無線局域網IEEE802.11ac協議的研究及應用

◆辛 艷 梁建坤 修長虹

（沈陽藥科大學網絡中心 遼寧 110016）

無線局域網IEEE802.11ac協議的研究及應用

◆辛 艷 梁建坤 修長虹

（沈陽藥科大學網絡中心 遼寧 110016）

無線網絡技術是當代計算機通信技術的發展趨勢，是有線網絡必要補充，因為用無線電波作為通信媒介，所以硬件架設或使用的機動性均比有線網絡有優勢。在無線局域網的覆蓋范圍內，無線終端設備可以自由移動。本文對IEEE802．11ac協議進行了深入的研究，剖析了無線局域網特征，提出了規劃部署無線網絡的關鍵點，并且對無線局域網發展作出展望。

無線局域網；IEEE802．11ac協議；無線AP；WPA/WPA2協議

0 引言

網絡按照區域結點分類可以分為局域網（Local Area Network，LAN），城域網（Metropolitan Area Network，MAN）和廣域網（Wide Area Network，WAN）。無線局域網絡（Wire Local Area Network，WLAN）是在局域網中利用無線電技術取代有線網絡，用戶建立遠距離及近距離無線連接全球語音和數據網絡。

1 無線局域網（WLAN）的優勢

（1）不用布線，只需安裝接入點設備即可，安裝快速簡單，減少敷設管道及布線工作。

（2）與有線網絡光纖和五類雙絞線組網布線的費用相比較，通過基站和無線網卡上網的形式所需要的資金投入少，而且容易實現。

（3）無線網絡是對有線網絡形式的補充和擴展，使用方便，使電腦具備移動性，能快速解決有線網絡不能實現的網絡連接。

（4）網絡需要頻繁移動和動態擴展時，WLAN網橋系統支持多種拓撲結構及平滑擴容，可以從小容量傳輸系統平滑擴展為中等容量傳輸系統，可以更好地保護已有投資，從體系結構上節省協議轉換器等相關設備。[1]

2 無線局域網的協議

無線局域網的協議主要有IEEE802.11協議、藍牙標準和HomeRF工業標準等，其中IEEE802.11協議是無線局域網最主要的協議[2]。IEEE802.11協議常見標準見表1有以下幾種：

表1 IEEE802.11協議標準

2.1 IEEE802.11ac協議概述

從本質上來說，IEEE802.11ac是IEEE802.11n標準的增強版，大多數的智能移動設備只支持2.4GHz頻段，本身的可用信道少，同時還有設備如藍牙、微波爐、無線監視攝像機等設備也是工作在2.4GHz頻段，這對智能移動設備造成干擾，雖然2.4 GHz頻段采用雙空間流，在40MHz頻寬下，連接速率理論上能達到300Mbps，但是在實際網絡環境中，由于相互的信道之間相互擁擠占用，其實際吞吐率并沒有達到理論值。

IEEE802.11ac是專門為5GHz頻段設計，特有的新射頻特點，單純從下載速度上來說可以提升，甚至可以達到原本IEEE802.11n幾倍的速度。在IEEE802.11ac的網絡中，每個無線接入點可以接納更多的終端，為每個并行的業務流提供更多的帶寬，同時具有更低時延更省電的優點。

2.2 IEEE802.11ac協議特征

IEEE802.11ac是無線技術的新標準，是IEEE802.11n的繼承者，進一步優化了IEEE802.11n的各種性能，明顯的改進是在物理層，吞吐率的提高，這樣將會很好地兼容IEEE802.11a/n的設備，IEEE802.11ac還對其他的五個方面進行改進。

（1）調制模式

在IEEE802.11ac協議中仍然采用IEEE802.11n協議的OFDM調制模式，在IEEE802.11n中最大的調制技術是64QAM，而IEEE802.11ac將達到256QAM，將階數從64階提高到256階，每個子載波的數據比特數從6提高到8，這樣調制效率提升了33%。從表2中可以看出不同的調制編碼方式（Modulation and Coding Scheme，MCS），由于信噪比與調制階數成正比，同時與編碼速率成正比，MCS要達到8或9[3]。

表2 MCS與調制方式、碼速對應表

（2）信道帶寬

IEEE802.11ac中的5.0GHz頻段可以提供更多的信道和帶寬，以保證向下的兼容性，在當前20MHz的基礎上增至40MHz或者80MHz，甚至有可能達到160MHz，其做法還是沿用IEEE802.11n的相鄰帶寬合并法。帶寬合并如圖1所示，IEEE802.11的信道帶寬都是20MHz，40MHz就是將相鄰的兩個20MHz帶寬合并，組成40MHz的帶寬信道，但在40MHz的帶寬信道中有主、副信道，（第一個20MHz為主信道，第二個為副信道），依次類推，在80MHz帶寬信道中也有主、副之分，選一個20MHz為主信道，其余則稱副20MHz、副40MHz。160MHz帶寬信道通過連續的80MHz合并少，所以160MHz可以使用不連續的80MHz來獲得。

圖1 帶寬合并

（3）空間流及MU-MIMO

IEEE802.11ac最多支持8路空間流，支持多個空間流是可選的，但空間流數量的增加與IEEE802.11ac 多用戶多進多出（MU-MIMO）的新功能結合最為有效。IEEE 802.11ac技術在單用戶和多用戶MIMO模式下，支持最多8路空間流，最多4個用戶，并且在多用戶模式下，每個無線終端不超過4路空間流。

如圖2所示，當有三個用戶連接到同一AP時，當用戶1需要接收到無線接入點AP的信號就要對它增加信號強度，減弱對用戶2和3的信號強度，同理用戶2需要接收信號時，AP就要對它增加信號強度，降低對其他用戶的信號強度。但是同時，MU-MIMO也存在信道開銷大的問題，同時用戶接收到的信號會夾雜著發往其他用戶的信號的干擾，導致無法達到最高調制模式。

圖2 MU-MIMO示意圖

（4）波束成形（Beamforming）技術

波束成形技術是將波速成形發送端對發送信號進行加權再發送出去，形成空數據包通告（NDPA）來初始化波速，使發送信號具有較高的指向性，在接收端得到信噪比較高的信號，有利于信號的接收，減少干擾。任何使用多天線的設備都能夠在任意時間內對任何其他設備進行波速成形，IEEE802.11ac定義了一種探測協議即VHT Sounding protocol，該協議是讓接收端幫助發送端進行波速成形工作。

（5）RTS/CTS協議優化

RTS/CTS協議（Request To Send/Clear To Send）即請求發送/允許發送協議，相當于一種握手協議，主要用來解決“隱藏終端”問題，讓無線設備在其發送期間，停止傳輸，避免沖突。在IEEE802.11ac協議中，由于80MHz使用更多的信道，因此需要提升RTS/CTS的機制來處理輔助信道上的通信沖突問題。改進后RTS/CTS同時支持“動態頻寬”模式。

在信號傳輸之前，設備需要監聽信道是否可用，在可用的情況下，80MHz信道發送RTS，同時這個RTS中攜帶有帶寬信息。所有主信道在這80MHz帶寬中的IEEE802.11a/n/ac設備，都能接收到和解析這個RTS。那么這些接收端在接收到這個RTS時，會去判斷在20MHz信道是否可用，附近的設備有沒有占用這些信道，然后根據判斷結果，在可用的信道上回復CTS，并且在CTS中報道可用的帶寬。最后發送端在這些可用的帶寬上發送數據，這些可用的帶寬必須含有主信道。如果接收端發現一些信道被占用，可以通告發送端不要用這些信道，發送端將動態地回落到低一級的帶寬模式上，這樣可以有效減少“隱藏終端”的沖突，從而使得多用戶間的通信更加順暢，提高整體無線傳輸速率。

3 無線局域網的規劃

無線局域網的組成主要由無線網卡、AP、計算機等移動終端組成。在建筑物內，無線AP的位置和數量是首要部署的，在對AP進行規劃時應考慮無線信號的覆蓋范圍，AP信號是呈扇面覆蓋的，想要實現全覆蓋，無死角就得需要信號的交叉，使所有無線終端都能通過最近AP接入點接入網絡。在安裝時，根據房間的具體面積和使用人員數來合理設置AP點位，一個AP可以支持80臺無線終端設備。在建筑物外需要的AP點位將更多，考慮建筑物見得距離和障礙物對信號的阻擋，需要在AP設備外接增益天線，增益天線有全向天線和定向天線，在不同的場合選擇合適的增益天線，實現幾個網段之間的互聯。還要采用多個無線路由器整合交叉覆蓋形成大面積覆蓋區域，每個無線路由器都獨立接到交換機上，以保證有更高的帶寬。

無線局域網主要由無線局域網管理系統來實現，在系統中將一個或多個AP通過集線器HUB連接到無線局域網控制器WLC上，而WLC則可通過無線局域網連接到Internet上，然后用戶就可以通過有無線上網功能的電腦通過WLC 管理的AP 到管理系統上進行用戶認證，通過認證后可訪問Internet，管理系統主要通過系統定義的接入點設備與服務器之間的通信協議進行通信。

4 無線局域網的安全

無線網絡同時也存在很多的安全問題，WLAN主要面臨的安全問題有非法用戶入侵、破譯無線密鑰、盜取流量、軟件病毒攻擊、信息竊取等。

無線網絡在管理上采取建立安全可靠的無線局域網管理制度，設立專門的網絡管理人員，并制定相應的管理制度。在技術上，之前IEEE802.11采用有線等效加密（Wired Equivalent Privacy，WEP）協議進行加密，為無線局域網WLAN提供安全保護[4]。但是由于WEP協議有不足之處，它采用的是RC4加密算法，此算法簡單，容易破解，給無線網絡的安全帶來威脅，自此Wi-Fi聯盟又推出安全性更高的Wi-Fi保護接入（Wi-Fi Protected Access，WPA）協議[5]，WPA/WPA2協議的加密算法分別采用的是臨時密鑰完整協議RC4加密算法及高級加密算法AES，此協議繼承了WEP協議，并且彌補WEP協議的設計缺陷和漏洞，保護了無線網絡安全。

5 小結

無線網絡是人類進入網絡化和信息化時代的必然產物，使網絡發展更加人性化的結果，也是信息化技術走進個人，融于人們現實生活的必然發展趨勢。IEEE802.11ac協議的提出滿足了日益增長的無線傳輸需求，但是無線網絡技術的發展不會停滯不前，將會有更高端更快速的無線技術應運而生，使互聯網更好地滿足人們對網絡的需求。

[1]吳華光，等．校園無線局域網的規劃與設計．嘉應學院學報（自然科學），2007．

[2]羅振東．下一代WLAN技術標準802．11ac/ad．現代電信科技，2012．

[3]郭正躍．下一代WLAN技術IEEE 802．11ac．電信工程技術與標準化，2013．

[4]王茂才，等．無線局域網的安全性研究．計算機應用研究，2007．

[5]高峰．無線城市——電信級Wi-Fi網絡建設與運營．人民郵電出版社，2011．

本文受2014年遼寧省科技計劃項目（項目編號2014408004）“實驗動物從業人員資格在線考試系統的開發與管理”資助。