基于分布式AC的VoWLAN系統的研究

徐細波　高紅杰　于中華

【摘要】 VoWLAN是VoIP與WLAN的有機結合，是一種前景廣泛的新興應用。傳統的WLAN網絡對終端移動性支持不佳，不能滿足VoWLAN的實時性要求。本文結合新興的集中式WLAN網絡架構，提出基于分布式AC的WLAN網絡架構，并分析該架構對于VoWLAN業務的支持。

【關鍵詞】 VoWLAN 終端移動性 分布式AC

一、引言

近年來，隨著無線局域網（Wireless Local Area networks，WLAN）技術快速發展和市面上智能手機、平板電腦和筆記本等無線終端設備的普及，WLAN開始在個人家庭和企業辦公環境中廣泛運用，無線方式為上網帶來了極大便利。

隨著IEEE 802.11n標準的正式通過，WLAN的接入速度可以達到300Mbps，人們希望能將在有線網絡上成熟運用的VoIP技術應用在WLAN上，即VoWLAN技術。VoWLAN技術對WLAN網絡的設計提出更高的要求，因為IP話音業務對于實時性要求高，而傳統的基于胖AP的WLAN網絡中，終端在各個無線接入點（Access Point，AP）間切換時會產生較大的延遲甚至是通信中斷，不能滿足VoWLAN業務的需求。針對上述問題，本文結合集中式WLAN網絡架構，提出基于分布式AC的WLAN架構，并分析該架構下的WLAN業務流程。

二、集中式WLAN網絡架構

隨著無線局域網應用的發展和網絡規模的擴大，傳統的基于胖AP的WLAN架構逐漸暴露出缺乏統一的管理手段、漫游支持不足、缺乏有效的接入和安全控制策略等缺點。為了解決以上問題，人們提出了集中式的WLAN網絡架構。集中式WLAN網絡架構的典型網絡拓撲如圖1所示。

相比于傳統網絡架構，集中式WLAN網絡架構通過引入接入控制器（Access Controller，AC），簡化了胖AP的功能。通過將部分功能，特別是對時延不敏感的高級功能，比如管理、控制、認證、安全等轉移到AC上實現，大大減輕了AP的負擔。簡化后的無線接入點稱為瘦AP，它相當于AC的一個遠程受控天線，對外提供RF信號，實現WLAN的覆蓋。

相對于基于胖AP的方案，集中式的WLAN組網架構更加適用于大規模組網，該架構具有以下優點：

（1）優秀的擴展性。無線控制設備有很強的可擴展性。目前常見的AC設備可以同時管理上千個AP，同時通過硬件升級或者堆疊技術，可以不斷地擴充支持AP的數目，實現無線網絡的平滑擴容。

（2）智能RF管理功能。AC能夠遠程設定AP的射頻工作狀態。 用戶可以根據需要動態調整某個AP的覆蓋范圍和工作頻段，可以保證相鄰AP不會產生同頻干擾。

（3）集中的網絡管理。AC有著非常強大的集中管理功能。例如開通、管理、維護所有AP設備和移動終端、無線電波頻譜、無線安全、接入認證、移動漫游以及接入用戶管理等功能均可在AC上統一完成，而AP可以做到零配置，即插即用。

（4）漫游功能支持。移動終端在同一AC管理下的各個AP間切換，無需重新認證，大大減少了無線客戶端和AP的關聯時間，實現了快速二層、三層漫游的功能。

（5）負載均衡。由于在一個AP的覆蓋范圍內，無線連接的帶寬是共享的，即無線終端數目越多，每個終端所能分享的帶寬就越小。要確保每個無線終端的傳輸速率，就必須能限制單個AP上無線終端的數量或者帶寬需求。而AC可根據策略，將AP上接入的部分無線終端分散到相鄰的負擔較小的AP上，實現AP間的負載均衡。

集中式WLAN對于終端漫游支持的提升，對于VoWLAN業務的發展具有極大的促進。然而，集中式WLAN網絡有一個缺點：因為AP只是接受AC控制的一個遠程天線，所以所有接入終端的數據需要AC完成轉發。隨著網絡規模的擴大，AC轉發壓力很大。

VoWLAN是一種大數據量業務，對網絡的QoS要求高。當AC的轉發數據量達到一定程度，必然出現丟包、延時增大等異常情況，將降低VoWLAN的話音質量。

為了繼承集中式WLAN在漫游方面的優勢，同時避免AC成為系統瓶頸，最佳的辦法是采用分布式AC取代單一AC，實現控制端的負載均衡，消除系統瓶頸。

三、基于分布式AC的WLAN網絡架構

基于分布式AC的WLAN網絡架構是指采用由多個AC組成的無線控制設備組取代集中式WLAN網絡中的單AC，完成網絡數據的轉發，同時，無線控制設備組中各個AC間實現控制數據實時同步，每個AC都掌握了全網所有終端的信息，以保證對于終端漫游的支持。基于分布式AC的WLAN網絡拓撲圖如圖2所示。

圖中，全部AP劃分為N個區域，分別由無線控制設備組中的N個AC設備控制，區域中的所有AP接受該AC的管理，并將所有管理和業務數據以隧道方式傳遞到AC上，由AC解包處理。每個AC負責維護一段IP地址池，向接入歸屬區域各AP的無線終端分配。地址池大小由接入規模決定。各區域內的AP數量和AC的控制關系可以通過配置動態調整。經過分片管理后，每個AC設備的負擔大幅降低且可以動態調整，實現了控制側的負載均衡，消除了系統瓶頸。

管理關系確定后，各AP從自己歸屬的AC上獲取各種控制信息，并實時上報自身狀態及所接入終端設備的各類信息。在無線控制設備組內部，各AC設備間采用數據同步的方式將所管轄的AP信息互相同步。此時每個AC都掌握了全網AP及所有接入WLAN的無線終端信息。無線終端在各個區域間移動，無線控制設備組內各個AC設備都能夠及時發現，保證了良好的移動性。

四、分布式AC網絡架構下的VoWLAN業務流程

基于SIP協議的話音系統是有線網絡上VoIP業務的主流形式。在分布式AC的WLAN網絡架構下，同樣可以采用基于SIP的話音系統實現VoWLAN。

VoWLAN業務主要分為區域內終端互通、區域間終端互通和移動互通三種類型，下邊分別詳述。

4.1 區域內移動終端互通

區域內終端互通情況下，業務流程與數據發送方式與集中式WLAN網絡架構類似，都是由單AC完成雙向數據轉發。只是區域內終端數量控制在AC處理能力范圍內，不會對業務質量造成影響。

4.2 不同區域間終端互通

在分布式AC的WLAN網絡架構中，由于無線控制設備組中各個AC實時同步業務數據，所以每個AC均掌握了所有移動終端的IP地址及該IP的歸屬AC。當收到目的地址為某個IP的數據包時，可根據上述IP地址與AC的映射關系，找到終端歸屬AC，完成數據轉發。不同區域間終端互通業務流程如圖3所示。

（1）兩區域中各AP在開機上電后，根據配置與自己的歸屬AC 1、AC 2建立雙向數據隧道，從AC上獲取管理信息，上報本地狀態及接入設備信息；（2）兩終端A、B分別通各個區域中兩AP接入WLAN，接受AC 1、AC2的認證，從各自的歸屬AC上獲取了業務IP地址。兩終端在接入WLAN后，按照SIP注冊流程分別完成了向SIP服務器的鑒權，處于可用狀態；（3）終端A呼叫終端B，SIP信令被封裝在無線幀內，送到A的接入AP；（4）AP將數據丟到與AC 1建立的數據隧道中，AC 1解包，將IP包轉發到SIP服務器；（5）SIP服務器根據注冊狀態，尋址到被叫終端B，向終端B歸屬的AC 2轉發SIP信令；（6）AC 2根據目的IP，將數據丟到與終端B接入AP間的數據隧道，AP將請求送到終端B，終端B摘機接聽；（7）A、B向對方發送媒體流，媒體IP包被封裝成無線幀，送到接入AP。AP向各自歸屬的AC發送據，由AC解包，向目的IP所屬的AC轉發數據包，雙方聽到對方話音；（8）任意一方掛機，掛機請求沿著信令通道到達對端，通話結束。

4.3 終端移動狀態下的互通

無線終端的移動在WLAN中移動分為兩類：區域內移動與跨區域移動。

區域內移動是指無線終端在歸屬于同一區域的各AP間切換，該區域內所有AP均歸屬于同一個AC設備，與該AC建立數據隧道，所以無線終端在切換過程前后發送的數據都由這個歸屬AC負責轉發，因此切換過程不會對話音業務造成任何影響。

跨區域切換是指無線終端從一個區域切換到另外一個區域，如圖4所示。此時終端從區域1中AP 1覆蓋范圍移動到區域2中AP 2覆蓋范圍，歸屬關系也從AC 1轉移到AC 2。AP2會將終端接入的信息通過數據隧道上報到AC 2，AC 2查詢無線終端信息表，判定該終端是從區域1中移動過來，而不是新入網終端，所以無需認證、分配新IP地址。所以終端可以很快的完成漫游，在新的區域內繼續執行業務。同時無線控制設備組間各AC通過同步，刷新無線終端信息表，全部掌握到終端的漫游信息。

下面以無線終端在跨區域切換狀態下與有線SIP終端互通的過程為例介紹終端移動狀態下的話音業務流程。圖5所示為該過程的流程圖。

（1）終端A位于區域1中，與有線終端建立了話音通信；（2）終端A開始向區域2移動，移動過程同圖4；（3）終端A完成與區域2中AP的接入，通過AC2向有線側轉發媒體流；（4）有線終端仍然向終端A的IP地址發送RTP包，核心交換機根據既有路由配置，將目的IP為A的IP包送到AC 1上；（5）AC 1通過同步已經感知到終端A的漫游，因此將目的IP為A的數據包全部轉發到AC2，最終送到終端；（6）對雙方終端而言，移動過程對話音通信并未造成任何影響。

五、小結

VoWLAN業務是一種很有應用前景的WLAN網絡應用。本文根據VoWLAN業務的需求特點，結合集中式WLAN網絡架構，提出了基于分布式AC的WLAN網絡架構，并分析了該架構下VoWLAN業務的幾種典型流程。該架構在繼承集中式WLAN在漫游方面優勢的同時，實現了控制端的負載均衡，消除了系統瓶頸，可以很好的支持較大規模的VoWLAN應用。