WiFi關鍵技術與產品演進研究

陳濤　胡園園　王穎

摘 要：WiFi技術作為用戶上網使用最廣泛的接入方式之一，其產品演進對于電信運營商、通信企業等具有至關重要的意義。全面介紹了WiFi發展中的關鍵技術，并結合WiFi產品現狀，探討了新技術、新業務對WiFi產品的影響和需求，指出其在管理上向云端遷移，在功能上融合物聯網接入技術，在產品形態上向物聯網AP、場景化AP發展的演進趨勢，旨在給WiFi產品研究與設計工作提供方向借鑒。

關鍵詞：WiFi;WLAN;云WiFi;物聯網AP;場景化AP

DOI：10. 11907/rjdk. 192377

中圖分類號：TP393 ? 文獻標識碼：A??????????????? 文章編號：1672-7800（2020）003-0215-05

Research on Key Technologies and Product Evolution of WiFi

CHEN Tao， HU Yuan-yuan， WANG Ying

（School of Computer Science， Nanjing University of Science and Technology Zijin College，Nanjing 210023， China）

Abstract：WiFi is one of the most widely used access methods for users to access the Internet，and its development and product evolution are of great significance to telecom operators， communication enterprises and so on. This paper comprehensively analyzes the key technologies in the development of WiFi， and discusses the impact and demand of new technology and new business on WiFi products with the current situation of WiFi products. This paper points out that the management of WiFi products is migrated to the cloud， the function is convergent with the Internet of Things technology， and the product form is evolved towards IoT AP and scenario AP. The purpose of this paper is to provide reference for the research and design of WiFi products.

Key Words： WiFi; WLAN; Cloud WiFi; IoT AP; scenario AP

0 引言

隨著移動互聯網、物聯網技術的快速發展，隨時隨地自由上網已經普及。WiFi技術作為無線局域網（Wireless Local Area Network，WLAN）的關鍵接入方式，自誕生20 多年來，其重要性及商業價值已經獲得了廣泛認可，以至于WiFi網絡成為WLAN的代名詞[1]。在全球范圍內，WiFi 網絡承載了超過一半的數據流量。運營商、政府、企業等機構在商場、酒店、機場、校園、辦公等場所大量部署WiFi熱點，以滿足人們生活、學習和工作需要[2-3]。在用戶終端方面，智能手機、筆記本電腦、平板電腦、數碼相機等大量智能設備，都已經把WiFi模塊作為產品的標準配置。

本文首先回顧了WiFi標準的發展歷程，討論了標準的基本技術指標;然后對WiFi關鍵技術進行了分析，包括物理層技術、安全技術和漫游技術等;最后結合WiFi產品現狀，闡述了新技術和新業務對WiFi產品的影響，探討了其未來的演進趨勢。

1 WiFi技術標準

WiFi標準由美國電氣和電子工程師協會（Institue of Electic and Electronic Engineers，IEEE）制定。IEEE設置了多個工作組，其中WiFi技術由IEEE 802.11工作組負責。1997年6月，IEEE發布了具有里程碑意義的802.11標準，該標準由多個子集構成，詳細定義了從物理層到媒體接入控制層（Media Access Control，MAC）的WiFi通信協議。以此為基礎，IEEE又先后推出了802.11b、802.11a、802.11g、802.11n、802.11ac、802.11ax等系列標準，以對其性能進行提升[4]。IEEE 802.11標準的關鍵技術指標如表1所示[5-6]。

從表1可以看出，在1999年9月，IEEE發布了兩個標準：802.11b和802.11a。802.11b工作在2.4GHz頻段，不再采用跳頻擴頻技術（Frequency Hopping Speread Spectrum， FHSS），而是基于直序擴頻技術（Direct Sequence Spectrum， DSSS），最大速率可以達到11Mbps;802.11a工作在5GHz頻段，基于正交頻分復用技術（Orthogonal Fregencey Division Multiplexing， OFDM），最大速率可達到54Mbps。

2003年，802.11工作組制定了802.11g標準，支持DSSS和OFDM調制技術，特別是將802.11a的OFDM技術遷移到2.4GHz頻段上，使2.4GHz頻段的最大速率達到54Mbps。

2009年，IEEE推出802.11n標準，同時支持2.4GHz和5GHz。802.11n在天線上改進了原有的單入單出技術（Single Input Single Output， SISO），采用多入多出技術（Multiple Input Multiple Output， MIMO），可同時支持4條空間流收發（即4*4 MIMO），使其最高速率達到600Mbps。802.11n標準保持了后向兼容性，支持和802.11b、802.11a和802.11g標準的交互操作，在市場上取得了巨大成功。

2013年底，IEEE發布了802.11ac標準。802.11ac工作在5GHz頻段，其核心技術源于802.11n，并引入增強MIMO技術，最終使得802.11ac的最大速率上升到6.9Gbps。

802.11ax又稱為高效率無線標準（High-Efficiency Wireless，HEW），是一項制定中的WiFi標準，于2019年發布。802.11ax采用正交頻分多址接入技術（Orthogonal Frequency Division Multiple Access， OFDMA），最高速率可達到11Gbps。

縱觀802.11系列標準的發展歷程可得出結論：提升用戶接入速率是標準演進的不懈追求，這也是語音、視頻等高帶寬業務發展的必然需要。

2 WiFi關鍵技術分析

技術的演進是由用戶需求驅動的，WiFi技術的發展也不例外。通過物理層、安全、漫游等關鍵技術發展，不斷提升用戶的業務體驗。

2.1 物理層技術

WiFi物理層主要解決數據傳輸問題，用戶接入速率的提升依賴于物理層技術發展。802.11物理層主要涉及FHSS、DSSS、OFDM和MIMO等技術[7]。

（1）FHSS技術。FHSS是802.11的早期技術，僅支持2.4GHz頻段。為保持接收端和發送端同步，FHSS在預定信道上按照固定的時隙，以連續跳變的方式發射無線信號。采用FHSS調制技術，最大速率僅為2Mbps。

（2）DSSS技術。DSSS采用少量固定且寬頻的信道，可以支持復雜的調制方案并具有更高的數據速率。DSSS采用相移鍵控調制（Phase Shift Keying， PSK），最高可以達到11Mbps速率。

（3）OFDM技術。OFDM是一種多載波調制技術，采用大量并行的數據子載波提高傳輸速率。OFDM將每個信道分成若干子載波，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制到每個子載波上進行傳輸。由于OFDM系統中各個子載波相互正交，使得相鄰載波互不干擾，因此子載波相互靠得很近，使系統具有更好的頻譜利用效率[8]。OFDMA技術是OFDM的進一步演進，其將OFDM和FDMA（Frequency Division Multiple Access）技術結合，在利用OFDM對信道進行子載波化后，在部分子載波上加載傳輸數據 [9]。

（4）MIMO技術。MIMO技術是無線移動通信領域智能天線技術的重大突破，該技術在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，能在不增加頻寬的情況下成倍提高通信系統的容量和頻譜利用率，從而改善每個用戶的服務質量[10]。

MIMO支持單用戶通信和多用戶通信，分別稱為SU-MIMO（Single User MIMO）和MU-MIMO（Multi-User MIMO）[11]。SU-MIMO 可以大大增加單用戶吞吐率，但現網中大量移動終端都采用單流模式，相對于多流終端而言，傳輸相同容量的數據需要占用更多的空口時間，因此單流終端成為提升接入用戶數目的一個瓶頸。MU-MIMO是解決這個問題的好方法，在不改變用戶帶寬和頻率的情況下，在同一時刻，一個接入點設備（Access Point， AP）可以同時給多個用戶發送不同的數據。

圖1給出了一個支持 4*4 MIMO的 AP 和一個只支持 1*1 MIMO 的智能終端通信對比。 在SU-MIMO 場景下，AP的每根天線上都發送同一份數據，雖然不同天線發送相同的數據會帶來分集增益，但收益是有限的。在MU-MIMO 場景下，AP的每根天線可發送不同的數據（不同的天線對應不同的用戶），就單個 AP 來說，可以發送 4 份不同的數據，效率比SU-MIMO 提升了4倍。

MU-MIMO技術在802.11ac wave2中已經獲得支持，最大物理層速率達到6.9Gbps。在即將發布的802.11ax標準中，MU-MIMO結合OFDMA調制技術，最高速率可達到11Gbps。

2.2 安全技術

WiFi以無線射頻信號作為傳輸介質，這種開放的信道使攻擊者很容易對傳輸的業務數據進行竊聽和篡改。因此，如何保護用戶隱私和敏感數據安全是WiFi技術需要解決的重要問題。WiFi安全技術主要包括空口安全、接入安全、邊界防護安全等方面。

（1）空口安全。為了避免空口傳播的數據被攻擊者獲得，必須對數據進行加密。WiFi提供了一系列的加密協議，只允許擁有密鑰的授權用戶訪問數據，確保數據在傳輸過程中的安全。WiFi提供的加密方式有RC4（Rivest Cipher 4）、TKIP（Temporal Key Integrity Protocol）、CCMP（Counter Mode with CBC-MAC Protocol）等[12]。相比RC4，TKIP和CCMP具有更好的安全性，它們之間的差異主要表現在協議報文格式上，而在安全性上幾乎沒有差別。

（2）接入安全。接入安全指只有用戶身份認證通過后才允許接入無線網絡，并在用戶訪問網絡之前限制其訪問權限。用戶接入認證主要有PSK（Pre-shared Key）認證、802.1X認證、Portal認證、MAC認證等。其中802.1X認證、MAC認證、Portal認證支持對有線用戶和無線用戶進行身份認證，而PSK認證則專門為WiFi無線用戶提供認證。802.1X是基于端口的網絡接入控制協議，提供了一個認證過程框架，支持多種認證協議，在企業園區、移動辦公等對安全要求較高的場所應用廣泛[13]。

（3）邊界防護安全。WiFi網絡很容易受到各種威脅，如未經授權的AP、Ad-hoc網絡、拒絕服務型攻擊（Denial of Service，DoS）等。為了抵御這些來自網絡邊界的威脅，WiFi主要提供了無線入侵檢測系統（Wireless Intrusion Detection System，WIDS）和無線入侵防護系統（Wireless Intrusion Prevention System，WIPS）技術。WIDS用于對非法終端、惡意的用戶攻擊和入侵無線網絡的行為進行安全檢測;WIPS在WIDS基礎上提供防護策略，進一步保護無線網絡安全。

2.3 漫游技術

漫游（Roaming）指無線終端（Station， STA）從一個AP移動到另一個AP時，仍然保持業務不中斷的一種特性。例如，在移動過程中可流暢地進行語音通話、觀看視頻等。

（1）漫游原理。漫游的決定權由STA掌握，STA基于接收信號強度（Received Signal Strength Indication， RSSI）、丟包率、誤碼率等指標進行判斷，達到閾值則啟動切換。

如圖2所示，STA首先關聯在AP1上，然后從AP1的覆蓋范圍移動到AP2的覆蓋范圍，并在AP2重新關聯。在移動期間，STA保持IP地址不變，用戶感受不到業務中斷。需要說明的是，業務不中斷是宏觀意義上的，實際上由于在漫游過程中需要切換信道并掃描新的AP，STA關聯到新AP后需要重新協商加密密鑰等，漫游過程中會有少量丟包和業務時延。

（2）快速漫游。普通漫游切換時間一般在300ms左右。為了提升漫游切換性能，802.11工作組在802.11r中提出了快速漫游標準[14]?？焖俾问s了802.1X認證和密鑰協商，大幅減少了漫游過程中的報文交互次數，從而使業務切換時間降到100ms以內。

3 WiFi產品演進

WiFi標準和技術的發展推升產品不斷更新換代，以下從產品現狀和未來演進兩方面分別進行闡述。

3.1 WiFi產品現狀

WiFi產品主要包括兩大類：接入點設備（Access Point， AP）和接入控制器（Access Controller，AC）。實際部署中可以結合交換機、路由器等傳統網絡設備，采用不同的組網方式。

（1）接入點設備AP。AP主要用于接入無線終端設備（稱為STA），基于功能差異，可分為胖AP（Fat AP）和瘦AP（Fit AP）兩種。Fat AP集接入、安全、認證等功能于一體，但需要單獨進行配置，管理和維護復雜。例如，常用的家庭無線路由器就屬于Fat AP;Fit AP對于WiFi功能進行了劃分，AP上僅具有部分無線能力，而把配置、管理等功能放在AC上實現，支持大規模網絡部署。例如，在校園網絡中部署的AP都屬于Fit AP。

從支持的WiFi標準來看，現階段支持802.11ac的AP已經成為主流成品，并向后兼容802.11a/b/g/n等協議;此外，部分廠商已經推出了802.11ax標準的AP，例如華為推出的AP7060DN[15]，思科推出的9130設備等[16]。

（2）接入控制器AC。AC用于對Fit AP的管理，簡化無線網絡的配置和維護。AC需要支持熱備份和冗余備份，滿足可靠性要求。在用戶管理方面，AC提供豐富靈活的用戶策略管理及權限控制能力，實現大規模、高密度的無線用戶接入服務。

（3）WiFi組網方式。WiFi組網方式一般具有兩種類型：Fat AP組網和AC+Fit AP組網[17]，如圖3所示。

Fat AP組網。Fat AP組網一般應用在家庭、小型辦公區域等場所。一般情況下，放置一臺或幾臺AP，完成SOHO型無線局域網搭建。對于Fat AP組網，無線用戶的接入、安全策略完全集中在AP設備上，需要對每個AP單獨配置，無法支持用戶的無縫漫游;AC+Fit AP組網。為了簡化網絡管理，提升無線用戶在較大區域的漫游體驗，WiFi網絡更多采用AC+Fit AP的組網架構。這種架構對網絡功能重新進行了劃分，其中AC負責AP的配置和管理、用戶接入控制、漫游管理等;AP負責802.11物理層、射頻空口統計等功能。根據AP和AC之間的網絡層次，分為二層組網和三層組網。當AC和AP之間的網絡為直連或二層網絡時，二者同屬于一個二層廣播域，稱為二層組網;當AP和AC之間的網絡為三層網絡時，AP和AC屬于不同的IP網絡，此時稱為三層組網。

3.2 WiFi產品演進趨勢

隨著新技術的發展和用戶需求的多樣化， WiFi產品形態、組網架構等產生了重要變化。以下分別從云計算、物聯網、細分市場、新興業務等方面進行探討。

（1）云計算技術推動WiFi產品云化管理。AC管理的AP 數量一般在2-10K數量級，有線側可達到100Gbps轉發能力。隨著無線網絡規模的擴大，傳統的AC + Fit AP模式很難滿足大規模、跨區域管理需求，云WiFi解決方案出現了。在云WiFi方案中，AP和AC均支持云端管理，甚至AC設備不再以硬件形態出現，而是作為一個組件安裝在云端服務器上。云WiFi解決方案利用云計算技術，通過互聯網實現異地多分支網絡的自動化、集中化管理，提供從規劃、部署、運維等全過程的管理方案。

（2）物聯網技術推動融合型AP發展。物聯網技術預示著未來任何物體，在任何時間和任何地點都能連接到網絡，將徹底改變人們的生活方式。物聯網場景使用了多種無線連接技術，如WiFi、Bluetooth、RFID、ZigBee、LoRa等。在產品形態上，催生了融合多種無線技術的物聯網AP誕生[18]。物聯網AP要求在傳統WiFi基礎上，通過內置IoT（Internet of Things）模塊、內置IoT插卡或外接IoT擴展模塊等方式，實現IoT網絡與WiFi網絡的雙網合一，在滿足WiFi覆蓋的同時，解決大量的物聯網終端接入。這種融合型AP實現了雙網共站點、共回傳和共電源模式，可大幅降低產品成本、減少部署工作量，減少對周邊環境的破壞。

（3）多樣化需求推動場景化AP不斷發展。在企業園區、辦公樓、圖書館、足球場等場所，無線網絡有著廣闊的應用場景。這種多樣化的環境對WiFi產品有著不同的需求，不可能使用一種AP產品就能滿足所有場所的部署，從而促使場景化AP不斷發展。如在體育場、展覽館等高密度覆蓋場所，需要滿足大規模用戶的接入，要求相應的AP采用小角度天線，具有強大的并發接入能力;在倉儲、物流等領域，需要支持位置服務功能，AP設備需要兼具室內定位能力，以便實現貨物運行軌跡跟蹤[19];在高校宿舍、酒店房間、醫院病房等場景，為了解決每個獨立房間的無線覆蓋，通常采用分布式AP產品，通過遠程射頻單元（Radio Remote Unit， RU）進行房間覆蓋;其它方面，如滿足室外無線回傳的AP，用于軌道交通的AP等，都是場景化AP的典型用例。

（4）新興業務是WiFi產品更新換代的永恒動力。隨著虛擬現實（Virtual Reality，VR）、增強現實（Augmented Reality，AR）、4K/8K視頻等高帶寬業務的出現，全球市場對802.11ax AP 都抱有很大希望。AR/VR 通過遮擋用戶的現實視線，將其感官帶入一個獨立且全新的虛擬空間，為用戶提供更深入、浸入感更強的體驗。4K/8K視頻中，4K指4K 分辨率，8K代表8K分辨率，這些技術可從本質上提升視頻的表現力，讓用戶感受到最優秀的畫質所帶來的視覺盛宴。市場上除802.11n AP存量產品外，設備商最新出貨以802.11ac AP為主。根據Dell'Oro公司預測[20]，隨著芯片的成熟及支持終端的日益普及，到2023 年，預計802.11ax AP的出貨量將占全球企業級室內AP 出貨量的90%以上。也就是說，到2023 年，90% 的企業無線網絡都會選擇802.11ax AP。

4 結語

WiFi技術發展至今，在標準快速迭代和需求場景爆炸式增長的雙重推動下，產品形態已經發展為一個包含AP、AC的完整網絡解決方案。本文根據新技術和新需求現狀，分析了WiFi發展的關鍵技術點和WiFi產品的發展趨勢，為設備廠商和研究人員提供方向參考。當然，在這些技術或產品實現上還有許多工作要做，如智能天線技術、云WiFi管理技術、物聯網融合技術等，后續研究可在這些關鍵方向上不斷深入。只有突破這些領域的束縛，WiFi產品才能不斷滿足新業務、新需求的發展需要。

參考文獻：

[1]華為.? 釋放WiFi的潛能，2019～2023企業級WiFi 6產業發展與展望白皮書[EB/OL]. https：//e.huawei.com/cn/material/networking/wlan/36a627ad6bfd40f2968f87899551cdf8.2019-02-28/2019-11-16.

[2]林玉梅，章喜字.? 高校校園WLAN安全方案設計與實施[J].? 軟件導刊， 2016， 15（6）： 200-201.

[3]俞曉輝，何偉. 無線局域網（WLAN）模塊化建設思想在南京聯通工程建設中的實踐和探索[J]. 中國信通信，2019，21（17）： 55-56.

[4]IEEE. Official IEEE 802.11 working group project timelines[EB/OL]. http：//www.ieee802.org/11/Reports/802.11_Timelines.htm. 2019-09-25/2019-11-16.

[5]DAVID HUCABY. CCNA無線640-722認證考試指南[M].? 夏俊杰， 譯.? 北京： 人民郵電出版社， 2015.

[6]高峰，李盼星，楊文良，等.? HCAN-WLAN學習指南[M].? 北京：人民郵電出版社，2016.

[7]余久方， 楊帆.? 以太網交換機發展趨勢研究與分析[J].? 計算機時代，2018（7）： 5-8.

[8]ZHAN J，GAO W X. Improved MIMO-OFDM scheme for the next generation WLAN[J].? Journal of Systems Engineering and Electronics， 2013（1）： 52-59.

[9]LI Y，LI B，YANG M， et al. A spatial clustering group division-based OFDMA access protocol for the next generation WLAN[J].? Wireless Networks， 2019（25）： 5083-5097.

[10]WANG X H， LIU J， ZHAI C， et al. Optimization of energy efficiency for the full-duplex massive MIMO systems[J]. ？Journal of Systems Engineering and Electronics，2016（2）： 326-332.

[11]華為.? 華為智簡園區WLAN 802.11ac 2技術白皮書[EB/OL].? https：//e.huawei.com/cn/material/networking/wlan/994563aeb8d64f79843db232909589a5. 2019-07-16/2019-11-16.

[12]IEEE. 802.11i-2004[S].? https：//standards.ieee.org/standard/802_11i-2004.html.

[13]李航， 單洪.? IEEE 802.11的安全性研究現狀[J].? 電腦知識與技術， 2019， 15（26）： 50-51.

[14]IEEE. 802.11r-2008[S]. https：//ieeexplore.ieee.org/document/4573292.

[15]華為.? 華為AP7060DN無線接入點彩頁[EB/OL].? https：//e.huawei.com/cn/products/enterprise-networking/wlan/indoor-access-points/ap7060dn. 2019-09-05/2019-11-16.

[16]CISCO. Cisco catalyst 9130 series access points data sheet[EB/OL].? https：//www.cisco.com/c/en/us/products/wireless/catalyst-9100ax-access-points/index.html. 2019-11-05/2019-11-16.

[17]華為. WiFi 6時代的校園無線網絡建網標準技術白皮書[EB/OL]. https：//e.huawei.com/cn/material/networking/wlan/fe9ceffc259 d4ccd8dd9d791dbe40c7e. 2019-04-09/2019-11-16.

[18]MARC BARCELO， ALEJANDRO CORREA， JAIME LLORCA ， et al. IoT-cloud service optimization in next generation smart environments[J].? IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2016， 34（12）： 4077-4090.

[19]GAO W， PEI L， XU C， et al. Crowdsensing-based organic fingerprinting for WiFi localization[C].? 4th? IEEE International Conference on Ubiquitous Positioning， Indoor Navigation and Location Based Services（UPINLBS）， 2016： 79-88.

[20]DELL'ORO. Market research reports on wireless LAN[EB/OL].? https：//www.delloro.com/market-research/enterprise-network-infrastructure/wireless-lan/.? 2019-09-06/2019-11-16.

（責任編輯：杜能鋼）

收稿日期：2019-09-30

基金項目：南京理工大學紫金學院科研項目（2019ZRKX0401002）

作者簡介：陳濤（1975-），男，碩士，南京理工大學紫金學院計算機學院高級工程師，研究方向為邊緣計算、感知計算;胡園園（1978-），女，碩士，南京理工大學紫金學院計算機學院講師，研究方向為網絡空間安全、云計算;王穎（1982-），女，碩士，南京理工大學紫金學院計算機學院講師，研究方向為虛擬現實、邊緣計算。