WLAN 標準的演進及其在無線校園網中的應用研究*

趙安新，穆 榮，廖曉群

(西安科技大學 網絡中心，陜西 西安 710054)

1 引言

無線局域網(WLAN，Wireless Local Area Networks)技術具有高吞吐、低成本、方便等諸多特點，可為用戶提供便捷的高速無線上網服務［1］。據Wi-Fi 聯盟統計，2013 年世界范圍內WLAN 家庭用戶已達20 億，全球超過750 000 個Wi-Fi 熱點和每年超過80 億的Wi-Fi 設備銷售量，而且這些數據還在不斷增長［2］。WLAN 被廣泛嵌入至各類計算機、手機和消費電子產品中，形成了互聯網接人、辦公自動化、家庭網絡、游戲、數據上/下載等豐富多彩的應用，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 技術與標準也在不斷地發展和完善，數據傳輸能力不斷提高，目前，現有的802.11n 標準的傳輸速率已經高達600Mbps。但近幾年高清視頻、大數據等高吞吐量數據業務的快速增長，對WLAN 的傳輸能力提出了更高的要求。為此，IEEE 已經研究制定技術標準802.11ac 和802.11ad，數據吞吐量將達到幾個Gbps，以更好地適應高速無線數據發展的需要［4］。

2 WLAN 標準的演進

當前WLAN(Wireless Local Area Networks)主流標準是電子電氣工程師協會(IEEE)制定的802.11系列標準［5］，其演進的過程如圖1 所示。1997 年，IEEE 曾發布802.11 標準的初始版本，其中定義了直接序列擴頻、跳頻及紅外線傳輸等方式，可以實現1-2 Mbit/s 的傳輸速率。跳頻技術和直接序列技術在技術實現及其技術支持著之間存在較大的爭議。然而，直接序列擴頻技術由于技術特點最終被采納為802.11b 標準。隨著，無線技術的發展逐漸形成了802.11a、802.11a b、802.11g 和802.11n 等802.11 系列標準。目前，802.11n 可以實現最大600Mbit/s 的傳輸速率，然而，面對當前快速增長的高吞吐量、高清等無線數據業務需求，仍然無法滿足要求。以當前網絡常用的高清視頻的傳輸需求為例，從最初簡單DVD 畫質向微壓縮以及無壓縮高清視頻的發展，這些高清視頻信號的傳輸需要上百Mbit/s 甚至高達幾個Gbit/ts 的傳輸速率。目前針對諸如此類需求，802.11 正在開發下一代無線傳輸標注，可以實現Gbit/s 的傳輸速率，也即是802.11ac標準。目前，該標準主要是由極高吞吐量研究組(Very High Throughput，VHT)在進行研究，2007 年5月開始工作，推薦形成兩個Gbit 網絡任務組任務組AC 和任務組AD。其兩者之間主要區別是支持頻帶不同。AC 支持小于6 GHz 頻率，可以和現有無線標準進行頻帶兼容。AD 是采用60 GHz 左右的頻帶，是一個全新的支持頻帶，可以達到更高的傳輸效率。

圖1 802.11 標準的演進Fig.1 The evolution of 802.11 standard

3 802.11ac 協議詳解

3.1 802.11ac 和802.11n 協議對比分析

無線局域網802.11ac 協議基于6 GHz 的頻帶區間，該部分屬于免照申請用頻道，是802.11n 協議在5 GHz 頻帶的持續演進版本，其與802.11n 的差異見表1。802.11ad 協議工作在60 GHz 頻段區間，目前全球大部分國家均已在60 GHz 區間劃分了許可頻段，其中我國的頻段區間為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區間內其損耗相當嚴重，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，從這邊面來看802.11 ac與802.11ad 具有很強的互補性［6］。

表1 802.11n 和802.11ac 之間的差異

3.2 802.11ac 協議的核心關鍵技術

3.2.1 5 GHz 頻段帶寬

802.11ac 協議采用5GHz 頻段［7］，其性能得到大幅提升。受生產工藝、技術和成本等諸多方面的限制，第一代Wi-Fi 標準協議，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，始終面臨技術瓶頸，同時，由于其他設備諸如健康監視設備、藍牙耳機等也采用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)

在無線局域網中，多輸入多輸出MIMO 天線技術的引入［8］使得數據傳輸速率得到了大大的提高。在8* 8MIMO 系統中通道則可以實現8 倍的數據傳輸速率，在同一物理通道中使用8 個獨立的空間流，能夠有效地使數據傳輸速率達到傳統的單輸入單輸出系統數據傳輸速率的8 倍。

3.2.3 波束技術(Beamforming)

802.11ac 協議利用波束形成技術［9］，避免在發射器與接收端裝置之間，使用無效的傳輸路徑，實現傳輸效率和覆蓋面積更廣。

除此之外，802.11ac 協議采用強大的電源管理、待機功耗和半導體工藝，使得能耗比現在低好幾個檔次。同時802.11ac 協議繼續保持向下兼容性的特點，使得大多數設備都會支持雙頻段，默認可以運行在5 GHz，根據不同的應用場景可以切換到其他系列，更有利于這些技術協議的平滑升級。

3.3 PHY 物理層傳輸速率比較

幾種無線局域網協議標準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，在實際應用場景中，會有一定的差異。

表2 802.11 系列標準中數據速率對比

3.4 終端設備支撐能力

無線局域網評估網絡的指標一般采用接入網絡的設備數量、類型和容量來進行評估。表3 列出了82.11ac 協議在今年的詳細測試分析結果。

表3 802.11ac 終端接入能力

4 802.11ac 協議在校園網無線網絡中的應用

近年來學校的網絡建設不斷加強，迄今為止，校園網建設累計投資達1 000 多萬元，完成了與中國教育科研網(100 M)、中國公眾信息網(500 M+100 M)光纖寬帶接入。我校校園網實現了全面覆蓋學校雁塔校區、臨潼校區以及南院、東院家屬區，各校區間實現了光纖寬帶互聯互通，校園網采用了先進的網絡設備和三層全交換技術，主干網傳輸速率達1 Gb，各校區建設了光纖到樓宇、百兆到用戶桌面的高速可靠、穩定安全的網絡，為校內各單位提供了方便的接入條件。目前網絡接入12 000 多用戶終端，學校校內敷設光纜近80 公里，校區間互聯光纜近70 km，為全校師生提供了先進的網絡平臺。網絡承載的各類網絡信息服務、數字化教學資源和應用系統為廣大師生員工的工作、學習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、實驗室、圖書館、大型會議室、體育館和室外臨時舉辦的場所等場合如何突破網絡節點的限制、實現多人同時上網的問題是當前網絡工作者面臨的難題，同時也是學校師生員工對無線網絡的需求。因此在我校無線校園網的建設過程中采用802.11ac 協議和Aerohive 公司相關的無線網絡設備搭建校園網的無線網絡部分，同時利用前期建設成果校園網網絡計費認證管理系統，實現我校校園網有線和無線網絡的統一認證、計費等管理。其具體的無線網絡拓撲結構如圖2 所示。

圖2 基于802.11 協議的無線校園網網絡

5 結語

802.11 采用MU-MIMO、超帶寬以及256QAM等技術，使得WLAN 傳輸速錄更高。同時由于802.11ac在MAC 層采用擴展802.11n 中的媒體接入保護機制，進一步拓展了傳輸帶寬度。除了在上述技術上取得重大突破外，802.11ac 目前也得到了產業界的大力支持，同時通過現有基于802.11ac 協議的產品在校園網搭建實驗環境的測試，系統的支撐能力比較強而且跨區域可以實現無縫切換。

［1］Goth G.Next-generation wi-fi:As fast as we'll need?［J］.IEEE Internet Computing，2012，16(6):7-9.

［2］Ong E H，Kneckt J，Alanen O，et al.IEEE 802.11ac:Enhancements for very high throughput WLANs［C］.Toronto，ON，Canada，2011.

［3］Al-Adhami M，Al-Dubai A Y，Romdhani I.Experimental investigation of link layer adaptation in IEEE 802.11nWLANs［C］.London，United Kingdom，2012.

［4］Giordano B.802.11n and 802.11ac:A tale of two standards［J］.Electronic Products，2012，54(9).

［5］Uludag S，Imboden T，Akkaya K.A taxonomy and evaluation for developing 802.11-based wireless mesh network testbeds［J］.International Journal of Communication Systems，2012，25(8):963-990.

［6］Anonymous.Reference Design Features IEEE 802.11ac and 802.11ad［J］.MICROWAVES ＆ RF，2013，52(2):24.

［7］JI Bao-feng，SONG Kang，HUANG Yong-Ming，等.Performance analysis and optimal design of MU-MIMO transmission scheme based on IEEE 802.11ac［J］.Tongxin Xuebao/Journal on Communications，2013，34(5):96-106.

［8］Sharawi M S.A 5-GHz 4/8-element MIMO antenna system for IEEE 802.11AC devices［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2013，55(7):1 589-1 594.

［9］Nojima D，Lanante Jr L，Nagao Y，et al.Performance evaluation for multi-user MIMO IEEE 802.11ac wireless LAN system［C］.PyeongChang，Korea，Republic of，2012.