基于ＩＥＥＥ８０２．１１ｎ的無線網絡及其在校園網的應用研究

摘要：該文對IEEE 802.11n的標準及其核心技術進行了介紹，并就基于它的無線設備組建的校園網進行了分析，對它在校園網中的應用進行了研究。

關鍵詞：IEEE 802.11n標準；無線網；校園網

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)36-2859-03

Wireless Network with the Standard IEEE 802.11n and their Applications in Schoolnet

DU Xin-zheng1，WANG Ai-xia2

(1.School of Business，Jinling Institute of Technology，Nanjing 211169，China;2.School of Information Science and Technology，Jinling Institute of Technology，Nanjing 211169，China)

Abstract: In this paper，the standard of IEEE 802.11n and it's core technology is introduced，and schoolnet with IEEE 802.11n device is analyzed，and the application of the wireless network in schoolnet is studied .

Key words: IEEE 802.11n standard; wireless network; schoolnet

1 前言

隨著無線技術的快速發展，企業移動信息化的需求日益強烈，如何為企業用戶提供安全、穩定、高速的無線網絡也變得非常迫切。IEEE 802.11n作為Wi-Fi的下一代技術標準，其技術優勢已經家喻戶曉。與之前標準相比，高達5倍的傳輸速率、2倍的吞吐量，同時采用MIMO技術，抗干擾性方面了有了很大的提高……等等這些，都可以很好的滿足企業用戶的需求，然而，由于802.11n正式標準尚未頒布，即使市面上基于802.11n草案2.0標準的產品層出不窮、Wi-Fi聯盟對基于草案標準的產品進行嚴格的認證測試，企業用戶仍不敢企業涉足。以致于802.11n很長的一段時間里，在企業應用領域出現了空白。然而隨著802.11n技術與產品的日益成熟，這種局面也迎來了新的轉機。

2 WLAN及802.11標準系列簡介

IEEE的802.11標準系列是現今WLAN實現技術的主流，它相對簡單，通信可靠，具有靈活、高吞吐量和快速安裝的特點，而且技術發展存在漸進性和繼承性，升級較為方便。802.11標準系列的最初版本是由IEEE美國國際電子電機學會于1997年正式批準的，是第一個被國際上認可的協議。在最初版本中定義了介質訪問接入控制層（MAC層）和物理層，總數據傳輸速率設計為2Mbps。兩個設備之間的通信可以自由直接(ad hoc)的方式進行，也可以在基站(Base Station， BS)或者訪問點（Access Point，AP）的協調下進行。為了解決沖突，在不同的通訊環境下取得良好的通訊品質，采用 CSMA/CA (Carrier Sense Multi Access/Collision Avoidance)硬件溝通方式。之后IEEE又陸續發布了若干改進版本，包括1999年的 802.11a，定義了一個在5GHz ISM頻段上的數據傳輸速率可達54Mbps的物理層；802.11b，定義了一個在2.4GHz的ISM頻段上的數據傳輸速率為11Mbps的物理層。以及以后的802.11c到802.11m一系列標準。其中802.11g在2.4GHz的ISM頻段上達到了54Mbps的傳輸速率。而正在制定中的802.11n正式標準更是最高達到了600Mbps的傳輸速率。

3 IEEE 802.11n標準核心技術介紹

3.1 MIMO

IEEE 802.11n草案的最大特點在于引入了MIMO技術。傳統的單入單出系統（SISO）中，在發送端和接收端都只采用一根天線。但是在實際的無線通信環境中，傳播路徑上會存在許多障礙物，使得信號在傳播過程中發生散射、反射。當這些信號傳播到接收端時就形成了多條傳播路徑。不同傳播路徑信號相位不同，彼此干擾引起信號衰落，這就是多路干擾問題。傳統的802.11裝置會將這些來自別的路徑的信號視為干擾，給通信的有效性和可靠性帶來嚴重的影響。

MIMO（Multiple-Input Multiple-Out-put）技術就是利用多天線來抑制信道衰落。實際上在現有的802.11設備中，有些已經具有了多條配置不同的天線，但是在任何點只有其中一個最好的天線被使用，其他處于閑置狀態。這樣在發送端和接收端之間仍然只有一條輸入輸出流。在MIMO技術中，發射端和接收端均采用多天線(或陣列天線)和多通道，形成多徑無線信道，使多天線同時工作。由MIMO技術的原理圖可以看出：傳輸信息流S經過空時編碼后被分解形成N個信息子流Sn(其中n=1，.....，N)。這N個子信息流由N個天線發射出去，經空間傳播后被 M個接收天線所接收。多天線接收機利用這些信號的差異，用先進的空時編碼處理將這些信息子流分離和解碼，并將它們合并恢復出原始信號。這樣，它恰恰利用了多路干擾，從中取利，原來的信號干擾變為信號增益，提高了信道的可靠性，降低了信道的誤碼率。

3.2 信道結構

信道就是采用無線信號作為傳輸媒體傳輸數據的無線通道。現行的IEEE 802.11b，a，g都采用20Mhz信道結構，工作在2.4GHz、ISM頻段上。所謂ISM頻段是指世界各國均保留了一些無線頻段，以用于工業，科學研究，和微波醫療方面的應用。應用這些頻段無需許可證，只需要遵守一定的發射功率(一般低于1W)，并且不要對其它頻段造成干擾即可。除2.4GHz之外，ISM頻段在各國的規定并不統一。如在美國有三個頻段902-928 MHz， 2400-2483.5 MHz 和5725-5850 MHz，而在歐洲900MHz的頻段則有部份用于GSM通信。

常用的IEEE 802.11b/g將其使用的2.4GHz、ISM頻段分為11或13個20Mhz的頻段，信道重疊再所難免。如圖四所示，最多只有1，6，11三條信道互不重疊。同時在無線AP信號覆蓋范圍內有兩個以上的AP時，需要為每個AP設定不同的頻段，以免共用信道發生沖突。而很多用戶使用的無線設備的默認設置都是Channel（信道）為1，當兩個以上的這樣的無線AP設備相“遇”時就必然會產生沖突。

為了實現最高600Mbps的傳輸速率，WWiSE和TGnSynch都采用了40Mhz信道技術來實現，但是在是否使用一個獨立完整的40MHz信道的問題上還存在著較大的分歧。TGnSynch主張在2.4Ghz或者5Ghz頻段上使用MIMO技術，通過把2條20Mhz進行捆綁而形成40Mhz信道，從而使帶寬達到600Mbps。

3.3 MAC增強

MAC層增強技術主要有兩個方面，一個是減少ACK報文，另一個就是聚合技術。之前每個單播數據幀都要有一個ACK應答報文，在IEEE 802.11n中采取了更為靈活的應答機制，減少了ACK報文的數量，提高了效率。這一點上WWiSE和TGnSynch的觀點是相同的。

在IEEE 802.11n無線網絡中，很多時候傳送的都是小的，交互性的網絡數據包。這些小的數據包形成小的數據幀，都要求物理層封裝發送，造成很大的開銷。把若干小的數據包聚集在一起形成一個相對較大的數據幀來傳送就提高了信道傳輸效率。

在包聚合技術上，WWiSE僅在數據包中的目的地址相同時才可以進行聚合。在從客戶端到接入點（AP）的上行數據傳送中，因為目的地址相同，所有的包都可以進行聚合。但是在從AP到客戶端的下行數據傳送就因為目的地址的多樣化使得聚合受到了限制。WWiSE對每個目的地址分別進行傳送，而TGnSynch則仍然使用包聚合形成一種多接收者幀，并收集聚合幀中每個接收者的反應，從而減少開銷。

不管采用哪種技術，包聚合技術必然要求對傳送包隊列的排隊算法有很高的效率，算法的優劣是成敗的關鍵，也是最終802.11n新標準需要著力解決的問題之一。

3.4 OFDM

和IEEE 802.11a/g一樣，WWiSE和TGnSynch都采用了OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術。OFDM又稱為正交頻分復用技術，是多載波調制技術的一種。它的基本思想是把通信信號按90度的相位做頻分，形成許多個正交子信道。當某個信道波形過零點時，相鄰信道的波形恰好是幅值的最大值。然后在每個子信道上使用一個子載波進行調制，并且各子載波并行傳輸。這樣由于各個子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。

4 基于IEEE 802.11n的設備組建校園無線網絡的分析

4.1 解決信息點流動的問題

一般來說，教室、圖書館、會議室等地方一般是不可能布設太多信息點的，但是隨著學生中筆記本電腦的普及和現代化教學的普及，上述場所往往在同一時刻有大量的電腦，而目前的有線校園網沒有辦法使學生們在這些區域上網。采用無線方式，在有限的信息點上連接無線接入器，就可以輕松從一個信息點擴展到成百上千個信息點的應用。

4.2 解決難以布線的問題

在實驗室、體育館、禮堂等地方是不宜布線的，但校園網的用戶卻有上網的需求，采用無線局域網，可以簡化在這些區域網絡實施，提供直徑近200米的無線網絡覆蓋，用戶可以在無線所覆蓋的區域移動應用。

4.3 提高教學效率

教師和學生上課的時候不必再往返于圖書館、辦公室、教室、宿舍，采用無線方案可以使老師和同學們在上述地方隨意的檢索圖書館的網上資料、服務器的教案、寢室電腦里的作業。同時，為用戶對校園網的其他資源的應用提供了更便利的條件，提高了資源的利用率。

4.4 節約成本

對于學校已經擁有的有線網絡來說，無線網絡是有線網絡的延伸和擴展，不需要改變原先的網絡布線，也不需要重新安排有線施工；對于重新建設網絡的學校來說，基于IEEE 802.11n標準的無線網絡可以能夠適合各種不同的應用環境，并可以向下兼容IEEE 802.11 a/b/g系列的無線設備，并可以部分代替有線網絡從而更加節約了成本支出，避免了因建設有線網絡而大動干戈。某些規格較大的學校往往擁有多個部門或者多幢大樓，這些部門和大樓通常都擁有自己的獨立局域網，這些網絡有些地理位置相距甚遠，以有線方式連接不但困難，而且租賃線路的成本非常高，因而形成校園的網絡孤島。基于IEEE 802.11n標準的無線網橋可以方便、高速地連接兩個或多個局域網，AP無線接入點可以使原來的一個信息點同時接入數十乃至數百個用戶設備。

4.5 易于維護和管理

基于IEEE 802.11n標準的無線網絡系統在安裝調試工作完成后，系統即自動運行，無需頻繁設置系統內容，只需定期對室外設備進行檢查及維護，就足以保證系統穩定的、高效的、不間斷運行。而有線網絡由于管理及技術等方面的問題，容易出現一些網絡硬件設備（寬帶網線、光纖等）遭人為破壞，個別用戶未經校園網管理部門許可私拉亂接網絡線，用代理方式上網等違法違規現象，嚴重危害到學校網絡的信息安全與正常運行。無線網絡不存在傳統的線纜連接方式，所以能主動避免網絡線纜被盜和被非法使用的可能。網絡管理員（NA）對無線網絡的狀態監控和配置更為方便快捷，無需檢查每一個節點來驗證網絡的有效性，只需使用便攜式計算機和信號測量工具便可判斷故障，同時現有的加密協議能保證無線網絡不遭到入侵和非法使用，極大的降低了網絡管理員（NA）的工作壓力。

5 基于IEEE 802.11n標準的設備組建校園無線網絡的應用研究

5.1 基于IEEE 802.11n標準的無線網絡設備介紹

1)無線接入點(Access Point，簡稱AP)：其功能類似于有線網絡中的集線器，完成WLAN和LAN之間的橋接。AP可以簡便地安裝在天花板或墻壁上，基于IEEE 802.11n標準的無線傳輸速率可以達到300Mbps，主要用于寬帶家庭、大樓內部以及園區內部，典型距離覆蓋幾十米至幾百米，如果加上功放可以達到幾十公里的距離。現在市面上流行的AP除了帶有覆蓋功能，大多數AP還帶有接入點客戶端模式（AP client），即可將設備變成了一片無線網卡，也能夠和AP進行無線連接。瘦AP（Fit AP）時，需要與無線控制器系列產品配套使用；作為胖AP（Fat AP）時，可以獨立進行組網。基于IEEE 802.11n標準的AP多為單頻多模無線接入點，可工作于WLAN的2.4GHz頻段或5GHz頻段，并支持IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g和IEEE 802.11n四種模式。如H3C WA2600系列可與千兆的以太網口進行連接。

2)無線網卡：作為無線網絡的接口實現與無線網絡的連接。現在主要有3種類型，即筆記本電腦專用的PCMCIA無線網卡、臺式機專用的PCI無線網卡與筆記本電腦和臺式機都可以使用的USB無線網卡。基于IEEE 802.11n的無線網橋可以支持IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g和IEEE 802.11n四種模式。如D-link的Xtreme N-branded DWA-643。

3)無線網橋（Wireless Bridge，簡稱WB）：其功能類似于有線網絡中的網橋，它是一種在鏈路層實現局域網互連的存儲轉發設備。基于IEEE 802.11n的無線網橋可以支持IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g和IEEE 802.11n四種模式。網橋有在不同網段之間再生信號的功能，它可以有效地聯接兩個WLAN（無線局域網），使本地通信限制在本網段內，并轉發相應的信號至另一網段。網橋通常用于聯接數量不多的、同一類型的網段。可用于固定數字設備與其他固定數字設備之間的遠距離（可達50km）、高速（可達300mbps）無線組網。特別適用于城市中的遠距離高以及是否加用雙向放大器。在無高大障礙（山峰或建筑）的條件下，一對速組網和野外作業的臨時組網。其作用距離取決于環境和天線，在空曠沒有阻擋的地方，一對27dbi的定向天線可以實現50km的點對點微波互連，而在城市中，可以實現10km左右的微波互聯。12dbi的定向天線在城市中可以實現2km的點對點微波互連；18dbi的全向高增益天線，在城市中覆蓋范圍大概2-3KM；一對只實現到鏈路層功能的無線網橋是透明網橋。

4)無線路由器：具有路由等網絡層功能、在網絡24dbi的定向天線可以實層實現異種網絡互聯的設備叫無線路由器，也可作為第三層網橋使用。無線路由器既可以提供無線接入功能，也可以提供路由功能。所以它可以理解為帶無線局域網功能的路由器，也可以理解為帶路由功能的無線接入點。市場上流行的無線路由器一般都支持專線xdsl/ cable，動態xdsl，pptp四種接入方式，它還具有其它一些網絡管理的功能，如dhcp服務、nat防火墻、mac地址過濾等等功能。基于IEEE 802.11n的無線網橋可以支持IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g和IEEE 802.11n四種模式。如D-link的dir-655 、linksys的WRT330N或者350N、貝爾金的V1000F5D8232zh4、網件的WNR854T。

⑸ POE交換機也被稱為基于局域網的供電系統(POL， Power over LAN )或有源以太網( Active Ethernet)的交換機，有時也被簡稱為可實現以太網供電的交換機，這是利用現存標準以太網傳輸電纜的同時傳送數據和電功率的最新標準規范，并保持了與現存以太網系統和用戶的兼容性。IEEE 802.3af標準是基于以太網供電系統POE的新標準，它在IEEE 802.3的基礎上增加了通過網線直接供電的相關標準，是現有以太網標準的擴展，也是第一個關于電源分配的國際標準。結合UPS不間斷電源作為中央電源管理，可以排除斷電情況發生。如Cisco Catalyst 3750-E交換機。

5.2 校園無線網絡的應用研究

通過實驗與測試，充分考慮了無線網絡的可靠性、冗余能力、自愈能力，網絡系統面臨的各種不安全因素的影響以及網絡能夠滿足向更高性能擴展的能力，校園無線解決方案體現如下特點：

5.2.1 單獨無線鏈路組網

高校在建設無線校園網絡時，選擇單獨的物理鏈路組網，主要有三方面的考慮。

1) 無線網作為一種靈活的網絡接入方式，一般是充當了有線網備份的角色。當有線網中斷或遇到大規模病毒爆發時，無線網憑借其優勢發揮作用。而基于IEEE 802.11n標準的無線網絡由于網速可以達到300Mbps，并最終達到600Mbps的速度，所以可以在某些區域可替代有線網絡。

2) 單獨的物理鏈路便于網絡的管理與維護，更能體現無線網的擴展能力。校園無線網總體架構圖如圖1所示，所有覆蓋區域的AP用POE交換機匯聚，POE千兆上聯到匯聚層交換機，用無線控制器實現無線用戶的上網認證以及與有線網絡的互通。

3) 單獨構造的無線網是校園網的一部分，分擔了用戶的上網壓力。“瘦AP”的覆蓋模式在“瘦AP”的覆蓋模式中，需要中央無線控制器，每個AP只單獨負責RF和通訊的工作，其作用就是一個簡單的、基于硬件的RF 底層傳感設備，由中央無線控制器實現設備的集中管理。主要體現如下優勢：

a) 靈活的組網方式和優秀的可擴展性采用“瘦AP + 無線控制器”的解決方案中，所有AP接受到的RF信號經過802.11編碼后，通過加密隧道協議穿過以太網絡并傳送到無線控制器上，進而由無線控制器集中對編碼流進行加密、驗證、安全控制等工作。因此AP無需和無線控制器直接相連，可以通過網絡部署在需要覆蓋的任意地方，大大增加了實施的靈活性。通過對無線控制器硬件的升級不斷擴充支持AP的數量，從而實現無線網絡的擴展。

b) 集中的網絡管理“瘦AP”的解決方案中，所有的關于無線網絡的配置都可以通過配置無線控制器統一完成。例如開通、管理、維護所有AP設備以及移動終端，包括無線電波頻譜、無線安全、接入認證、移動漫游以及接入用戶等所有功能。

5.2.2 統一的用戶身份認證

在實現有線網與無線網無縫集成后，學校需要對用戶實現統一認證、統一管理，從而讓用戶真正享受到無處不在的網絡應用。通過對來往于這幾個校區的無線網用戶使用統一的賬號進行身份驗證，可實現用戶在幾個校區之間的無線網漫游。高校可在LDAP 目錄服務器基礎上建立一套校園網用戶統一認證管理系統。無線網作為整個校園網的一個補充和延伸，無線網用戶的管理需要沿用原有的系統，由無線控制器實現與LDAP目錄服務系統的對接，從而達到了無線網用戶賬號與原有賬號的統一，實現用戶在無線覆蓋區域，甚至活動于多個校區之間仍然可以使用統一的賬號進行漫游登錄，實現隨時、隨地的接入校園網。

5.2.3 用戶“Web portal + DHCP”認證接入

Web portal認證方式雖然不是安全的最高等級，卻適用于學校大規模無線部署的應用。首先它提供用戶自助登錄服務，不需要安裝客戶端；其次，使用http接入方式，保證足夠的安全等級；無線網關接入到Radius的鏈路是MD5非明文加密，用戶名和密碼不會被盜用，既保證了網絡的安全又靈活便利。無線校園網采用了基于“用戶名+ 密碼”的統一認證方式，并給予不同的業務不同的接入帶寬、不同QoS等級，以及分配不同的IP地址，實現統一認證，差別管理。通過無線控制網關和Radius配合，保證每一個進入無線校園網的用戶都是合法的用戶。

5.2.4 無線信號覆蓋解決辦法

在校園無線網建設過程中，信號的有效覆蓋是一個非常關鍵的問題。在具體的校園網實施過程中，主要存在兩種典型的應用環境，一種是校園內的戶外公共區域；另一種是校園室內樓宇。

1)WSN+室外AP+全向天線的室外覆蓋

學校體育館、田徑場、中心廣場等室外區域，由于特殊的地理條件限制，需要使用室外AP，用全向天線進行無線信號的覆蓋，采用WSN技術進行數據傳輸。室外的AP與有線網絡為接合點，多個無線AP通過接入交換機與校園原有的有線網絡融合為一體進入公眾網；以室外多點大功率天線，室內企業級路由和大功率功放實現樓間遠距離無線覆蓋校區。

2) 室內區域無線覆蓋

室內的AP以室內有線網絡為結合點，室內區域無線覆蓋以單個AP小面積覆蓋，多個AP整合頻道交叉覆蓋形成大面積覆蓋區域，每個AP都是根節點，保證有效帶寬。在結構比較復雜的樓層，大于3層的樓內，適當增加AP同時可配合吸頂天線，并實現AP頻道的交叉分布，避免信號干擾。

6 結束語

新的IEEE 802.11n標準提供了誘人的傳輸速率，迎合并滿足了諸如VoIP，網絡多媒體，NAS（網絡附加存儲）的需求。雖然還沒有正式批準，但它注定將成為未來無線標準的主流。事實上基于IEEE 802.11n的無線網絡產品已經生產了出來。使用IEEE 802.11n的無線網絡設備在原有的有線校園網的基礎上拓展無線網絡，以達到網絡的無縫效果，擴展有線網絡的范圍，是當今校園網發展的一個方向。隨著無線局域網技術的逐步成熟，在高校校園網絡中的應用也將越來越廣泛，廣大師生將能更方便地獲取網絡資源和信息，這勢必會推動高校信息化資源建設更快速地發展。但是，無線網絡也有很多缺點，在使用過程中應該根據自身實際，采取一套合理的管理、安全措施，防止無線網絡受到安全的威脅，使其更好的為我們服務。

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