淺析高性能運營級Wi-Fi網絡發展趨勢

（中國信息通信研究院，北京 100191）

1 引言

隨著近年來移動互聯網的飛速發展，Wi-Fi已經成為人們接入互聯網的主要方式之一。消費者通過購買無線家用路由器就能夠在家庭中構建自己的Wi-Fi網絡。同時在一些公共區域運營級Wi-Fi網絡也發揮了巨大的作用。例如在體育場館、機場、火車站、商場等人員密集區域蜂窩網絡無法滿足眾多人同時上網的需求。需要運營級Wi-Fi作為補充提供相應的網絡服務。但運營級的公共Wi-Fi多年來存在用戶體驗不佳的問題。例如經常出現上網速度慢，無線路由器負載過大，用戶無法選擇最佳AP接入等問題。Wi-Fi聯盟推出了Wi-Fi Vantage項目旨在提升運營級Wi-Fi的用戶體驗。其主要集中在四個方面：快速發現及安全接入網絡，智能化的網絡管理，高性能的數據傳輸以及無感知的網絡漫游。

2 網絡的快速發現

在傳統模式下，客戶端通過網絡掃描去發現網絡。一般情況下，用戶打開終端設備的Wi-Fi設置界面，設備將掃描到的AP添加到列表中。但是當設備連接到網絡時，掃描仍然會持續在后臺進行。如此多的probe request /response會影響信道效率，降低網絡傳輸速度。在Wi-Fi聯盟推出的OCE項目中，優化了信道掃描過程。在AP發出的Beacon和probe response 攜帶其5分鐘內發現的鄰居AP的信息，通常為BSSID。例如客戶端收到AP信息告知某信道內沒有其他AP，則客戶端就可跳過該信道去其他信道掃描。同時引入了802.11ai提出的FILS快速發現幀，其被稱為縮小版的Beacon，攜帶AP的基本信息例如基本服務集標識（BSSID），SSID，TBTT（下一個beacon發送時間）。其發送間隔縮短為20ms，而傳統的beacon為100ms。 因此這種機制能夠讓客戶端更快的發現AP。在probe request/response方面，OCE也做了優化。當AP收到Probe request，其通過廣播的方式回復probe response，以便能夠讓更多的客戶端設備發現。同時為了提高信道效率，將Beacon以及probe request/response速率規定在5.5Mb/s以上以提高信道利用率。

3 智能化的網絡管理

在人員密集的網絡場景中，對網絡的監控與管理提出了很高的要求。如果缺乏相應的管理會導致各種問題的發生。例如某些AP負載過高而某些AP又利用率低下。2.4G頻段上充斥大量終端導致信道擁塞，傳輸效率低下。某些終端在遠離AP情況下卻沒有斷開連接，導致AP虛連接增多白白浪費資源。為此，Wi-Fi聯盟推出了MBO項目。其推薦無線路由器與終端動態監控網絡環境。通過發送鄰居報告了解當前網絡狀況。AP與客戶端能夠通過ANQP協議或BTM協議交換相關信息例如接收信號強度、選擇接入優先級，基本服務單元標識等信息。為后續網絡優化奠定了基礎。當無線網絡情況發生變化時，AP通過BTM管理幀與客戶端交換信息，告知其下一步操作。例如當AP發現某一關聯的客戶端信號很微弱，會通過BTM request中斷連接，并通過鄰居報告幫助其漫游到最佳AP。此種機制既提高了用戶滿意度也提升了網絡效率。

4 高速率的數據傳輸

在數據傳輸方面推薦采用802.11ac標準。802.11ac（VHT，Very High Throughput）是基于5G頻段的802.11n（HT，High Throughput）技術的演進版本。通過使用256QAM，80M帶寬，波速成形等一系列技術使得設備可以達到千兆以上的傳輸速率。它的最高速率可達到6.9Gb/s。同時Wi-Fi聯盟建議使用MU-MIMO（Multi-User MIMO），即多用戶多入多出技術。MUMIMO技術可以在同一時間（絕對時間點）讓一臺AP將數據發送至多終端（終端也必須支持MU-MIMO）。即同時為每一個客戶端建立獨立的空間流。例如一臺4X4空間流的AP可以在同一時間最多與四個客戶端進行連接與數據傳輸。從而極大地提高了網絡的容量與使用效率。

5 快速的網絡鑒權

在企業級網絡例如政府機構、銀行機構等安全級別較高的場所中，客戶端通常通過WPA2企業級認證接入無線網。這是一種基于證書與AAA服務器的身份驗證方式。客戶端與鑒權服務器會通過大量EAP封裝包進行信息的交換。這無疑增加了網絡的負擔。特別是在網絡擁塞情況下，容易造成信息丟失，身份驗證超時等現象。嚴重影響了用戶體驗。在Wi-Fi聯盟推出的Vantage計劃中，建議使用基于802.11ai標準的快速鑒權機制FLIS（Fast Initial Link Setup）。FILS核心思想就是通過第一次EAP全過程鑒權生成重關聯根秘鑰，并緩存在客戶端和AAA服務器中。當客戶端連接域中其他AP時，只需要兩次Authentication幀交互就能完成鑒權及數據秘鑰的生成，省去了四次握手的過程。特別適用于網絡內使用同一AAA服務器的場景。

6 結束語

追求卓越的用戶體驗已成為Wi-Fi網絡發展的重要趨勢之一。對于運營級Wi-Fi網絡而言，高速率的數據傳輸，快速的網絡切換，合理的網絡選擇以及智能化的網絡管理都是未來所追求的目標。而Wi-Fi聯盟推出的Wi-Fi Vantage包含MBO，OCE，VHT等子項目也正是將這些特點結合在一起，為高性能的運營級Wi-Fi網絡指明了方向。