无线局域网IEEE802.11ac协议的研究及应用

◆辛 艳 梁建坤 修长虹

（沈阳药科大学网络中心 辽宁 110016）

无线局域网IEEE802.11ac协议的研究及应用

◆辛 艳 梁建坤 修长虹

（沈阳药科大学网络中心 辽宁 110016）

无线网络技术是当代计算机通信技术的发展趋势，是有线网络必要补充，因为用无线电波作为通信媒介，所以硬件架设或使用的机动性均比有线网络有优势。在无线局域网的覆盖范围内，无线终端设备可以自由移动。本文对IEEE802．11ac协议进行了深入的研究，剖析了无线局域网特征，提出了规划部署无线网络的关键点，并且对无线局域网发展作出展望。

无线局域网；IEEE802．11ac协议；无线AP；WPA/WPA2协议

0 引言

网络按照区域结点分类可以分为局域网（Local Area Network，LAN），城域网（Metropolitan Area Network，MAN）和广域网（Wide Area Network，WAN）。无线局域网络（Wire Local Area Network，WLAN）是在局域网中利用无线电技术取代有线网络，用户建立远距离及近距离无线连接全球语音和数据网络。

1 无线局域网（WLAN）的优势

（1）不用布线，只需安装接入点设备即可，安装快速简单，减少敷设管道及布线工作。

（2）与有线网络光纤和五类双绞线组网布线的费用相比较，通过基站和无线网卡上网的形式所需要的资金投入少，而且容易实现。

（3）无线网络是对有线网络形式的补充和扩展，使用方便，使电脑具备移动性，能快速解决有线网络不能实现的网络连接。

（4）网络需要频繁移动和动态扩展时，WLAN网桥系统支持多种拓扑结构及平滑扩容，可以从小容量传输系统平滑扩展为中等容量传输系统，可以更好地保护已有投资，从体系结构上节省协议转换器等相关设备。[1]

2 无线局域网的协议

无线局域网的协议主要有IEEE802.11协议、蓝牙标准和HomeRF工业标准等，其中IEEE802.11协议是无线局域网最主要的协议[2]。IEEE802.11协议常见标准见表1有以下几种：

表1 IEEE802.11协议标准

2.1 IEEE802.11ac协议概述

从本质上来说，IEEE802.11ac是IEEE802.11n标准的增强版，大多数的智能移动设备只支持2.4GHz频段，本身的可用信道少，同时还有设备如蓝牙、微波炉、无线监视摄像机等设备也是工作在2.4GHz频段，这对智能移动设备造成干扰，虽然2.4 GHz频段采用双空间流，在40MHz频宽下，连接速率理论上能达到300Mbps，但是在实际网络环境中，由于相互的信道之间相互拥挤占用，其实际吞吐率并没有达到理论值。

IEEE802.11ac是专门为5GHz频段设计，特有的新射频特点，单纯从下载速度上来说可以提升，甚至可以达到原本IEEE802.11n几倍的速度。在IEEE802.11ac的网络中，每个无线接入点可以接纳更多的终端，为每个并行的业务流提供更多的带宽，同时具有更低时延更省电的优点。

2.2 IEEE802.11ac协议特征

IEEE802.11ac是无线技术的新标准，是IEEE802.11n的继承者，进一步优化了IEEE802.11n的各种性能，明显的改进是在物理层，吞吐率的提高，这样将会很好地兼容IEEE802.11a/n的设备，IEEE802.11ac还对其他的五个方面进行改进。

（1）调制模式

在IEEE802.11ac协议中仍然采用IEEE802.11n协议的OFDM调制模式，在IEEE802.11n中最大的调制技术是64QAM，而IEEE802.11ac将达到256QAM，将阶数从64阶提高到256阶，每个子载波的数据比特数从6提高到8，这样调制效率提升了33%。从表2中可以看出不同的调制编码方式（Modulation and Coding Scheme，MCS），由于信噪比与调制阶数成正比，同时与编码速率成正比，MCS要达到8或9[3]。

表2 MCS与调制方式、码速对应表

（2）信道带宽

IEEE802.11ac中的5.0GHz频段可以提供更多的信道和带宽，以保证向下的兼容性，在当前20MHz的基础上增至40MHz或者80MHz，甚至有可能达到160MHz，其做法还是沿用IEEE802.11n的相邻带宽合并法。带宽合并如图1所示，IEEE802.11的信道带宽都是20MHz，40MHz就是将相邻的两个20MHz带宽合并，组成40MHz的带宽信道，但在40MHz的带宽信道中有主、副信道，（第一个20MHz为主信道，第二个为副信道），依次类推，在80MHz带宽信道中也有主、副之分，选一个20MHz为主信道，其余则称副20MHz、副40MHz。160MHz带宽信道通过连续的80MHz合并少，所以160MHz可以使用不连续的80MHz来获得。

图1 带宽合并

（3）空间流及MU-MIMO

IEEE802.11ac最多支持8路空间流，支持多个空间流是可选的，但空间流数量的增加与IEEE802.11ac 多用户多进多出（MU-MIMO）的新功能结合最为有效。IEEE 802.11ac技术在单用户和多用户MIMO模式下，支持最多8路空间流，最多4个用户，并且在多用户模式下，每个无线终端不超过4路空间流。

如图2所示，当有三个用户连接到同一AP时，当用户1需要接收到无线接入点AP的信号就要对它增加信号强度，减弱对用户2和3的信号强度，同理用户2需要接收信号时，AP就要对它增加信号强度，降低对其他用户的信号强度。但是同时，MU-MIMO也存在信道开销大的问题，同时用户接收到的信号会夹杂着发往其他用户的信号的干扰，导致无法达到最高调制模式。

图2 MU-MIMO示意图

（4）波束成形（Beamforming）技术

波束成形技术是将波速成形发送端对发送信号进行加权再发送出去，形成空数据包通告（NDPA）来初始化波速，使发送信号具有较高的指向性，在接收端得到信噪比较高的信号，有利于信号的接收，减少干扰。任何使用多天线的设备都能够在任意时间内对任何其他设备进行波速成形，IEEE802.11ac定义了一种探测协议即VHT Sounding protocol，该协议是让接收端帮助发送端进行波速成形工作。

（5）RTS/CTS协议优化

RTS/CTS协议（Request To Send/Clear To Send）即请求发送/允许发送协议，相当于一种握手协议，主要用来解决“隐藏终端”问题，让无线设备在其发送期间，停止传输，避免冲突。在IEEE802.11ac协议中，由于80MHz使用更多的信道，因此需要提升RTS/CTS的机制来处理辅助信道上的通信冲突问题。改进后RTS/CTS同时支持“动态频宽”模式。

在信号传输之前，设备需要监听信道是否可用，在可用的情况下，80MHz信道发送RTS，同时这个RTS中携带有带宽信息。所有主信道在这80MHz带宽中的IEEE802.11a/n/ac设备，都能接收到和解析这个RTS。那么这些接收端在接收到这个RTS时，会去判断在20MHz信道是否可用，附近的设备有没有占用这些信道，然后根据判断结果，在可用的信道上回复CTS，并且在CTS中报道可用的带宽。最后发送端在这些可用的带宽上发送数据，这些可用的带宽必须含有主信道。如果接收端发现一些信道被占用，可以通告发送端不要用这些信道，发送端将动态地回落到低一级的带宽模式上，这样可以有效减少“隐藏终端”的冲突，从而使得多用户间的通信更加顺畅，提高整体无线传输速率。

3 无线局域网的规划

无线局域网的组成主要由无线网卡、AP、计算机等移动终端组成。在建筑物内，无线AP的位置和数量是首要部署的，在对AP进行规划时应考虑无线信号的覆盖范围，AP信号是呈扇面覆盖的，想要实现全覆盖，无死角就得需要信号的交叉，使所有无线终端都能通过最近AP接入点接入网络。在安装时，根据房间的具体面积和使用人员数来合理设置AP点位，一个AP可以支持80台无线终端设备。在建筑物外需要的AP点位将更多，考虑建筑物见得距离和障碍物对信号的阻挡，需要在AP设备外接增益天线，增益天线有全向天线和定向天线，在不同的场合选择合适的增益天线，实现几个网段之间的互联。还要采用多个无线路由器整合交叉覆盖形成大面积覆盖区域，每个无线路由器都独立接到交换机上，以保证有更高的带宽。

无线局域网主要由无线局域网管理系统来实现，在系统中将一个或多个AP通过集线器HUB连接到无线局域网控制器WLC上，而WLC则可通过无线局域网连接到Internet上，然后用户就可以通过有无线上网功能的电脑通过WLC 管理的AP 到管理系统上进行用户认证，通过认证后可访问Internet，管理系统主要通过系统定义的接入点设备与服务器之间的通信协议进行通信。

4 无线局域网的安全

无线网络同时也存在很多的安全问题，WLAN主要面临的安全问题有非法用户入侵、破译无线密钥、盗取流量、软件病毒攻击、信息窃取等。

无线网络在管理上采取建立安全可靠的无线局域网管理制度，设立专门的网络管理人员，并制定相应的管理制度。在技术上，之前IEEE802.11采用有线等效加密（Wired Equivalent Privacy，WEP）协议进行加密，为无线局域网WLAN提供安全保护[4]。但是由于WEP协议有不足之处，它采用的是RC4加密算法，此算法简单，容易破解，给无线网络的安全带来威胁，自此Wi-Fi联盟又推出安全性更高的Wi-Fi保护接入（Wi-Fi Protected Access，WPA）协议[5]，WPA/WPA2协议的加密算法分别采用的是临时密钥完整协议RC4加密算法及高级加密算法AES，此协议继承了WEP协议，并且弥补WEP协议的设计缺陷和漏洞，保护了无线网络安全。

5 小结

无线网络是人类进入网络化和信息化时代的必然产物，使网络发展更加人性化的结果，也是信息化技术走进个人，融于人们现实生活的必然发展趋势。IEEE802.11ac协议的提出满足了日益增长的无线传输需求，但是无线网络技术的发展不会停滞不前，将会有更高端更快速的无线技术应运而生，使互联网更好地满足人们对网络的需求。

[1]吴华光，等．校园无线局域网的规划与设计．嘉应学院学报（自然科学），2007．

[2]罗振东．下一代WLAN技术标准802．11ac/ad．现代电信科技，2012．

[3]郭正跃．下一代WLAN技术IEEE 802．11ac．电信工程技术与标准化，2013．

[4]王茂才，等．无线局域网的安全性研究．计算机应用研究，2007．

[5]高峰．无线城市——电信级Wi-Fi网络建设与运营．人民邮电出版社，2011．

本文受2014年辽宁省科技计划项目（项目编号2014408004）“实验动物从业人员资格在线考试系统的开发与管理”资助。