基于WiFi的專用無線局域網應用研究

羅袁君，伍詩雨，劉 俊，周繼華

（重慶金美通信有限責任公司，重慶400030）

基于WiFi的專用無線局域網應用研究

羅袁君，伍詩雨，劉 俊，周繼華

（重慶金美通信有限責任公司，重慶400030）

當前國際主流的無線組網通信方式主要有Zigbee、WiFi、藍牙等。各種通信模式保證了在復雜場景下的用戶順利接入網絡。WAPI是基于WiFi的通信技術。WAPI無線通信協議因其超高保密傳輸性能，得到了用戶認可，在企業內部組網、保密通信、安防監控網絡等領域具有非常廣泛的應用前景。本課題研究用WAPI無線通信協議構建專用無線局域網，詳細探討了基于WAPI無線通信技術的設備構架、組網、工程實現等設計技術。

WAPI協議；通信模式；無線局域網；組網；保密通信；設備架構

1 WLAN和WAPI技術

1.1 WLAN技術

WLAN是Wireless Local Area Network的縮寫，即無線局域網，它是從LAN發展起來的，是LAN的一個延伸。無線局域網的本質特點是不再使用通信電纜、網線等將計算機與網絡連接起來，而是通過無線的方式連接，從而使網絡構建和終端移動更加靈活。

1.2 傳統WLAN技術的主要問題

不過由于無線局域網采用公共電磁波作為載體，更容易受到非法用戶的入侵和數據竊聽。802.11i協議設計便是因為其在防止數據竊聽和仿冒方面的短板，受到業界詬病。

1.3 WAPI的安全機制

一個完善的無線局域網必須考慮的安全因素有三個：信息保密、身份驗證和訪問控制。

WAPI（Wide Authentication and Privacy Infrastructure，泛適認證和保密組合結構）是近年來中國自主掌握的無線通信標準，采用基于公鑰密碼體系的證書機制，實現了移動終端（STA）與無線接入點（AP）間的雙向鑒別。無線客戶端的移動終端MT與無線接入點AP上都安裝有AS頒發的公鑰證書，作為自己的數字身份憑證。當移動終端登錄至無線接入點AP時，在使用或訪問網絡之前必須通過鑒別服務器AS對雙方進行身份驗證。根據驗證結果，持有合法證書的移動終端才能接入持有合法證書的無線接入點AP，也就是說才能通過AP訪問網絡。這樣不僅可以防止非法移動終端接入AP而訪問網絡并占用網絡資源，而且還可以防止移動終端MT登錄至非法AP而造成信息泄漏。

1.4 WAPI與802.11協議的銜接關系

IEEE 802.11協議是WAPI運行的基礎。WAPI在拋棄802.11i協議的安全約束后，采用獨立自主的安全機制來提高網絡保密性能。

2 專用無線局域網通信研究

2.1 專用無線局域網設備劃分

WiFi設備分為AP與STA，按照用戶的使用形態和產品特點，本設計將專用無線局域網設備劃分為AP和終端兩種。

2.2 AP功能描述

AP是整個網絡的核心節點［1］。其功能包括：作為星形網絡的核心，為下級終端設備提供身份識別、安全接入授權、包交換、網絡組織等服務。

每個AP同時還必須具備接入其它AP的能力，也就是具備網絡擴展功能。

2.3 終端功能描述

終端作為用戶端設備，是用戶直接使用的通信節點，是整個網絡的端節點。

終端負責為用戶提供網絡接入能力。為用戶數據提供傳輸通道。

終端具有多樣化形態，包括手持整機終端、手持平板計算機終端，USB插卡終端、計算機內置終端等。

2.4 基本網絡拓撲結構

WAPI是基于802.11技術的網絡體系，因此其底層組網模式與WLAN/WiFi網絡相同，為星形網絡拓撲。如圖1所示。

圖1 基本網絡拓撲結構

AP作為移動設備一般安裝于車輛，也可以在室內安裝。用戶終端設備處于AP周邊，因此AP的信號覆蓋范圍即為網絡的覆蓋范圍［2］。星形網絡拓撲要求所有跨AP的終端之間的通信業務都需要通過AP來進行中轉，在進行數據傳輸過程中，AP要進行收、發動作各一次，對數據信道的占用也要增加一倍。

2.5 專用無線中繼拓撲結構

無線中繼運用中，可以將星形網絡通過圖2中單點連接的方式轉換為中繼拓撲結構。

圖2 專用無線中繼拓撲結構

在這種拓撲結構中，車載AP具備對下接入功能，同時具備接入前方AP的功能，收發數據在車載AP內部交換。因為其每一跳時延較小且每個AP能夠在接收數據的同時同步發出數據，因此這種拓撲的連續數據吞吐量較高。在總傳輸延遲允許的范圍內，這種拓撲結構能夠實現多跳的寬帶數據傳輸。

依據多點接入的接入等級設定，專用無線局域網還能擴展出樹形級聯等形態［3］。依據用戶實際需求，可以靈活設置。

3 構架設計

3.1 硬件構架

硬件構架分為AP硬件構架與終端設備硬件構架。按照前文描述的網絡拓撲規劃，專用無線局域網設備AP必須同時具備接入點功能和將自身接入其他AP的功能。這是區分于通用AP的一個關鍵特性。

3.2 AP硬件構架

AP硬件構架主要考慮協議功能實現和數據傳輸。與終端相比，由于其僅負責數據傳輸業務，沒有其他的應用運行在該設備上，因此AP設備形態簡潔實用。AP的硬件架構如圖3所示。

圖3 AP硬件構架

雙鏈路是AP構架的要點。這種構架是實現AP對下接入和連接前方網絡的硬件基礎。車載AP具有兩套無線基帶/射頻模塊（WiFi通信模塊），分別完成AP與終端組網及接入上一級AP［4］。

WiFi在2.4G頻段具有13個信道，在5.8G頻段具有多個信道。考慮到信道間隔，AP在2.4G頻段最多安置兩個信道，在5.8G頻段可以安置多個信道，但由于5.8G頻段的穿透性能較弱，在網絡覆蓋性方面有劣勢，實際建議采用2.4G頻段。組網信道可以為20MHz或者40MHz帶寬信道，與終端組網和與上級設備組網采用不同的信道頻點以避免干擾。具體帶寬分配依據實際應用靈活負載決定。

車載AP內置處理器模塊，用于終端接入證書授權、WAPI協議棧軟件運行、證書交互、鑒權、證書轉發等操作，同時也負責完成路由探測、路由計算和路由信息維護等操作。

內存和flash模塊用于處理器運行過程中的數據存儲，也存儲交互過程的證書等。

電源模塊用于內部各種電源的變換［5］，以供給器件使用。

3.3 終端硬件構架

作為無線接入的終端設備，只需要一套無線鏈路即可實現接入功能。圖4為終端硬件架構圖。

圖4 終端硬件構架

一個典型的終端設備硬件構架如圖所示。在處理器的最小系統加上各種外圍接口即可實現整個數據的處理和轉發。依據用戶需求，可以在處理器上擴展出顯示、鍵盤等用戶接口。也可以擴展出基于具體應用的衛星定位、輸入輸出等接口。

3.4 WiFi通信模塊構架

WiFi通信模塊是整個協議運行和無線信號收發的核心設備，在AP和終端里面模塊化使用。通過處理器軟件配置來確定其工作于AP或者STA狀態。WiFi通信模塊構架如圖5所示。

WiFi通信模塊主要包含USB接口控制器、電源模塊、協議控制器、基帶處理器、集成化射頻前端、天線接口等。

圖5 WiFi通信模塊構架

USB接口控制器主要負責與外部通信的控制。用戶數據通過USB接口進入WiFi協議處理器。

電源模塊主要完成WiFi無線網卡各模塊特殊電源的變換和均衡。

協議控制器主要完成WiFi所需物理層/MAC層基本協議的運行和控制。

基帶處理器和射頻前端共同完成WiFi物理層/MAC層的輸入/輸出［7］。

天線接口提供射頻信號外接端口，與終端設備天線連接［5］。

3.5 軟件基本構架

軟件構架主要指運行在處理器單元中的平臺軟件設計。軟件架構如圖6所示，主要包括了WAPI協議軟件運行構架和數據交互構架。

圖6 WAPI軟件構架

主應用程序運行在用戶態，主要完成WAI協議，以及對一些用戶操作進行處理。

操作系統使用linux開源系統，對于WPI協議的支持以及SMS4算法加密在驅動中進行處理。

4 測試結果

依照以上方案，開發出了滿足WAPI協議要求的AP與STA設備。

依據專用無線局域網使用需求，對開發的AP與STA設備原型機進行測試。

4.1 測試場景

搭建AP對6個終端設備的網絡拓撲結構，進行組網測試。

4.2 性能結果

性能測試時，數據率測試采用點對點測試場景，單個AP與單個STA進行組網和傳輸。在高清視頻傳輸壓力測試中，采用圖1的測試場景。測試結果如表1所示。

表1 試驗結果

4.3 測試總結

通過測試，驗證了專用無線局域網設備設計的正確性和協議運行的穩定性。實測了網絡覆蓋范圍和數據傳輸性能。測試表明，基于WiFi的專用無線局域網設計滿足需求。

5 結束語

基于WiFi的專用無線局域網在近距離寬帶組網應用中，能夠快速架設開通，實現較好的寬帶數據傳輸，同時能保證良好的數據傳輸安全性，適合各種野外需要近距離組建寬帶局域網的場合。

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Research on Special Lan Based on W ifi

Luo Yuanjun，Wu Shiyu，Liu Jun，Zhou Jihua
（Chongqing Jinmei Communication Co.，Ltd.，Chongqing 400030，China）

The most popular wireless network protocols include Zigbee，WiFi，Bluetooth，etc.Various communicationmodes ensure that the user access to the network successfully in a complex scene.WAPI，based on WiFi communications technology，is approbated by users for its ultra－secure transmission performance and has good application prospects in enterprise networking，secure communication and securitymonitoring network.This paper designsWAPI dedicated wireless LAN and discusses equipment frame，networking and engineering based on WAPIwireless communication technology.

WAPI Protocol；Communication Mode；Wireless Lan；Networking；Secure Communication；Equipment Architecture

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.06.008

TN918

A

1002－2279（2015）06－0029－04

羅袁君（1982－），男，四川省遂寧市人，助理工程師，主研方向：無線通信網絡。

周繼華（1979－），男，重慶市忠縣人，博士，正高級工程師，主研方向：無線通信網絡。

2014－12－30