WLAN無線接入系統

WLAN接入技術概述

WLAN是指以無線信道來替代傳統有線傳輸介質所構成的區域網路，它是一種利用無線技術實現快速接入乙太網的技術，根據產品性能以及傳播環境的不同可以覆蓋幾十米至幾百米的範圍。WLAN發展過程中出現了多種技術標準，最主要的標準是IEEE 802.11系列標準，目前正在使用的為IEEE 802.11a、802.11b、802.11g和802.11n等。美國無線區域網路標準組織Wi-Fi（Wireless Fidelity）聯盟旨在發展802.11技術，在全球範圍內推行WLAN產品的兼容認證。目前Wi-Fi聯盟會員數已達322家，其中有12家中國會員企業。

IEEE 802.11b標準採用相對簡單的直接序列擴頻（DSSS）技術，其空中接口速率理論上可以達到11Mbit/s，套用層速率可達到6Mbit/s。802.11b使用的2.4GHz ISM（Industrial Scientific Medical，國際電信聯盟定義此頻段主要開放給工業、科學、醫學機構使用，屬於無需授權許可頻段）頻段，易受外界電磁干擾。雖然802.11b 11Mbit/s的傳輸速率可以滿足大多數用戶的接入要求，但仍不能滿足用戶日益增長的頻寬需求。相比有線區域網路，802.11b的速度瓶頸日益明顯，將逐步被後期的802.11n等標準取代。

IEEE 802.11a採用了傳輸速率較高的正交頻分復用（OFDM）技術，理論速率可高達54Mbit/s，套用層速率可達到20Mbit/s，但由於其工作在5GHz頻段，無線傳播特性較差，隨著距離的增加，其速率下降較快。另外，5GHz自由頻段套用較少，外界干擾相對較少。

IEEE 802.11g工作在2.4GHz頻段，採用兩種調製方式，包括802.11b 中採用的CCK（補碼鍵控）調製與802.11a 中採用的OFDM調製，既達到了在2.4GHz 頻段實現802.11a 相同水平的數據傳送能力，也確保了與現有大量802.11b產品的相互兼容，使原有的WLAN系統可以平滑地向高速WLAN過渡，延長了IEEE 802.11b產品的使用壽命，因而成為無線區域網路中套用較多的標準。

IEEE 802.11n標準採用多輸入多輸出（MIMO）、正交頻分復用、信道捆綁、更短GI（Guard Interval，保護間隔）等多種新的關鍵技術，不但提高了無線傳輸質量，也使傳輸速率從54Mbit/s增加至600Mbit/s。802.11x規範的物理特性見表1。

表1 WLAN物理層標準及其主要特點

802.11x規範	802.11a	802.11b	802.11g	802.11n
標準頒布時間	1999.7	1999.7	2003.6	2009.9
最大數據速率（Mbit/s）	54	11	54	600
調製方式	OFDM	DSSS/CCK	DSSS/CCK/OFDM	DSSS/CCK/OFDM
工作頻段（GHz）	5	2.4	2.4	2.4/5
空分碼流的數量	1	1	1	1、2、3、4
信道頻寬（MHz）	20	20	20	20/40

802.11標準工作組正在制定更高吞吐量的標準——802.11ac和802.11ad。802.11ac作為802.11n標準的延續，工作頻段被設計為6GHz頻率下以及支持MIMO技術，並在此基礎上技術改進與創新，以求達到1Gbit/s吞吐量的目標。802.11ad主要針對實現家庭內部無線高清音視頻信號的傳輸，802.11ad將高頻60GHz頻譜定為工作頻段，並且通過對MIMO技術的支持，使單一信道吞吐量超過1Gbit/s。

IEEE 802.11i標準結合IEEE 802.1x中的用戶連線埠身份驗證和設備驗證，對無線區域網路MAC層進行修改與整合，定義了嚴格的加密格式和鑒權機制，以改善無線區域網路的安全性。

2003年，我國無線區域網路國家標準WAPI（WLAN Authentication and Privacy Infrastructure）由工業和信息化部報送國家標準化管理委員會正式頒布。WAPI即無線區域網路鑑別與保密基礎結構，是針對IEEE 802.11協定中安全問題提出的WLAN安全解決方案。WAPI安全機制是採用一種控制連線埠的認證體系，並採用國家密碼管理委員會辦公室批准的公鑰體制的橢圓曲線密碼算法和分組密碼算法，分別用於WLAN設備的數字證書、密鑰協商和傳輸數據的加解密，從而實現設備的身份鑑別、鏈路驗證、訪問控制和用戶信息在無線傳輸狀態下的加密保護。其特點如下：

· WAPI是屬於數據鏈路層的協定標準；

· 採用基於公鑰密碼體系的證書機制，真正實現了移動終端（STA）與無線接入點（AP）間雙向鑑別；

· 支持Windows98/2000/XP、Linux等作業系統；

· 提供與現有計費技術兼容的服務，可實現按時計費、按流量計費、包月等多種計費方式。

WLAN主要設計指標建議

WLAN規劃和設計中，各主要指標建議見表2。

表2 WLAN主要設計指標建議

項目	建議指標
AP容量	802.11g標準AP，在接入用戶頻寬512kbit/s情況下，單AP並發支持用戶按照10～20用戶考慮； 802.11n標準AP，在接入用戶頻寬512kbit/s情況下，單AP並發支持用戶按照20～30用戶考慮（注1*）
無線信號場強	≥-75dBm；802.11n覆蓋區域，條件允許的情況下建議≥-70dBm
信噪比	≥20dB
網路時延	Ping AC時延不高於50ms
丟包率	Ping AC丟包率不高於1%
單用戶接入速率	在不對用戶頻寬進行限制情況下，要求單用戶接入時，覆蓋區域內，終端套用層速率不低於8Mbit/s（注2*）
多用戶平均FTP下載速率	≥512kbit/s
同頻干擾	建議任意同頻AP信號<-80dBm

註：

1*：該用戶數是在所有用戶均為802.11n制式前提下的結論，在802.11g、802.11n終端混合接入時，網路容量相應下降。

2*：對於受傳輸頻寬等條件限制的熱點，可根據傳輸頻寬等確定下載速率要求；對於限速的熱點，可根據限速具體要求確定下載速率要求。

WLAN主要建設方法

WLAN熱點覆蓋的主要建設方式主要有室內獨立組網、分布系統合路方式建設等。針對具體的場景，可採用一種或多種建設方式，滿足覆蓋和容量的需求。

（1）室內獨立組網

該方式是直接在室內部署室內單點布放型AP（100mW）提供WLAN無線覆蓋。適用於無室分系統且建築物格局比較簡單、面積較小的熱點。

（2）分布系統合路方式

這種方式是WLAN和現有移動通信系統相結合的一種組網方式。在該方式下，採用室分合路型AP（500mW）將WLAN無線信號通過合路器耦合入原有的2G/TD室內分布系統，WLAN/2G/TD系統共用天線和饋線，同時為用戶提供WLAN和行動網路接入無線信號。適用於有室分系統或可以新建室分系統且建築物格局複雜，面積較大的熱點，但本方式要求分布系統的天饋及各種器件支持2.4GHz頻段，否則需要對現有室內分布系統進行改造。

（3）室外獨立組網

WLAN部署也可採用室外AP對室內進行穿透覆蓋的方式，此時我們一般採用大功率AP（500mW），並套用高增益的定向天線指向覆蓋區域。適用於室外覆蓋場景，如運動場或建築物內較難施工的場景等。採用室外型覆蓋方式建設速度快，網路維護簡單，投資少、見效快，但由於室外無線環境複雜，覆蓋效果較差，干擾不易控制。

（4）Mesh組網

WLAN作為無線寬頻接入建設時還可以採用無線網狀網的方式，即WLAN Mesh。WLAN Mesh技術相關的標準為802.11s，儘管該技術提出時間較早，但是廣泛套用主要是在2004-2005年。該技術的大量套用擴展了WLAN的覆蓋範圍，使得WLAN的覆蓋由熱點擴展到熱區，同時使網路部署更加容易。

WLAN Mesh技術是由AP間的無線傳輸鏈路替代了傳統WLAN中AP接入有線LAN中的五類線纜，形成無線網狀網。該網路技術的特點主要體現在AP間無線中繼鏈路的實現、路由選擇、網路安全、移動性等方面。

無線網狀網是一種基於多跳路由、對等網路技術的新型網路結構。它具有移動寬頻的特性，可以動態地不斷擴展，網路拓撲自動發現、自管理、自動修復，在組網方式、傳輸距離以及移動性上都有很大的改進。在系統構成上，無線網狀網採用無線網關+CAN（Community Area Network）的結構。無線網關負責移動性和安全性等方面的管理，CAN負責用戶的接入和數據向有線網路的匯聚。無線中繼鏈路的實現、網路結構的形成、路由選擇和網路安全主要集中在CAN中。CAN由一組呈網狀分布的AP構成，各AP均採用級聯的方式通過無線中繼鏈路互聯，將無線“熱點”擴展為大面積的無線“熱區”。NAP（Net AP）是CAN中與有線網路進行互聯的節點，它結合了IP路由功能（路由器或三層交換機）與無線AP的功能，位於NAP的無線AP成為AP+NAP。CAN中可以有一個或多個NAP，所有的數據通過NAP匯聚到有線網路中。

無線網狀網採用了Multi-Band、Multi-Radio的無線中繼方式，以802.11b/g提供用戶接入，以802.11a提供AP間的無線中繼。在網路中，各AP可以自動完成無線中繼鏈路的搜尋、判斷、建立和修復。即AP加電啟動後自動搜尋相鄰AP，根據特定的算法判斷與相鄰AP間的802.11a無線鏈路質量，選擇其中最好的一個與其建立無線中繼鏈路，這條鏈路由於某種原因失效後，AP可以自動轉向其他相鄰AP並與其建立新的無線中繼鏈路。

在無線網狀網中，可能存在多條將用戶數據傳回有線網路的路由，考慮到終端在網路中的移動性和終端有限的傳輸距離的限制，用戶的回傳路由是可能隨時發生變化的。因此，如何選擇最優或相對最優的回傳路徑，如何對該路徑進行維持、拆除就顯得特別重要。選用的路由協定的效率將直接影響網路的性能。當前業界和學術界主要有兩種做法：一種是沿用有線網路中普遍採用的路由協定，例如OSPF、RIP等鏈路狀態、距離向量協定；另一種是開發無線專用的路由協定，主要可以分為兩類——表驅動（Table-drived）路由協定和按需（On-demand）路由協定。

無線網狀網中，AP之間的無線傳輸鏈路路由協定主要是OSPF協定。作為一種主要為有線網路開發的協定，OSPF在無線網狀網規模不大的情況下，可以保證網路的性能。從無線網狀網的特點看，充分考慮無線環境下的鏈路質量時變性、多條傳輸、動態拓撲等特點，開發無線網狀網專用的路由算法是必需的。

WLAN接入在國內市場發展

在國內，WLAN市場套用開始於2000年，真正啟動是在2001年下半年。由於公眾運營市場和行業用戶WLAN套用需求增長，2002年成為國內WLAN運營市場比較活躍的一年。中國電信的“天翼通”服務、中國聯通的“無線伴旅”和中國移動的“隨e行”業務在全國範圍內開展，從此開始了WLAN在國內的廣泛套用。

國內運營商將WLAN目標客戶最初定位於高層商務人士，主要熱點集中在高檔賓館、酒店、會議、機場等高端商務人士經常出入的場所，於是試探性建設網路，初期由於熱點較少，難以形成規模效應，經濟效益較差。隨著WLAN在國內的發展，目標定位由原來的高端客戶流動場所改為高端客戶、集團客戶、學生客戶日常生活和工作的場所。WLAN的套用由傳統的無線寬頻接入拓展到無線寬頻、移動視頻監控、圖像採集、區域安防、甚至語音通信等領域。套用的拓展和技術上的進步為其自身的發展注入了新的活力，2005年，WLAN的建設在國內又重新活躍了起來。2010年開始三大基礎電信運營商又一次非常重視WLAN，定位為進入寬頻市場和建設無線城市的經濟有效方式，是分流蜂窩網路數據流量、承載業務發展和支撐寬頻接入的有效手段，大規模的校園網和無線城市採用WLAN。

從我們以前設計傳統WLAN和後來設計WLAN Mesh的經驗看：利用WLAN Mesh技術可以組成大面積熱區無線寬頻接入網路，並且用戶可以在熱區內不同AP之間平滑切換，WLAN Mesh從網路部署、建設成本和通信質量多方面都優於傳統WLAN和有線LAN。隨著一些新技術如OFDM、MIMO等的引入，WLAN Mesh的無線加寬頻特點更加突出。只要運營商選擇好的運營模式，WLAN Mesh在WLAN基本業務的基礎上會帶來WLAN的又一次新發展機遇。

WLAN無線寬頻接入技術未來跟蹤要點

（1）WLAN和行動網路更深層次的融合，包括WLAN網上移動業務的實現，基於移動IP技術的WLAN 和行動網路間無縫漫遊的實現等；

（2）無感知WLAN認證方式，如MAC認證、PEAP認證、SIM認證等；

（3）WAPI認證、安全機制以及與目前網路的融合；

（4）IEEE 802.11n、802.11ac、802.11ad等技術標準；

（5）WLAN現網質量的提升；

（6）大覆蓋AP建設方案及性能保證；

（7）AP與AC之間接口標準化；

（8）AC雲化技術；

（9）WLAN抗干擾技術。