无线局域网HiperLAN/2标准综述

要害词：无线局域网(WLAN) 无线接入 宽带

一、概述

无线和移动通信的快速发展、多媒体应用的出现以及Internet接入的需要都刺激着无线宽带接入网络的进一步开发。第二代移动无线系统的改进以及正在大力开发的第三代无线通信网的目的就在于使网络能够提供无线信道上最高可达2Mbps的瞬时用户比特率，从而大大提高分组数据和移动多媒体应用。同时对于局域网采用一些新的无线技术甚至可获得更高的数据率。其中新一代WLAN技术��HiperLAN/2标准就是一例。

HiperLAN/2是目前最为完善的WLAN协议。它的特点是：高速传输、面向连接、支持QoS、自动频率配置、支持小区切换、安全保密、网络与应用无关。HiperLAN标准定义了许多支持无线网络功能的信令和测量方法，包括动态频率选择、无线小区切换、链路适配、多波束天线和功率控制等。HiperLan/2标准是对目前无线接入系统的补充，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。

在欧洲，HiperLAN有455MHz的频谱资源，美国为300 MHz，日本则是100 MHz，并且在考虑更多的频谱分配。这些频段虽都在5GHz频段中，但并不统一，ITU-R正努力在全球范围内实现无线局域网统一频谱分配。

图1是 HiperLAN/2的典型网络拓扑结构。移动终端(MT)通过接入点(AP) 接入固定网，MT与AP之间的空中接口由HiperLAN/2定义。一个AP所覆盖的区域称为一个小区，一个小区的覆盖范围在室内一般为30米，在室外一般为150米。无线终端MT可以在HiperLAN/2网络中自由移动，并保持与网络间良好的传输性能。在某一个特定时间，移动终端只能与一个接入点通信。无线网络自动进行无线频率配置。这一方式不同于以往无线网络的频率规划，系统配置更加方便。

图1 HiperLAN/2网络

HiperLAN/2是目前性能最高的WLAN技术，其特点是：

• 高速数据传输：由于采用了先进的OFDM调制技术， HiperLAN/2可以提供非常高的数据传输速率，其速率在物理层最高达54Mbit/s，在层三也可达25Mbit/s。在办公室这样的时间扩散环境中，OFDM对多径效应的解决很有效。同时， MAC采用了动态TDD模式，使无线资源的利用更加有效。

• 面向连接：与其它无线局域网技术不同，在HiperLAN/2网络中数据的传输是面向连接的。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是时分双工的，连接分点对点和点对多点。点对点连接是双向连接，点对多点是单向连接��下行方向，从接入点到移动终端。另外，HiperLAN/2还可以采用专用广播信道，由同一个AP向所有移动终端发送广播消息。

• QoS：HiperLAN/2面向连接的特性有利于实现对QoS的支持。由于高传输率和对QoS的支持，HiperLAN/2可以同时传输不同类型的数据流，比如视频、话音和数据等。

• 自动频率分配：在每一接入点覆盖区域中，接入点AP能自动选择适当的无线信道进行传输数据。AP监听邻近小区及环境中的其它无线资源，根据最小干扰和资源不冲突准则选择适当的无线信道。

• 安全性：HiperLAN/2网络支持安全认证和加密功能。

• 移动性：移动终端与离它最近的一个接入点通信，确切的说，移动终端与具有最好信噪比的接入点通信，因此，在不断移动的情况下，移动用户（终端）可能会侦测到一个无线传输性能更好的接入点，于是，移动终端将执行一次切换，切换到一个新的AP中，所有已建立的连接都转移到新AP上，移动终端仍继续与网络保持通信。当然，在切换过程中，有可能会丢失一些数据包，而且，假如移动终端超出HiperLAN/2网络的覆盖范围相当长一段时间，将会失去与网络的联系，所有连接将被释放。

• 网络与应用无关：HiperLAN/2网络协议栈具有灵活的体系结构，很轻易适配并扩展不同的固定网络。例如，HiperLAN/2可被用作交换式以太网的无线部分；同样，HiperLAN/2也可作为第三代蜂窝网络的接入网使用。目前在固定网上运行的所有应用都可以在HiperLAN/2上运行。

• 省电：HiperLAN/2的省电机制是基于MT对睡眠期的初始约定。移动终端可以在任何时间要求AP进入低功率状态，并且请求特定的睡眠周期。睡眠周期结束时，移动终端将检测有无AP发来的激活指示，假如没有检测到，则进入下一个睡眠周期，继续保持低功率状态。AP暂不发送用户数据，等睡眠期结束后才开始发送。可以根据对反应时间和低功耗的要求，选择不同的睡眠周期。

三、协议体系结构

HiperLAN/2无线接口的协议参考模型如图2所示，HiperLAN/2的协议栈分成控制平面和用户平面两部分。用户平面的功能是在已经连接的连接上传输数据；控制平面的功能是控制连接的建立、释放和监控。HiperLAN/2协议包括三个基本层：物理层PHY、数据链路层DLC和汇聚层CL。

图2 HiperLAN/2协议参考模型

1、物理层PHY

HiperLAN/2的物理层以一定长度的突发脉冲串（Burst）格式传输数据单元，每一个burst分成前导码(preamble)和数据两个部分。

HiperLAN/2采用了OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）调制方案，非凡适用于信道呈发散状分布的系统，HiperLAN/2的信道间隔为20MHz，可以支持非常高的传输速率，是信道数目和传输高速率的一种折衷（如在欧洲采用了19个信道）。每一个信道又分成52个子信道。为抑制子信道之间的干扰，每个子信道之间的频率间隔为312.5kHz，其中48个子信道用于传送数据，另外4个子信道用于提供系统同步的导频信号。信道的传输时延一般不超过250ns，采用800ns 的保护间隔时间足以满足要求，在比较小的室内环境中，可以采用400ns的更短的保护间隔时间。

在HiperLAN/2的收发端使用FFT信号处理方式可以有效地实现OFDM，这样，与传统的FDM系统相比，采用OFDM的HiperLAN/2系统可大大降低硬件设备的复杂度，并且有效提高频谱利用率，在时间扩散环境中尽可能的抑制因多径传输而产生的符号间干扰和码片间干扰。

与3G等类似，为了适应不同的业务要求和链路条件，HiperLAN/2的物理层可以提供多种传输方式（采用不同的调制和编码方式），由高层协议根据具体要求而定。

2、数据链路控制层DLC

数据链路层负责建立移动终端和接入点之间的逻辑链路。它的功能包括用户面的媒体访问和传输及控制面的联接处理，因此，DLC（Data Link Control）层包括MAC协议、差错控制协议（EC）和无线链路控制协议RLC三个子层。

• MAC协议

MAC协议用于发送数据时控制对物理介质的访问。无线接口基于TDD和动态的TDMA多址方案，采用的时隙结构在HiperLAN/2中称作MAC帧。根据所需要的传输资源动态地分配上下行链路的时隙，基本的MAC帧时长固定为2ms，包括广播控制信道、帧控制信道、接入控制信道、上下行数据传输和随机接入。AP和MT所有数据的传输都在专用的时隙上传输，但随机接入信道存在一个竞争问题。广播控制的持续时间是固定的，而其它部分的持续时间要依据当时的传输条件而定。MAC帧和传输信道组成数据链路层DLC和传输层PHY之间的接口。

• 差错控制协议EC

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，也保证U-PDU按顺序发送到汇聚层，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，系统答应丢失一些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上其它待发的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，假如需要，答应更上层恢复这些丢失的数据。

• 无线链路控制协议RLC

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、密钥治理、关联(Association)、取消关联(Disassociation)以及加密种子(Encryption Seed)的关联控制功能(ACF)；无线资源控制(RRC)功能治理切换、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(Radio Bearers)。在HiperLAN/2中，无线载体称为DLC连接。

3、汇聚层CL

汇聚层CL(Convergence Layer)基本结构如图3所示，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一个个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、分割和重组是一个要害特征，它使得DLC和PHY层脱离开主干网独立存在而不必关心HiperLAN接入何种网络中，系统实现相对简单。CL的通用结构使HiperLAN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。

图3 汇聚层基本结构

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接入以太网的情况。分组式的汇聚层包括公共部分(Common Part)和业务细节（SSCS：Service Specific Convengence Sublayer）两个部分，这样可以适配不同网络。

四、结束语

HiperLAN/2提供了一个适用于小范围（150米）、高速(54Mbit/s)无线接入系统。研究表明在大部分环境下，它都可以具有很高的性能。 HiperLAN/2所具有的QoS支持、可选择重复ARQ、链路适配以及动态频率选择等特征，使得这样一个系统可以在传播条件不断变化、干扰严重的无线环境下得到很好的应用。