数字无线局域网的标准介绍和构网关键技术研究

2018-08-21张雪亚张建伟

微型电脑应用 2018年8期

张雪亚, 张建伟

(宝鸡文理学院 1.计算机学院;2.物理与光电技术学院，宝鸡 721016)

0 引言

随着互联网技术的发展和移动终端的迅速普及和广泛应用，人们对于无线网络服务的依赖越来越重，要求也越来越高，无线局域网的完善扩展和新建也就提上日程。目前较为普及的WiFi(Wireless-Fidelity无线保真)技术是基于IEEE 802.11系列标准的无线网路通信技术品牌，是一种无线互联网传输技术，该技术打破了此前接入互联网，必须通过有线网络才能连接的局面，开创了各种无线终端可直接通过无线电波来高速接入互联网的信息化时代。

1 技术演进

IEEE所制定的 IEEE 802.11x系列标准都属于WiFi技术标准，各阶段使用较为广泛的主要技术标准演进如下。

IEEE 802.11，最初始标准，于1997年制定，使用的频段为2.4 GHz-2.483 5 GHz。

IEEE 802.11a，采用与初始IEEE802.11标准基本相同的核心协议，于1999年制定，工作频段为5 GHz。

IEEE 802.11b，在IEEE 802.11的PHY层基础上增加了两个新的高速接入速率，也工作在2.4 GHz频段。

IEEE 802.11c，在媒体接入控制/链路连接控制(MAC/LLC)层面上进行扩展，旨在制订无线桥接运作标准，但后来将标准追加到既有的802.1中，成为802.1d。

IEEE 802.11d，根据各国无线电规定做的调整，和802.11c一样在媒体接入控制/链路连接控制(MAC/LLC)层面上进行扩展[1]，解决802.11b标准不能使用2.4 GHz频段国家的问题。

IEEE 802.11e，IEEE为满足服务质量(QoS)方面的要求而制订的WLAN标准，加入了QoS功能，它的分布式控制模式可提供稳定合理的服务质量，而集中控制模式可灵活支持多种服务质量策略，让影音传输能及时、定量、保证多媒体的顺畅应用。

IEEE 802.11f，追加了IAPP(inter-access point protocol)协定，确保用户端在不同接入点间的漫游，让用户端能平顺、无形地切换存取区域，该标准确定了在同一网络内接入点的登陆，以及用户从一个接入点切换到另一个接入点时的信息交换。

IEEE 802.11g是2003年7月批准的，兼容IEEE 802.11b技术标准，典型速率为6 Mbps、9 Mbps、12 Mbps和24 Mbps。

IEEE 802.11h，该标准的制定为了减少对同处于5GHz频段的雷达的干扰。IEEE 802.11h涉及两种技术，一种是动态频率选择(DFS)，即接入点不停地扫描信道上的雷达，接入点和相关的基站随时改变频率，最大限度地减少干扰，均匀分配WLAN流量；另一种技术是传输功率控制(TPC)，总的传输功率或干扰将减少3 dB[2]。

IEEE 802.11n，采用了OFDM调制和多入多出(MIMO)等先进技术并加以融合，于2009年9月获批，基本上是IEEE 802.11a的延伸版，IEEE 802.11b、IEEE 802.11a、IEEE 802.11g之后的另一个重要标准，双频工作模式包含2.4 GHz和5.8 GHz两个工作频段，与IEEE 802.11a/b/g标准兼容。

IEEE 802.11o，针对VOWLAN(Voice over WLAN)而制订，更快速的无限跨区切换，以及读取语音(voice)比数据(Data)有更高的传输优先权。

IEEE 802.11ac，是WiFi联盟2013年6月正式发布的WIFI标准，沿用802.11n的MIMO(多入多出)技术，是802.11n的继承者，2016年7月4日802.11n标准升级到最新的802.11ac标准。核心技术源于IEEE802.11a，理论速度1 Gbps，实际可达300 Mbps至400 Mbps之间[3]。

IEEE 802.11ah，是WiFi联盟2016年1月正式发布的WiFi标准，命名为HaLow技术，该技术将会和传统2.4 GHz和5 GHz频段混合使用，也会支持标准IP连接等功能。在5 GHz频段上可以带来高达10.53 Gbps的Wi-Fi连接速度，采用了900 MHz的频段提供范围更大以及功率更小的信号传输。

以上为主要技术标准的演进历程，WiFi技术演进路线示意图，给出了主要技术的演进时间和所使用的频段范围,如图1所示。

图1 主要WiFi技术演进路线示意图

2 物理层关键技术

无线局域网物理层的关键技术有很多，鉴于篇幅所限，在这里仅对其较为独特的抗干扰技术、移动切换技术、AC资源池技术进行介绍。

2.1 抗干扰技术

由于2.4 GHz频段属于全世界公开通用使用的无线频段，蓝牙、ZigBee、无线USB、无线局域网均工作在这一频段，可以说2.4 GHz这个频段已经拥挤不堪，干扰问题将成为不得不正确面，其主要干扰源分为以下4类：

(1)WiFi系统内的干扰：主要来自于相邻小区间的邻道干扰和相隔小区间的同频干扰。(2)WiFi系统之间的干扰：主要来自于其他运营商的WiFi网络间的干扰。(3)同频段内其他技术系统间的干扰：来自于蓝牙技术、无绳电话、无线USB等其它工作于2.4 GHz频段设备的干扰；(4)其他系统间的干扰：主要来自于不同系统之间的杂散干扰及交调干扰。

WiFi系统内的干扰与WiFi系统之间的干扰都是WiFi技术体制内的干扰，因此合并为同一类型干扰，WiFi系统内干扰。

目前解决干扰的常用办法由如下三种：

(1)降低AP的数据传输速率，但是这就意味着数据包滞空时间变的更长，需要花更多的时间进行接收，导致丢包的几率更大，从而使该系统对周期性干扰更加敏感，也将会影响到这个AP下的所有用户。

(2)降低AP发射功率，缩小覆盖范围，减少该AP下的接入用户数，但是降低了发射功率，也会降低信号接收强度，进而降低数据传输速率，也将使得该区域需要更多的AP来覆盖，更多的AP将会产生更多的干扰。

(3)改变信道的方法在应对特定频频上出现的干扰时，是一种有效的办法，但干扰通常是随机出现的，而且对于2.4 G频段上，可使用的互补干扰的信道只有3个，因此改变信道也不能彻底解决干扰问题。

2.2 移动切换技术

移动切换是指当原来的移动终端靠近原来服务小区的边缘，即将进入另一服务小区时，原基站与移动终端之间的链路将由新基站与移动终端之间的链路来取代并且保证通信连续不中断的技术。

移动切换可分为水平切换和垂直切换。水平切换是指移动主机在基于同一种链路层技术的不同接入路由器间的切换，如WiFi网络内不同路由器间的切换，对于WiFi网络内的水平切换IEEE802.11r致力于快速切换的研究，为实现支持时延敏感业务的快速切换技术。垂直切换是指异构无线网络中，不同接入网络之间的切换，以适应不同环境下不同业务的需求。

切换期间，若移动节点保持已有通信的连续性，对上层协议保持透明性，那么这种切换是无缝的，其包括两个方面的内容：快速切换和平滑切换。通常在数字无线城市建设初期，暂不考虑WiFi网络与LTE网络之间的切换。也不考虑采用支持802.11r技术的设备，解决快速切换问题，尤其是道路中央机动车辆内的移动终端的WiFi接入需求，采取定向天线，回避道路中央的覆盖，因为短时间的接入、脱网，对于有限的网络资源的冲击是很大的，造成网络资源严重浪费，而且降低网络指标。后续网络建设，可以考虑WiFi网络和LTE网络的充分融合，还可以考虑在公共交通车辆内布置移动WiFi覆盖网络。

2.3 AC资源池技术

数字无线局域网中的AC资源池(接入控制器)技术是将数字无线网络中的各种相关资源集中管理，统一调度的方法。AC资源池技术能在大幅降低网络建设成本的同时，显著提升网络资源利用效率，均衡分担网络设备压力，并极大的提高网络可靠性。AC资源池技术原理如图2所示。

图2 无线局域网AC资源池技术

从图2中可以看出现网BAS服务器不再承担认证功能，数据流量经BAS汇聚，经AC池完成认证后，直接由AC池汇聚路由转发到CR。无线流量不需要在BAS服务器上迂回，减轻了BAS设备的负载[4]。同时AC主备设备之间的业务切换、新增或删除AC设备、以及AC配置更改等无需进行网络割接。对核心网设备和认证计费业务系统完全透明，无需进行网络割接，保证了资源独立，互不影响，也使得NAT地址转换、安全防护、智能业务感知等功能扩展方便。

3 网络结构

数字无线网络建设的网络结构有很多种，主要有点对点模式，星型结构、环型结构、总线结构、分布式结构、树型结构、网状结构、蜂窝状结构等[5]。无论采用哪种传输技术，无线局域网网络拓扑结构基本上都是一致的，无线局域网的拓扑结构可归纳为两大类，即无中心网络拓扑结构和有中心网络拓扑结构。

3.1 无中心网络和有中心网络

无中心网络是最简单的无线局域网结构，又称为无AP网络，对等网络或Ad-hoc(特别)网络，它由一组有无线接口的计算机(无线客户端)组成一个独立基本服务集(IBSS)[6]，这些无线客户端由相同的工作组名、ESSID和密码，网络中任意两个站点之间均可直接通信。无中心网络一般使用公用广播信道，每个站点都可竞争公用信道，而信道接入控制(MAC)协议大多采用CSMA(载波监测多址接入)类型的多址接入协议。这种结构的优点是：网络抗毁性好、建网容易、成本较低。

这种结构的缺点是：当网络中用户数量(站点数量)过多时，信道竞争会严重影响网络性能。另外，这种网络中传送的路由信息会随着用户数量的增加而快速上升，严重时，路由信息可能占用有效通信信号的大部分，因此对于这种网络，在承载高质量的数据业务传输时，必须采用也别的路由控制技术。此外，为了满足任意两个站点均可直接通信，网络中的站点布局受环境限制较大。因此，这种网络结构仅适应于工作站数量相对较少(一般不超过15台)的工作群，并且这些工作站应离得足够近。

有中心网络也成结构化网络，它由一个或多个无线AP以及一系列无线客户端构成。在有中心网络中，一个无线AP以及与其关联(Associate)的无线客户端被称为一个BSS(Basic Service Set，基本服务集)，两个或多个BSS可构成一个ESS(Extended Service Set，扩展服务集)[7]。

有中心网络使用无线AP作为中心站，所有无线客户端对网络的访问均由无线AP控制。这样，当网络业务量增大时，网络吞吐性能及网络时延性能的恶化并不强烈。由于每个站点只要在中心站覆盖范围内就可与其他站点通信，故网络布局受环境限制比较小。此外，中心站为接入有线主干网提供了一个逻辑访问点。有中心网络拓扑结构的弱点是：抗毁性差，中心站点的故障容易导致整个网络瘫痪，并且中心站点的引入增加了网络成本。

3.2 总体网络拓扑结构

数字无线网络可以看做现有城域网的一种接入方式，未来WiFi核心网与城域网逐渐融合，其核心网采用分层组网的网络构架，包括接入层、汇聚层和核心层三个部分[8]，分层网络架构有利于多样化的业务拓展、业务实施以及网络的可靠性保障。其网络拓扑结构如图3所示。

图3 数字无线网络拓扑结构示意图

数字无线网络结构应包括热点交换机、汇聚交换机、AC控制器、核心路由器、BRAS宽带远程接入服务器[9]。

核心层：用于实现业务认证，当有用户发起接入需求时，需要对该用户进行有效性检测，该认证一般分本地认证和集团认证两种方式。本地认证在局域网内即可完成，集团认证需要在集团总部完成。认证完成后，计费系统一并打开，用户方可经由热点交换机、接入路由器、汇聚路由器以及AC进入核心路由器。同时AC也开始对热点AP的管理、控制，包括用户的安全管理和控制。

汇聚层：主要包括AC和汇聚交换机。对于AC设备在WiFi组网时，AC采用集中控制式，AC旁挂于BRAS服务器，二者在同一网络节点上。对于业务量不大的热点，热点交换机可以就近直接接入汇聚交换机，对于业务量较大的热点，需要将该区域的WiFi业务汇聚后，再接入城域网核心路由设备上。此时，汇聚层要对分散的业务进行汇聚，并对流量和用户进行管理和控制。汇聚层也应包含网络管理、流量控制、速度控制等系统，通常存在安全隐患的也正是这一层。

接入层：接入层主要包含 AP、热点交换机、接入路由器等设备，接入层直接面对用户，给用户提供各种接入服务，接入路由器需要对用户规模以及业务流量需求进行预测和控制，以确保为用户提供高质量的服务。同时也需要根据用户的安全等级，给予必要的安全解决办法，包括加密措施、用户隔离措施等。

4 应用举例

在以上关键技术和体系架构分析基础上，以陕西省某市城市数字局域网建设为例，深入研究数字无线局域网的实际构建。城市数字无线局域网解决方案以室外覆盖为主，主要涵盖主要商业街区、市民广场等数据需求较为集中、网络需求较为迫切的场所。

城市主城区室外无线局域网的热点AP一般选择安装在路灯杆上，以实现对周边热点的覆盖。根据运营商提供的资源信息，根据覆盖需要，采用单/双AP+定向载波瓣天线的覆盖方式对主城区主要道路进行WiFi覆盖。宝鸡主城区重点街区宽度一般为60米左右，两边多为商铺，人流量较大或者人员聚集区域，需要对该区域部署WiFi热点，满足覆盖。

凤凰广场位于市中心位置，该区域地理位置优越，广场前道路就是一个人流量常年较为集中的区域。该街区主要道路的覆盖示意图如图4所示：

图4 凤凰广场WiFi覆盖示意图

每个外置的AP热点外接高增益窄波瓣定向天线，水平平面的半功率角为33°，有效覆盖半径约为100-150米，覆盖宽度为30-50米，能满足主城区主要道路人流量较大的街区覆盖需求。

对于用户比较集中或离室外AP距离较远的室内区域，可以采用室内部署AP来进行覆盖。在AP部署时，要注意安装的美观性和安全性。一般采用全向天线，AP可挂墙或在隐蔽位置安装，也可放置于吊顶上，采用吸顶天线进行覆盖。单个室内型AP的覆盖半径一般为30～100米，最多考虑支持30个用户同时在线。实际覆盖时可根据预测用户数量和布放区域的开阔程度合理选择布放数量。

通常设计时，对于WiFi系统的天线口功率应控制在8-12 dBm之间。如果天线和覆盖目标之间有阻挡，建议天线口功率在11 dBm以上，可控制在11-15 dBm之间[10]。馈入分布系统方式的热点AP数量相对较少，基本能满足覆盖需求，对于数据流量需求不是很大的场景，比较适合。对于室内独立放装式和室内馈入分布系统，接入点AP供电方式要灵活且可靠。常用的供电方式为POE供电和本地就近独立供电方式。其中POE供电方式需要注意五类线或者超五类线的长度，理论上不要超过100米，实际工程中建议控制在80米以内为宜。