基于分層體系的WLAN實驗室建設研究

段景山，馬立香，毛玉明，楊 寧

（電子科技大學 通信與信息工程學院，四川 成都 610054）

WLAN（無線局域網）技術近年來在帶寬提升和組網技術方面都取得了很大成果，得到了快速發展和廣泛應用。在筆者的辦公環境里，可以用測試儀表測出27個以上的AP信號覆蓋，在城市的公寓環境里，經常也能測到局部范圍以內10余個AP在同時工作。說明WLAN的發展已經不僅僅是“走入千家萬戶”，而是開始變得擁擠和相互影響了?？梢灶A計在WLAN技術的工程應用和科學研究等領域，對相關技術人員的培訓和培養要求也將會變得十分迫切。本文總結了筆者承擔本校WLAN實驗室建設工作的思考和經驗，討論了針對WLAN組網、測試和應用等方面的實驗體系建設、設備選型和實驗項目設計。

1 WLAN實驗室建設需求和目標

在文獻［1］—［3］中描述了 WLAN技術的迅猛發展，從最初的IEEE 802.11，IEEE802.11b標準到隨后的IEEE 802.11g，IEEE802.11n，IEEE802.11ac……，物理層在不斷增強，速率獲得顯著提升；隨著11e、11s、11p、11f、11r等系列協議的推出，使 WLAN在靈活組網、安全、移動支持等方面有了明顯改善，WLAN的應用已從傳統的辦公室和家庭小范圍組網擴展到車聯網、物聯網等領域。

高校作為各種高新通信技術應用的實驗場，文獻［3］—［7］描述了無線校園網中的 WLAN技術應用，文獻［8］將其應用于應急通信，文獻［9］將其應用企業中，文獻［10］描述了 WLAN技術支持下的地鐵控制系統等。文獻［1］中描述了運營商應用 WLAN技術的4個階段，指出WLAN作為主流無線接入技術的重要補充，正在以技術融合的變革成為移動互聯網絡核心技術之一。

WLAN具有部署簡易的優勢，但在部署過程中仍然涉及安全、性能和維護等方面問題，而且隨著WLAN應用的推廣，當局部范圍內聚集大量的設備和用戶時，這些問題會越來越凸顯和變得嚴重——不經意的參數設置、隨意的部署和一味增加信號功率都可能導致災難性的后果。深圳地鐵集團曾在2012年11月發現深圳地鐵列車受旅客攜帶的WIFF設備發出的信號干擾而導致停運。

綜上所述，一方面是 WLAN的快速發展和大量部署，另一方面是掌握WLAN網絡規劃、管理和安裝調試等技能人才相對缺乏。這些技術人員應熟悉WLAN各種技術和設備特性，能夠為各種復雜環境下的網絡建設制定合理方案，并指導工程實施，達到覆蓋成本與用戶體驗最優化；且在WLAN工程建設的實施過程中能夠在資源管理、信息安全、服務質量等方面進行定性評估和定量分析，預見問題和處理各種故障。而這些技術人才的培養，需要高校相關專業加強WLAN實驗／實踐條件和完善實驗室的建設，使其成為學生學習運用理論知識，增強科學研究能力、工程建設能力和開拓創新能力的平臺和場所。為此，我們為WLAN實驗室設定了以下建設目標：

（1）加深對WLAN技術及其特點的了解和掌握；

（2）培養能預見問題、提前處理的意識，培養必要的工程檢測和處理問題的能力；

（3）啟發學生對WLAN技術進一步研究的興趣；

（4）啟發學生創新意識，并培養學生將創意變為現實的能力。

實驗室通過引進先進設備，把無線信號從“看不見，摸不著”變成“可見、可調、可測、可分析”；通過精心設計系列實驗項目，增強學生對WLAN技術的感性認識、掌握測控方法，培養學生理性分析能力；通過仔細規劃實驗體系全面培養學生的工程和科研能力。

2 分層WLAN實驗體系規劃

網絡技術是計算機與通信的交叉學科，涉及的知識面廣，內涵豐富。專業人才的培養應注重軟、硬兼修，全面發展。WLAN技術既可以與其他網絡系統互聯、融合，具備一般網絡構成要素和基本特點，又可以構成獨立系統，在信號處理、資源管理、動態路由、移動業務等方面有自己獨特的需求和處理方法。為全面培養學生在WLAN技術領域的工程素養、科研素養和創新能力，提出了一種多層次、系統性的實驗體系建設和規劃方案，如圖1所示。

圖1 分層結構的WLAN實驗體系 建設方案

首先，通過需求調研及分析，提煉出WLAN工程應用和科學研究需要具備的諸核心能力，包括：無線信號分析、WLAN監測及協議分析、無線組網和性能測試、移動業務開發等；然后，參考網絡垂直分層體系將這些核心能力分為信號、協議、網絡和應用層4個不同層面，圍繞著這些核心能力的培養分別建設實驗平臺和設計實驗項目。4個層面的實驗建設內容不同，各有側重，同時又互為依靠、相互配合，構成了一個有機整體。

（1）信號層。培養學生信號頻譜分析能力，增強對WLAN無線信號傳播特性、抗干擾特性和無線通信質量影響因素的感性認識，培養學生定量評估干擾影響的能力、信號覆蓋熱區的測繪能力等。

（2）協議層。學生通過協議監測分析 WLAN協議信令和交互過程，培養發現問題和解決問題的能力，培養學生對利用率、差錯率、延時等關鍵參數的測試和分析能力，加深對WLAN技術內涵的認知。

（3）網絡層。培養學生大規模組網的工程設計能力，培養學生測試網絡容量、端到端延時、熱點部署、干擾規避、安全防護等工程實施的能力。

（4）應用層。培養學生移動業務開發能力，并進行創新技能訓練，培育創新項目。

WLAN設備升級換代周期短，在分層實驗體系科學的規劃下，WLAN實驗室建設有了明確、長遠的目標，并可根據當前狀態合理分配資源，分步驟、滾動式發展。

3 實驗室設備配置和選型

WLAN實驗室的設備的配置和選型圍繞WLAN運行場景構建和測試平臺搭建兩條主線開展，形成創新和實踐的培養場和試驗場，實驗設備配置的兩條主線如圖2所示。圖2的左半部分表示運行場景，圖的右半部分表示測試平臺。運行場景是實驗項目的基礎環境并為測試平臺提供測試對象，通過測試，能深入地發現問題和理解問題。在實驗室重構WLAN運行場景，為學生提供了全真的工程訓練和創新項目實踐環境及條件，實驗室更提供了各種精密測試儀表和測試軟件，可在信號、協議、網絡及應用等方面進行全方位測試。

圖2 實驗設備配置的兩條主線

WLAN實驗體系的4個層面解釋了實驗設備在各實驗項目中的作用，有了明確的目的，才能將設備、儀表用好。如頻譜分析儀的主要功能是信號層面的射頻信號觀測，部分頻譜分析儀的離線分析功能可進行解碼分析，這個功能就屬于協議層面，在協議分析的實驗項目中發揮作用。對比信號層的頻譜分析儀和協議層的WLAN測試儀，前者的協議分析功能無法與后者相比，而后者雖然也具備信號功率檢測功能，但也無法替代頻譜分析儀對射頻信號的觀測作用。

3.1 WLAN運行實驗場景構建

該實驗場景主要由智能終端、無線組網場景以及無線業務開發平臺構成。

（1）智能終端包括可移動和固定式終端。移動終端可考慮選擇平板電腦或嵌入式開發板，用于QoE測試和評估；固定式終端由“PC＋無線網卡”組成，其特點是可運行功能強大的業務軟件和測試軟件。

（2）無線組網場景包括AP、AC、認證服務器、接入服務器等實現WLAN組網的支持設備。AP分為“胖”和“瘦”兩類，根據實驗課規模配備足夠的數量。選擇的AP應具備盡量多的功能和支持盡量多的協議，如路由功能、NAT、安全認證、網絡管理、WDS等，這樣在實驗項目內容設計上才會少受限制。

（3）無線業務開發平臺由業務開發工具、模擬運行環境和智能終端提供的真實運行環境構成，學生可在這個平臺上設計和部署自己設計的業務軟件。在近幾年的本科生創新創業項目中，針對或利用智能終端的項目占通信類項目的較大比重，業務開發平臺應能為相關項目提供良好的支持和幫助。

3.2 WLAN測試平臺搭建

該平臺主要包括信號測試、協議測試和網絡測試3個子平臺。

（1）信號測試子平臺。該子平臺的核心設備是頻譜分析儀，還可配備信號發生器、WLAN綜合測試儀等測試儀表及軟件構成信號測試平臺。文獻［11］中提供了一種射頻測試解決方案。

①利用頻譜分析儀的在線測試功能可以觀測到被測區域無線通信場景的實時變化，包括WLAN射頻信號、背景噪聲和干擾信號，可以測量信號功率、信噪比、信干比、EMI等關鍵參數，這是無線通信環境的最核心、最基本的測試。部分較高端的頻譜分析儀可配合專門的WLAN測試軟件實現WLAN射頻信號的離線測試，如發射機載波泄漏和星座誤差（EVM），可用于評估WLAN產品質量。

②信號發生器可以模擬發射各種典型信號，對被測系統進行干擾，可測試不同干擾源的存在對WLAN系統的影響。

③信號測試平臺設備的頻率范圍至少應為3 GHz以上，覆蓋當前WLAN、藍牙和Zigbee的主流應用頻段為2.4GHz。如果進一步考慮到11a／n／ac幾個新標準都采用了5.8GHz民用頻段，測試儀表的頻率范圍最好應在6Hz以上。

（2）協議測試與分析子平臺。可配備網絡監聽和分析儀表或軟件，通過監聽和記錄空中信令交互過程，理論聯系實際，掌握WLAN各協議運行機制，分析故障原因。

常用的網絡監聽軟件加普通無線網卡可以監聽WLAN業務數據，但是不能抓取到WLAN信令數據，在選型時需特別注意。

（3）網絡測試子平臺?？膳鋫?WLAN測試分析儀、網絡流量發生器或測試軟件、網絡矢量分析儀、網絡仿真軟件等。

在文獻［12］中描述了利用WLAN測試儀測試設備性能的方案。網絡測試平臺能針對AP、AC等設備測試其客戶端容量、丟包率和時延、轉發吞吐量、多模接入能力等性能指標；在組網場景下，能測試和分析網絡有效吞吐量、切換與漫游性能、多制式系統并存的相互影響、多種業務的互相壓制與影響、安全設置漏洞、故障定位等。

4 實驗項目設計

實驗項目是學生技能培養的載體，實驗設備和平臺只是工具，沒有精心設計的實驗項目，再高端的儀表也起不了作用。好的實驗項目應具備明確的目的、可操作性強的實驗步驟、能啟發學生興趣，并引導他們做更深入的思考。

4.1 項目設計思路

按照分層實驗體系的規劃，每個層面的實驗項目都負有增強學生工程建設能力、科學研究能力和開拓創新能力的使命，但根據各層面的內涵和特點，在這3種能力的培養上也有各自不同的側重。

（1）信號層將不可見的無線信號可視化、形象化，利用測試儀表可直接觀測對象的本質，在激發學生科學研究興趣方面最有優勢。因此，信號層的實驗項目設計時應注意與基礎理論的銜接，如信號與系統、數字信號處理、通信原理等課程的相關知識點，啟發學生透過實驗觀測，思考和重構理論模型。

（2）協議層的主要手段是監聽，分析問題時可直達網絡運作的核心——協議和信令的交互過程。對于理解WLAN運作機理，發現問題根源，設計解決方案很有幫助。設計協議層實驗項目時應兼顧工程訓練和科學研究2個方面的需求。

（3）網絡層引導學生建設完整系統，進行綜合性能測試，了解WLAN網絡系統各部分的作用及相互之間的配合和影響。網絡層實驗項目在工程訓練方面優勢明顯，設計時可以以綜合型、小組合作型項目為主，強調方案設計、工程實施技能的訓練。同時，多網共存的性能測試、TCP流相互壓制等實驗內容有一定科學研究特色，注意引導學生關注這方面內容。

（4）應用層側重用戶體驗。學生可以通過業務開發平臺將自己的想法付諸實現，并應用到實驗環境中，取得實測結果。應用層在科創項目的培育方面優勢明顯，可考慮以開放性、設計型的實驗項目為主。

4.2 基礎型與綜合型項目設計

我們將實驗項目分為2個大類：基礎型和綜合型。

（1）基礎型項目針對每層特定目標訓練學生掌握基本的測試技巧和分析方法。如使用頻譜分析儀觀測背景噪聲、使用流量發生器產生指定業務類型的數據、使用WLAN測試儀分析信道有效利用率等。

（2）綜合型項目取材于WLAN組網建設、故障檢修、科學研究中的典型任務，并按照實驗教學特點和規律設計而成，需要運用多種設備和儀表，多名學生配合完成（綜合型實驗場景如圖3所示）。如無線“校園”網設計與實施、WLAN接入與認證、WLAN網絡綜合性能測試、移動業務測試、移動業務開發等。

圖3 綜合型實驗場景

在實際教學過程中，可以應用項目教學法將綜合型實驗項目改造為教學項目，將實驗目標改造為項目需求，實驗方法和步驟改造為項目引導文，引導學生從需求分析開始，制定計劃，選擇和擬訂方案，分工、實施，應用測試平臺對項目成果進行測試。在這個過程中，基礎型實驗項目可作為教學項目中的基礎技能訓練環節，在教師指導下完成或學生自主完成。

5 結束語

本文在WLAN網絡急需大量部署來提升用戶服務質量的背景下，立足于高校專業實驗室建設，針對WLAN方向人才培養，開創性地提出了分層實驗體系，并從規劃、設備配置和選型、實驗項目設計等方面進行了詳細說明和探討。網絡是個復合系統，內涵十分豐富，分層實驗體系為各部分工作找出了各自的地位和作用，以及它們相互之間的邏輯關系，為實驗內容建設過程中需要反復思量的“為什么要做？”、“為什么要這樣做？”、“做到什么程度才是合適的？”等問題指出了尋找答案的方向。例如：我們為什么需要購買頻譜分析儀——因為在最基礎的信號層，我們需要觀察WLAN射頻信號狀態，評估干擾影響，信號質量不佳可能導致協議層交互失敗，可能導致網絡容量不高，可能導致應用層用戶體驗下降。

分層實驗體系有助于我們理清實驗室建設思路，確定實驗建設內容和實驗指導方向，合理組織實驗項目，有效發揮各部分作用，不僅可用于指導WLAN實驗建設，還可推廣到網絡類其他專業，希望本文的探討和思考能起到拋磚引玉的作用。

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