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HiperLAN技术介绍.doc

发布时间：2022-06-10 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.16M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    [3].无线局域网HiperLAN/2标准综述 徐朴 卢平平 江溯
    [4].浅析无线局域网的主要标准 李翠然 李承恕
    无线局域网技术——HiperLAN/2 无线局域网技术——HiperLAN/2 摘要： 本文主要从结构体系、工作方式、系统特性、应用领域等方面介绍了一代无线局域网技 术——HiperLAN/2，并比较了 HiperLAN/2 与 HiperLAN/1，HiperLAN/2 与 802.11a 各自的 特点。 关键字： HiperLAN/2 802.11a 物理层 数据链路层 无线局域网 1 引言： 随着无线和移动通信的快速发展、多媒体应用的出现以及 Internet 接入的需求量的增 加，要求新一代无线局域网技术可以提供更高的数据率。而 HiperLAN/2 是顺应时代潮流而 由欧洲 ETSI 提出的目前最为完善的 WLAN 协议。与其它蜂窝系统比较，它的户外移动性虽然 受到限制，但适用面广，可在典型的应用环境如办公室、家庭、展览厅、机场、火车站等热 点地区，向终端用户提供高速数据率和高性能。HiperLAN/2 的网络拓扑结构如图 1 所示。 图 1 HiperLAN/2 网络 2 结构体系: HiperLAN/2 的参考模型如图 2 所示：主要包含汇聚层、数据链路层、物理层三部分。 图 2 HiperLAN/2 的参考模型 2.1 汇聚层 [1]
    无线局域网技术——HiperLAN/2 汇聚层，它有两大主要功能：使来自高层的服务请求与 DLC 层提供的服务适配； 将高层固定或可变长度的分组整理成适合固定长度的业务数据单元（SDU）在 DLC 中使 用，可采用填充、分割、重新组装成用于 DLC 内的固定长度的 SDU。固定长度 DLC 业 务数据单元的填充、分割和重组是一个关键特征，它使得 DLC 和 PHY 层脱离开主干网 独立存在而不必关心 HiperLAN/2 接入何种网络中，系统实现相对简单。CL 的通用结 构使 HiperLAN/2 足以称为宽带无线接入网，可接入不同固定网络，如以太网、IP 网、 ATM 和 UMTS 等。 汇聚层有两种类型：一是单元式汇聚层，其高层有固定长度的分组，如 HiperLAN/2 接入 ATM 网络的情况；二是分组式汇聚层，其高层的分组长度不固定，如 HiperLAN/2 接入以太网的情况。分组式的汇聚层包括公共部分和业务细节两个部分，这样可以适 配不同网络。 2.2 数据链路层 2.2.1 无线链路控制 RLC 协议为信令实体提供传输服务，主要处理三种控制功能：用于鉴权、密钥管 理、关联、取消关联以及加密种子的关联控制功能；无线资源控制功能管理切换、动 态频率选择、移动终端的激活和释放、省电以及功率控制；DLC 用户连接控制功能(DDC) 用于建立和释放用户连接、多点传送和广播。 总之，RLC 用于在一个接入点和移动终端之间的控制面中交换信令数据。例如， 移动终端通过 RLC 信令形成和接入点的联系，完成这个联系过程后，移动终端可以请 求一个专业控制信道建立无线载体。在 HiperLAN/2 中，无线载体称为 DLC 连接。 2.2.2 差错控制 差错控制机制有助于提高无线链路的可靠性，系统采用可选择重复 ARQ。这里的 EC 功能是检测位错，有位错时重发 U-PDU，同时也保证 U-PDU 按顺序发送到汇聚层， 具 体方 法 是:给 每个 连 接上 的 U-PDU 分 配一 个 序列 号 ， ARQ 应 答的 正 确或 错 误消 息 在 LCCH 上传送，一个 U-PDU 可以被重发多次（次数可以设定）。 为保证一些实时业务如语音等应用的服务质量，系统允许丢失一些 U-PDU。因为 重发方式导致一些数据陈旧时（如超过重发次数的上限），EC 协议上的发送方将会发 起“丢失机制”，将该 PDU 以及这个 DUC 上其他待发的 U-PDU 全部丢失（发送时 U-PDU 序列号依次减小），这就导致 DLC 有效连接上的 PDU 存在残缺，如果需要，允许更上层 恢复这些丢失的数据。 2.2.3 媒体接入控制 HiperLAN/2 的 MAC 子层采用 AP 集中管理的方式，由 AP 负责控制 MT 在一个 MAC 帧中所 占据的时隙，并通知对应的 MT。空中接口基于时分双工（TDD）和动态时分复用（TDMA）。 MAC 帧是物理层和 DLC 层之间的接口。在一个 MAC 帧内，上行和下行链路的通信可以同步进 行，而且上下行链路的时隙可以根据需要动态分配。基本的 MAC 帧为固定长度 2ms，其中包 含了广播控制、帧控制、接入控制、上、下行链路数据和随机接入等多个信道。除了随机接 入信道时隙允许竞争占用以外，所有数据都要通过专用的时隙在 AP 和 MT 之间传输。除了广 播控制信道固定以外，其它域都根据当前的业务量情况动态调整。 2.2.4 HiperLAN/2 的帧结构： HiperLAN/2的媒质访问是基于持续时间为2ms的固定MAC帧的时分复用，时分多址(TDMA) 技术。在每个MAC帧的开头，AP都要确定和通知每个MT从MAC帧的哪一点开始发送和接收信息。 时隙是依据传输数据的需要动态分配的。MT通过资源请求(RR)控制信号告诉AP它要进行数据 传输。MAC帧由广播、下行线路、上行线路和随机访问四部分组成。广播段包括广播控制帧 [2]
    无线局域网技术——HiperLAN/2 控制和访问反馈控制。上下行链路段传送来自、去往MT的突发业务流，这些突发包被称为长 信道(LCH)和短信道(SCH)。LCH包括控制或用户数据，SCH只包括控制数据(例如，上行链路 中的确认和资源请求，而且SCH通常是由DLC层产生。MAC帧结构如图3所示) MH和SCH各域的意义如下： ·Info中是控制信息。 ·序列号是由差错控制函数提供的。 ·CL是汇聚层加的开销。 ·CRC用于差错检测。 两个MT还可以在一条直连链路上直接通信。如果是直连链路，对上、下行链路要进行时隙分 配，媒质的时隙结构允许在同一个MAC帧中进行上、下行链路通信。 2.3 物理层 图 3 HiperLAN/2 帧结构 HiperLAN/2 物理层采用了 OFDM 技术，以此来有效地对抗时间弥散信道中较强的多径干 扰。采用 52 路子载波，其中 48 路传输实际的用户数据，另外 4 路传输引导序列，用于相关 接收时的相位跟踪。信道间隔为 20MHz，保护间隔为 800ns，这足以对抗 250ns 的时延扩展， 对于大部分应用环境来讲已经足够了。对于一些小的室内应用环境，可以采用较短的保护间 隔，如 400ns，来获得更高的传输效率。 HiperLAN/2 物理层的另一个特点是有若干种调制和编码方式供选择。这样根据不同的 应用环境限制和性能需求，可以采用不同的方式。OFDM 单个子载波的调制方式可以采用 BPSK、QPSK、16QAM 以及 64QAM。前向纠错一般采用 1/2 码率、约束长度为 7 的卷积编码， 而采用截短技术，可以使码率提高到 9/16 或 3/4。 3 工作原理： [3]
    无线局域网技术——HiperLAN/2 图 4 通过固定 LAN 连接的 HiperLAN/2 网络 在HiperLAN/2中，每一个AP都使用DFS算法选择合适的频率。首先，MT将检测信号强度， 并选择要与它建立联系的最适当的AP。MT从选中的AP中接收一个MAC号（MAC ID），紧接 着交换链路功能并据此决定使用什么样的认证过程和加密算法，以及使用哪一个聚合层用于 用户的通信。在密钥交换和认证之后，MT与AP 就可以建立联系。最后，在数据链路控制层 （DLC）建立用户连接，此时用户就可以进行通信了。MT将通过两个建立的连接（在HiperLAN 中缺省值是2个）收发数据，这两个连接支持两种不同的带有Q标记映射的优先权排队（当然， 也可以支持更多的优先级排队）。以太网聚合层确保每个以太网帧的优先级根据预先定义的 映射方案被映射到适当的数据链路层用户连接中。MT可以决定加入一个或多个多路广播小 组。 HiperLAN/2网络可以被配置来使用N个单路广播，以得到最理想的传输质量，也可以为 每个加入的小组分配一个单独的MAC号（MAC ID）以便为其保留带宽。如果一个单独的MAC 号被分配给一个多路广播小组，那么映射方案就是：IP地址--IEEE地址--MAC号。当MT移动 时，如果它检测到有一个AP更适合于进行通信（如具有更好的信号强度），那么它会执行一 次转换。所有已经建立的连接将使用 AP AP信令，通过固定LAN自动转换到新的AP上。当 MT（更确切地讲是用户）想与LAN 断开连接时，MT将请求断开联系，这样就断开了MT和AP 之间的所有连接。当MT移动到超出HiperLAN/2的覆盖范围时，也会断开MT和AP之间的所有连 接。 4 系统特性： 4.1 高速数据传输 由于采用了先进的OFDM 调制技术，HiperLAN／2可以提供最高达54Mbit／s的传输速率。 同时，MAC子层采用了动态TDD模式，更适用于非对称业务，使无线资源的利用更加有效。 4.2 面向链接的机制 网络中数据的传输是面向连接方式。在传送数据之前，AP和MT之间通过HiperLAN／2控 制层的信令预先建立连接。这种连接在空中接口上为时分双工，其连接分点为点对点和点对 多点。点对点是双向连接，点对多点是下行方向单向连接，多用于组播。 4.3 QoS 支持 HiperLAN/1主要是为异步数据传输方式所提出的标准，其MAC层协议采用带冲突检测的 载波侦听多址CSMA/CD）的接入方式。可看出，HiperLAN/1标准的MAC层采用的CSMA/CD策略 是一种竞争的机制，它不能保证用户的服务质量QoS）要求。针对此缺陷，ETSI才提出了新 的标准——HiperLAN/2，HiperLAN2标准能够提供用户的QoS保证。QoS参数包括带宽、误码 率、时延和抖动。面向连接有利于实现对QoS的支持，可以为每个连接分配一个指定的QoS， 以确定这个连接在带宽、延迟、拥塞、比特错误率等方面的要求。接人点通过对传输信道中 [4]
    无线局域网技术——HiperLAN/2 特定的时间间隔分配特定的时隙，实现数据存取，而后在不中断同一频率与其他移动终端通 信的情况下传送数据，且控制信道提供自动请求重发ARQ机制。由于高传输速率以及对QoS 的支持，使该系统非常适合传输多媒体数据流。 4.4 自动频率分配 为实现连续频率覆盖，接人点需要有重叠的覆盖区域。覆盖区域在室内一般为10m，在 室外一般为150m。在每个接人点覆盖区域中，不需要采用类似GSM 网那样的人工频率分配， AP能监听其周围的HiperLAN／2无线信道，自动选择适当的无线信道进行数据传输。该功能 消除了对频率规划的需求，并使系统部署变得相对简便。AP监听邻近小区及环境中的其他无 线资源，根据最小干扰和资源不冲突准则选择无线信道。 4.5 安全性支持 无线网络由于固有的开放性，其安全性远不如有线网，因此对业务流加密是目前较为有 效的安全手段。HiperLAN／2网络支持安全认证和加密功能。AP和MT可以相互进行认证，以 确保对网络的授权访问。通过鉴权，不仅只有合法的用户可以接入网络，而且只能接人通过 鉴权的有效网络。实现的方法是：首先使用Diffe Hellman密钥交换协商秘密会话密钥，而 后通过秘密密钥或公开密钥完成相互认证过程，在此基础上，用数据加密系统和三重数据加 密系统给数据加密。采用这种加密机制，通过HiperLAN／2进行通信就像通过有线LAN通信一 样安全可靠。 4.6 移动性支持 MT选择信噪比最高的AP来收发数据，因此当MT移动时，必须随时检测附近的AP，一旦发 现其他AP有比当前AP更好的传输性能，就请求切换。切换后，所有已经建立的链接将转移到 新的AP之上。在切换过程中，通信不会发生中断。如果MT离开了HiperLAN／2的覆盖范围， MT则断开与网络的联系，原有的连接释放。 4.7 网络与应用的独立性 HiperLAN／2协议栈具有很大的灵活性，可以适应多种固定网络类型，因此既可以作为 交换式以太网的无线接人子网，也可以作为第三代蜂窝网络的接入网，并且这种接人对网络 层以上的用户部分是完全透明的。当前在固定网络上的任何应用都可以在网上运行，而 IEEES02．11的一系列协议都只能由以太网作为支撑。 4.8 节能管理 节能管理的机制是基于MT发起的节能请求。MT不仅可以在任意时刻请求AP进人一种低功 耗空闲状态，而且可以确定这一状态的时间。在这期间，AP停止所有等待的数据传输功能， 直到MT中结束相应的空闲期为止。针对不同的需求，如要求较短的等待时间或较低的功率， 可以采用不同的空闲时间。 5 应用领域： HiperLAN/2 的应用领域非常广泛，下面是一些最典型的应用领域。 5.1 重要地点 HiperLAN/2 可以部署在一些重要地点（如机场、宾馆等），以便为正在旅行的用户提供 远程访问和 Internet 服务。与 HiperLAN/2 连接的访问服务器允许点对点连接，也可以访问 特定的企业网络（可能需要通过特定的 ISP）。 5.2 访问第三代蜂窝网络 用户可以通过 HiperLAN/2 访问第三代蜂窝网络（如 WCDMA 等）。将来，HiperLAN/2 和 WCDMA 技术覆盖的地区必将越来越广泛，而用户可以从中得到最大的好处，他们不仅可以使 用 HiperLAN/2 提供的服务，而且在没有 HiperLAN/2 的地方仍然可以使用 WCDMA 蜂窝网络服 务。当用户在两类网络之间移动时，核心网络可以保证用户无缝地自动在两类网络之间进行 [5]
    无线局域网技术——HiperLAN/2 转换。 5.3 家庭网络 HiperLAN/2 可以为家庭环境创建一个无线基础设施，用于家用设备（如家用 PC、VCR、 照相机和打印机等）的联网。HiperLAN/2 的高输出和 QoS 特性可以满足各种家用设备视频 传输与数据通信的要求。在这种情况下，AP 可能会提供一个到公众 Internet 的“上行”链 路。 5.4 企业 LAN 使用以太网 LAN 和 IP 路由器建立的企业网络，在这个网络中，一个 HiperLAN/2 网络被用 作 MT 和 LAN 之间的最后一段。HiperLAN/2 网络支持同一个 LAN/子网(Subnet)中的移动性。 在子网之间移动就意味着 IP 具有可移动性。 6 HiperLAN/2 与 HiperLAN/1 HiperLAN/2 是由欧洲电信标准协会（ETSI）提出的，并在 HiperLAn/1 的基础上进行 改进而得到的，HiperLAn/1 标准采用 5G 射频频率，可以达到上行 20Mbps 的速率，采用 GMSK （调制前高斯滤波的最小频移键控）技术。在同样的频段上 HiperLAN/2 上行速率已经达到 54Mbps，采用的是 OFDM（正交频分复用）技术。HiperLan/2 系统同 3G 标准兼容。HiperLAN/2 网络协议栈具有灵活的体系结构，很容易适配并扩展不同的固定网络。 HiperLAN/1 主要是为异步数据传输方式所提出的标准，其 MAC 层协议采用带冲突检测 的载波侦听多址 CSMA/CD）的接入方式。可看出，HiperLAN/1 标准的 MAC 层采用的 CSMA/CD 策略是一种竞争的机制，它不能保证用户的服务质量 QoS）要求。针对此缺陷，ETSI 才提出 了新的标准——HiperLAN/2，HiperLAN/2 标准能够提供用户的 QoS 保证。 7 HiperLAN/2 与 802.11a HiperLAN/2和802.11a都工作在5GHz的频带上，能够提供的最大传输速率都可以达到 54Mbps，两者之所以选择5GHz的频带，是因为分配5GHz频带的频谱可以满足wLAN吞吐量不断 增长的需要，并且可以有效避免与微波炉等工作在2．4GHz频段上的其他系统发生冲突，增 强了其抗干扰的能力。另外在5GHz频段上可分配的频谱宽度也比2．4GHz上的宽得多。 二者主要的不同之处在于数据链路层，802.11a采用的是CSMA/CA的MAC协议，而 HiperLAN/2采用的是TDMA/TDD的工作方式，由此导致二者的重要区别是HiperLAN/2支持的是 定长分组，而802.11a支持的是变长分组。 在物理层上，二者极为相似，例如二者都采用正交频分复用（OFDM）的码元进行传输， 同样采用了加扰，编码收缩，交织等方式增强信号的抗干扰能力。这就使得它们使用相同的 硬件资源，节省了费用，增进了二者之间的融合。 参考文献： [1].高性能无线局域网 HiperLAN/2 黎海涛，张靖 [2].IEEE802.11a 与 HiperLAN/2 的技术对比 刘蕾 张有根 [3].无线局域网 HiperLAN/2 标准综述 徐朴 卢平平 江溯 [4].浅析无线局域网的主要标准 李翠然 李承恕 [6]
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