崔蓓蓓

(徽商職業(yè)學院電子信息系,合肥 230001)

一、802.11 協(xié)議

IEEE802.11 的主要通訊頻段分成兩段:802.11a/n 所在工作范圍為2.4～2.4835 GHz,通常稱為2.4GHz,802.11b/g/n 所在頻段通常稱為5GHz,其工作頻段帶寬有兩段分別為5.15～5.35GHz 和5.725～5.825GHz,實際上,5G 頻段擁有更高的接入容量。2.4GHz 頻段為開放的工業(yè)頻段,藍牙、微波爐、ZigBee 等工業(yè)設備都工作在這一頻段,有3 個不重疊的通訊信道,在實際網(wǎng)絡環(huán)境中造成難以避免的干擾,因2.4GHz 信道間的沖突,吞吐量較低,使5GHz 頻段有了巨大的應用空間。

5GHz頻段在頻率、速度、抗干擾性上比2.4GHz 強很多并能夠提供22 個通信信道。802.11ac[1]協(xié)議承擔的頻段為5G 頻段,最大可支持3.47Gbps 傳輸速率,更少的干擾,更多的接入,提供了更大的吞吐率和多用戶MIMO,并且可以有效兼容802.11a 和802.11n,使得5GHz 頻段快速應用到WLAN 領域,而現(xiàn)有Wi-Fi 設備主要支持的2.4GHz 頻段,設計雙頻接收終端就有很重要的現(xiàn)實意義。表1 展示了IEEE802.11 系列各協(xié)議下的傳輸速率。

表1 IEEE802.11 系列傳輸速率

從表1 中可以看出,第一802.11n 目前理論傳輸速率為600Mbps,實際速率已達100Mbps,802.11ac 實際速率高達800Mbps,遠遠高于802.11a/b/g 的實際吞吐量;第二,當使用雙頻系統(tǒng)時,他們的標準速率和最大連接后的吞吐量高于兩個單模系統(tǒng)的疊加,通過實際分析可以看出雙模吞吐量比單模要高。

二、CAPWAP 工作

傳統(tǒng)的自治式WLAN 架構,WTP(Wireless Termination Point)或AP 局域網(wǎng)中承擔著重要功能,進行數(shù)據(jù)轉發(fā)、接收和加解密等方式提供無線局域網(wǎng)的連接服務。但這種模式給大規(guī)模的組網(wǎng)帶來困難,自治式的WLAN 逐步被集中式WLAN所代替,早期互聯(lián)網(wǎng)任務組規(guī)定了輕型接入點協(xié)議LWAPP[2]。其核心思想是讓AC 集中管理大量AP,AP 僅僅具有無線信號的發(fā)射功能,而整個無線局域網(wǎng)還需對信號的發(fā)射做出管理,這種管理設備為AC,AC 負責接入控制、轉發(fā)、統(tǒng)計、配置監(jiān)控、安全控制等,WTP 和AC 之間通過CAPWAP 協(xié)議進行連接。我們把這種模式叫作瘦AP+AC 的模式。2009 年3 月,IEIF 標準化組織定義了CAPWAP 解決了AC 對AP 的集中控制問題及通信問題,實現(xiàn)了基于三層網(wǎng)絡模式下的通信,STA 的無線數(shù)據(jù)在WTP 端被封裝為CAPWAP 數(shù)據(jù)報文并通過CAPWAP 的數(shù)據(jù)隧道提交至AC,AC 負責進行數(shù)據(jù)的轉發(fā),所有的CAPWAP 報文被封裝為UDP 報文在IP 網(wǎng)絡中傳輸。圖1 清晰地說明了這兩種模式的數(shù)據(jù)報文結構。

圖1 加密CAPWAP 數(shù)據(jù)報文格式

CAPWAP[3]協(xié)議本身并不包括任何無線技術,協(xié)議目前由兩部組成,一是我們常說的CAPWAP 隧道協(xié)議,二是無線BINDING 協(xié)議,2009 年4 月正式發(fā)布。CAPWAP 和具體的無線接入技術無關,作為通用隧道協(xié)議,AP 和AC 之間通信較為復雜,首先為AC 發(fā)現(xiàn)AP,再次AC 對AP 進行安全性認證,然后AC 下發(fā)配置給AP,AP 獲取鏡像信息和配置信息。目前使用BINDING 協(xié)議標準為RFC5416,出臺的接入方式為802.11 的RFC,因此稱為RFC-5416。但并不支持自治模式,所以本文的無線局域網(wǎng)模型為有中心型的集中轉發(fā)模式[4]。

目前隨著WLAN 技術的發(fā)展,AP 的接入方式逐漸過渡至輕量級接入,也就是我們上述提到的LWAPP,使得無線局域網(wǎng)的部署更加靈活,實現(xiàn)IEEE802.11 協(xié)議的WLAN 部署可控性和安全性。所有數(shù)據(jù)由AC 管控,AP 只負責無線BINDING 協(xié)議的功能。

AP 和AC 之間在實際的組網(wǎng)中,往往結構較為復雜,我們將它們之間的網(wǎng)絡結構抽象為四種模型,①為AC 和AP 直連;②AC 和AP 之間跨越二層交換的網(wǎng)絡模式;③AC 和AP 之間跨越三層交換的模式;④AC 和AP 之間跨越多個路由甚至是廣域網(wǎng)。而隨著虛擬化網(wǎng)絡的發(fā)展,AC 和AP 之間甚至可以跨越SDN[5]網(wǎng)絡,例如OpenCapwap 和SDWN。AC 和AP 之間所有的數(shù)據(jù)信息和控制信息都被封裝為UDP 報文格式通過CAPWAP 隧道在IP 網(wǎng)絡中傳輸。

CAPWAP 協(xié)議支持的兩種操作模式Split MAC 和Local MAC 來進行無線數(shù)據(jù)幀和有線網(wǎng)絡的互聯(lián)互通。①Split MAC,在ISO 參考模型第二層來自MAC 子層的無線數(shù)據(jù)幀和控制幀被CAPWAP 協(xié)議封裝后在AC 和AP 之間進行數(shù)據(jù)交換。這種模式又稱為集中轉發(fā)模式。②Local MAC,又稱為本地轉發(fā)模式,無線數(shù)據(jù)中的控制幀在WTP在本地已經(jīng)被WTP 處理后轉發(fā)給AC,數(shù)據(jù)幀或者被本地橋接或者作為IEEE802.3 幀被隧道化傳輸。

CAPWAP 協(xié)議有兩個信道,控制信道和數(shù)據(jù)信道,兩個信道均為雙向信道,AC 和WTP(AP)的IP 地址為信道兩端地址,其中控制端口轉發(fā)CAPWAP 的控制報文,使用UDP 的5246 端口。數(shù)據(jù)端口轉發(fā)CAPWAP 的數(shù)據(jù)報文,使用UDP 的5247端口。

CAPWAP 建立需要經(jīng)歷以下五個過程:①AP 獲取AC 的IP 地址,AP 本身IP 地址有兩種,一種是靜態(tài)地址一種是動態(tài)地址,并且AC 通過廣播的方式讓AP 獲取自己的Loopback 地址,為Discovery 階段;②AC 和AP 建立控制信道的交互,稱為Join 狀態(tài);③AC 通過鏡像下發(fā)使AP 升級,我們叫作Image Data 狀態(tài);④AC 下發(fā)配置至AP,稱為Configuration 狀態(tài);⑤AP 與AC 控制和數(shù)據(jù)信道均建立成功后進入Run 狀態(tài)。從AP 和AC 的信息交互過程可以看出,AP 是零配置的,它只起到發(fā)射無線射頻信號的作用,我們通常叫這種AP 為fit-AP,本文對AP 的研究從AP 發(fā)射射頻信號的802.11 協(xié)議和STA 的接入AP 的方式進行研究。

三、雙頻Wi-Fi

(一)STA 的接入方式

AP 擁有對信道的選擇權,當AP 開始運行,將自己的詳細信息廣播到自己所在的網(wǎng)絡,同時AP主動掃描自己所需的信道,即AP 設備本身所遵循的IEEE802.11 協(xié)議所規(guī)定的2.4GHz 或5GHz 頻段所規(guī)定的信道,AP 檢測周圍其他AP 的信息,AP根據(jù)自身的檢測信息確定工作信道,以保證與接入AP 的STA 通信時效果最佳。無線終端登陸AP 的策略為:

主動掃描模式。向每個可用信道發(fā)送探測請求幀,AP 收到探測請求幀后,回復響應幀。響應幀中包含STA 的總數(shù)為X,此時AP 的RSSI(接收信號強度指示)值Si,以及AP 所有相關STA 的平均RSSI 值Mi。STA 掃描后,根據(jù)AP 提供的信息計算自身的權重為Wi:

通過上述的權值式,STA 計算出每個AP 的權值Wi,STA 對最大權重的AP 進行選擇和標記,并發(fā)送請求幀請求與此AP 進行關聯(lián),在STA 與AP之間關聯(lián)成功后,當有新的STA 接入時,AP 會更新相關聯(lián)的移動站點個數(shù),以及RSSI 的平均值等,為STA 選擇AP 提供正確的信息。

STA 和AP 通過掃描的方式建立連接,STA 通過主動掃描AP 或是被動接受AP 發(fā)送的探測信號,主動掃描方式,主動檢測條件下,STA 主動獲取BSSID、SSID、BSSType、信標幀間隔和物理參數(shù)等信息。被動掃描模式下,STA 通過監(jiān)聽信標幀獲取AP 信息。具在STA 加入AP 之前,采用主動掃描方式獲取 AP 的相關信息,即設置 STA 的Scantype=active,設置channel=1,BSSID=broadcast MAC address,BSSType=ANY_BSS;啟動服務原語MLME-SCAN.request,從掃描請求MLME-SCAN.confirm 掃描證實至掃描確認之后,提取相應的信息;信道傳遞,channel←channel+1,channel＞11。在整個算法中,Ts 可以通過STA 和AP 之間成功的探測請求和探測響應的交互時間估計,更精準地估測出Ts 的值。通過STA 多次與AP 之間交互求平均值的方法來實現(xiàn),假設試圖與STA 進行關聯(lián)的AP 個數(shù)為M,RSSITH 為RSSI 的閾值,只有大于RSSITH 的AP,才能與STA 建立關聯(lián),若APi 與STAj 相互關聯(lián),則關聯(lián)變量Xij=1,否則Xij=0,由于STA 站點最多只能與一個AP 進行關聯(lián),故,并設為新加入的STA 向APi 所發(fā)送探測響應幀的平均時間。則根據(jù)上述定義,就可以把算法的目標歸結于:

①STA 運行后,采用主動掃描方式向IEEE802.11 指定的信道上的AP 發(fā)送檢測請求幀,獲取AP 的相關信息。②AP 檢測到請求幀后,發(fā)送一個響應幀來應答STA。③STA 接收到AP的探測響應幀后,比較當前AP 響應幀的SSID 信息與STA 中存儲的SSID 信息是否一致。若不一致將不進行任何處理。若一致,首先對當先的AP的RSSI 值進行判定,若AP 的RSSI 值大于規(guī)定的閥值,此AP 將標記為候選AP,否則不進行標記。

(二)STA 的雙頻接入

根據(jù)無線電磁波的物理特性可知,波長的長度和衰減成反比,波長越長繞射能力也越強,5G信號的特點為頻率高、波長短,而2.4G 信號的特點為頻率低、波長長,由此可見5G 信號穿過障礙物時衰減大,傳輸速率高,而2.4G 信號正好相反,如果Wi-Fi 終端設備可以同時支持2.4GHz和5GHz,我們認為這種終端為雙頻的Wi-Fi 終端,從科學上定義雙頻Wi-Fi 是指設備同時支持2.4GHz 和5GHz 雙頻無線信號,可支持包括802.11a/b/g/n/ac 完整無線網(wǎng)絡,屬于第五代Wi-Fi 傳輸技術。

我們通常所說的2.4GHz 頻段分布在2.4～2.4835GHz 頻段。而這83.5MHz 的帶寬要平分給14 個不同的信道,因此每個信道之間的差距只有微小的20MHz,因此在2.4GHz 的頻段中至少會有兩個(通常是四個)信道處于重合狀態(tài)。而由于1、6 和11 彼此之間間隔的距離足夠遠,因此他們成為互不重疊的3 條信道。在國內,通常5GHz 也指5.8GHz,頻寬范圍是5725～5875MHz,頻寬為150MHz,其上有5 個互不重疊20MHz 信道,由此可見在雙頻條件下非重疊的信道為8 條。這個頻譜靈活性意味著802.11n 的雙頻AP 可以在一個位置支持更多的用戶和應用,接入用戶數(shù)必然大于只使用單頻AP 的用戶數(shù)。

雙頻AP 對STA 的識別雙頻STA 的接入。目前是判斷STA 是否支持雙頻是第一步。雙頻AP通過以下條件識別STA:

(1)在主動模式下,AP 可以接收來自2.4G 頻段和5G 頻段的檢測請求。在無源模式下,STA 可以檢測到2.4G 和5G 頻段的信號,因此對于AP,STA 被認為是雙頻STA;

(2)如果STA 的檢測請求只能從2.4G 頻段接收到,則AP 是2.4G 的STA;

(3)如果該STA 的檢測請求只能從5G 頻段接收,則AP 為5GSTA。

單頻的STA 識別需要一個時間過程,以確定能否從兩個不同的頻段收到探測請求,AP 將收到的STA 的信息保存起來,為策略回應提供依據(jù),而Band Select 保存已關聯(lián)的STA 信息,選擇標準為STA 的RSSI。在實際的應用中可能出現(xiàn)雙頻移動Wi-Fi 終端對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃暂^低,在Wi-Fi 設計時,可為2.4G 頻段和5G 頻段分別設計AP 的傳輸接口。但兩個接口不同時工作,根據(jù)RSSI 的強弱,STA 自動激活其中一個接口進行工作。

(三)雙頻接入的優(yōu)勢

我們可以通過雙的AP 和AC 組建,通過構建無線網(wǎng)絡在2.4GHz 頻段5GHz 頻段下,多線程(10pairs)的無線傳輸速率測試結果來比較兩者在上下行信道上的傳輸速率。表2 為2.4GHz 時多線程下行+上行測試,表3 為5GHz 時多線程下的下行+上行測試。

表2 2.4GHz 多線程吞吐量

表3 5GHz 多線程吞吐量

從平均速度上看2.4GHz 頻段為83.124Mbps和5GHz 頻段為97.696Mbps,在多線程測試中,5GHz 頻段上的速度表現(xiàn)優(yōu)勢明顯。從表2,表3可知 5GHz 頻段的平均傳輸速率略高于2.4GHz,在5GHz 的多線程下行+上行測試中,平均速度更超出2.4GHz 頻段的14Mbps 左右,處于明顯領先地位。隨著無線高帶寬需求的不斷增加,5GHz 無線將被更加廣泛地應用,如高清視頻傳輸、大型網(wǎng)絡游戲或在線視頻聊天等。

四、結語

隨著社會的不斷發(fā)展,移動終端數(shù)量呈爆炸式增長,無線局域網(wǎng)具有靈活部署、可擴展性強等優(yōu)點,受到了業(yè)界的廣泛關注。但在具體應用既要考慮和有線局域網(wǎng)的互聯(lián)互通,又要考慮其無線信號的傳輸特性,使用環(huán)境更為復雜,作為目前4G 和5G 技術的重要補充,WLAN 技術在802.11 協(xié)議的指導下,實際應用中采用集中的AC+AP 模式,利用CAPWAP 協(xié)議,逐步從2.4GHz 的單頻模式過渡至2.4GHz 和5GHz 的雙頻模式。

提高傳輸效率,減少同頻或鄰頻干擾,目前逐步走向實際應用,但在辦公室、家庭等實際傳輸環(huán)境情況較復雜,除了各種無線系統(tǒng)的共存干擾,Wi-Fi 射頻物理層上干擾外,Wi-Fi 還需考慮自身載波監(jiān)聽與沖突避讓機制導致的空中信道接口擁塞、理論速率下降等因素。進行合理的Wi-Fi 設計,仍是雙頻無線局域網(wǎng)技術的努力方向。