（电路与系统专业论文）基于OFDM的HiperLAN2系统关键技术的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

北京邮电人学硕士研究生学位论文 基于o f d m 的h i p e r l a n 2 系统 关键技术的研究 摘要 无线局域网技术是计算机网络与无线通信技术结合的产物，应用 范围非常广泛。第二代高性能局域网( h i p e r l a n 2 ) 标准是一种无线 局域网标准，它工作在5 g h z 频段，物理层采用正交频分复用( o f d m ) 技术，最大可以提供5 4 m b s 的通讯能力。现在8 0 2 1 1 家族在市场上 占有优势，而h i p e r l a n 2 是最有可能与8 0 2 1 l a 形成竞争的标准。 因为从技术上讲h i p e r l a n 2 对q o s 的支持和安全性能均要强于 8 0 2 1 l a ，具备更强的m a c 机制，所以在今后有着非常广泛的应用前 景。 本文对h i p e r l a n 2 标准的协议栈及其优缺点进行了深入的分析， 特别是对其物理层采用的o f d m 技术进行了全面的分析研究。在此 基础上对h i p e r l a n 2 系统的两个关键问题：信道估计和高峰值平均 功率比问题进行了深入的研究，通过理论分析找出了适用于 h i p e r l a n 2 系统的信道估计方法并进行了仿真；比较了几种常见的 解决高峰均功率比问题的方法，通过分析找到适用于h i p e r l a n 2 系 统的方法并做了仿真。 本论文共有五章，主要内容如下： 第一章介绍了几种常见的无线局域网标准，并对o f d m 技术进行 了初步分析。 第二章首先分析了无线信道的传播特性，并对h i p e r l a n 2 的基 本理论和无线网络功能进行了详细的讨论，最后详细分析了 h i p e r l a n 2 的物理层技术- - o f d m 技术。 第三章重点研究信道估计技术，首先对o f d m 系统所使用的信道 估计方法进行了分析，结合h i p e r l a n 2 的技术特点，提出了适合 基于0 f d m 的h i p e r l a n 2 系统关键技术的研究 h i p e r l a n 2 系统的信道估计方法并进行了仿真。 第四章对高峰值平均功率比问题进行了讨论和研究，对常用的三 类降低峰均比的方法分别讨论，提出适合h i p e r l a n 2 的方法并进行 了仿真。 第五章对本文所做的工作进行了总结，并对以后的研究方向做了 展望。 关键词：无线局域网，正交频分复用，第二代高性能局域网，信道估 计，峰值平均比 北京邮电大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g i e s 0 fh i p e r l a n 2s y s t e mb a s e d0 fo f d m a b s t r a c t w i r e l e s sl o c a l & l e an e t w o k ( w l a n ) w h i c hi sa p p l i e dt ov e r yw i d ef i e l di st h e r e s u l to ft h ec o m b i n a t i o no f c o m p u t e r n e t w o r ka n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y h i p e r l a n ( h i 曲p e r f o r m a n c ee u r o p e a nr a d i ol o c a la r e an e t w o r k ) 2 s t a n d a r dw h i c hr u n si nt h e5 g h zb a n di sak i n do fw l a ns t a n d a r d t h ep h y s i c a l l a y e r o fh i p e r l a n 2a d o p t so f d m ( o r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) t e c h n o l o g y n o w8 0 2 11f a m i l yh a st h ea d v a n t a g et o t h eo t h e r sw l a n s t a n d a r d s ， w h i l eh i p e r l a n 2h a st h em o s tp o s s i b i l i t yt o c o m p e t ew i m8 0 2 1 l a f r o mt h e t e c h n i c a lv i e w p o i n t ，h i p e r l a n 2h a st h es t r o n g e rs u p p o r tt oq o s ，b e t t e rs a f e t y p e r f o r m a n c ea n db e t t e rm a c m e c h a n i s mt h a n8 0 2 1 l a h i p e r l a n 2h a sv e r yw i d e a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d t h i st h e s i s a n a l y z e s t h e p r o t o c o l ，t h ea d v a n d a g e a n d d i s a d v a n t a g e o f h i p e r l a n 2s t a n d a r d ，e s p e c i a l l ya n a l y z e so f d mt e c h n o l o g y w h i c hi sa d o p t e db yt h e p h y s i c a ll a y e ro fh i p e r l a n 2 b a s e do nt h ea n a l y s i s ，t h et h e s i s s t u d i e st w ok e y p r o b l e m s ：c h a n n e l e s t i m a t i o na n d h i 曲p e a k - t o a v e r a g e r a t i o p r o b l e m s a f t e r t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de m u l a t i o ne x p e r i m e n t a t i o n ，t h ec h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d f i r e df o rh i p e r l a n 2i sa c h i e v e d i na d d i t i o n ，s e v e r a lm e t h o d so fs o l v i n gh i 曲 p e a k t o a v e r a g e r a t i o p r o b l e m a r e d i s c u s s e d ，a n d t h e nt h em e t h o d sf i t t e df o r h i p e r l a n 2s y s t e m i sa c h i v e d t h r o u g he m u l a t i o n t h i st h e s i sc o m p r i s e sf i v ec h a p t e r s c h a p t e r1d i s c u s s e ss e v e r a lk i n d so fw l a n s t a n d a r d sa n do f d mt e c h n o l o g ys i r n p l y c h a p t e r2f i r s t l ya n a l y z e st h ew i r e l e s s c h a n n e l ss p r e a dc h a r a c t e r i s t i c 。f o l l o w i n gi td i s c u s s e st h eb a s i ct h e o r ya n dw i r e l e s s n e t w o r kf u n c t i o no fh i p e r l a n 2s y s t e mp a r t i c u l a r l y t h e nw ed i s c u s s e dt h eo f d m 基于o f d m 的h i p e r l a n 2 系统关键技术的研究 t e c h n o l o g yw h i c h i sa d o p t e db yt h ep h y s i c a ll a y e ro f h i p e r l a n 2s y s t e mi nd e t a i l i n c h a p t e r3 ，w es t u d y t h ec h a n n e le s t i m a t i o n p r o b l e mp a r t i c u l a r l y f i r s t l yw e d i s c u s st h e c h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d so f g e n e r a lo f d ms y s t e m ，t h e nf i n dt h ea p p r o p r i a t e m e t h o df o rh i p e r l a n 2 nc h a p t e r 4 ，a f t e ra n a l y z i n gs e v e r a lw a y so fs o l v i n gp a p r p r o b l e m so fo f d ms y s t e m s ，t h em e t h o dt h a t i sf i r e dt o h i p e r l a n 2s y s t e mi s a c h i e v e d c h a p t e r5s u l n su p t h ea c h i e v e m e n to ft h i st h e s i sa n dm a k e st h ep r o s p e c to f t l l er e s e a r c hd i r e e t i o no f h i p e r l a n 2 f o rt h ef u t u r e k e yw o r d s ：w l a n ，o f d m ，h i p e r l a n 2 ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，p e a k - t o a v e r a g e p o w e r r a t i o 北京邮电人学硕士研究生学位论文 1 1引言 第一章绪论 随着无线通信技术的广泛应用，传统的有线局域网络已经越来越不能满足人 们的需求，于是无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k 。w l a n ) 应运而生，并 且非常快速的发展着。开发无线局域网的目的是为了对现有的有线局域网络进行 无线的扩展，通过无线通信的方式实现有线局域网的功能，并以比有线网络更低 廉的价格和更方便灵活的方式进行网络的安装和维护，主要用于企业和家庭的网 络。 无线局域网相比有线局域网有如下的优点：1 ，灵活并且具有移动性；2 ，安 装便捷；3 ，容易进行网络规划和调整；4 ，容易进行扩展。随着移动通信业的成 功和w l a n 技术的发展，出现了运营商w l a n ( o p e r a t o rw l a n ，o w l a n ) 的概 念，即电信运营商在热点地区( 机场，宾馆，会议中心等) 通过w l a n 提供高速 i n t e m e t 接入。o w l a n 的出现极大的拓展了w l a n 的应用空间，将推动w l a n 更加迅速的发展。 无线局域网技术是无线通信技术与网络技术相结合的产物，其涵盖了o s i 七层参考模型的物理层和数据链路层。无线局域网技术将是无线通信领域最有发 展前景的重大技术之一。 1 2 无线局域网的主要协议标准 i e e e ( 电气和电子工程师协会) 和e t s i ( 欧洲电信标准化协会) 为代表的多 个研究机构针对不同的应用场合制定了一系列的协议标准，推动了无线局域网的 实用化，主要有以下几种标准： ( 一) 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术：蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的全球的 开放性规范，它以近距离无线连接为基础，蓝牙的载频选用在2 4 5 g h z 频带， 基于o f d m 的h i p e r l a n 2 系统关键技术的研究 为固定与移动设备通信环境建立一个短程的连接，使通信和计算机进一步结合， 便于不同厂家生产的设备在无线情况下互用和互操作。蓝牙技术使用全球通用的 2 4 5 g h z 的工业、科技和医疗专用频段，不需要付费和申请：蓝牙技术采用了跳 频技术，话音传输采用c s a d 编码。蓝牙通信设备是在一个约1 平方厘米的芯 片上集成了小巧而低功率的无线终端，尺寸小、功耗小，并采用了安全措施。蓝 牙的有效通信距离为1 0 米一1 0 0 米。目前，蓝牙技术己经有所应用( 比如蓝牙 耳麦) 。 ( 二) 红外无线通信技术i r d a ：红外无线通讯技术是一种以红外光作为 空间传输介质的短距离无线传输技术，传输距离由几厘米至几米。红外无线技术 主要解决设备之间的数据交换及同外设的连接，比如耳机、麦克风、打印机等。 另外红外通讯还常用于近距离遥控和双向通讯( 半双工方式) 。红外无线技术具 有以下几个特点：视距直线传播；方向性强；不能穿过或绕过不透明物体。红外 通讯通常分为l o s ( l i g h to f s i g h t 直视) 方式和d i f f u s e ( 漫射) 方式。 ( 三) i e e e 8 0 2 1 l 系列无线局域网技术：i e e e s 0 2 1 1 系列技术是无线通信 和计算机网络相融合的技术，与蓝牙、红外技术相比，更适合于高速传输。无线 局域网标准是由i e e e8 0 2 工作组建立的。根据人们日益增长的需求，i e e e8 0 2 工作组共提出了i e e e 8 0 2 1 1 、i e e e 8 0 2 1 l a 、i e e e 8 0 2 1 l b 、i e e e s 0 2 1 l g 等标准。 i e e e 8 0 2 1 l 标准规定了无线局域网的传输媒体使用扩频技术为主，速率为1 m b p s 和2 m b p s 。i e e e 8 0 2 1 1 定义了两种类型的设备，种是无线节点，另一种为无 线接入点( a p ) 。i e e e s 0 2 1 l b 将速率提高到5 5 m b p s 和1 1 m b p s ，从而扩大了无线 局域网的应用领域。i e e e 8 0 2 1 l b 可以实现速率的动态切换，可以在不同的环境 下，根据实际情况采用l l m b p s 、5 5 m b p s 、2m b p s 和1m b p s 的不同速率。 i e e e 8 0 2 1 l a 标准是i e e e 8 0 2 1 l b 无线网络标准的后续标准，它工作在5 g h z 频 带，物理层速率最高可达5 4 m b p s 。i e e e s 0 2 1 l a 采用正交频分复用( o f d m ) 技 术做为物理层的技术，支持语音、数据、图像业务。i e e e 8 0 2 1 l g 标准是 i e e e 8 0 2 1 l b 和i e e e 8 0 2 1 l a 之间的一个过渡标准。i e e e s 0 2 1 r g 的推出，为 i e e e 8 0 2 1 l b 产品向i e e e 8 0 2 1 l a 产品过渡提供了种很好的方式。 ( 四) 家庭射频技术( h o m e r f ) ：家庭射频( h o m e r f ) 技术工作于2 4 g h z 频段，目前传输速率只有1 2 m b p s ，但未来有望达到1 0 m b p s ，是无绳电话技术 和无线局域网技术相融合的产物，它提供了对语音和数据业务的支持。家庭射频 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文 技术的特点是：采用时分多址技术进行交互式话音数据传输，有助于更好的满足 不同业务对传输技术的要求；采用b l o w f i s h 加密算法( 有多达1 万亿个码字) 提供基本的和增强性两种保密级别；具有较强的抗干扰能力；有强大的电源管理 功能。 ( 五) 高性能无线局域网( h i p e r l a n ) ：高性能无线局域网( h i p e r l a n - - h i g h p e r f o r m a n c e e u r o p e a n r a d i o l o c a l a r e a n e t w o r k ) 是由欧洲国家制定的一个 无线局域网标准，它包含两个规范- - h i p e r l a n 1 和h i p e r l a n 2 。h i p e r l a n 标 准提供同i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网相似的特性和能力。h i p e r l a n 1 和h i p e r l a n 2 都工作于5 g h z 频段，h i p e r l a n 1 提供2 0 m b s 的通讯能力，h i p e r l a n 2 提供 5 4 m b s 的通讯能力。h i p e r l a n 2 符合3 g w l a n 系统的要求，支持数据，图像 和语音通讯。h i p e r l a n 2 也有意识地试图在5 g i - l z 频段提供全球范围内相似系 统的连接。 在上述几种标准中，8 0 2 ，1 1 系列协议是由i e e e 制定的，目前8 0 2 ，1 1 b 已经 有了广泛的应用，8 0 2 1 1 a 前景也不错。h o m e r f 主要是为家庭网络设计的。 h o m e r f 与蓝牙都工作在2 4 g h z 的i s m 频段，且都采用跳频扩频( f h s s ) 技术， h o m e r f 产品与蓝牙产品之间几乎没有相互干扰，蓝牙技术适用于松散型的网 络，可以让设备为一个单独的数据建立一个连接，而h o m e r f 技术则不像蓝牙 技术那样随意，建立h o m e r f 网络前，必须为各网络成员事先确定一个唯一的 识别代码，因此比蓝牙技术更加安全。 1 1 现在8 0 2 1 l 家族在市场上占有优势，而h i p e r l a n 2 是最有可能与8 0 2 1 1 a 分庭抗礼的标准。因为从技术上讲h i p e r l a n 2 对q o s 的支持和安全性能均要强 于8 0 2 1 l a ，具备更强的m a c 机制，因而在公共w l a n 接入和多媒体应用方面 具有优势。本文主要研究的就是h i p e r l a n 2 系统的关键技术，而h i p e r l a n 2 是基于o f d m 技术的，接下来对o f d m 技术进行下简单的介绍。 1 3o f d m 技术简介 o f d m 的英文全称是o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l 邱l e x i n g ，中文含义 为正交频分复用。这种技术是h p a 联盟( h o m e p l u g p o w e r l i n e a l l i a n c e ) t 、j k 规范 基于o f d m 的h i p e r l a n 2 系统关键技术的研究 的基础，它采用一种不连续的多音调技术，将被称为载波的不同频率中的大量信 号合并成单一的信号，从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送 信号的能力，因此常常被称为是一项超越非视距的技术，利用在容易外界干扰或 者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。 o f d m 技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率，或者是为了改进对 多载波的调制用的，它的特点是各子载波相互正交，于是扩频调制后的频谱可以 相互重叠，从而减小了子载波问的相互干扰。o f d m 作为一种可以有效对抗信 号波形间干扰的高速传输技术，受到人们的广泛关注。人们开始集中越来越多的 精力开发o f d m 技术在移动通信领域的应用，在无线宽带接入以及第4 代移动 通信中，o f d m 技术都将成为继c d m a 技术之后的又一核心技术。在第二章中 将对o f d m 技术进行详细的分析。 1 4 本文的组织结构和主要工作 本文在对h i p e r l a n 2 标准的协议栈和优缺点以及其物理层采用的o f d m 技 术进行全面分析的基础上，对h i p e r l a n 2 系统的两个关键问题：信道估计和高 峰值平均功率比问题进行了研究，并且进行了计算机仿真。 本文的第二章首先介绍了无线信道的传播特征，这是因为h i p e r l a n 2 系统 是一个无线局域网系统，工作在无线环境下，有必要熟悉其工作的环境：接下来 分别对h i p e r l a n 2 的工作原理、特点、协议栈及其无线网络功能进行了详细的 讨论，然后给出了h i p e r l a n 2 系统的一个实现框图。最后对h i p e r l a n 2 系统 的物理层所采用的正交频分复用技术进行了详细的讨论，主要内容包括o f d m 技术的发展现状、工作原理和优缺点，特别是着重讨论了o f d m 系统需要重点 关注的几种关键技术，这几种关键技术也是h i p e r l a n 2 系统中需要特别关注的 关键技术，这些关键技术分别是：同步技术、降低峰均比技术、信道估计技术、 信道编码和交织技术以及信道均衡技术，在这其中又着重讨论了同步问题，而在 接下来的两章中还要专门研究信道估计和高峰均比问题。 第三章研究信道估计问题。首先讨论了一般o f d m 系统常用的两种信道估 计方法：基于导频的方法和训练符号的方法。然后结合h i p e r l a n 2 系统物理层 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文 的特点分析得到训练符号的方法适合h i p e r l a n 2 系统。在利用训练符号的方法 中使用最小二乘法对h i p e r l a n 2 系统进行信道估计，并且对该方法进行了改进， 使得信道估计的性能得到提高，在本章的最后进行了仿真。 第四章研究了峰值平均功率比问题。首先给出了峰值平均功率比的定义，并 推导了峰均比的分布函数。接着介绍了一般o f d m 系统常用的降低峰均比的三 类方法：信号预畸变方法、编码方法和加扰序列的方法。由于编码方法不适合子 载波数比较大的o f d m 系统，信号预畸变方法中限幅的方法带外辐射过大，而 加窗需要在过采样以后的较高速率下对信号进行处理，实现起来比较困难，也会 影响信号的频谱特性。所以只有加扰序列的方法比较适合h i p e r l a n 2 系统。采 用加扰序列的方法包括选择性映射( s l m ) 和部分传输序列( p t s ) 两种方法。 接下来的一节对这两种方法对于h i p e r l a n 2 系统降低峰均比的性能进行了讨 论，并且用m a t l a b 进行了仿真。 第五章是结束语，对全文进行了总结，并对以后解决信道估计和高峰均比问 题的研究前景做了分析。 基于o f d m 的h i p e r l a n 2 系统关键技术的研究 第二章基于o f d m 的h ip e r l a n 2 无线局域网系统 2 1引言 无线通信的迅速发展，多媒体应用的出现以及i n t e m e t 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2 m b i t s 的用户比特率，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以获得更高的数据率。其中h i p e r l a n 2 无线局域网标 准就是一例。 欧洲电信标准化协会( e t s i ) 不同宽带无线电接入网络( b r a n ) ：j , 组制定的 h i p e r l a n 标准，主要是为各种核心宽带网络提供高速无线接入，目前已经推出 了h i p e r l a n 1 和h i p e r l a n 2 两个标准。 h i p e r l a n 1 标准用来组建a dh o c 网络。由于这个标准工作在欧洲专用频段 5 1 5 3 g h z 上，因此没有必要采用扩频技术。它利用定义的5 个固定信道，可提 供2 3 4 m b i t s 的数据传输速率，该标准采用基于分组1 v r l 优先级和m a c 层重发 的c s m c a 协议，h i p e r l a n 1 最突出的特点是它的集中式的m a c 层支持q o s 功能，但是这种标准不能提供实时业务，虽然提供了传输时限业务方式，但是无 法控制或保证业务在无线链路上具有良好的q o s 。h i p e r l a n 1 标准的这个缺陷 促使e t s i 开发了下一代支持异步、对时延要求比较高的业务的无线局域网标准 - - h i p e r l a n 2 a 与h i p e r l a n 1 标准不同的是，h i p e r l a n 2 标准既能用于有中心的网络拓扑， 又能用于无中心的网络拓扑( 对等式拓扑) 。h i p e r l a n 2 工作在5 4 7 0 5 7 2 5 g h z 上，是第一个基于o f d m 调制方式的高速率标准，其物理层可支持5 4 m b i t s 的 数据传输速率，它能使移动节点高速的无缝接入包括3 g 移动核心网络的传统骨 干网、a t m 网络、i p 网络和个人无线局域网系。通过鉴权、验证和加密， h i p e r l a n 2 为移动节点与接入点之间的数据通信提供强有力的安全保证。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 h i p e r l a n 2 协议是目前最为完善的w l a n 协议。它是对目前无线接入系统 的补充，与其它蜂窝系统相比，它的户外移动性虽然受到了限制，但适用面广， 可在典型的应用环境( 如办公室、家庭、展览厅、机场和火车站等热点地区) 向 终端提供高速数据率和高性能的通信业务。 由于h i p e r l a n 2 系统是无线系统，它的信道是无线信道，无线信道的传播 特征对系统的性能有着极大的影响，下面首先介绍一下无线信道的传播特征，然 后对h i p e r l a n 2 系统进行分析，最后详细讨论h i p e r l a n 2 系统物理层采用的 正交频分复用技术。 2 2 无线信道的传播特征 无线信道是种非常复杂的信道，主要原因是无线电波的传播环境非常恶 劣，受到各种因素的影响，这些因素主要包括地理环境、天气情况、无线频段、 移动台的运动、自然界和人为的各种噪声等。在无线信道中传播的电波要受到各 种衰落、多径时延以及由于通信双方相对移动所造成的多普勒频移的影响。这些 因素对于无线通信的影响非常大，下面对这几种影响分别进行分析。 无线信道中电波信号的衰落主要有大尺度衰落、中尺度衰落和小尺度衰落三 种。大尺度损耗就是电波在自由空间中的传播损耗。在自由空间中无线电波的信 号功率随着传播距离的增加而减小，由于在无线局域网系统中传输距离比较短， 因此这种大尺度损耗的影响比较小，我们可以忽略不计。 中等尺度损耗也称为阴影衰落。当电波在空间传播受到地形起伏、高大建筑 物的阻挡，在这些障碍物后面会产生电磁场的阴影，造成场强中值的变化，从而 引起衰落，被称作阴影衰落。阴影衰落是以较大的空间尺度来衡量的，其衰落特 性符合对数正态分布。其中接收信号的局部场强中值变化的幅度取决于信号频率 和障碍物状况。频率较高的信号比低频信号更加容易穿透障碍物，而低频信号比 高频信号具有更强的绕射能力。 小尺度衰落就是多径衰落。由于无线信道的主要特征就是多径传播，即接收 机所接收到的信号是通过不同的直射、反射、折射等路径到达接收机，由于电波 通过各个路径的距离不同，因而各个路径来的电波的到达时间会有所不同，相位 基于o f d m 的h i p e r l a n 2 系统关键技术的研究 也就不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，有时因叠加而增强，有时反相叠 加而减弱。 假如在发射端发送一个窄脉冲，则在接收端可以收到多个窄脉冲，每个窄脉 冲的衰落和时延都是不同的。这样就造成了信道的时间弥散性，其中m 。被定义 为最大时延扩展。在传输过程中由于时延扩展，接收信号中的一个符号的波形会 扩展到其它符号当中，造成符号问干扰( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 。为了避 免产生i s i ，应该令符号宽度要远远大于无线信道的最大时延扩展，或者符号速 率要小于最大时延扩展的倒数。在频域内与时延扩展相关的另一个重要概念是相 干带宽，实际应用中通常用最大时延扩展的倒数来定义相干带宽。 从频域角度来看，多径信号的时延扩展可以导致频率选择性衰落，即针对信 号中不同的频率成分，无线信道会呈现出不同的随机响应，由于信号中不同频率 分量的衰落是不一致的，所以经过衰落之后，信号波形就会发生畸变。所以当信 号速率较高，信号带宽超过无线信道的相干带宽时，信号通过无线信道后各频率 分量变化不同，就会引起信号波形失真，造成符号间干扰，于是就发生了频率选 择性衰落：反之信号传输速率较低时，信道带宽小于相干带宽时，就不会产生符 号间干扰，信号经历的是非频率选择性衰落。 当发射机与接收机进行相对运动时，接收信号的频率将发生偏移，这种现象 叫做多普勒频移效应，对无线电波来说，因为多普勒效应造成的频移取决于两者 之间的相对运动速度，可以将这种频移表示为 兀= z 兰c o s c 式( 2 1 ) 其中厶表示多普勒频移，五表示载波频率，c 表示光速，v 表示相对运动速度 0 表示发射机与接收机相对运动的角度。m 2 3hip e r l a n 2 系统工作原理 h i p e r l a n 2 的典型网络拓扑结构如图2 1 所示，从图中我们可以看出，它 实质上还是由固定网络支撑，因此无线局域网不能完全取代现有的以太网，无线 局域网只能作为现有以太网的有益的补充。 1 0 北京邮电大学硕士研究生学位论文 在h i p e r l a n 2 系统中，移动终端( m t ) 可以通过h i p e r l a n 2 定义的空中 接口与接入点( a p ) 通信。两个移动终端之间也可以直接通信。一个接入点所 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3 0 米，在室外可 图2 1h i p o r l a n 2 网络结构图 达1 5 0 米。移动终端可以在h i p e r l a n 2 网内自由移动，这可以确保移动终端得 到最好的传输性能。移动终端在接入h i p e r l a n 2 网络之后，一次只能与一个接 入点进行通信，可以在不同接入点之间进行切换。h i p e r l a n 2 无线网络可以自 动进行无线功率配置，这一方式不同于以往无线网络的频率规划，使得系统的配 置更加方便。 2 4 h i p e r l a n 2 的特点 h i p e r l a n 2 作为目前性能最好的无线局域网技术，其具体特点表现在：1 ， 很高的数据传输速率：采用先进的正交频分复用( o f d m ) 调制作为物理层的技 术，h i p e r l a n 2 可以提供非常高的数据传输速率，其速率在物理层最高可达 5 4 m b p s 。在办公室环境中，o f d m 对多径效应的解决是非常有效的。同时，m a c 层采用了动态分时复用模式，使无线资源的利用更加有效；2 ，面向连接的机制： 与其他无线局域网技术不同，在h i p e r l a n 2 网络中数据的传输是面向连接的。 在传送数据之前，a p 和m t 之间通过h i p e r l a n 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，点对多点是下行方向单向连接。另外，h i p e r l a n 2 还可以采用专用 基于o f d m 的h i p e r l a n 2 系统关键技术的研究 广播信道，由同一个a p 向所有移动终端发送广播消息；3 ，支持q o s ：h i p e r l a n 2 面向连接的特点使得它能够直接支持q o s 。每一个连接都能分配到一定的q o s ， 例如带宽、延时、延时抖动和误比特率等。这种高传输速率和支持q o s 将有利 于多种不同类型的数据流的同时传输，如视频、语音和数据；4 ，自动频率分配： 在每一接入点覆盖区域中，接入点a p 能自动选择适当的无线信道进行数据传输。 a p 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 择适当的无线信道；5 ，支持安全性：h i p e r l a n 2 网络支持安全认证和加密功能。 a p 和m t 可以相互鉴权，从而确保授权的接入网络( 从a p 的角度) 或确保接 入有效的网络操作者( 从m t 的角度) 。鉴权需要有一个支持函数，它将不在 h i p e r l a n 2 网络的范围之内。已建立连接的用户数据也可以通过加密保护防止 偷听；6 ，移动性的支持：移动终端与离它最近的一个接入点通信。确切地说， 移动终端与具有最好信噪比的接入点通信。这就是说，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a p 中，所有已建立的连接都转移到新a p 上。 当然，在切换过程中，有可能会丢失一些数据包，而且，如果移动终端超出 h i p e r l a n 2 网络的覆盖范围。在一段时间后，终端将会失去与网络的联系，所 有连接将被释放；7 ，网络和应用独立：h i p e r l a n 2 网络协议栈具有灵活的体系 结构，可以适应多种固定网络类型。因此h i p e r l a n l 2 网络既可以作为交换式以 太网的无线接入子网，也可以作为第三代蜂窝网络的接入网，并且这种接入对于 网络层以上的用户部分来说是完全透明的。当前在固定网络上的任何应用都可以 在h i p e r l a n 2 网络上运行。相比之下，i e e e 8 0 2 1 1 a 只能由以太网作为支撑， 因此这种高度的灵活性也是h i p e r l a n 2 的特色；8 ，节省功率：h i p e r l a n 2 的 节能管理机制是基于m t 对睡眠期的初始约定。移动终端可以在任何时间要求 a p 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a _ p 发来的激活指示，如果没有检测到，则进入下一个睡眠周期，继续 保持低功率状态。a p 暂不发送用户数据，等睡眠期结束后才开始发送。网络可 以根据对反应时阊和低功耗的要求，选择不同的睡眠周期。 1 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文 2 5 h i p e r l a n 2 协议栈 h i p e r l a n 2 作为一个无线局域网系统有自己的协议栈。图2 2 描述了 h i p e r l a n 2 空中接口的协议参考模型。h i p e r l a n 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建立的连接上传输数据；控制平面的功 能是控制连接的建立、释放和监控。h i p e r l a n 2 协议包括三个基本层：物理层 ( p h y 层) 、数据链路控制层( d l c 层) 和汇聚层( c l 层) 。 2 5 1物理层( p h y 层) 图2 2 h i p o r l a n 2 协议参考模型 h i p e r l a n 2 的物理层以一定长度的突发脉冲串( b 1 1 r s t ) 格式传输数据单元， 每一个b u r s t 分成前导码( p r e a m b k ) 和数据两个部分。h i p e r l a n 2 采用了o f d m 调制作为物理层的技术，特别适用于信道呈发散状分布的系统，h i p e r l a n 2 的 信道间隔为2 0 m h z ，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1 9 个信道) 。每一个信道又分成5 2 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3 1 2 5 k h z ，其中4 8 个子信 道用于传送数据，另外有4 个子信道用于提供系统同步的导频信号。信道的传输 基于o f d m 的h i p e r l a n 2 系统关键技术的研究 时延一般不超过2 5 0 n s ，采用8 0 0 n s 的保护间隔时间足以满足要求，在比较小的 室内环境中，也可以采用4 0 0 n s 的保护间隔时间。表2 1 详细列出了h i p e r l a n 2 系统的主要参数。 在h i p e r l a n 2 的收发端使用f f t 信号处理方式可以有效地实现o f d m ，这 样，与传统的f d m 系统相比，采用o f d m 的h i p e r l a n 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问干扰。 表2 1h i p e r l a n 2 系统的主要参数 数据速率 6 ，9 ，1 2 ，1 8 ，2 7 ，3 6 ，5 4 m b p s 数据子载波数4 8 导频数 4 总的子载波数 5 2 采样速率 2 0 埘z 保护间隔0 0 0 0 8 m s 或者0 0 0 0 4 m s 调制方式b p s k ，q p s k ，1 6 q a m ，6 4 q i 编码速率 1 2 ，3 4 ，9 1 6 子载波频率间隔 0 3 1 2 5 埘z 表2 2h i p e r l a n 2 物理层的不同模式 l 模式编号调制方式编码速率 物理层比特率 b p s k 1 26 m b p s 2b p s k 3 4 9 m b p s 3 q p s k 1 2 1 2 m b p s 4 q p s k 3 41 8 m b o s 5 1 6 q a m 9 1 62 7 m b p s 6 1 6 q a m 3 4 3 6 m b p s 7 6 4 q a m 3 45 4 m b p s 1 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文 与3 g 等类似，为了适应不同的业务要求和链路条件，h i p e r l a n 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) 。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。o f d m 单个子载波的调制方式可以 采用b p s k ，q p s k ，1 6 q a m 以及6 4 q a m ，每个子载波的调制方式可以不同。 前向纠错一般采用1 2 码率、约束长度为7 的卷积编码，而如果采用截短技术， 可以使码率提高到9 1 6 或者3 4 。表2 2 详细列出了这些传输方式的调制方式、 编码速率和物理层的比特率。 2 5 2数据链路控制层( d l c 层) 数据链路控制层在接入点( a p ) 和移动终端( m r ) 之间建立起逻辑链路， 由三个子层组成：媒体访问协议( m a c ) 、差错控制协议( e c ) 和无线链路控制 协议( r l c ) 。其中差错控制协议和无线链路控制协议分别完成用户层面和链路 控制层面的传输控制功能。 媒体访问协议用于将各种媒体上传输的数据接入到无线链路媒体，a p 根据 来自各m t 的请求分配，并告知m t 应使用m a c 帧的某一位置传输数据。 h i p e r l a n 2 的无线接口基于时分双工和动态时分复用，其m a c 帧的时隙结构 提供在同一帧内的上下行链路同时通信的能力，上下行链路占用的时隙根据发送 方要求动态分配。m a c 帧周期为2 m s ，由广播控制、帧控制、访问控制、上下 行传输和随机访问等传输信道组成。除了随机访问信道为时隙争用信道，其它都 是专用的数据信道。m a c 帧内的广播控制信道的持续时间是固定的，其他信道 的持续时间根据当时的通信情况动态调节。 差错控制协议属于用户平台的控制协议，为h i p e r l a n 2 提供多种差错控制 模式以支持不同类型的业务数据传输，其支持的差错控制模式有：确认模式、重 复模式和不确认模式。确认模式利用选择性重发a r q 机制提高无线链路的可靠 性，通过给每个u p d u 一个序列号确保u p d u 顺序发送到汇聚层，根据链路控 制信道( l c c h ) 的消息回应进行传输码错误的检测，并在确认差错后对u - p d u 重发。u p d u 丢弃机制可用于保证话音等对延迟敏感的应用的q o s ，当出现超 时数据，使用差错控制协议的发送方可以丢弃这个u p d u 以及所有低序列号的 基于o f d m 的h i p e r l a n 2 系统关键技术的研究 u - p d u 。重复模式通过任意次数的重复发送d l cp