WLAN 標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)及其在無線校園網(wǎng)中的應(yīng)用研究*

趙安新，穆 榮，廖曉群

(西安科技大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)中心，陜西 西安 710054)

1 引言

無線局域網(wǎng)(WLAN，Wireless Local Area Networks)技術(shù)具有高吞吐、低成本、方便等諸多特點(diǎn)，可為用戶提供便捷的高速無線上網(wǎng)服務(wù)［1］。據(jù)Wi-Fi 聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)，2013 年世界范圍內(nèi)WLAN 家庭用戶已達(dá)20 億，全球超過750 000 個(gè)Wi-Fi 熱點(diǎn)和每年超過80 億的Wi-Fi 設(shè)備銷售量，而且這些數(shù)據(jù)還在不斷增長［2］。WLAN 被廣泛嵌入至各類計(jì)算機(jī)、手機(jī)和消費(fèi)電子產(chǎn)品中，形成了互聯(lián)網(wǎng)接人、辦公自動(dòng)化、家庭網(wǎng)絡(luò)、游戲、數(shù)據(jù)上/下載等豐富多彩的應(yīng)用，為人們的工作和生活提供了極大的方便［3］。為了滿足日益增長的市場需求，WLAN 技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)也在不斷地發(fā)展和完善，數(shù)據(jù)傳輸能力不斷提高，目前，現(xiàn)有的802.11n 標(biāo)準(zhǔn)的傳輸速率已經(jīng)高達(dá)600Mbps。但近幾年高清視頻、大數(shù)據(jù)等高吞吐量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的快速增長，對WLAN 的傳輸能力提出了更高的要求。為此，IEEE 已經(jīng)研究制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)802.11ac 和802.11ad，數(shù)據(jù)吞吐量將達(dá)到幾個(gè)Gbps，以更好地適應(yīng)高速無線數(shù)據(jù)發(fā)展的需要［4］。

2 WLAN 標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)

當(dāng)前WLAN(Wireless Local Area Networks)主流標(biāo)準(zhǔn)是電子電氣工程師協(xié)會(huì)(IEEE)制定的802.11系列標(biāo)準(zhǔn)［5］，其演進(jìn)的過程如圖1 所示。1997 年，IEEE 曾發(fā)布802.11 標(biāo)準(zhǔn)的初始版本，其中定義了直接序列擴(kuò)頻、跳頻及紅外線傳輸?shù)确绞?，可以?shí)現(xiàn)1-2 Mbit/s 的傳輸速率。跳頻技術(shù)和直接序列技術(shù)在技術(shù)實(shí)現(xiàn)及其技術(shù)支持著之間存在較大的爭議。然而，直接序列擴(kuò)頻技術(shù)由于技術(shù)特點(diǎn)最終被采納為802.11b 標(biāo)準(zhǔn)。隨著，無線技術(shù)的發(fā)展逐漸形成了802.11a、802.11a b、802.11g 和802.11n 等802.11 系列標(biāo)準(zhǔn)。目前，802.11n 可以實(shí)現(xiàn)最大600Mbit/s 的傳輸速率，然而，面對當(dāng)前快速增長的高吞吐量、高清等無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，仍然無法滿足要求。以當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)常用的高清視頻的傳輸需求為例，從最初簡單DVD 畫質(zhì)向微壓縮以及無壓縮高清視頻的發(fā)展，這些高清視頻信號的傳輸需要上百M(fèi)bit/s 甚至高達(dá)幾個(gè)Gbit/ts 的傳輸速率。目前針對諸如此類需求，802.11 正在開發(fā)下一代無線傳輸標(biāo)注，可以實(shí)現(xiàn)Gbit/s 的傳輸速率，也即是802.11ac標(biāo)準(zhǔn)。目前，該標(biāo)準(zhǔn)主要是由極高吞吐量研究組(Very High Throughput，VHT)在進(jìn)行研究，2007 年5月開始工作，推薦形成兩個(gè)Gbit 網(wǎng)絡(luò)任務(wù)組任務(wù)組AC 和任務(wù)組AD。其兩者之間主要區(qū)別是支持頻帶不同。AC 支持小于6 GHz 頻率，可以和現(xiàn)有無線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行頻帶兼容。AD 是采用60 GHz 左右的頻帶，是一個(gè)全新的支持頻帶，可以達(dá)到更高的傳輸效率。

圖1 802.11 標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)Fig.1 The evolution of 802.11 standard

3 802.11ac 協(xié)議詳解

3.1 802.11ac 和802.11n 協(xié)議對比分析

無線局域網(wǎng)802.11ac 協(xié)議基于6 GHz 的頻帶區(qū)間，該部分屬于免照申請用頻道，是802.11n 協(xié)議在5 GHz 頻帶的持續(xù)演進(jìn)版本，其與802.11n 的差異見表1。802.11ad 協(xié)議工作在60 GHz 頻段區(qū)間，目前全球大部分國家均已在60 GHz 區(qū)間劃分了許可頻段，其中我國的頻段區(qū)間為59-64 GHz，歐洲57-66 GHz，美 國57-64 GHz，日 本59-66 GHz。由于無線電波在60GHz區(qū)間內(nèi)其損耗相當(dāng)嚴(yán)重，因此一般只適合用作短距離無線覆蓋，傳輸距離也一般在控制在10 m 以內(nèi)，從這邊面來看802.11 ac與802.11ad 具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性［6］。

表1 802.11n 和802.11ac 之間的差異

3.2 802.11ac 協(xié)議的核心關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 5 GHz 頻段帶寬

802.11ac 協(xié)議采用5GHz 頻段［7］，其性能得到大幅提升。受生產(chǎn)工藝、技術(shù)和成本等諸多方面的限制，第一代Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，其芯片工作頻率一般在2.4 GHz，最高傳輸速率最大只有2 Mbps。雖然很快具有后續(xù)的版本——802.11a、802.11b、802.11g、802.11n，但其工作頻段的限制，始終面臨技術(shù)瓶頸，同時(shí)，由于其他設(shè)備諸如健康監(jiān)視設(shè)備、藍(lán)牙耳機(jī)等也采用2.4 GHz 的頻段，因此存在占用信道的問題。

3.2.2 支持8* 8 多輸入多輸出(MIMO)

在無線局域網(wǎng)中，多輸入多輸出MIMO 天線技術(shù)的引入［8］使得數(shù)據(jù)傳輸速率得到了大大的提高。在8* 8MIMO 系統(tǒng)中通道則可以實(shí)現(xiàn)8 倍的數(shù)據(jù)傳輸速率，在同一物理通道中使用8 個(gè)獨(dú)立的空間流，能夠有效地使數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到傳統(tǒng)的單輸入單輸出系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率的8 倍。

3.2.3 波束技術(shù)(Beamforming)

802.11ac 協(xié)議利用波束形成技術(shù)［9］，避免在發(fā)射器與接收端裝置之間，使用無效的傳輸路徑，實(shí)現(xiàn)傳輸效率和覆蓋面積更廣。

除此之外，802.11ac 協(xié)議采用強(qiáng)大的電源管理、待機(jī)功耗和半導(dǎo)體工藝，使得能耗比現(xiàn)在低好幾個(gè)檔次。同時(shí)802.11ac 協(xié)議繼續(xù)保持向下兼容性的特點(diǎn)，使得大多數(shù)設(shè)備都會(huì)支持雙頻段，默認(rèn)可以運(yùn)行在5 GHz，根據(jù)不同的應(yīng)用場景可以切換到其他系列，更有利于這些技術(shù)協(xié)議的平滑升級。

3.3 PHY 物理層傳輸速率比較

幾種無線局域網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的最大傳輸速率見表2，其中表中列出的是理想情況下最大傳輸速率，在實(shí)際應(yīng)用場景中，會(huì)有一定的差異。

表2 802.11 系列標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)據(jù)速率對比

3.4 終端設(shè)備支撐能力

無線局域網(wǎng)評估網(wǎng)絡(luò)的指標(biāo)一般采用接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)量、類型和容量來進(jìn)行評估。表3 列出了82.11ac 協(xié)議在今年的詳細(xì)測試分析結(jié)果。

表3 802.11ac 終端接入能力

4 802.11ac 協(xié)議在校園網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

近年來學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)不斷加強(qiáng)，迄今為止，校園網(wǎng)建設(shè)累計(jì)投資達(dá)1 000 多萬元，完成了與中國教育科研網(wǎng)(100 M)、中國公眾信息網(wǎng)(500 M+100 M)光纖寬帶接入。我校校園網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了全面覆蓋學(xué)校雁塔校區(qū)、臨潼校區(qū)以及南院、東院家屬區(qū)，各校區(qū)間實(shí)現(xiàn)了光纖寬帶互聯(lián)互通，校園網(wǎng)采用了先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和三層全交換技術(shù)，主干網(wǎng)傳輸速率達(dá)1 Gb，各校區(qū)建設(shè)了光纖到樓宇、百兆到用戶桌面的高速可靠、穩(wěn)定安全的網(wǎng)絡(luò)，為校內(nèi)各單位提供了方便的接入條件。目前網(wǎng)絡(luò)接入12 000 多用戶終端，學(xué)校校內(nèi)敷設(shè)光纜近80 公里，校區(qū)間互聯(lián)光纜近70 km，為全校師生提供了先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)平臺。網(wǎng)絡(luò)承載的各類網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)、數(shù)字化教學(xué)資源和應(yīng)用系統(tǒng)為廣大師生員工的工作、學(xué)習(xí)和生活提供了便捷的條件。然而，隨著智能終端的普及，在教室、實(shí)驗(yàn)室、圖書館、大型會(huì)議室、體育館和室外臨時(shí)舉辦的場所等場合如何突破網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的限制、實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)上網(wǎng)的問題是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)工作者面臨的難題，同時(shí)也是學(xué)校師生員工對無線網(wǎng)絡(luò)的需求。因此在我校無線校園網(wǎng)的建設(shè)過程中采用802.11ac 協(xié)議和Aerohive 公司相關(guān)的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備搭建校園網(wǎng)的無線網(wǎng)絡(luò)部分，同時(shí)利用前期建設(shè)成果校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)費(fèi)認(rèn)證管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)我校校園網(wǎng)有線和無線網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一認(rèn)證、計(jì)費(fèi)等管理。其具體的無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 基于802.11 協(xié)議的無線校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)

5 結(jié)語

802.11 采用MU-MIMO、超帶寬以及256QAM等技術(shù)，使得WLAN 傳輸速錄更高。同時(shí)由于802.11ac在MAC 層采用擴(kuò)展802.11n 中的媒體接入保護(hù)機(jī)制，進(jìn)一步拓展了傳輸帶寬度。除了在上述技術(shù)上取得重大突破外，802.11ac 目前也得到了產(chǎn)業(yè)界的大力支持，同時(shí)通過現(xiàn)有基于802.11ac 協(xié)議的產(chǎn)品在校園網(wǎng)搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境的測試，系統(tǒng)的支撐能力比較強(qiáng)而且跨區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)無縫切換。

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