超高吞吐率Wi—Fi融合應(yīng)用新技術(shù)分析

楊建紅+趙越+滕飛

【摘 要】分析了超高吞吐率Wi-Fi在無線網(wǎng)絡(luò)密集部署情況下的典型應(yīng)用及其性能需求，提出超高吞吐率Wi-Fi基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、無線網(wǎng)絡(luò)側(cè)虛擬化等新型機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：超高吞吐率Wi-Fi能有效提升網(wǎng)絡(luò)吞吐率，但與802.11a/n并存將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能變差，結(jié)合SDN、NFV技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)延展性和抗干擾性的提高，在吞吐率性能上獲得更大的提升，保障超高吞吐率Wi-Fi在未來密集部署的無線網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。

【關(guān)鍵詞】超高吞吐率Wi-Fi 密集部署 軟件定義網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.011 中圖分類號：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-1010（2016）20-0054-07

1 引言

隨著無線網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展和用戶對高帶寬、靈活性網(wǎng)絡(luò)的需求，無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)正經(jīng)歷著巨大變革。新一代無線網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出密集部署、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)并存的多樣化形態(tài)，這種無縫覆蓋、相互融合的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然非常接近頻譜利用率的理論極限[1]，但依然存在3個嚴(yán)重的問題。第一，移動回程網(wǎng)絡(luò)成為吞吐率受限的瓶頸，無法滿足無線接入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量增長的需求。第二，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議由于無法有效解決網(wǎng)絡(luò)干擾、快速切換等問題，不能直接應(yīng)用于密集部署的無線網(wǎng)絡(luò)。第三，LTE基站（eNodeB）發(fā)射功率較高，造成能耗增加，不利于通信環(huán)境“綠色化”。

Wi-Fi技術(shù)具有吞吐率高、投資成本低、組網(wǎng)靈活、維護(hù)簡便等優(yōu)勢，被認(rèn)為是能解決無線網(wǎng)絡(luò)密集部署問題的有效方案。目前，IEEE制定802.11ac和802.11ad作為新一代超高吞吐率（Very High Throughput，VHT）Wi-Fi，很好地適應(yīng)高速無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展的需要[2]。但是，由于VHT Wi-Fi工作在非許可證頻段，需要與其它的802.11網(wǎng)絡(luò)共享頻段，其所采用帶沖突避免的載波偵聽多址接入（CSMA/CA）機(jī)制無法完全避免相鄰網(wǎng)絡(luò)的干擾，也無法保障良好的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS），Wi-Fi在密集部署下的網(wǎng)絡(luò)性能是需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software-Defined Networking，SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）技術(shù)是目前研究的熱點(diǎn)，這些技術(shù)將會指導(dǎo)未來Wi-Fi的設(shè)計及應(yīng)用，SDN、NFV如何與Wi-Fi應(yīng)用結(jié)合也是需要引起關(guān)注的問題。

本文分析VHT Wi-Fi在無線網(wǎng)絡(luò)密集部署情況下的典型應(yīng)用及其性能需求，結(jié)合基于SDN的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、無線網(wǎng)絡(luò)側(cè)虛擬化等關(guān)鍵技術(shù)，更好地提升VHT Wi-Fi的延展性和靈活性。通過搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境對共存性、網(wǎng)絡(luò)干擾進(jìn)行測試分析。本文對VHT Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和虛擬資源管理等方面提出了分析和探討，期望可以對未來無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供支持與借鑒。

2 應(yīng)用場景

VHT Wi-Fi技術(shù)的幾個典型應(yīng)用場景如圖1所示，包括Wi-Fi替代千兆以太網(wǎng)、多用戶多入多出（Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，MU-MIMO）傳輸、構(gòu)建Wi-Fi回程網(wǎng)絡(luò)以及基于Wi-Fi實(shí)現(xiàn)移動數(shù)據(jù)流量卸載。

2.1 替代千兆以太網(wǎng)

近期，Wi-Fi聯(lián)盟提出VHT Wi-Fi取代傳統(tǒng)的千兆以太網(wǎng)，這是改善無線接入點(diǎn)（Access Point，AP）與用戶設(shè)備（User Equipment，UE）、UE與UE之間連接的可靠、經(jīng)濟(jì)的途徑。如圖1中AP1采用工作于5 GHz頻段的802.11ac，支持多路空間流傳輸；AP2采用工作于60 GHz的高頻段的802.11ad，由于該頻段載波穿透力極差，傳輸距離、信號覆蓋范圍均受到很大影響，802.11ad主要用來作為單個房間內(nèi)設(shè)備間的高速無線傳輸通道，為家庭用戶提供超高速短距離無線應(yīng)用服務(wù)。

2.2 數(shù)據(jù)流量卸載

LTE等移動蜂窩網(wǎng)的業(yè)務(wù)量不斷增長，通過數(shù)據(jù)流量卸載技術(shù)將LTE網(wǎng)絡(luò)部分用戶的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)接到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，Wi-Fi與LTE網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡可以顯著降低LTE網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量壓力。數(shù)據(jù)流量卸載技術(shù)尤其適用于移動業(yè)務(wù)熱點(diǎn)區(qū)域中位置固定或低速移動的UE。此外，3GPP Rel.10提出一種更高效的IP流移動性（IP Flow Mobility）技術(shù)[3]，支持UE依據(jù)業(yè)務(wù)類型和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等情況，分配數(shù)據(jù)流同時接入到多個無線接入網(wǎng)絡(luò)。圖1中UE3可以同時通過AP2、eNodeB接入到同一個核心網(wǎng)，Wi-Fi和LTE網(wǎng)絡(luò)存在接口，并且判斷Wi-Fi是否可信建立兩種接入方式。如果Wi-Fi被視為可信的接入網(wǎng)絡(luò)，則UE通過Wi-Fi直接與LTE網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)分組核心網(wǎng)（Evolved Packet Core，EPC）交互。如果Wi-Fi被視為不可信的接入網(wǎng)絡(luò)，則需要在UE與EPC間建立Internet協(xié)議安全性（Internet Protocol Security，IPSec）隧道，讓數(shù)據(jù)流通過這條隧道進(jìn)行傳輸，提供數(shù)據(jù)源認(rèn)證、完整性認(rèn)證、數(shù)據(jù)加解密等安全保護(hù)措施。

數(shù)據(jù)流量卸載的另一個應(yīng)用場景是僅在Wi-Fi環(huán)境下將數(shù)據(jù)流量從擁擠的2.4 GHz/5 GHz頻段轉(zhuǎn)移到802.11ad使用的60 GHz頻段。由于60 GHz頻段傳輸距離受限，可以有效地避免網(wǎng)絡(luò)干擾，單個房間內(nèi)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)吞吐率可以與有線網(wǎng)絡(luò)相比。因此，Wi-Fi可以使用2.4 GHz/5 GHz構(gòu)建作為連接各房間的回程網(wǎng)絡(luò)，使用60 GHz為房間內(nèi)的UE提供超快速數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 無線回程網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)上，回程均基于有線網(wǎng)絡(luò)，但AP部署密集化后，并非每臺AP都能有線回程，這是因?yàn)橛芯€回程部署的位置和數(shù)量對密集部署的無線網(wǎng)絡(luò)的性能影響很大。數(shù)量太多，成本很高，數(shù)量太少或位置規(guī)劃不合理，回程能力有限。圖1中AP3與eNodeB之間通過802.11ac替代千兆以太網(wǎng)，為現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的802.11g/n無線局域網(wǎng)提供回程技術(shù)支持?；爻叹W(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能指標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)吞吐率，VHT Wi-Fi不僅能支持非常高的網(wǎng)絡(luò)吞吐率，而且具有投資成本低、組網(wǎng)靈活可擴(kuò)展等優(yōu)勢，尤其在光纖無法覆蓋的區(qū)域，可使用Wi-Fi在視距傳輸距離提供無線回程連接。雖然Wi-Fi使用開放的無線頻譜資源會受到其它使用此頻段網(wǎng)絡(luò)的干擾，但由于回程鏈路是點(diǎn)到點(diǎn)固定連接，可以使用定向天線有效避免網(wǎng)絡(luò)干擾。MIMO傳輸技術(shù)得益于MIMO陣列天線的發(fā)展，不僅支持點(diǎn)到點(diǎn)鏈路的定向數(shù)據(jù)傳輸，而且可以控制天線發(fā)射功率以調(diào)整覆蓋范圍。

2.4 多用戶MIMO傳輸

802.11ac協(xié)議采用了下行MU-MIMO傳輸技術(shù)，AP為多天線配置，利用發(fā)射波束賦形和多用戶分集技術(shù)，為多臺UE同時傳輸數(shù)據(jù)。802.11ac定義了一種新型發(fā)送機(jī)會（Transmitting Opportunity，TXOP）共享機(jī)制[4]，下行數(shù)據(jù)幀中根據(jù)業(yè)務(wù)類別劃分為不同的接入等級（Access Categories，AC）的發(fā)送隊列，支持不同發(fā)送隊列同時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，多個AC不會因?yàn)橄嗷ジ偁嶵XOP而造成“虛擬碰撞”問題，有效降低了低接入等級發(fā)送隊列的延遲與負(fù)載，改善了信道帶寬的資源利用率。如圖1所示，AP4提供可區(qū)分的、分布式的3個AC，分別對應(yīng)語音、視頻、盡力而為不同的業(yè)務(wù)類型，支持同時接入不同業(yè)務(wù)流。

3 性能需求

為了能夠發(fā)揮上述應(yīng)用場景的效能，需要對Wi-Fi的吞吐率、頻譜利用效率、能量效率、安全切換時間等性能需求進(jìn)行分析。

3.1 吞吐率

802.11標(biāo)準(zhǔn)化工作重點(diǎn)就是不斷提高Wi-Fi的吞吐率，以802.11ac和802.11ad協(xié)議為例的VHT Wi-Fi均基于高階調(diào)制編碼方式（802.11ac可采用256QAM調(diào)制，802.11ad采用64QAM調(diào)制）、超高信道帶寬（802.11ac支持高達(dá)160 MHz信道帶寬，802.11ad更是支持高達(dá)2.16 GHz信道帶寬）、增強(qiáng)型傳輸（802.11ac采用多用戶分集和波束賦形，802.11ad采用波束賦形）等物理層增強(qiáng)技術(shù)。此外，數(shù)據(jù)鏈路層也定義了一些新的特性，包括空閑信道評估、發(fā)送請求/發(fā)送清除（request to send/clear to send，RTS/CTS）等機(jī)制解決多臺UE競爭信道產(chǎn)生的碰撞問題。還可以使用幀聚合策略，將多個數(shù)據(jù)幀重新封裝組合成新的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行發(fā)送，減少M(fèi)AC頭、物理層前導(dǎo)、幀間間隔等，進(jìn)一步提高Wi-Fi吞吐率。

3.2 頻譜利用效率

密集部署的無線網(wǎng)絡(luò)雖能提升頻譜利用效率，但需要相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)管理策略進(jìn)行保障，避免重疊覆蓋區(qū)域由于網(wǎng)絡(luò)干擾導(dǎo)致性能下降。如圖1所示，處于交疊基本業(yè)務(wù)集（Overlap Basic Service Set，OBSS）場景的UE3受到網(wǎng)絡(luò)干擾比較嚴(yán)重，在頻譜有限的情況下會導(dǎo)致QoS變差。解決方法是量化相鄰網(wǎng)絡(luò)的干擾和負(fù)載狀況，形成狀態(tài)信息并交互，依此進(jìn)行信道選擇和協(xié)作資源共享[5]。此外，相鄰網(wǎng)絡(luò)可以使用認(rèn)知無線電技術(shù)感知周圍的頻譜環(huán)境，實(shí)時選擇最優(yōu)頻點(diǎn)的信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，保證相鄰網(wǎng)絡(luò)同時使用的信道頻率相互正交，從而降低OBSS干擾對頻譜利用效率的影響。

3.3 能量效率

Wi-Fi能效優(yōu)化目標(biāo)就是在降低功率消耗（延長UE待機(jī)時間和降低AP運(yùn)行成本）的同時保持非常高的吞吐率。802.11ac與其它的802.11系列協(xié)議相比，提供了更寬的信道帶寬、更高階的調(diào)制方案和更多并發(fā)的空間流。但是，設(shè)置最高的系統(tǒng)參數(shù)值（如256-QAM調(diào)制及編碼碼率5/6，160 MHz信道和8×8 MIMO）并不一定能夠達(dá)到最優(yōu)的Wi-Fi性能，尤其是再考慮能效將變得更加復(fù)雜。文獻(xiàn)[6]通過實(shí)驗(yàn)分析得出結(jié)論：利用更寬的信道帶寬和較低階的調(diào)制編碼方案（Modulation and Coding Scheme，MCS）與使用較高階的MCS和較小的信道帶寬相比，可以通過較少的能量損耗，達(dá)到相同的吞吐率性能。文獻(xiàn)[7]分析能量效率與信道帶寬、自適應(yīng)傳輸速率、空間流的相互關(guān)系，得出的結(jié)論是：可以通過三個方法降低能量損耗，分別是提升信道帶寬，采用自適應(yīng)調(diào)制和編碼技術(shù)，增加并行的空間流數(shù)目。802.11ac最大限度地利用信道帶寬，根據(jù)不同UE的信道情況提供自適應(yīng)的調(diào)制與編碼選擇，支持1至8路空間流，因此802.11ac的能量效率很高。

3.4 安全切換時間

切換過程通常伴隨著UE、AP與EPC之間交互的各種信令報文，存在偽AP、拒絕服務(wù)與重放攻擊等安全威脅。為了保證切換前后UE通信的正常運(yùn)行，802.11系列協(xié)議設(shè)計了安全切換處理流程，首先建立與新AP的新信道，然后進(jìn)行接入認(rèn)證與密鑰協(xié)商，最后完成業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)[8]。802.11ac的目的是減少切換的時延，支持對時延敏感的實(shí)時業(yè)務(wù)。切換時延包括執(zhí)行802.11安全協(xié)議所產(chǎn)生的認(rèn)證時延、密鑰交換時延以及重關(guān)聯(lián)時延等。802.11ac通過研究新的認(rèn)證協(xié)議、新的密鑰管理協(xié)議、更快的成對臨時密鑰（Pairwise Transient Key，PTK）算法以及在重關(guān)聯(lián)或者關(guān)聯(lián)之前的資源預(yù)留，使安全切換時間壓縮到最小程度[9]。

4 融合發(fā)展

隨著Wi-Fi技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)與新型Wi-Fi設(shè)備共存、密集部署的無線網(wǎng)絡(luò)間干擾以及安全切換時延成為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用發(fā)展的瓶頸，結(jié)合SDN、NFV、增強(qiáng)型認(rèn)證與快速切換等關(guān)鍵技術(shù)，更好地適應(yīng)未來網(wǎng)絡(luò)延展性、靈活性、安全性的需求。

4.1 基于SDN的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

新一代Wi-Fi的顯著特征是靈活性與適應(yīng)性。如圖2所示，基于SDN理念重新構(gòu)建Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)劃分為基礎(chǔ)設(shè)施層、控制層、應(yīng)用層?；A(chǔ)設(shè)施層部署虛擬化的接入適配網(wǎng)元，適配Wi-Fi在內(nèi)的各種無線網(wǎng)絡(luò)制式，大量可編程的SDN交換機(jī)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸、轉(zhuǎn)發(fā)、處理和狀態(tài)收集?？刂茖佑梢幌盗蟹植际降腟DN控制器組成，SDN控制器集中管理網(wǎng)絡(luò)感知、接入控制、路由選擇、資源分配等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，SDN控制器與SDN交換機(jī)采用開放流表（OpenFlow）協(xié)議作為通信接口。應(yīng)用層由眾多不同業(yè)務(wù)組成，這些業(yè)務(wù)可由SDN控制器調(diào)度和分配，SDN控制器和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)之間通過開放的應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API）銜接。

SDN技術(shù)可以解決無線網(wǎng)絡(luò)密集部署出現(xiàn)的干擾復(fù)雜和負(fù)載分布不均問題，以CROWD項(xiàng)目為例[10]，802.11ac網(wǎng)絡(luò)資源（包括空口資源和回傳網(wǎng)絡(luò)資源）集中形成一個資源池并對其進(jìn)行統(tǒng)一管理和動態(tài)分配，SDN控制器能夠掌握實(shí)時的網(wǎng)絡(luò)動態(tài)，多個SDN控制器可以進(jìn)行協(xié)同和交互，實(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)的管理信息共享，并提供所需的支持策略部署的靈活性網(wǎng)絡(luò)資源管理。SDN交換機(jī)支持業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流進(jìn)行本地轉(zhuǎn)發(fā)，提升交換機(jī)設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)能力，減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載壓力。SDN技術(shù)在提升802.11ac網(wǎng)絡(luò)資源利用率、降低能耗的同時，還可以通過協(xié)作化技術(shù)來有效實(shí)現(xiàn)干擾協(xié)調(diào)和負(fù)載均衡，提升網(wǎng)絡(luò)性能。

4.2 無線網(wǎng)絡(luò)側(cè)虛擬化

現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施歸屬于不同網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商，服務(wù)供應(yīng)商希望提供給UE在不同網(wǎng)絡(luò)資源共享、無縫切換的使用體驗(yàn)。在Wi-Fi技術(shù)中引入NFV技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)資源（包括物理設(shè)備資源和頻譜資源）從硬件中解耦出來，集成為以軟件為基礎(chǔ)的管理平臺，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)的共存與管理，支持業(yè)務(wù)上下文感知和網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化配置。NFV技術(shù)以業(yè)務(wù)為基礎(chǔ)，針對不同的業(yè)務(wù)和應(yīng)用類型選擇不同的虛擬資源為其提供服務(wù)，AP作為數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)不再是獨(dú)立的物理實(shí)體，而視為抽象的處理資源，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)實(shí)際的業(yè)務(wù)負(fù)載，動態(tài)地將資源分配給對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[11]提出802.11ac的業(yè)務(wù)不再局限于由固定的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提供，而是綜合無線信號質(zhì)量、數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)負(fù)載程度以及業(yè)務(wù)QoS需求等因素，由多個數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)通過協(xié)同多點(diǎn)（Coordinated Muti-Point，CoMP）傳輸技術(shù)為某一業(yè)務(wù)提供高速率和穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

UE移動過程中為其提供服務(wù)的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)生改變，以獲取持續(xù)的優(yōu)質(zhì)服務(wù)，NFV技術(shù)可以有效解決密集部署無線網(wǎng)絡(luò)場景下的移動性問題。首先，來自核心網(wǎng)的數(shù)據(jù)匯聚到Wi-Fi管理節(jié)點(diǎn)，由管理節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到底層各數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，降低了核心網(wǎng)路徑轉(zhuǎn)換概率和時延。其次，UE在加入虛擬網(wǎng)絡(luò)時，就已經(jīng)完成接入控制、資源預(yù)留以及上行同步，避免了原切換過程中這部分操作帶來的時延。最后，用戶或業(yè)務(wù)的上下文信息在各節(jié)點(diǎn)之間共享和同步，可以隨著UE的移動隨時快速轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，避免了復(fù)雜的切換過程[12]。

5 實(shí)驗(yàn)與性能分析

本節(jié)重點(diǎn)研究新一代Wi-Fi應(yīng)用的3個典型實(shí)例：（1）VHT Wi-Fi設(shè)備與傳統(tǒng)Wi-Fi設(shè)備共存；（2）密集部署的無線網(wǎng)絡(luò)間干擾；（3）UE在VHT Wi-Fi間移動切換。首先介紹實(shí)驗(yàn)平臺，然后對各實(shí)例進(jìn)行測試與性能分析。

5.1 實(shí)驗(yàn)平臺

實(shí)驗(yàn)平臺使用符合COTS 802.11ac、802.11a、802.11n標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備（包括AP、UE）。802.11ac設(shè)備配有Broadcom BCM4360雙頻AC芯片組，支持多達(dá)三個空間流和20 MHz/40 MHz/80 MHz信道帶寬。802.11a、802.11n的設(shè)備配有Atheros AR9580芯片組，信道帶寬分別為20 MHz、40 MHz。部署實(shí)驗(yàn)環(huán)境A室（2 m×5 m，AP密集部署）和B室（8 m×15 m，AP松散部署）。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境周圍沒有其它工作在2.4 GHz/5 GHz頻段的無線網(wǎng)絡(luò)。通過Iperf進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能測試，AP與UE下行鏈路最大吞吐率的平均值達(dá)到700 Mbps（802.11ac，80 MHz帶寬）、300 Mbps（802.11n，40 MHz帶寬）、25 Mbps（802.11a，20 MHz帶寬）。

5.2 共存性分析

未來802.11ac系列設(shè)備大量涌入市場，新型和傳統(tǒng)Wi-Fi設(shè)備間的共存性問題必將引發(fā)關(guān)注，實(shí)驗(yàn)分析添加802.11ac AP對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)性能的影響以及802.11ac AP能否有效替代現(xiàn)有的802.11a/n AP。

如圖3所示，在A室測試對比一臺802.11ac AP接入802.11a/n/ac等多臺UE，與802.11a/n/ac多臺AP各接入一臺相同模式UE的網(wǎng)絡(luò)性能，每臺UE的業(yè)務(wù)類型相同。當(dāng)802.11ac AP接入802.11a/n UE與接入802.11ac UE相比，整個網(wǎng)絡(luò)吞吐率下降嚴(yán)重，其中接入802.11a UE的下降幅度要比接入802.11n UE的下降幅度更加明顯。對于后一種情景，即使AP間使用互不相交的信道，在狹小環(huán)境內(nèi)配置多臺不同模式AP與僅配置一臺802.11ac AP相比，整個網(wǎng)絡(luò)吞吐率也會變差，然而802.11a/n設(shè)備可以達(dá)到的吞吐率稍高。這是由于AP間受鄰道干擾的影響導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降，但是增加802.11a/n AP比單臺802.11ac AP更好地支持802.11a/n

UE的無線數(shù)據(jù)傳輸。盡管傳統(tǒng)Wi-Fi設(shè)備（例如802.11a）向后兼容性差而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的下降，但仍可以與新型Wi-Fi設(shè)備共存，單獨(dú)配置一臺802.11ac AP為802.11n/ac UE提供的吞吐率可以滿足高速率的應(yīng)用服務(wù)需求。

5.3 網(wǎng)絡(luò)干擾分析

密集部署的無線網(wǎng)絡(luò)易受干擾，實(shí)驗(yàn)分析Wi-Fi頻域有多個網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行相互產(chǎn)生的影響。如圖4（a）所示，在B室分別對三種配置進(jìn)行性能測試，其中AP1、AP2為802.11ac設(shè)備，AP3、AP4為802.11n設(shè)備，每一臺AP均接入一臺相同模式UE。其中，配置1的AP1與AP2復(fù)用帶寬為80 MHz的信道；配置2的AP1、AP3分別使用帶寬為80 MHz、40 MHz相交的信道；配置3的AP1、AP3、AP4分別使用帶寬為80 MHz、40 MHz、40 MHz相交的信道，但AP3、AP4使用信道不相交。

測試結(jié)果如圖4（b）所示，配置1中兩臺802.11ac AP使用的信道重合，吞吐率性能受同頻干擾影響較為嚴(yán)重，與單個802.11ac AP獨(dú)自運(yùn)行相比，吞吐率下降約10%～15%。配置2中AP3雖然僅與AP1使用帶寬的部分信道重合，但產(chǎn)生的干擾也會導(dǎo)致AP1和AP3下行鏈路吞吐率的明顯下降，其中802.11n性能受干擾影響更為嚴(yán)重，當(dāng)與802.11ac AP重合時，吞吐率下降約35%～40%。配置3中一個802.11ac AP與兩個802.11n AP復(fù)用信道時，整個網(wǎng)絡(luò)吞吐率進(jìn)一步下降，802.11ac AP吞吐率近似于802.11n AP在沒受到干擾情況下的吞吐率，802.11n AP吞吐率下降約為50%～55%。

基于上述的測試結(jié)果，得出的結(jié)論是：以802.11ac為代表的VHT Wi-Fi有效提升網(wǎng)絡(luò)吞吐率，但與802.11a/n并存時，網(wǎng)絡(luò)性能變差是不可避免的，尤其在網(wǎng)絡(luò)空間較小及使用的信道相互交疊時。因此，密集部署的無線網(wǎng)絡(luò)對SDN技術(shù)具有強(qiáng)烈需求。圖4（c）為不同網(wǎng)絡(luò)配置情況下，基于SDN的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的吞吐率比較。SDN控制器能夠?qū)崟r掌握UE側(cè)的信號強(qiáng)度，AP側(cè)的空閑帶寬和無線鏈路干擾狀況，對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行合適的調(diào)配，有效實(shí)現(xiàn)干擾協(xié)調(diào)和負(fù)載均衡，相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能提供更好的吞吐率性能。從圖4（c）可以看出，配置1、配置2和配置3的吞吐率性能分別提升45%～50%、35%～40%和25%～30%。其中，802.11ac比802.11n能更有效支持頻譜分析，其與SDN相結(jié)合能更好地實(shí)現(xiàn)對AP工作信道的集中控制管理，在吞吐率性能上獲得更大的提升。

6 結(jié)束語

無線網(wǎng)絡(luò)密集部署是解決未來移動業(yè)務(wù)快速增長需求的必然趨勢。本文關(guān)注VHT Wi-Fi在無線網(wǎng)絡(luò)密集部署的典型應(yīng)用，評估相關(guān)應(yīng)用對VHT Wi-Fi性能的需求，研究VHT Wi-Fi與SDN、NFV結(jié)合后的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和虛擬資源管理等。搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境測試傳統(tǒng)與新型Wi-Fi設(shè)備共存、密集部署的無線網(wǎng)絡(luò)間干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：VHT Wi-Fi能有效提升網(wǎng)絡(luò)吞吐率，但與802.11a/n并存時，網(wǎng)絡(luò)性能變差無法避免，尤其是在空間較小及使用信道相互交疊時。結(jié)合SDN、NFV等技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)延展性和抗干擾性，在吞吐率性能上獲得更大的提升，保障VHT Wi-Fi在未來密集部署的無線網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。

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