淺析高性能運(yùn)營(yíng)級(jí)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)

（中國(guó)信息通信研究院，北京 100191）

1 引言

隨著近年來(lái)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，Wi-Fi已經(jīng)成為人們接入互聯(lián)網(wǎng)的主要方式之一。消費(fèi)者通過(guò)購(gòu)買(mǎi)無(wú)線(xiàn)家用路由器就能夠在家庭中構(gòu)建自己的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)在一些公共區(qū)域運(yùn)營(yíng)級(jí)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)也發(fā)揮了巨大的作用。例如在體育場(chǎng)館、機(jī)場(chǎng)、火車(chē)站、商場(chǎng)等人員密集區(qū)域蜂窩網(wǎng)絡(luò)無(wú)法滿(mǎn)足眾多人同時(shí)上網(wǎng)的需求。需要運(yùn)營(yíng)級(jí)Wi-Fi作為補(bǔ)充提供相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。但運(yùn)營(yíng)級(jí)的公共Wi-Fi多年來(lái)存在用戶(hù)體驗(yàn)不佳的問(wèn)題。例如經(jīng)常出現(xiàn)上網(wǎng)速度慢，無(wú)線(xiàn)路由器負(fù)載過(guò)大，用戶(hù)無(wú)法選擇最佳AP接入等問(wèn)題。Wi-Fi聯(lián)盟推出了Wi-Fi Vantage項(xiàng)目旨在提升運(yùn)營(yíng)級(jí)Wi-Fi的用戶(hù)體驗(yàn)。其主要集中在四個(gè)方面：快速發(fā)現(xiàn)及安全接入網(wǎng)絡(luò)，智能化的網(wǎng)絡(luò)管理，高性能的數(shù)據(jù)傳輸以及無(wú)感知的網(wǎng)絡(luò)漫游。

2 網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)現(xiàn)

在傳統(tǒng)模式下，客戶(hù)端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)掃描去發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。一般情況下，用戶(hù)打開(kāi)終端設(shè)備的Wi-Fi設(shè)置界面，設(shè)備將掃描到的AP添加到列表中。但是當(dāng)設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)時(shí)，掃描仍然會(huì)持續(xù)在后臺(tái)進(jìn)行。如此多的probe request /response會(huì)影響信道效率，降低網(wǎng)絡(luò)傳輸速度。在Wi-Fi聯(lián)盟推出的OCE項(xiàng)目中，優(yōu)化了信道掃描過(guò)程。在A(yíng)P發(fā)出的Beacon和probe response 攜帶其5分鐘內(nèi)發(fā)現(xiàn)的鄰居AP的信息，通常為BSSID。例如客戶(hù)端收到AP信息告知某信道內(nèi)沒(méi)有其他AP，則客戶(hù)端就可跳過(guò)該信道去其他信道掃描。同時(shí)引入了802.11ai提出的FILS快速發(fā)現(xiàn)幀，其被稱(chēng)為縮小版的Beacon，攜帶AP的基本信息例如基本服務(wù)集標(biāo)識(shí)（BSSID），SSID，TBTT（下一個(gè)beacon發(fā)送時(shí)間）。其發(fā)送間隔縮短為20ms，而傳統(tǒng)的beacon為100ms。 因此這種機(jī)制能夠讓客戶(hù)端更快的發(fā)現(xiàn)AP。在probe request/response方面，OCE也做了優(yōu)化。當(dāng)AP收到Probe request，其通過(guò)廣播的方式回復(fù)probe response，以便能夠讓更多的客戶(hù)端設(shè)備發(fā)現(xiàn)。同時(shí)為了提高信道效率，將Beacon以及probe request/response速率規(guī)定在5.5Mb/s以上以提高信道利用率。

3 智能化的網(wǎng)絡(luò)管理

在人員密集的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控與管理提出了很高的要求。如果缺乏相應(yīng)的管理會(huì)導(dǎo)致各種問(wèn)題的發(fā)生。例如某些AP負(fù)載過(guò)高而某些AP又利用率低下。2.4G頻段上充斥大量終端導(dǎo)致信道擁塞，傳輸效率低下。某些終端在遠(yuǎn)離AP情況下卻沒(méi)有斷開(kāi)連接，導(dǎo)致AP虛連接增多白白浪費(fèi)資源。為此，Wi-Fi聯(lián)盟推出了MBO項(xiàng)目。其推薦無(wú)線(xiàn)路由器與終端動(dòng)態(tài)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。通過(guò)發(fā)送鄰居報(bào)告了解當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況。AP與客戶(hù)端能夠通過(guò)ANQP協(xié)議或BTM協(xié)議交換相關(guān)信息例如接收信號(hào)強(qiáng)度、選擇接入優(yōu)先級(jí)，基本服務(wù)單元標(biāo)識(shí)等信息。為后續(xù)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)情況發(fā)生變化時(shí)，AP通過(guò)BTM管理幀與客戶(hù)端交換信息，告知其下一步操作。例如當(dāng)AP發(fā)現(xiàn)某一關(guān)聯(lián)的客戶(hù)端信號(hào)很微弱，會(huì)通過(guò)BTM request中斷連接，并通過(guò)鄰居報(bào)告幫助其漫游到最佳AP。此種機(jī)制既提高了用戶(hù)滿(mǎn)意度也提升了網(wǎng)絡(luò)效率。

4 高速率的數(shù)據(jù)傳輸

在數(shù)據(jù)傳輸方面推薦采用802.11ac標(biāo)準(zhǔn)。802.11ac（VHT，Very High Throughput）是基于5G頻段的802.11n（HT，High Throughput）技術(shù)的演進(jìn)版本。通過(guò)使用256QAM，80M帶寬，波速成形等一系列技術(shù)使得設(shè)備可以達(dá)到千兆以上的傳輸速率。它的最高速率可達(dá)到6.9Gb/s。同時(shí)Wi-Fi聯(lián)盟建議使用MU-MIMO（Multi-User MIMO），即多用戶(hù)多入多出技術(shù)。MUMIMO技術(shù)可以在同一時(shí)間（絕對(duì)時(shí)間點(diǎn)）讓一臺(tái)AP將數(shù)據(jù)發(fā)送至多終端（終端也必須支持MU-MIMO）。即同時(shí)為每一個(gè)客戶(hù)端建立獨(dú)立的空間流。例如一臺(tái)4X4空間流的AP可以在同一時(shí)間最多與四個(gè)客戶(hù)端進(jìn)行連接與數(shù)據(jù)傳輸。從而極大地提高了網(wǎng)絡(luò)的容量與使用效率。

5 快速的網(wǎng)絡(luò)鑒權(quán)

在企業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)例如政府機(jī)構(gòu)、銀行機(jī)構(gòu)等安全級(jí)別較高的場(chǎng)所中，客戶(hù)端通常通過(guò)WPA2企業(yè)級(jí)認(rèn)證接入無(wú)線(xiàn)網(wǎng)。這是一種基于證書(shū)與AAA服務(wù)器的身份驗(yàn)證方式。客戶(hù)端與鑒權(quán)服務(wù)器會(huì)通過(guò)大量EAP封裝包進(jìn)行信息的交換。這無(wú)疑增加了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。特別是在網(wǎng)絡(luò)擁塞情況下，容易造成信息丟失，身份驗(yàn)證超時(shí)等現(xiàn)象。嚴(yán)重影響了用戶(hù)體驗(yàn)。在Wi-Fi聯(lián)盟推出的Vantage計(jì)劃中，建議使用基于802.11ai標(biāo)準(zhǔn)的快速鑒權(quán)機(jī)制FLIS（Fast Initial Link Setup）。FILS核心思想就是通過(guò)第一次EAP全過(guò)程鑒權(quán)生成重關(guān)聯(lián)根秘鑰，并緩存在客戶(hù)端和AAA服務(wù)器中。當(dāng)客戶(hù)端連接域中其他AP時(shí)，只需要兩次Authentication幀交互就能完成鑒權(quán)及數(shù)據(jù)秘鑰的生成，省去了四次握手的過(guò)程。特別適用于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)使用同一AAA服務(wù)器的場(chǎng)景。

6 結(jié)束語(yǔ)

追求卓越的用戶(hù)體驗(yàn)已成為Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。對(duì)于運(yùn)營(yíng)級(jí)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)而言，高速率的數(shù)據(jù)傳輸，快速的網(wǎng)絡(luò)切換，合理的網(wǎng)絡(luò)選擇以及智能化的網(wǎng)絡(luò)管理都是未來(lái)所追求的目標(biāo)。而Wi-Fi聯(lián)盟推出的Wi-Fi Vantage包含MBO，OCE，VHT等子項(xiàng)目也正是將這些特點(diǎn)結(jié)合在一起，為高性能的運(yùn)營(yíng)級(jí)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)指明了方向。