基于分层体系的WLAN实验室建设研究

2014-05-02段景山马立香毛玉明

实验技术与管理 2014年5期

段景山，马立香，毛玉明，杨宁

（电子科技大学通信与信息工程学院，四川成都 610054）

WLAN（无线局域网）技术近年来在带宽提升和组网技术方面都取得了很大成果，得到了快速发展和广泛应用。在笔者的办公环境里，可以用测试仪表测出27个以上的AP信号覆盖，在城市的公寓环境里，经常也能测到局部范围以内10余个AP在同时工作。说明WLAN的发展已经不仅仅是“走入千家万户”，而是开始变得拥挤和相互影响了。可以预计在WLAN技术的工程应用和科学研究等领域，对相关技术人员的培训和培养要求也将会变得十分迫切。本文总结了笔者承担本校WLAN实验室建设工作的思考和经验，讨论了针对WLAN组网、测试和应用等方面的实验体系建设、设备选型和实验项目设计。

1 WLAN实验室建设需求和目标

在文献［1］—［3］中描述了 WLAN技术的迅猛发展，从最初的IEEE 802.11，IEEE802.11b标准到随后的IEEE 802.11g，IEEE802.11n，IEEE802.11ac……，物理层在不断增强，速率获得显著提升；随着11e、11s、11p、11f、11r等系列协议的推出，使 WLAN在灵活组网、安全、移动支持等方面有了明显改善，WLAN的应用已从传统的办公室和家庭小范围组网扩展到车联网、物联网等领域。

高校作为各种高新通信技术应用的实验场，文献［3］—［7］描述了无线校园网中的 WLAN技术应用，文献［8］将其应用于应急通信，文献［9］将其应用企业中，文献［10］描述了 WLAN技术支持下的地铁控制系统等。文献［1］中描述了运营商应用 WLAN技术的4个阶段，指出WLAN作为主流无线接入技术的重要补充，正在以技术融合的变革成为移动互联网络核心技术之一。

WLAN具有部署简易的优势，但在部署过程中仍然涉及安全、性能和维护等方面问题，而且随着WLAN应用的推广，当局部范围内聚集大量的设备和用户时，这些问题会越来越凸显和变得严重——不经意的参数设置、随意的部署和一味增加信号功率都可能导致灾难性的后果。深圳地铁集团曾在2012年11月发现深圳地铁列车受旅客携带的WIFF设备发出的信号干扰而导致停运。

综上所述，一方面是 WLAN的快速发展和大量部署，另一方面是掌握WLAN网络规划、管理和安装调试等技能人才相对缺乏。这些技术人员应熟悉WLAN各种技术和设备特性，能够为各种复杂环境下的网络建设制定合理方案，并指导工程实施，达到覆盖成本与用户体验最优化；且在WLAN工程建设的实施过程中能够在资源管理、信息安全、服务质量等方面进行定性评估和定量分析，预见问题和处理各种故障。而这些技术人才的培养，需要高校相关专业加强WLAN实验／实践条件和完善实验室的建设，使其成为学生学习运用理论知识，增强科学研究能力、工程建设能力和开拓创新能力的平台和场所。为此，我们为WLAN实验室设定了以下建设目标：

（1）加深对WLAN技术及其特点的了解和掌握；

（2）培养能预见问题、提前处理的意识，培养必要的工程检测和处理问题的能力；

（3）启发学生对WLAN技术进一步研究的兴趣；

（4）启发学生创新意识，并培养学生将创意变为现实的能力。

实验室通过引进先进设备，把无线信号从“看不见，摸不着”变成“可见、可调、可测、可分析”；通过精心设计系列实验项目，增强学生对WLAN技术的感性认识、掌握测控方法，培养学生理性分析能力；通过仔细规划实验体系全面培养学生的工程和科研能力。

2 分层WLAN实验体系规划

网络技术是计算机与通信的交叉学科，涉及的知识面广，内涵丰富。专业人才的培养应注重软、硬兼修，全面发展。WLAN技术既可以与其他网络系统互联、融合，具备一般网络构成要素和基本特点，又可以构成独立系统，在信号处理、资源管理、动态路由、移动业务等方面有自己独特的需求和处理方法。为全面培养学生在WLAN技术领域的工程素养、科研素养和创新能力，提出了一种多层次、系统性的实验体系建设和规划方案，如图1所示。

图1 分层结构的WLAN实验体系建设方案

首先，通过需求调研及分析，提炼出WLAN工程应用和科学研究需要具备的诸核心能力，包括：无线信号分析、WLAN监测及协议分析、无线组网和性能测试、移动业务开发等；然后，参考网络垂直分层体系将这些核心能力分为信号、协议、网络和应用层4个不同层面，围绕着这些核心能力的培养分别建设实验平台和设计实验项目。4个层面的实验建设内容不同，各有侧重，同时又互为依靠、相互配合，构成了一个有机整体。

（1）信号层。培养学生信号频谱分析能力，增强对WLAN无线信号传播特性、抗干扰特性和无线通信质量影响因素的感性认识，培养学生定量评估干扰影响的能力、信号覆盖热区的测绘能力等。

（2）协议层。学生通过协议监测分析 WLAN协议信令和交互过程，培养发现问题和解决问题的能力，培养学生对利用率、差错率、延时等关键参数的测试和分析能力，加深对WLAN技术内涵的认知。

（3）网络层。培养学生大规模组网的工程设计能力，培养学生测试网络容量、端到端延时、热点部署、干扰规避、安全防护等工程实施的能力。

（4）应用层。培养学生移动业务开发能力，并进行创新技能训练，培育创新项目。

WLAN设备升级换代周期短，在分层实验体系科学的规划下，WLAN实验室建设有了明确、长远的目标，并可根据当前状态合理分配资源，分步骤、滚动式发展。

3 实验室设备配置和选型

WLAN实验室的设备的配置和选型围绕WLAN运行场景构建和测试平台搭建两条主线开展，形成创新和实践的培养场和试验场，实验设备配置的两条主线如图2所示。图2的左半部分表示运行场景，图的右半部分表示测试平台。运行场景是实验项目的基础环境并为测试平台提供测试对象，通过测试，能深入地发现问题和理解问题。在实验室重构WLAN运行场景，为学生提供了全真的工程训练和创新项目实践环境及条件，实验室更提供了各种精密测试仪表和测试软件，可在信号、协议、网络及应用等方面进行全方位测试。

图2 实验设备配置的两条主线

WLAN实验体系的4个层面解释了实验设备在各实验项目中的作用，有了明确的目的，才能将设备、仪表用好。如频谱分析仪的主要功能是信号层面的射频信号观测，部分频谱分析仪的离线分析功能可进行解码分析，这个功能就属于协议层面，在协议分析的实验项目中发挥作用。对比信号层的频谱分析仪和协议层的WLAN测试仪，前者的协议分析功能无法与后者相比，而后者虽然也具备信号功率检测功能，但也无法替代频谱分析仪对射频信号的观测作用。

3.1 WLAN运行实验场景构建

该实验场景主要由智能终端、无线组网场景以及无线业务开发平台构成。

（1）智能终端包括可移动和固定式终端。移动终端可考虑选择平板电脑或嵌入式开发板，用于QoE测试和评估；固定式终端由“PC＋无线网卡”组成，其特点是可运行功能强大的业务软件和测试软件。

（2）无线组网场景包括AP、AC、认证服务器、接入服务器等实现WLAN组网的支持设备。AP分为“胖”和“瘦”两类，根据实验课规模配备足够的数量。选择的AP应具备尽量多的功能和支持尽量多的协议，如路由功能、NAT、安全认证、网络管理、WDS等，这样在实验项目内容设计上才会少受限制。

（3）无线业务开发平台由业务开发工具、模拟运行环境和智能终端提供的真实运行环境构成，学生可在这个平台上设计和部署自己设计的业务软件。在近几年的本科生创新创业项目中，针对或利用智能终端的项目占通信类项目的较大比重，业务开发平台应能为相关项目提供良好的支持和帮助。

3.2 WLAN测试平台搭建

该平台主要包括信号测试、协议测试和网络测试3个子平台。

（1）信号测试子平台。该子平台的核心设备是频谱分析仪，还可配备信号发生器、WLAN综合测试仪等测试仪表及软件构成信号测试平台。文献［11］中提供了一种射频测试解决方案。

①利用频谱分析仪的在线测试功能可以观测到被测区域无线通信场景的实时变化，包括WLAN射频信号、背景噪声和干扰信号，可以测量信号功率、信噪比、信干比、EMI等关键参数，这是无线通信环境的最核心、最基本的测试。部分较高端的频谱分析仪可配合专门的WLAN测试软件实现WLAN射频信号的离线测试，如发射机载波泄漏和星座误差（EVM），可用于评估WLAN产品质量。

②信号发生器可以模拟发射各种典型信号，对被测系统进行干扰，可测试不同干扰源的存在对WLAN系统的影响。

③信号测试平台设备的频率范围至少应为3 GHz以上，覆盖当前WLAN、蓝牙和Zigbee的主流应用频段为2.4GHz。如果进一步考虑到11a／n／ac几个新标准都采用了5.8GHz民用频段，测试仪表的频率范围最好应在6Hz以上。

（2）协议测试与分析子平台。可配备网络监听和分析仪表或软件，通过监听和记录空中信令交互过程，理论联系实际，掌握WLAN各协议运行机制，分析故障原因。

常用的网络监听软件加普通无线网卡可以监听WLAN业务数据，但是不能抓取到WLAN信令数据，在选型时需特别注意。

（3）网络测试子平台。可配备 WLAN测试分析仪、网络流量发生器或测试软件、网络矢量分析仪、网络仿真软件等。

在文献［12］中描述了利用WLAN测试仪测试设备性能的方案。网络测试平台能针对AP、AC等设备测试其客户端容量、丢包率和时延、转发吞吐量、多模接入能力等性能指标；在组网场景下，能测试和分析网络有效吞吐量、切换与漫游性能、多制式系统并存的相互影响、多种业务的互相压制与影响、安全设置漏洞、故障定位等。

4 实验项目设计

实验项目是学生技能培养的载体，实验设备和平台只是工具，没有精心设计的实验项目，再高端的仪表也起不了作用。好的实验项目应具备明确的目的、可操作性强的实验步骤、能启发学生兴趣，并引导他们做更深入的思考。

4.1 项目设计思路

按照分层实验体系的规划，每个层面的实验项目都负有增强学生工程建设能力、科学研究能力和开拓创新能力的使命，但根据各层面的内涵和特点，在这3种能力的培养上也有各自不同的侧重。

（1）信号层将不可见的无线信号可视化、形象化，利用测试仪表可直接观测对象的本质，在激发学生科学研究兴趣方面最有优势。因此，信号层的实验项目设计时应注意与基础理论的衔接，如信号与系统、数字信号处理、通信原理等课程的相关知识点，启发学生透过实验观测，思考和重构理论模型。

（2）协议层的主要手段是监听，分析问题时可直达网络运作的核心——协议和信令的交互过程。对于理解WLAN运作机理，发现问题根源，设计解决方案很有帮助。设计协议层实验项目时应兼顾工程训练和科学研究2个方面的需求。

（3）网络层引导学生建设完整系统，进行综合性能测试，了解WLAN网络系统各部分的作用及相互之间的配合和影响。网络层实验项目在工程训练方面优势明显，设计时可以以综合型、小组合作型项目为主，强调方案设计、工程实施技能的训练。同时，多网共存的性能测试、TCP流相互压制等实验内容有一定科学研究特色，注意引导学生关注这方面内容。

（4）应用层侧重用户体验。学生可以通过业务开发平台将自己的想法付诸实现，并应用到实验环境中，取得实测结果。应用层在科创项目的培育方面优势明显，可考虑以开放性、设计型的实验项目为主。

4.2 基础型与综合型项目设计

我们将实验项目分为2个大类：基础型和综合型。

（1）基础型项目针对每层特定目标训练学生掌握基本的测试技巧和分析方法。如使用频谱分析仪观测背景噪声、使用流量发生器产生指定业务类型的数据、使用WLAN测试仪分析信道有效利用率等。

（2）综合型项目取材于WLAN组网建设、故障检修、科学研究中的典型任务，并按照实验教学特点和规律设计而成，需要运用多种设备和仪表，多名学生配合完成（综合型实验场景如图3所示）。如无线“校园”网设计与实施、WLAN接入与认证、WLAN网络综合性能测试、移动业务测试、移动业务开发等。

图3 综合型实验场景

在实际教学过程中，可以应用项目教学法将综合型实验项目改造为教学项目，将实验目标改造为项目需求，实验方法和步骤改造为项目引导文，引导学生从需求分析开始，制定计划，选择和拟订方案，分工、实施，应用测试平台对项目成果进行测试。在这个过程中，基础型实验项目可作为教学项目中的基础技能训练环节，在教师指导下完成或学生自主完成。

5 结束语

本文在WLAN网络急需大量部署来提升用户服务质量的背景下，立足于高校专业实验室建设，针对WLAN方向人才培养，开创性地提出了分层实验体系，并从规划、设备配置和选型、实验项目设计等方面进行了详细说明和探讨。网络是个复合系统，内涵十分丰富，分层实验体系为各部分工作找出了各自的地位和作用，以及它们相互之间的逻辑关系，为实验内容建设过程中需要反复思量的“为什么要做？”、“为什么要这样做？”、“做到什么程度才是合适的？”等问题指出了寻找答案的方向。例如：我们为什么需要购买频谱分析仪——因为在最基础的信号层，我们需要观察WLAN射频信号状态，评估干扰影响，信号质量不佳可能导致协议层交互失败，可能导致网络容量不高，可能导致应用层用户体验下降。

分层实验体系有助于我们理清实验室建设思路，确定实验建设内容和实验指导方向，合理组织实验项目，有效发挥各部分作用，不仅可用于指导WLAN实验建设，还可推广到网络类其他专业，希望本文的探讨和思考能起到抛砖引玉的作用。

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