无线网络技术在校园网中的应用

摘要   随着个人笔记本的普及，无线网络的应用越来越广泛，在校园网中无线应用也正在快速发展。本文着重介绍了无线局域网现行标准，在此基础上，阐述了传统WLAN关键技术及其缺陷，并提出了包括虚拟蜂窝与同频部署的概念来改进这些缺陷，这两种技术的应用，不仅能够解决相邻接入点同频干扰和漫游丢包的情况，还能够扩大网络容量。所以这两种技术在今后的无线局域网发展中有着极高的研究价值。文末简单介绍了当今校园网的部署方案，包括室内覆盖、室外覆盖以及跨校区无线覆盖。无线网络相比于有线网络的移动性，让人们感觉到生活和工作更自由，此外，低廉的成本也是无线网络相比于有线网络的一大优势，这让无线网络拥有者巨大的发展前景和研究价值。

关键词   无线局域网 虚拟蜂窝 错频部署 同频部署

1、引言

校园网为广大师生提供了获取资源和信息的平台，它将学校的院系、学生与从事社交、学术、业务活动的行政人员紧密的联系在一起，在教育领域中发挥着至关重要的作用。随着越来越多的学生拥有个人笔记本，在教室、实验室、图书馆、学术报告厅、会议室以及室外广场等场所如何解决网络节点，实现多人同时上网的问题逐渐为人们所重视。

随着无线技术的发展与日益成熟，无线校园网解决方案可以在有线网络的基础上，弥补有线网络的不足。传统的胖AP模式（无线路由器）在这种大型网络部署中，除了需要单独配置每一个AP之外，还需要为每一个AP设置相应的安全保护策略。最重要的是，这样的无线网络在集中管理时极为不便。因此，控制器+瘦AP架构成为了搭建无线校园网络的主流。

2、无线标准概述

2.1 WLAN概念

无线局域网（WLAN，Wireless Local Area Network）是计算机网络与无线通信技术结合的产物。它不受电缆束缚，用户可以在一定区域内移动。可满足各类电脑（特别是手提电脑）的入网要求，从而实现区域内计算机的局域无线联网、远端接入、图文传真、电子邮件等多种功能。

2.2 802.11协议族

目前常用的无线标准主要有IEEE制定的802.11标准（包括802.11a、802.11b及802.11g），蓝牙（Bluetooth）标准一届HomeRF（家庭网络）标准等。显然，蓝牙技术与HomeRF技术在大型的无线校园网建设中并不使用，所以目前主流的无线网络标准还是802.11。

●IEEE 802.11a

802.11a是802.11原始标准的一个修订标准，与1999年获得批准。802.11a标准采用了与原始标准相同的核心协议，工作频段为5GHz，采用OFDM（正交频分复用）技术，最大传输速率为54Mbps，在理想情况下可以获得27Mbps左右的吞吐量。802.11a频带宽度为325MHz，规定了12个不相互重叠的信道，用于室内，4条用于点对点传输。由于2.4GHz频带的使用率远远高于5GHz，所以5GHz频带让802.11a具有更少的冲突。然而802.11a也有自身的缺陷，由于工作在高频段，所以其传输距离与2.4GHz相比，要短得多，并且高频段信号更容易被吸收。

●IEEE 802.11b

802.11b于1999年获得批准。载波频率为2.4GHz，频带宽度为83.5MHz，共有3个互不重叠的信道。 802.11b采用DSSS（直接序列扩频）调制方式，最高传输速率为11Mbps。

●IEEE 802.11g

802.11g于2003年获得批准。其载波频率与802.11b相同，为2.4GHz。802.11g既有802.11b采用的CCK调制方式，也包含802.11a的为正交调幅（QAM）及OFDM调制方式，因此能够与802.11b兼容，同时又可获得54Mbps传输速率。

●IEEE 802.11n

802.11n目前只是一个标准草案。802.11n采用了OFDM-MIMO调制方式，在单纯的802.11n环境下，其速率可以达到300Mbps。802.11n向后兼容802.11b/g和802.11a，即802.11n既可以工作在2.4GHz频段，也可工作在5GHz频段。

3、无线关键技术

3.1 无缝漫游

由一个AP所构成的无线网络成为BSS（基本服务标识集），由多个AP组成的无线网络成为ESS（扩展服务标识集）。ESS中，所有AP可以广播相同的SSID。在无线侧，每个AP拥有一个能够被主机识别的MAC地址，成为BSSID。传统WLAN中，每个AP拥有不同的BSSID。主机连接到无线网络需要经历认证与关联两个过程。

 主机从一个AP连接到另外一个AP，若这两个AP所广播的SSID相同，则认为主机发生了漫游。漫游过程中，主机需要与原AP解除关联，然后再与新的AP重新关联。解除关联与重新关联的过程需要耗费一定的时间，对于一些时间敏感类的业务，可能直接导致业务中断，从而造成不必要的麻烦。

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图3.1 不同BSSID漫游时会丢包  图3.2 虚拟蜂窝下的漫游零丢包

3.2 微蜂窝错频部署

WLAN采用了CSMA/CA（带冲突避免的载波侦听机制）及RTS/CTS（Requst to send/Clear to send）机制。空中资源是一种共享资源，若相邻两个AP工作在同一信道，那么处于两个AP覆盖范围重叠区域会产生严重的干扰。如图3.3所示，AP1与AP2均工作于信道6，PC1与PC2处于AP1与AP2的重叠区域，且PC1与AP1关联，PC2与AP2关联。当PC1发送RTS帧后，AP1广播一个CTS帧，PC2侦听到该CTS帧时，则不会向AP2发送数据帧。这种情况严重影响了PC2的工作。此外由于在重叠区两个AP的信号强度相差不大，很容易导致一台PC在两台AP之间跳变，即所谓的“乒乓现象”。

图3.3 相邻AP使用相同信道会造成严重干扰

为解决这一问题，可以使用错频部署方案。在2.4GHz频段，共有三个互不干扰的频段，一般使用1、6、11信道构成微蜂窝无线网络，如图3.4所示。相邻信道互不相同，再微调各个AP的发射功率来避免跨区同频干扰。

图3.4 采用微蜂窝进行错频部署

3.3 同频部署

虽然错频部署能够一定程度上避免同频干扰，但是在校园这种覆盖面积广，室内环境复杂的部署环境下，射频勘测以及规划工作量巨大，且网络规模越大，相邻AP错频部署越难实现。

CSMA/CA技术对无线资源的使用时采用的争用形式，不管客户端的传输速度是多少，当客户端获取到无线资源时即可传送数据，传送时间取决于数据包大小及传输速率。若一个低速率客户端（如11Mbps）要传送一个较大的数据包，就会占用很长的时间，这对其他高速率客户端（如54Mbps）是不公平的。例如有三个客户端A、B、C，有效传输速率为20Mbps，10Mbps和2Mbps。那么分别传输100M的数据则分别需要5s，10s，50s，显然，客户端C占用了这65秒中的大部分时间，所以低速率客户端严重影响了整个无线网络的吞吐性能。

基于传统无线网络错频部署的诸多缺陷，本文提出了同频部署的概念。所有AP工作在相同信道，由同一台控制器集中调度管理。每个客户端发送帧是基于时间策略的，即每个客户端都公平享有传输时间。所有客户端的NAV（网络分配矢量，用来指定要占用媒介多长时间）及AP的注册信息（包括频率，信号强度，调制方式，服务请求，服务种类等）都会发送到控制器上，由控制器统一调度客户端的帧间间隔。同时，控制器还能决定客户端与指定的AP通信，防止跳变。在一个时隙下只有一个客户端与AP进行通信，同时控制AP之间的通信，确保网络没有冲突。整个同频区域工作方式类似于时分复用（TDD）系统中，由控制器统一分配时隙，各客户端采用类轮询的方法进行工作，避免了客户端之间的冲突，也避免了多个同频的AP因同时发送数据而产生的同频干扰或冲突。

考虑以上三个不同速率的客户端，在错频部署时，在65秒的时间内，共完成了300M的数据传输。在同频部署下，每个客户端能够获得约21.67s的传输时间，则总的传输量为（20Mbps+10Mbps+2Mbps）*65/3=693.33M，远远大于错频时的300M。

3.4 无线网络扩容

在教学楼、学术报告厅等密集型场所，用户对无线网络的吞吐量的需求急剧加大。在802.11g标准下，单个AP的理想吞吐量为28Mbps左右，基本不能满足用户需求。本文提出一种信道叠加的方案，如图3.5所示，这是在错频部署下的信道叠加效果图，虽然相邻AP的重叠区域可能会产生同频干扰问题，但网络容量无疑增大了。

图3.5 错频部署下的信道叠加扩容

3.5 信道带宽扩展

在无线网络应用越来越广泛的情况下，802.11a/g标准规定的最高54Mbps的传输速率逐渐满足不了用户需求。802.11n标准很好的弥补了这一缺陷。802.11g每个信道带宽为20MHz，而802.11n标准支持信道扩展，可以将信道带宽扩展到40MHz，在0FDM-MIMO技术支撑下，速率可达到300Mbps，实际吞吐量可达190Mbp以上。

4、无线校园网组网方案

由于学校各功能性建筑设施多样化，包括办公楼，图书馆、教学楼、报告厅、礼堂、学生宿舍、食堂、体育馆和操场，甚至是分校区，使得针对学校的无线覆盖场景复杂多变。               在这些场所中可以按两种方式进行分类：1、人员稀疏型场所与人员密集型场所；2、无线连接并发率高的场所与无线连接并发率低的场所。根据以上两点对这些场所进行如下表的分类：

4.1 人员稀疏并发率高场所

办公楼、图书馆等场所常见应用为日常办公和访问网络资源，虽然人员不会集中在一起，但对分布在各处的人来说，基本都有着访问网络的需求，这就要求在办公楼和图书馆进行无线网络全覆盖。考虑到单个AP的发射功率受限，根据标准室内AP的发射功率不能超过100mw（20dBm），所以单个AP的覆盖半径大约为20-30m，在相对较大的办公楼和图书馆，需要多个AP构成一个ESS（扩展服务集合）进行覆盖。

IEEE802.11标准规定了在2.4GHz频段内，共有三个互不重叠的信道，为1、6、11，基于此，可考虑构建微蜂窝实现办公楼宇及图书馆等场所的全覆盖，同时，由于无线信号的连续性，终端可根据信号强度选择所关联的AP，从而实现不同AP间的漫游，保证业务不会突然中断。

4.2 人员密集并发率高场所

学生宿舍属于人员相对集中并且并发率较高的场所，应用种类繁多，包含访问网页，下载资源，网络游戏等，对带宽和延迟均有较高需求。若仍以AP的最大功率来覆盖，那么当单个AP下连接终端过多时，可能导致这个AP下所有用户体验下降。基于此，可以考虑降低AP发射功率，实现小范围覆盖，或采用天馈系统，利用馈线连接AP与天线，将天线置于各个寝室内部。这样虽然使得实施成本增加，但对增加网络吞吐量和降低网络延迟有着明显效果。

4.3 人员稀疏并发率低场所

操场和体育馆属于人员稀疏且网络连接并发率较低的场所，因此可以考虑采用室外定向或全向天线进行覆盖。根据IEEE802.11标准，室外AP的发射功率最大为500mW（27dBm），有效覆盖范围可达300米以上，极适合于对操场等空旷场所进行无线覆盖。

考虑到操场和体育馆可能与主教学区（网络设备集中区）距离较远，布线困难，可考虑采用无线网桥进行对接。利用无线桥接设备，可以为两个或者多个的局域网络建立带宽54Mbps以上的空中连接。无线网桥的桥接距离从几百米到几十公里均有不同的全套方案以及配套设备。无线网桥的构成包括：IEEE802.11无线桥接器、2.4GHzWLAN 专用天线、信号放大器以及其他一些附件设备，例如2.4GHz 信号分配器和避雷器。从网桥的拓扑形式分类，无线网桥支持点对点方式以及单点对多点的方式。

无线网桥不仅可以用在主教学区与操场的对接，对于有分校区的学校而言，这种应用更为普遍，但一般是作为有线链路的备份，一旦有线网络出现故障，那么无线网桥所搭建的链路可以保证两校之间的业务无中断。

4.4 人员密集并发率低场所

报告厅、礼堂、食堂等场所属于人员密集，但并发连接数低的场所，这种场所一般只需要进行简单的无线覆盖，而对网络容量的要求并不如学生宿舍那样高。因此可采用最大功率进行覆盖。

但诸如此类场所，室内面积较大，有线网络可能无法到达，而每个AP又必须与有线相连，为了解决该问题，可以考虑采用无线中继的方式来扩大网络范围。

所谓的无线中继点，即该AP接受前一AP的无线信号，从而达到扩大覆盖范围的效果。一般采用双射频AP进行无线中继，一个射频段（如5GHz）用于中继，而另一射频段（如2.4GHz）用于无线覆盖。

5、总结

本文主要针对无线网络的无缝漫游、信道利用及信道扩容进行了相应的讨论，利用虚拟蜂窝技术以及类时分复用技术可以对现有无线局域网进行改进及优化，具有很大的研究前景。此外，由于无线网络是借助于空气资源传输，在这样一个共享环境中，如何保证无线数据的传输安全，也是一个值得研究的课题。总而言之，无论是在校园网建设还是企业网建设中，无线网络永远具有其独特的研究价值。