WLAN 标准的演进及其在无线校园网中的应用研究*

赵安新，穆 荣，廖晓群

(西安科技大学 网络中心，陕西 西安 710054)

1 引言

无线局域网(WLAN，Wireless Local Area Networks)技术具有高吞吐、低成本、方便等诸多特点，可为用户提供便捷的高速无线上网服务［1］。据Wi-Fi 联盟统计，2013 年世界范围内WLAN 家庭用户已达20 亿，全球超过750 000 个Wi-Fi 热点和每年超过80 亿的Wi-Fi 设备销售量，而且这些数据还在不断增长［2］。WLAN 被广泛嵌入至各类计算机、手机和消费电子产品中，形成了互联网接人、办公自动化、家庭网络、游戏、数据上/下载等丰富多彩的应用，为人们的工作和生活提供了极大的方便［3］。为了满足日益增长的市场需求，WLAN 技术与标准也在不断地发展和完善，数据传输能力不断提高，目前，现有的802.11n 标准的传输速率已经高达600Mbps。但近几年高清视频、大数据等高吞吐量数据业务的快速增长，对WLAN 的传输能力提出了更高的要求。为此，IEEE 已经研究制定技术标准802.11ac 和802.11ad，数据吞吐量将达到几个Gbps，以更好地适应高速无线数据发展的需要［4］。

2 WLAN 标准的演进

当前WLAN(Wireless Local Area Networks)主流标准是电子电气工程师协会(IEEE)制定的802.11系列标准［5］，其演进的过程如图1 所示。1997 年，IEEE 曾发布802.11 标准的初始版本，其中定义了直接序列扩频、跳频及红外线传输等方式，可以实现1-2 Mbit/s 的传输速率。跳频技术和直接序列技术在技术实现及其技术支持着之间存在较大的争议。然而，直接序列扩频技术由于技术特点最终被采纳为802.11b 标准。随着，无线技术的发展逐渐形成了802.11a、802.11a b、802.11g 和802.11n 等802.11 系列标准。目前，802.11n 可以实现最大600Mbit/s 的传输速率，然而，面对当前快速增长的高吞吐量、高清等无线数据业务需求，仍然无法满足要求。以当前网络常用的高清视频的传输需求为例，从最初简单DVD 画质向微压缩以及无压缩高清视频的发展，这些高清视频信号的传输需要上百Mbit/s 甚至高达几个Gbit/ts 的传输速率。目前针对诸如此类需求，802.11 正在开发下一代无线传输标注，可以实现Gbit/s 的传输速率，也即是802.11ac标准。目前，该标准主要是由极高吞吐量研究组(Very High Throughput，VHT)在进行研究，2007 年5月开始工作，推荐形成两个Gbit 网络任务组任务组AC 和任务组AD。其两者之间主要区别是支持频带不同。AC 支持小于6 GHz 频率，可以和现有无线标准进行频带兼容。AD 是采用60 GHz 左右的频带，是一个全新的支持频带，可以达到更高的传输效率。

图1 802.11 标准的演进Fig.1 The evolution of 802.11 standard

3 802.11ac 协议详解

3.1 802.11ac 和802.11n 协议对比分析

无线局域网802.11ac 协议基于6 GHz 的频带区间，该部分属于免照申请用频道，是802.11n 协议在5 GHz 频带的持续演进版本，其与802.11n 的差异见表1。802.11ad 协议工作在60 GHz 频段区间，目前全球大部分国家均已在60 GHz 区间划分了许可频段，其中我国的频段区间为59-64 GHz，欧洲57-66 GHz，美 国57-64 GHz，日 本59-66 GHz。由于无线电波在60GHz区间内其损耗相当严重，因此一般只适合用作短距离无线覆盖，传输距离也一般在控制在10 m 以内，从这边面来看802.11 ac与802.11ad 具有很强的互补性［6］。

表1 802.11n 和802.11ac 之间的差异

3.2 802.11ac 协议的核心关键技术

3.2.1 5 GHz 频段带宽

802.11ac 协议采用5GHz 频段［7］，其性能得到大幅提升。受生产工艺、技术和成本等诸多方面的限制，第一代Wi-Fi 标准协议，其芯片工作频率一般在2.4 GHz，最高传输速率最大只有2 Mbps。虽然很快具有后续的版本——802.11a、802.11b、802.11g、802.11n，但其工作频段的限制，始终面临技术瓶颈，同时，由于其他设备诸如健康监视设备、蓝牙耳机等也采用2.4 GHz 的频段，因此存在占用信道的问题。

3.2.2 支持8* 8 多输入多输出(MIMO)

在无线局域网中，多输入多输出MIMO 天线技术的引入［8］使得数据传输速率得到了大大的提高。在8* 8MIMO 系统中通道则可以实现8 倍的数据传输速率，在同一物理通道中使用8 个独立的空间流，能够有效地使数据传输速率达到传统的单输入单输出系统数据传输速率的8 倍。

3.2.3 波束技术(Beamforming)

802.11ac 协议利用波束形成技术［9］，避免在发射器与接收端装置之间，使用无效的传输路径，实现传输效率和覆盖面积更广。

除此之外，802.11ac 协议采用强大的电源管理、待机功耗和半导体工艺，使得能耗比现在低好几个档次。同时802.11ac 协议继续保持向下兼容性的特点，使得大多数设备都会支持双频段，默认可以运行在5 GHz，根据不同的应用场景可以切换到其他系列，更有利于这些技术协议的平滑升级。

3.3 PHY 物理层传输速率比较

几种无线局域网协议标准的最大传输速率见表2，其中表中列出的是理想情况下最大传输速率，在实际应用场景中，会有一定的差异。

表2 802.11 系列标准中数据速率对比

3.4 终端设备支撑能力

无线局域网评估网络的指标一般采用接入网络的设备数量、类型和容量来进行评估。表3 列出了82.11ac 协议在今年的详细测试分析结果。

表3 802.11ac 终端接入能力

4 802.11ac 协议在校园网无线网络中的应用

近年来学校的网络建设不断加强，迄今为止，校园网建设累计投资达1 000 多万元，完成了与中国教育科研网(100 M)、中国公众信息网(500 M+100 M)光纤宽带接入。我校校园网实现了全面覆盖学校雁塔校区、临潼校区以及南院、东院家属区，各校区间实现了光纤宽带互联互通，校园网采用了先进的网络设备和三层全交换技术，主干网传输速率达1 Gb，各校区建设了光纤到楼宇、百兆到用户桌面的高速可靠、稳定安全的网络，为校内各单位提供了方便的接入条件。目前网络接入12 000 多用户终端，学校校内敷设光缆近80 公里，校区间互联光缆近70 km，为全校师生提供了先进的网络平台。网络承载的各类网络信息服务、数字化教学资源和应用系统为广大师生员工的工作、学习和生活提供了便捷的条件。然而，随着智能终端的普及，在教室、实验室、图书馆、大型会议室、体育馆和室外临时举办的场所等场合如何突破网络节点的限制、实现多人同时上网的问题是当前网络工作者面临的难题，同时也是学校师生员工对无线网络的需求。因此在我校无线校园网的建设过程中采用802.11ac 协议和Aerohive 公司相关的无线网络设备搭建校园网的无线网络部分，同时利用前期建设成果校园网网络计费认证管理系统，实现我校校园网有线和无线网络的统一认证、计费等管理。其具体的无线网络拓扑结构如图2 所示。

图2 基于802.11 协议的无线校园网网络

5 结语

802.11 采用MU-MIMO、超带宽以及256QAM等技术，使得WLAN 传输速录更高。同时由于802.11ac在MAC 层采用扩展802.11n 中的媒体接入保护机制，进一步拓展了传输带宽度。除了在上述技术上取得重大突破外，802.11ac 目前也得到了产业界的大力支持，同时通过现有基于802.11ac 协议的产品在校园网搭建实验环境的测试，系统的支撑能力比较强而且跨区域可以实现无缝切换。

［1］Goth G.Next-generation wi-fi:As fast as we'll need?［J］.IEEE Internet Computing，2012，16(6):7-9.

［2］Ong E H，Kneckt J，Alanen O，et al.IEEE 802.11ac:Enhancements for very high throughput WLANs［C］.Toronto，ON，Canada，2011.

［3］Al-Adhami M，Al-Dubai A Y，Romdhani I.Experimental investigation of link layer adaptation in IEEE 802.11nWLANs［C］.London，United Kingdom，2012.

［4］Giordano B.802.11n and 802.11ac:A tale of two standards［J］.Electronic Products，2012，54(9).

［5］Uludag S，Imboden T，Akkaya K.A taxonomy and evaluation for developing 802.11-based wireless mesh network testbeds［J］.International Journal of Communication Systems，2012，25(8):963-990.

［6］Anonymous.Reference Design Features IEEE 802.11ac and 802.11ad［J］.MICROWAVES ＆ RF，2013，52(2):24.

［7］JI Bao-feng，SONG Kang，HUANG Yong-Ming，等.Performance analysis and optimal design of MU-MIMO transmission scheme based on IEEE 802.11ac［J］.Tongxin Xuebao/Journal on Communications，2013，34(5):96-106.

［8］Sharawi M S.A 5-GHz 4/8-element MIMO antenna system for IEEE 802.11AC devices［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2013，55(7):1 589-1 594.

［9］Nojima D，Lanante Jr L，Nagao Y，et al.Performance evaluation for multi-user MIMO IEEE 802.11ac wireless LAN system［C］.PyeongChang，Korea，Republic of，2012.