Communication 版 (精华区)

发信人: Iamhere (灯火阑珊·鬼塚先生), 信区: Communication
标  题: 浅析无线局域网的主要标准
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年11月23日00:34:02 星期天), 站内信件


                              浅析无线局域网的主要标准

                                  李翠然    李承恕
                  （北方交通大学现代通信研究所    北京100044）

摘  要  本文首先介绍了无线局域网（WLAN）在4G通信系统发展中的重要性，其次介绍了
由
欧洲的ETSI BRAN项目组制定的HiperLAN/2标准和由IEEE 802.11制定的IEEE 802.11a标准
，
并比较了这两种WLAN标准的异同，最后总结全文。
关键词  无线局域网  HiperLAN/2  IEEE 802.11a  媒体接入控制层  物理层  正交频分
复
用

1    无线局域网（WLAN）在4G通信系统中的作用
    随着移动多媒体业务的不断发展，4G的步伐离我们愈来愈近了。从移动通信的发展历
程
来看，每10年就经历一次大的变革。第一代移动通信系统（1G）出现于20世纪80年代，90
年
代出现的第二代移动通信系统（2G）主要提供语音业务，支持电路交换。2G系统的应用范
围
遍及世界，是今天的主流通信系统。然而，2G系统的无线传输速率很有限，通常不超过几
十
kbit/s。21世纪初提出的3G蜂窝通信系统——IMT-2000，可以在室内环境下支持高达
2Mbit/s的数据速率，步行环境下支持384kbit/s的速率，车载环境下支持144kbit/s的速率
。未来的4G通信系统支持的数据速率将会更高，覆盖范围将会更广，提供的多媒体业务种
类
会更多，同时用户支付的费用将会更低。
    那么，4G到底是什么?目前比较详细的解释有：“第四代移动通信的概念可称为广带
(Broadband)接入和分布网络，具有非对称的超过2Mbit/s的数据传输能力。它包括广带无
线
固定接入、广带无线局域网、移动广带系统和互操作的广播网络(基于地面和卫星系统)。
此
外，4G将是多功能集成的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统”。日本的DoCoMo公司使
用
了“MAGIC”这个词对4G作了精辟的概括：“Mobile multimedia；Anytime， anywhere, 
anyone； Global mobility support； Integrated wireless so-
lution；and Customized personal service, which mostly fixed on public systems 
and treat 4G as the extensions of 3G cellular service.”。4G，或者我们可以称为
是
继第三代以后的又一次无线通信技术演进，其开发更加具有明确的目标性：提高移动装置
无
线访问互联网的速度。据说，4G的设计速度将达到2~10Mbit/s（另一说法是20~100Mbit/s
）
。
    根据前面给出的4G的定义，为使用户能跨越异类网络而任意地接入Internet，可得到
4G网络结构图，如图1所示。
    这种以Internet为核心的全新的网络结构，在一些文献中，称它为全IP网络。采用这
种
全IP结构网络的初衷就是，使各种不同的接入网络都有一个公共的核心网络——Internet
。
这种结构看上去非常简单，是一种最优的发展方案。
    下一代，即第四代移动通信系统将能够支持交互式多媒体业务，例如电视会议、无线
因
特网接入等。所以，4G必须具有更宽的带宽和更高的数据速率，而且也将能容纳更多的用
户
，满足高速传输所需的通信质量。为此，在人口密集的市区，为了提供更多的用户容量和
更
高的数据速率，4G系统的蜂窝半径将进一步缩小，无线局域网非常适合一些低移动性的热
点
场所，例如机场、旅馆和学校等室内环境。无线局域网（WLAN）不仅能提供PC机和其他电
子
设备之间的广带无线连接，它还能接入不同的核心网络（如企业网、公众网和个人通信网
）
。可以说，WLAN使计算机之间的连接摆脱了电缆的束缚，它提供了一种更为便捷的联网方
式
。所以说，WLAN无疑将是4G发展中的一个重要环节，对WLAN标准的定义也已经在世界各地
紧
张地展开来。
2    主要的无线局域网（WLAN）标准
    自从IEEE 802.11标准组提出第一个无线局域网标准以来，世界上各种不同的标准化组
织和机构就一直致力于研究无线局域网标准，这些标准都是为了在有限的覆盖范围内提供
高
速数据传输。随着用户对业务服务质量、网络安全性、终端移动性以及高的数据吞吐量的
更
进一步的要求，我们需要定义一些新的标准，使之能够提供广带无线多媒体通信业务。为
此
，欧洲、美国和日本都定义了各自的标准。
2.1    IEEE 802.11a标准
    当前，工作在2.4GHz工、科、医（ISM）频段的无线局域网产品已经在市场了得到了广
泛的应用。工作频段在ISM频段的WLAN标准有IEEE 802.11和IEEE 802.11b。而802.11a标准
工作在5GHz的未经授权的UNII频段上。1997年6月，美国的电气和电子工程师学会通过了一
个国际化标准IEEE 802.11，802.11定义了一个媒体接入控制（MAC）层标准和三个不同的
物
理层（PHY）标准。其中的两个物理层标准工作在2.4GHz的频段上，另外一个物理层标准采
用红外线技术，这三个物理层标准均支持速率为1Mbit/s的数据业务，最大可支持的速率为
2Mbit/s。因2.4GHz的频段为开放式的，所以当使用此频段进行通信时，要考虑通信设备间
的相互干扰问题。
    随着用户通信量的日益增大，他们对信息的传输速率提出了更高的要求，同时还要求
那
些工作在2.4GHz频段的设备能够互连。为此，我们需要对原来的802.11标准进行扩展，使
之
能够支持高速的数据传输。于是在1998年7月，IEEE 802.11中增加了新的提议标准——IEE
E
 802.11b。802.11b工作在2400~2483.5MHz的ISM频段上，它定义了一种新的物理层标准，
能
够支持11Mbit/s和5.5Mbit/s两种速率。至此，在2.4GHz频段上就有了四个物理层标准，数
据速率分别是：1Mbit/s、2Mbit/s、5.5Mbit/s和11Mbit/s。
    可看出，IEEE 802.11能够提供的最大数据速率为2Mbit/s，802.11b能够提供的最大数
据速率为11Mbit/s。然而，这样的数据速率远不能满足人们对大容量信息的需求，为此需
要
在新的频段上定义新的WLAN标准。1998年7月，IEEE 802.11标准组采纳了IEEE 802.11a标
准
。802.11a工作在5.15~5.35GHz、5.725~5.825GHz的UNII频段上，它采用正交频分复用（
OFDM）技术使数据速率能够达到6Mbit/s，最大能达到54Mbit/s。这项新的802.11a标准首
次
将OFDM技术引入分组通信中来。而以前我们使用的OFDM技术仅限于连续的传输系统，例如
：
数字音频广播（Digital Audio  Broadcast-
ing， DAB）和数字视频广播（Digital Video Broadcast-
ing，DVB）系统。
2.2    HiperLAN/2标准
    自从IEEE 802.11a标准采纳OFDM技术作为其物理层标准后，欧洲电信标准协会（
European Telecommunications Standards Institute，ETSI）的 BRAN项目组也定义了相
应
的标准。其中，比较有影响的是HiperLAN/2（Hiper Performance Radio Local Area 
Network Type 2）标准，它能为各种便携式移动终端和核心网络之间提供高速通信，其核
心
工作频段是5GHz。实际上，ETSI在制定HiperLAN/2标准之前，就曾为自组织网络（Ad hoc 
networking）提出了HiperLAN/1标准。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（Carrier Sense Multiple Access with 
Collision Avoidan-ce，CSMA/CD）的接入方式。简单地说，CSMA/CD就是指所有终端都可
以
共享同一无线资源，当任一终端有数据要发送时，它都可以通过载波侦听的方式检测到此
时
是否有其他终端正在发送数据，通过这种方式就避免了终端之间的冲突。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。欧洲为HiperLAN/2标准分配的频段范围是5.15~5.35GHz、5.470~5.
725GHz共455MHz；美国为HiperLAN/2标准分配的频段范围是5.15~5.35GHz、5.725~5.
825GHz共300MHz的UNII频段；日本为HiperLAN2标准和IEEE 802.11a标准分配了相同的频段
范围5.15~5.25 GHz共100MHz。
2.3    HiSWAN标准
    类似于IEEE 802.11a标准和欧洲的HiperLAN/2标准，日本的多媒体移动接入通信委员
会
（Multimedia Mobile Access Communication Com-
mittee，MMAC）也定义了类似于HiperLAN/2的标准——HiSWAN（High Speed Wireless 
Access System）。HiSWAN标准支持两种传输速率，分别是：在30~
300GHz频段内使数据速率最大能达到156Mbit/s；在3~60GHz频段内支持的数据速率为
25~30Mbit/s。
    HiperLAN/2和HiSWAN标准同样采用多载波的正交频分复用（OFDM）技术作为物理层的
传
输手段。由于欧洲的ETSI BRAN、日本的ARIB MMAC和美国的IEEE 802.11标准组的紧密合作
和探讨，使得工作在5GHz频段的WLAN物理层协议基本保持了一致性。由于WLAN技术的巨大
市
场潜力和PHY协议的一致性，使电子设备生产成本大大降低，得到了设备制造商的大大青睐
。为此，各种WLAN论坛（如HiperLAN/2标准全球论坛）得到了各界的大力支持。
3    HiperLAN/2标准与IEEE 802.11a标准的MAC层协议比较
    HiperLAN/2定义了一种无线接入网络，它能和各种类型的核心网络连接。HiperLAN2标
准所定义的物理层（PHY）和数据链路控制层（DLC）是独立于核心网络的，而无线接入网
络
可通过汇聚层（CLS）接入不同的核心网络。目前已经定义了若干种汇聚层协议，使之能够
支持采用不同传输协议的核心网络（例如：基于IP协议的以太网、基于ATM的网络、第三代
蜂窝系统的核心网络以及采用IEEE 1394标准的网络等等）。IEEE 802.11a标准所定义的物
理层（PHY）和媒体接入层（MAC）也是独立于核心网络的。两种标准在5GHz频段上的物理
层
协议大致相同，主要差异在于MAC层。
3.1    HiperLAN/2标准的MAC层协议
    HiperLAN/2和IEEE 802.11a标准的主要区别是媒体接入控制（MAC）层协议的不同。
HiperLAN/2的MAC层支持的空中接口是基于时分双工的时分多址接入（TDMA/TDD）方式，而
IEEE 802.11a的MAC层采用基于CSMA/CD的接入方式。
    HiperLAN/2的MAC帧结构如图2所示。帧长为2ms，包括广播控制信道（BCH）、帧控制
信
道(FCH)、接入反馈控制信道(ACH)、下行业务信道（DL）、上行业务信道（UL）、随机接
入
信道（RCH）。当采用直接对话方式的自组织网络时，帧中还应该包括一个直接对话信道（
DiL）。
    其中，BCH的长度是固定的，而其他控制域的长度随着实际的通信状况动态改变。BCH
包
含的控制信息主要用于完成无线资源控制（RRC）功能；FCH给出当前MAC帧的资源分配信息
；ACH将信息传送给前次的随机接入控制请求；DL / UL包括发给/来自MT的数据。DL、UL和
DiL域均包括两种类型的PDU分组：长的PDU分组和短的PDU分组。长的PDU分组长度为54字节
，包括控制域和用户数据域。其中信息负载为48字节，控制信息包括：PDU类型、序列号（
SN）和循环冗余校验（CRC）。长的PDU分组代表长的传输信道（LCH）。短的PDU分组为9字
节，仅由控制域构成：包括资源请求、自动重发请求等。短的PDU分组代表短的传输信道（
SCH）。发给/来自MT的多个通信连接可以复接为一个PDU链，每条PDU链包括LCH PDU和SCH 
PDU。在HiperLAN/2标准中，物理层要传输的数据是变长的数据单元。每个数据单元都由一
个前置域和一个数据域构成。其中，数据域就是指PDU链中的信息负载（包括MT所需传输或
接收的SCH和LCH PDU分组）。HiperLAN/2标准支持蜂窝小区中的多波束天线和多扇区技术
，
采用这些技术可以降低无线小区中的干扰，改善链路服务质量。由于HiperLAN/2标准中采
用
的这种MAC帧结构，使得支持的多波束天线数目可达8个波束。
    当某个移动终端（MT）需要在已建立的DLC链路上发送数据时，它就开始向AP发送资源
请求（RR）信息，RR信息包括当前此MT所用DLC链路中的LCH PDU分组数目。其他需要在RCH
信道和其他MT竞争发送时隙。MT采用一种基于分时隙的ALOHA协议机制，在存在竞争的时隙
上发送RR信息。AP可以通过改变竞争时隙（或者说随机接入信道RCH）的数目来控制接入时
延。如果有其它MT同时也在发送RR信息时，就会发生碰撞现象，此移动台就会在下一个MAC
帧的ACH中被告知——发生了碰撞现象。此MT就会迟延随机的时隙后，再发送RR信息。一旦
此MT将RR信息发送到AP后，此MT就进入了一种非竞争的传输模式，也就是说，由AP安排此
MT在规定的时间里发送/接收数据。可看出，在HiperLAN/2标准的MAC层中，AP采用的是集
中
调度的接入策略，也就是说AP通知MS在MAC帧的哪一个时隙才能传输数据。这种时隙分配方
式是动态的，当有信息要传输时才进行分配。可见，HiperLAN/2标准的MAC层协议能够保证
服务质量（QoS），这对于多媒体业务和实时性业务来说至关重要。在信息的传输过程中，
AP可以向MT查询有关此MT当前正在使用的PDU分组数目，此MT也可以通过RCH将最新的RR信
息
发给AP。
3.2    IEEE 802.11a标准的MAC层协议
    IEEE 802.11a标准的MAC采用的是带冲突检测的载波侦听多址（CSMA/CD）的接入方式
。
在CSMA/CD方式中，当任一移动终端有数据要发送时，它必须首先侦听信道，当它检测到信
道空闲时，就可以在指定的时隙内发送数据；反之，当它检测到其他的终端正在使用信道
资
源或者传输分组有错误发生时，就采用二进制指数后退算法随机等待一段时间后，再尝试
新
的接入。可见，由于采用CSMA/CD接入策略，使得无线信道中的冲突不可检测，因此数据接
收端需要使用规定的确认信息来通知发送端，发送的MAC帧已成功接收到。如果发送端没有
接到这种确认信息，发送端就需要重传此分组。
    IEEE 802.11a标准的MAC层PDU分组结构如图3所示。可见，PDU分组包括分布式帧之间
间
隔（DIFS）、指数后退时间、PHY头（PHY hdr）、 MAC头（MAC hdr）、数据负载（
Payload）、帧间间隔（SIFS）和和确认信息（ACK）。而在物理层，需要将MAC 层的PDU分
组映射成物理层的分组格式，物理层的PPDU分组包括前置码（Preamble）、分组头（
Header）和物理层业务数据信息（PSDU）。
    通过以上对HiperLAN/2标准的MAC层协议以及IEEE 802.11a标准的MAC层协议分析，可
看
出HiperLAN/2标准的MAC层协议采用的是一种集中调度的接入策略，能够为用户提供服务质
量（QoS）保证；而IEEE 802.11a标准的MAC层协议采用的是分布式的接入策略，不能提供
QoS支持，这种分布式MAC协议适合用在自组织（Ad hoc）网络和非实时性业务中。这就是
HiperLAN/2标准和IEEE 802.11标准的主要区别。除此之外，它们的分组长度也不同：
HiperLAN/2采用固定长度的分组，而IEEE 802.11a支持可变长的分组。
4    HiperLAN/2标准与IEEE 802.11a标准的PHY层
4.1    PHY层传输模式
    IEEE 802.11a和HiperLAN/2标准的物理层协议非常相似，都是基于正交频分复用（
OFDM）技术。OFDM技术是一种多载波传输技术，它能解决单载波系统不能解决的许多问题
。
在无线通信系统中，采用OFDM技术主要是为了对抗频率选择性衰落。它将频率选择性衰落
分
散在许多个符号中，有效地将衰落和干扰造成的突发错误随机化，从而使许多个符号都仅
仅
是轻微失真，而不是几个相邻的符号都完全被破坏掉。考虑到无线链路的质量在很大程度
上
依赖于无线环境，它也会随着时间和相邻近蜂窝小区的通信负载量而变化。为了克服这种
变
化的无线链路质量，在两种标准中均采用了链路质量适配机制。它的基本思路就是，根据
链
路质量，调节物理层的传输模式（包括编码率和调制方式等）使之与当前的链路质量相适
配
。表1给出了标准所定义的不同的物理层传输模式。
4.2    PHY层发送端原理框图
    图4给出了发送端的原理框图。由图可看出，来自数据链路层（DLC）的PDU链或者是
PPDU数据帧进入物理层后，需要经过一个扰码器，此扰码器的作用是避免长的连“1”码和
长的连“0”码的出现。尽管IEEE 802.11a和HiperLAN/2标准的扰码器都采用长为127bit的
伪随机码序列，但二者的初始化过程不同；经过扰码后的数据进入码率为1/2的卷积编码器
和选择器，该选择器可提供不同的编码率：1/2、3/4、9/16（仅限于Hiper-
LAN/2标准）和2/3（仅限于IEEE 802.11a标准）；经过编码后的数据进入交织器，交织器
的
作用是将突发的差错分散开来；经过交织后的数据进入映射器，映射器的作用是根据不同
的
调制方式将数据比特映射成数据符号；经过映射后的数据符号采用IFFT算法进行OFDM调制
，
 形成OFDM符号； 最后， 通过48个传输数据信息的子载波和4个传输导频信息的子载波进
行
传输。
    基于OFDM的发送端的处理过程，也适用于接收端，不同的是接收端的处理过程与发送
端
正好相反，同时接收端还要进行自动增益控制（AGC）、定时同步和载频同步、信道估计等
操作。为了支持这些操作，需要在PPDU分组的前置码中加入训练序列。例如，为了进行信
道
估计，就要在前置码中加入两个OFDM符号。这两个OFDM能够提供的保护间隔为1.6μｓ，足
以克服ISI和其他噪声干扰。HiperLAN/2标准和IEEE 802.11a标准在前置码中使用的训练序
列不尽相同。其中，两种标准用于信道估计的训练序列是相同的；而定时同步和载频同步
的
训练序列不同。
4.3    OFDM系统基带实现框图
    从上面的发送过程可看出，通过映射器后的数据符号需要形成OFDM符号后才能在信道
中
进行传输，因此我们有必要了解一下OFDM系统的实现过程。简单地说，OFDM技术就是将待
传
送的高速数据通过串/并变换后，分别调制到多个子载波上，而且为了提高频谱效率，OFDM
系统中各子载波所在频段的频谱是重叠的，但它们之间又是正交的，这就是正交频分复用
（
OFDM）名称的由来。在OFDM系统中，通过插入保护间隔（Guard Interval，GI）使信号即
使
是通过多径信道，各子载波间的正交性仍能得到保持。GI就是将OFDM码元最后一部分复制
到
各码元前端，如图5所示。采用这种方式，可以使要传输的OFDM符号呈现出周期性，从而对
消除符号间干扰（ISI）和载波间干扰（ICI）起着关键作用。当然，引入保护间隔会使系
统
的传输效率有所下降，因此需要适当地选取GI的大小。因此每个OFDM符号都由保护间隔和
数
据信息两部分构成，发送端实际发送一个OFDM符号的长度为Ｔg+Ｔ。其中Ｔg为保护间隔的
长度，Ｔ为有用的数据信息长度。当保护间隔的长度大于时延扩展时，可以完全消除ISI。

    实现OFDM系统的最有效方法就是采用快速付里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT
）及其逆变换IFFT。基于FFT/IFFT的方法是在基带实现的，实际的OFDM系统基带信号还要
通
过射频载波调制发送到无线信道中，接收端经载波下变频后在基带用FFT实现OFDM信号的解
调。下面给出基于DFT的OFDM系统基带实现框图（见图6）。
5    结论
    本文主要介绍了工作在5GHz频段上的两个WLAN标准：HiperLAN/2和IEEE 802.11a标准
，
并对其MAC层和PHY层进行了对比分析。可以看出，两种标准的物理层协议大致相同，主要
差
异在于MAC层。HiperLAN2标准为MAC层定义了集中调度的接入策略，它能保证用户的QoS，
可
以和不同的广带核心网络互联，实现未来的4G通信目标。而IEEE 802.11a标准的MAC层协议
采用的是分布式的接入策略，不能提供QoS支持，这种分布式MAC协议适合用在自组织（Ad 
hoc）网络和非实时性业务中。
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