用相關技術分開，可以在一定條件下減少子信道間幹擾(ICI)。每個子信道上的信号帶寬小于信道的相關帶寬，是以每個子信道可看作平衰落信道，進而消除了符号間幹擾(ISI)。由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。

  　　OFDM技術之是以越來越受關注，是因為OFDM有很多獨特的優點：

  　　頻譜使用率很高。

  　　抗多徑幹擾與頻率選擇性衰落能力強。

  　　采用動态子載波配置設定技術能使系統達到最大比特率。

  　　通過各子載波的聯合編碼，可具有很強的抗衰落能力。

  　　基于離散傅立葉變換(DFT)的OFDM有快速算法，OFDM采用快速傅裡葉變換(FFT)和逆快速傅裡葉變換(IFFT)來實作調制和解調，易用數字信号處理器(DSP)實作。

  　　除上述優點以外，OFDM也有3個較明顯的缺點：

  　　對頻偏和相位噪聲敏感。

  　　峰均功率比(PAPR)大，導緻發送端放大器功率效率較低。

  　　自适應的調制技術使系統複雜度有所增加。

  　　OFDM作為保證高頻譜效率的調制方案已被一些規範及系統采用。OFDM将成為新一代無線通信系統中下行鍊路的最優調制方案之一，也會和傳統多址技術結合成為新一代無線通信系統多址技術的備選方案。

  　　1.2正交頻分複用多址

  　　在OFDMA系統中，使用者僅僅使用所有的子載波中的一部分，如果同一個幀内的使用者的定時偏差和頻率偏差足夠小，則系統内就不會存在小區内的幹擾，比碼分系統更有優勢。

  　　由于OFDMA可以把跳頻技術和OFDM技術相結合，是以可以構成一種更為靈活的多址方案，此外由于OFDMA可以靈活地适應帶寬要求，可以與動态信道配置設定技術結合使用來支援高速的資料傳輸。

  　　在未來的實體層技術演進中，OFDMA仍然會作為一種非常重要的關鍵技術繼續保留。

  　　1.3單載波頻域均衡技術

  　　在OFDM系統中，如何降低PAPR仍然是亟待解決的問題。不少演進技術中為了避免PAPR的影響，已經開始考慮采用單載波頻域均衡技術(SC-FDE)[3-4]，也稱為正交時分複用(OTDM)，原理框圖如圖1所示。

  

  　　SC-FDE之是以越來越受關注，是因為有如下的優點：

  　　抗多徑能力強

  　　頻譜效率高(與OFDM類似，甚至稍高)

  　　沒有PAPR

  　　帶外輻射小

  　　實作簡單

  　　采用自适應技術

  　　另外，SC-FDE易與其他技術結合，形成如下

  　　技術：

  　　CP-CDMA

  　　CP-DS-CDMA

  　　OTDM＋智能天線(發射機)

  　　OTDM＋分集接收(接收機)

  　　新一代的無線通信系統對系統的性能、成本、尺寸、功率和能耗提出了嚴格的要求。SC-FDE系統具有較強的克服頻率選擇性衰落的能力，克服了 OFDM系統的不足，使得接收機的實作更為簡單。SC-FDE也可以和OFDM共存于一個雙向傳輸系統，以便更靈活、更高效地發揮兩種技術的優勢。另外， SC-FDE技術還可以與多輸入多輸出(MIMO)技術相結合，提高頻譜使用率，改善系統性能，在寬帶無線通信領域有着廣闊的應用前景。采用SC-FDE 是未來高速無線通信系統的一個極具競争力的方案。

  　　2 幀結構

  　　IEEE 802.16e實體層定義了幾種雙工方式：TDD、FDD和HFDD。這幾種方式都使用突發資料傳輸格式，這種傳輸格式支援自适應的突發業務資料，傳輸參數(調制方式、編碼方式、發射功率等)可以動态調整，但是需要媒體通路控制(MAC)層協助完成。在TDD模式下，每個實體幀長度固定，上下行的切換點可以自适應調整，下行在先，上行在後，這樣杜絕了上行方向的競争。同時，上下行和下上行子幀之間可以插入收發時隙，以留出必要的保護間隔。資源的排程和配置設定可以在(BS)上集中控制，使得信道可以靈活地全部用于上行或下行。另外，針對不同的應用場景，在幀結構中定義了多種排列方式，提高頻譜使用率以及克服多徑衰落。802.16e還采用了128/512/1 024/2 048個可變子載波的OFDMA方式，使裝置信道帶寬可在1.75 MHz～20 MHz間靈活調配，進而使其具備更強的信道均衡能力和抗快衰落能力，以保證WiMAX終端在移動環境中的使用。

  　　未來幀結構，必須增強對多天線的各種應用模式簡單高效的排程，支援各種實體層關鍵技術的演進。

  　　3 多輸入多輸出

  　　頻率資源的使用是有限的，無論在時域、頻域還是碼域上處理信道容量均不會超過山農限。多天線的使用使得不同使用者的信号可以用不同的空間特征來表征，使得空域資源的使用成為可能。空域處理可以在不增加帶寬的情況下成倍地提升信道容量，也可以改善通信品質、提高鍊路的傳輸可靠性。

  　　3.1多天線的應用模式

  　　未來的多天線技術應用模式必将是靈活多變的，主要多天線的應用模式包括：

  　　(1)接收分集(單輸入多輸出時)

  　　由于部分終端受尺寸大小、發射功率和成本等的影響，通常在發送端隻有1根天線，基站使用多根接收天線，實作接收分集，理想情況下可獲得10logN r(dB)的增益，N r為基站接收天線的個數。容量随着接收天線的個數對數增加。應用場景如圖2所示。

  

  　　(2)發送分集(多輸入單輸出時)

  　　終端1根接收天線，基站多根發送天線，理想情況下可獲得10logN t(dB)的增益，N t為基站發送天線的個數。容量随着發送天線的個數對數增加。應用場景如圖3所示。

  

  　　(3)波束形成(多輸入單輸出時)

  　　終端隻有一根天線，基站使用多根發送天線，實作波束形成，由于在發端已經得到了H 矩陣，波束形成比發送分集信噪比提高3 dB。必須經過上行測量或者上行回報擷取信道資訊，才能夠進行波束形成。(4)空時編碼(多輸入多輸出時)

  　　未來的通信系統中，終端會走向多樣化，部分終端可以擁有多根天線，這樣通信鍊路的上下行均可實作多輸入多輸出(MIMO)，MIMO示意圖如圖4所示。空時編碼是MIMO的主要應用形式之一，正交的空時分組編碼可以獲得滿分集增益，空時網格編碼不僅能夠獲得部分的分集增益，同時也能夠獲得編碼增益。

  

  　　(5)空間複用(多輸入多輸出時)

  　　MIMO的另一種主要的應用形式是空間複用。空間複用技術使得信道容量成倍地增長變為可能。使用空間複用技術必須滿足：N r≥N t，使用迫零和幹擾對消進行逐符号檢測，發端無需知道信道資訊，無需通道校正，當信道容量下降時，複用系數應該自适應改變。

  　　(6)智能天線(先進的多天線系統)

  　　智能天線的一個主要的任務是如何擷取和利用信号的空間方向資訊，并通過陣列信号處理改善信号的品質，進而提高系統的性能。天線陣列的權重在基帶通過數字信号處理完成，自适應陣列技術屬于其中的一部分。自适應天線陣列是智能天線技術的研究重點和發展方向。

  　　3.2多天線技術的空域自适應

  　　未來的多天線技術必将實作空域自适應鍊路。根據信道的變化，可以實作目标為最大的資料傳輸速率的鍊路自适應和平均信道容量最大的鍊路自适應。

  　　實作目标為最大的資料傳輸速率的鍊路自适應的設計原則：

  　　(1)移動環境下的MIMO信道是變化的，容量也是變化的。

  　　(2)在低秩信道下并非發射天線越多信道容量越大，可以通過合理地選擇發射天線來提升系

  　　統容量。

  　　實作目标為平均信道容量最大的鍊路自适應的設計原則：

  　　(1)當收發天線之間的衰落系數互不相關且服從相同的分布時，MIMO系統将獲得可觀的信道容量。但是由于陣元間距和實際通信環境所限，各對收發天線間的衰落系數往往是相關的。研究表明，在相關性較強的情況下，信道容量會大幅降低。

  　　(2)在相關衰落信道中應該合理設計天線陣間距和排布方式來盡量降低陣元之間信道響應的相關系數。

  　　4 混合自動重傳

  　　HARQ是一種新的将自動重傳(ARQ)和前向差錯編碼結合的實體層技術，主要分為3類。I型HARQ，隻是把FEC和ARQ簡單地結合起來，雖然在一定程度上解決了FEC和ARQ本身的缺陷，但是由于每次隻是簡單地把出錯資料分組丢棄，要求發端重傳該資料組，沒有充分利用出錯的資料分組當中的有用資訊，導緻整體資料傳輸效率不高。II型HARQ，在I型的基礎上，以碼合并産生解碼增益的思想充分利用了每次發送的資料分組當中包含的有用資訊，但是在II型HARQ當中重發的資料分組包含新增的備援資訊(将有用資訊合并在一起産生的新的資料分組)，而并不包含原始資料資訊，是以不具備自解碼能力，如果原始資料分組被破壞嚴重或丢失，那麼無論重傳多少次也無法正确解碼，這是II型一個很大的缺點。III型HARQ，為了克服II型HARQ的缺點， III型HARQ無論是原始資料包還是重傳資料包都包含原始資料資訊，僅通過對重發資料包進行解碼就能夠恢複出原始資料資訊。靈活采用III型HARQ中單備援版本，可以更好地提升系統的性能。

  　　5 自适應調制編碼

  　　自适應調制編碼(AMC)的基本思路就是根據信道條件配置設定傳輸功率和碼率，以提高傳輸速率或系統吞吐量。自适應技術有兩個步驟：

  　　(1)傳輸信道參數的測量。

  　　(2)在優化預先指定的代價函數的基礎上，選擇一種或多種傳輸參數。

  　　但是有一個假設前提，信道變化不能很快，否則選擇的信道參數很難與信道實際情況相比對。是以自适應技術隻适用于多普勒擴充不是很大的情況。自适應技術在室内環境中具有很明顯的優勢，因為在室内環境中傳播時延很小，發射機和接收機間的相對速度也很慢。在這種情況下，自适應技術可以逐幀使用。主要的自适應調整技術包括：自适應調整功率級别，調整星座圖大小，調整碼速，同時調整功率級别和星座圖大小，同時調整星座圖大小和符号速率，同時調整功率和傳輸速率，同時調整碼速、符号速率和星座圖大小。

  　　6 信道編碼

  　　信道編碼技術在無線通信中是必不可少的，通過信道編碼(糾錯碼)實作差錯控制是高速通信中的關鍵技術之一。802.11d/e标準采用了RS分組碼、卷積編碼、卷積Turbo碼、分組Turbo碼、低密度稀疏檢驗矩陣碼(LDPC)等糾錯編碼技術，Woven卷積碼已經被中國通信标準化協會寫入新一代無線通信空中接口技術綱要。

  　　其中RS分組碼、卷積編碼、卷積Turbo碼、分組Turbo碼等在文獻[5]中有詳細的描述。LDPC作為一種新的糾錯編碼的方法，是一類可以用非常稀疏的奇偶校驗矩陣定義的線性分組碼，已經成為了下一代衛星數字視訊廣播标準(DVB-S2)的一項關鍵技術。如果在WiMAX中應用LDPC 碼，由于LDPC碼有很好的抗衰落性，編碼增益很高，接收機在較低的信噪比情況下仍然可以擁有較低的誤碼率，可以使覆寫範圍得到提升。盡管在目前增強無線聯盟(EWC)的草案中，LDPC碼仍然是一個可選(非強制)實施的編碼方法，但是有理由相信LDPC碼将在未來的802.16系列标準中扮演重要角色。1997年Host、Johannesson等人提出了Woven卷積碼[6]。Woven碼借助了“編織”的概念将多個卷積成員碼巧妙地結合起來，是以它不僅繼承了卷積碼的很多特性并具有了較大的自由距離，而且其系統結構可完全包容傳統分組碼、卷積碼以及各類Turbo碼，Woven碼是對以卷積碼為分量碼的串行級聯碼的擴充，相信Woven卷積碼在未來的标準演進中将會得到廣泛的應用。

  　　7 結束語

  　　WiMAX已作為一種寬帶網絡解決方案得到了很多營運商的認可。在WiMAX領域内已經誕生了802.16d/e标準，不久的将來 802.16m也将應運而生，該标準使用了目前無線通信領域中的多項先進技術，其産品将擁有高速資料傳輸能力和較大的覆寫區域，容易和其他無線通信網絡融合。

  　　WiMAX标準将對無線寬帶網市場産生巨大的推動力。随着網上多媒體技術的日益應用發展，傳輸速率更高的無線網絡裝置将會湧現，無線寬帶網裝置和服務的投資前景将會非常樂觀。在在無線寬帶網使用者和國際衆多營運商的雙重推動下，未來幾年内，高速WiMAX網絡的應用将會成為未來網絡的技術主流之一。