基于虛擬蜂窩架構同頻技術的校園WLAN的應用

吳禮樂，徐雅涵

（中國石油大學（北京）信息技術中心，北京 102249）

隨著無線網技術的進步，無線網絡已經不再是有線網絡的延伸，移動接入已經逐漸成為了標準。校園無線網絡逐漸成為各高校的重要組成部分，成為提升教學環境品質，提高教育資源利用率，增加教育靈活性和交流性的重要方式。經過多年的建設，很多高校已部分或全部無線覆蓋校園，大多采用傳統微蜂窩架構WLAN產品，例如華為、H3C、銳捷、Aruba、Cisco等，但是這些廠商的AP用戶接入數量支持少，因此需要部署更多的AP來滿足密集接入的需求，而且存在相鄰AP之間信號干擾現象，信道規劃、設計、部署和維護等也會相應增加項目成本，等等這些問題嚴重影響校園無線網的質量，建設成本與用戶體驗不成正比，高建設成本低使用率的現象突出。同時隨著校園筆記本電腦和智能終端的普及，在學生宿舍區、教室、食堂、報告廳和實驗室人員密集的區域需要AP支持高密度覆蓋，同時也要提供高質量音頻、高性能視頻等關鍵業務的傳輸，傳統的微蜂窩架構無法達到這些要求，為了解決以上這些問題，采用了基于虛擬蜂窩架構同頻技術的WLAN解決方案來建設校園無線網絡。

1 虛擬蜂窩架構技術解決方案

不像傳統微蜂窩只是使用錯頻技術并嘗試盡可能避免同頻干擾所帶來的問題，使用空氣流量控制技術的虛擬蜂窩，則是讓所有AP設置在一個相同信道工作，然后通過控制器統一控制與管理。對于無線用戶來說，所有的AP都被視作為統一的一個虛擬AP。所有AP部署在同一信道中，并且擁有相同的BSSID。在虛擬蜂窩的部署底下，系統可以消除同頻干擾，并且有效的提高了信號復合區的性能，而不像傳統微蜂窩那樣只為避免干擾，使用錯頻技術和壓縮發射功率來部署無線網絡。

1.1 同一信道部署

在樓宇內部需要支持很高的用戶密度，如果采用微蜂窩架構需要大量重復使用相同的信道，RF信號面臨著嚴重的干擾，因為IEEE 802.11標準底下的AP工作于不被限制的射頻范圍，主要是2.4 GHz和5 GHz。2.4 GHz頻段同樣廣泛用于微波爐、無繩電話和其他無線設備。這個頻段被分割為3個不互相干擾的信道，信道1、6和11。如果工作于同一信道的AP之間物理部署比較接近的時候，將會引起干擾。為了擴大無線覆蓋范圍，增加更多的AP將會導致新舊AP之間的相互干擾和影響，而且實際上降低了網絡的整體性能。為了做好信道規劃和劃分，最方便的方法就是參照經典的六角形部署模型，這將會保證三個信道能夠最大可能的隔離開。然而同頻架構通過技術處理沒有信號干擾，一個ESS內的所有AP工作在同一信道，無線用戶無需再去考慮選擇什么信道，選擇什么AP去關聯，對于無線終端只會識別到一個AP，相同信道AP組成一個虛擬蜂窩，而哪個AP實際為用戶提供服務，是由后臺的無線控制器來統一管理的。圖1所示使用3個信道組成3個不同的虛擬蜂窩。

圖1 虛擬蜂窩同頻架構Fig.1 Virtual cells alike frequency architecture

1.2 真正無縫漫游

對于微蜂窩架構來說，在樓宇內部由于用戶數量較多，必須部署很多AP，增加了客戶端在AP之間跳動的幾率，客戶端在漫游時將出現很多問題。而采用虛擬蜂窩架構完全沒有漫游的概念，用戶永遠只會關聯同一個蜂窩。用戶在無線覆蓋區域走動的過程中，無需進行信道切換，無需更改關聯的蜂窩，可以平滑的通過所有區域。這個功能對于無線語音、視頻等應用來說是非常重要的，如果用戶在走動過程中發生信號中斷、重連、重認證等事情，對于這些應用來說是致命的。然而虛擬微蜂窩架構能夠使得無線用戶的數據、語音和視頻在漫游時的切換時延小于3 ms，實現無線用戶“0漫游”。

1.3 多層信道增加容量

使用同一信道部署AP形成虛擬蜂窩以后，可以利用另外剩余的非沖突信道進行系統容量的擴充。然而，在傳統的微蜂窩架構中，所有的這些非沖突信道都已經被利用做覆蓋了，沒有辦法進行擴充容量。

在系統容量以及吞吐量方面，虛擬蜂窩技術明顯比傳統的微蜂窩技術優勝。特別是在信噪比（SNR）方面，虛擬蜂窩技術能夠提供比微蜂窩更高的信噪比。高的信噪比意味著系統能夠提供更高的容量以及更高的傳輸速率。低的信噪比往往會造成低傳輸速率的問題，比方說在802.11a和802.11g中的6 Mbps傳輸速率。

在微蜂窩架構中，在某一位置只能提供一個信道的良好信號覆蓋。因此，微蜂窩的用戶只能在某個位置獲得高信噪比，而在其他大部分區域中都僅能獲取很低的信噪比。然而，在多層信道化劃分的虛擬蜂窩架構中，用戶在任何一個位置都能獲取到高的信噪比。

微蜂窩為了避免干擾錯頻部署AP，犧牲了2/3的系統容量。虛擬蜂窩則是消除了同頻干擾問題，利用了所有的可用信道提供高質量、高吞吐量的無線覆蓋。

1.4 高效的負載均衡

在虛擬蜂窩架構中，由無線控制器去決定哪個AP負責為無線用戶收發數據，用戶不需要選擇。而在傳統微蜂窩架構中，無線用戶必須無時無刻去偵聽、鑒別哪個AP更適合為自己提供服務，可是無線用戶沒有辦法獲取足夠的信息去判別該AP是否真正適合自己關聯。盡管使用了AP的負載信息共享以及許可控制技術（802.11k和802.11v的擴充，WMM服務質量標準的一部分），無線WLAN產品行業內還是在尋找解決單一信道AP相干擾的方法。換句話說，目前最好的微蜂窩技術還是沒有辦法解決信道干擾問題。相反的，虛擬蜂窩技術有效的利用了所有信道以及AP的資源，保證了AP為無線用戶提供最大的容量以及最高的性能。

1.5 改進多路徑傳輸的性能

信噪比并非影響信號質量的唯一因素。信號多路徑傳輸以及經過建筑物的反射和散射以后，將會造成波形的變形和扭曲。波形變化越厲害，無線用戶的丟包率將會變得越高，速率也會隨之降低，直到調整到一個穩定狀態為止。

在虛擬蜂窩架構中，系統會選擇一個能夠提供最高傳輸速率的AP給無線用戶。虛擬蜂窩的無線系統擁有全局無線射頻的狀態信息，比起傳統微蜂窩中每個用戶自己去考察周邊AP的狀態，虛擬蜂窩系統能夠實時為無線用戶選擇合適的AP。

1.6 節能降耗

降低無線設備的功耗是非常困難的，因為當遇到信號干擾導致信號衰減時，設備平衡發送和回收數據包的電池消耗是很難控制的。然而，無論系統如何設置功耗，在傳統微蜂窩架構中的無線用戶不可避免的需要經歷802.11的切換。再而，微蜂窩系統缺乏對所有AP很好的控制，通常會讓用戶保持在較低的連接速率工作（這就是黏著用戶的問題）。

低連接速率意味著需要傳輸更長的時間，6 Mbps的連接速率將會使無線用戶的傳輸時間比54 Mbps高出10倍。另外，完全的802.11i切換，比方說WPA和WPA2網絡，需要為每次切換額外多傳輸最多20個數據包，通常還要求用戶退出省電模式以讓切換能快速進行。在傳統微蜂窩部署中，越多的移動終端，電池能量消耗就越快。

虛擬蜂窩消除了黏著用戶和切換問題，允許用戶總是與提供最高連接速率的AP通訊，同時保證無需802.11切換。

2 基于虛擬蜂窩架構的校園WLAN的實際應用

基于Meru虛擬微蜂窩架構WLAN解決方案，成功實施了校園無線網絡項目工程，覆蓋了20棟樓宇，部署了1 000個AP、50臺POE交換機、1臺匯聚交換機、3臺無線控制器、1套無線網管系統和1套Portal安全認證計費系統，組建了校園WLAN專網。采用Meru AP320，實現了樓宇內部AP同頻部署、無縫漫游、高密度接入等功能；采用本地轉發模式，實現了數據、語音和校園組播視頻的高質量傳輸；采用H3C 5800網關，實現了基于匯聚層網關型無線網用戶Portal安全準入認證。

2.1 虛擬蜂窩架構WLAN設計

每棟樓宇內部采用Meru特有的同頻虛擬蜂窩架構進行部署，實施前期沒有對站點進行勘查，所有AP工作在1、6或者11三個信道中的一個，AP部署時只考慮樓層房間信號覆蓋強度，減少實施和維護成本。各AP通過六類雙絞線與本樓宇的802.3AF/AT標準POE千兆交換機相連，每棟樓宇部署若干臺POE交換機，通過單模光纖千兆GE光接口上聯至無線匯聚交換機，無線匯聚交換機通過光纖萬兆SFP+接口上聯至校園核心主干網絡，最終形成虛擬蜂窩架構WLAN專網。WLAN專網設計架構如圖2所示。

圖2 虛擬蜂窩同頻WLAN設計Fig.2 Alike frequency WLAN design of virtual cells

2.2 無縫漫游、高密度接入設計

采用Meru虛擬蜂窩架構WLAN技術，實現了辦公樓、教學樓等20棟樓宇內區域信號100%覆蓋，部署Meru 11n AP總計1 000個，因為使用同頻部署技術，同一樓宇內用戶使用同一信道，永遠只會關聯到同一個虛擬蜂窩。用戶在樓宇內無線覆蓋區域走動的過程中，不會進行信道切換，不會更改關聯的蜂窩，可以平滑的通過所有的信號覆蓋區域，用戶的數據、語音和視頻在漫游時的切換時延均小于3 ms，實現了樓宇內部用戶無縫0漫游，并且在信號最差區域也能獲得接收信號強度指示RSSI大于-70 dBm的信號強度，不存在覆蓋盲區。在教學樓、食堂、會議室高密區域，同一AP接入最大用戶數達120個，通過部署最少的AP，實現了高密度、高容量的用戶體驗。

2.3 高性能轉發設計

所有AP通過三層網關DHCP Server獲取到IP地址之后，通過網關DHCP池里的Option43參數設定，自動快速尋找并注冊到參數指定的無線控制器，采用本地轉發模式，用戶數據流量由AP直接轉發到網絡中，無須通過無線控制器再進行二次轉發，減輕了控制器的壓力，同時又實現了高性能、高容量、高密度的數據轉發網絡。H3C 5800的DHCP池Option 43參數設定如下：

//Meru控制器IP地址10.0.0.1，對應的Option43參數是2B083130 2E302E30 2E31

dhcp server ip-pool library-wlan-AP

option 43 hex 2B083130 2E302E30 2E31

2.4 安全優化設計

為了保證POE交換機及AP設備不受終端用戶的干擾，在POE接入交換機和無線專網匯聚交換機采用接口Trunk技術使設備和用戶VLAN分開，在匯聚交換機上分別配置AP設備以及終端用戶兩個不同VLAN的DHCP池，實現了同一樓宇設備和用戶VLAN、DHCP池相互獨立。

采用H3C 5800作為無線網匯聚層三層網關，每棟樓宇客戶端通過網關DHCP Server獲取到對應VLAN的IP地址之后，此時還無法訪問網關外網絡，只允許訪問Portal服務器的認證頁面和DNS服務器，當客戶端打開瀏覽器輸入任何網址上網時網關Portal功能會自動重定向到已建立好的Portal服務器認證頁面進行認證，客戶端輸入用戶名和密碼進行認證成功之后才可訪問網絡，實現了客戶端Portal安全準入認證。命令行實現如下：

//Radius和Portal服務器IP地址是 192.168.0.1，連接口令均為123456

//定義 Radius名為 rs1，Domain 名為 dm1，Portal名 pt，用戶VLAN ID號為10

//DNS IP地址為10.200.0.1

radius scheme rs1

primary authentication 192.168.0.1

primary accounting 192.168.0.1

key authentication 123456

key accounting 123456

user-name-format without-domain

domain dm1

authentication portal radius-scheme rs1

authorization portal radius-scheme rs1

accounting portal radius-scheme rs1

domain default enable dm1

portal server pt ip 192.168.0.1 key 123456 url http://192.168.0.1/portal.html

portalfree-rule 1 destination ip 10.200.0.1 mask 255.255.255.255

interface vlan-interface 10

portal server pt method direct

3 結束語

基于Meru虛擬微蜂窩架構組網技術，通過統一、系統、科學的校園無線頻點設計、規劃和管理，在現有有線校園網的基礎上，實現了無線校園網獨立成網、全網漫游、統一認證、區分服務；提供IPv4/IPv6雙棧服務，開展語音、視頻以及傳感網技術試驗；建設成了國際領先的無線校園網絡，達到世界一流大學校園無線網絡覆蓋規模和服務水平。在這種架構下搭建的校園WLAN網絡已經穩定運行了1年，證明該建設方案切實有效。

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