基于分布式AC的VoWLAN系统的研究

【摘要】 VoWLAN是VoIP与WLAN的有机结合，是一种前景广泛的新兴应用。传统的WLAN网络对终端移动性支持不佳，不能满足VoWLAN的实时性要求。本文结合新兴的集中式WLAN网络架构，提出基于分布式AC的WLAN网络架构，并分析该架构对于VoWLAN业务的支持。

【关键词】 VoWLAN 终端移动性 分布式AC

一、引言

近年来，随着无线局域网（Wireless Local Area networks，WLAN）技术快速发展和市面上智能手机、平板电脑和笔记本等无线终端设备的普及，WLAN开始在个人家庭和企业办公环境中广泛运用，无线方式为上网带来了极大便利。

随着IEEE 802.11n标准的正式通过，WLAN的接入速度可以达到300Mbps，人们希望能将在有线网络上成熟运用的VoIP技术应用在WLAN上，即VoWLAN技术。VoWLAN技术对WLAN网络的设计提出更高的要求，因为IP话音业务对于实时性要求高，而传统的基于胖AP的WLAN网络中，终端在各个无线接入点（Access Point，AP）间切换时会产生较大的延迟甚至是通信中断，不能满足VoWLAN业务的需求。针对上述问题，本文结合集中式WLAN网络架构，提出基于分布式AC的WLAN架构，并分析该架构下的WLAN业务流程。

二、集中式WLAN网络架构

随着无线局域网应用的发展和网络规模的扩大，传统的基于胖AP的WLAN架构逐渐暴露出缺乏统一的管理手段、漫游支持不足、缺乏有效的接入和安全控制策略等缺点。为了解决以上问题，人们提出了集中式的WLAN网络架构。集中式WLAN网络架构的典型网络拓扑如图1所示。

相比于传统网络架构，集中式WLAN网络架构通过引入接入控制器（Access Controller，AC），简化了胖AP的功能。通过将部分功能，特别是对时延不敏感的高级功能，比如管理、控制、认证、安全等转移到AC上实现，大大减轻了AP的负担。简化后的无线接入点称为瘦AP，它相当于AC的一个远程受控天线，对外提供RF信号，实现WLAN的覆盖。

相对于基于胖AP的方案，集中式的WLAN组网架构更加适用于大规模组网，该架构具有以下优点：

（1）优秀的扩展性。无线控制设备有很强的可扩展性。目前常见的AC设备可以同时管理上千个AP，同时通过硬件升级或者堆叠技术，可以不断地扩充支持AP的数目，实现无线网络的平滑扩容。

（2）智能RF管理功能。AC能够远程设定AP的射频工作状态。 用户可以根据需要动态调整某个AP的覆盖范围和工作频段，可以保证相邻AP不会产生同频干扰。

（3）集中的网络管理。AC有着非常强大的集中管理功能。例如开通、管理、维护所有AP设备和移动终端、无线电波频谱、无线安全、接入认证、移动漫游以及接入用户管理等功能均可在AC上统一完成，而AP可以做到零配置，即插即用。

（4）漫游功能支持。移动终端在同一AC管理下的各个AP间切换，无需重新认证，大大减少了无线客户端和AP的关联时间，实现了快速二层、三层漫游的功能。

（5）负载均衡。由于在一个AP的覆盖范围内，无线连接的带宽是共享的，即无线终端数目越多，每个终端所能分享的带宽就越小。要确保每个无线终端的传输速率，就必须能限制单个AP上无线终端的数量或者带宽需求。而AC可根据策略，将AP上接入的部分无线终端分散到相邻的负担较小的AP上，实现AP间的负载均衡。

集中式WLAN对于终端漫游支持的提升，对于VoWLAN业务的发展具有极大的促进。然而，集中式WLAN网络有一个缺点：因为AP只是接受AC控制的一个远程天线，所以所有接入终端的数据需要AC完成转发。随着网络规模的扩大，AC转发压力很大。

VoWLAN是一种大数据量业务，对网络的QoS要求高。当AC的转发数据量达到一定程度，必然出现丢包、延时增大等异常情况，将降低VoWLAN的话音质量。

为了继承集中式WLAN在漫游方面的优势，同时避免AC成为系统瓶颈，最佳的办法是采用分布式AC取代单一AC，实现控制端的负载均衡，消除系统瓶颈。

三、基于分布式AC的WLAN网络架构

基于分布式AC的WLAN网络架构是指采用由多个AC组成的无线控制设备组取代集中式WLAN网络中的单AC，完成网络数据的转发，同时，无线控制设备组中各个AC间实现控制数据实时同步，每个AC都掌握了全网所有终端的信息，以保证对于终端漫游的支持。基于分布式AC的WLAN网络拓扑图如图2所示。

图中，全部AP划分为N个区域，分别由无线控制设备组中的N个AC设备控制，区域中的所有AP接受该AC的管理，并将所有管理和业务数据以隧道方式传递到AC上，由AC解包处理。每个AC负责维护一段IP地址池，向接入归属区域各AP的无线终端分配。地址池大小由接入规模决定。各区域内的AP数量和AC的控制关系可以通过配置动态调整。经过分片管理后，每个AC设备的负担大幅降低且可以动态调整，实现了控制侧的负载均衡，消除了系统瓶颈。

管理关系确定后，各AP从自己归属的AC上获取各种控制信息，并实时上报自身状态及所接入终端设备的各类信息。在无线控制设备组内部，各AC设备间采用数据同步的方式将所管辖的AP信息互相同步。此时每个AC都掌握了全网AP及所有接入WLAN的无线终端信息。无线终端在各个区域间移动，无线控制设备组内各个AC设备都能够及时发现，保证了良好的移动性。

四、分布式AC网络架构下的VoWLAN业务流程

基于SIP协议的话音系统是有线网络上VoIP业务的主流形式。在分布式AC的WLAN网络架构下，同样可以采用基于SIP的话音系统实现VoWLAN。

VoWLAN业务主要分为区域内终端互通、区域间终端互通和移动互通三种类型，下边分别详述。

4.1 区域内移动终端互通

区域内终端互通情况下，业务流程与数据发送方式与集中式WLAN网络架构类似，都是由单AC完成双向数据转发。只是区域内终端数量控制在AC处理能力范围内，不会对业务质量造成影响。

4.2 不同区域间终端互通

在分布式AC的WLAN网络架构中，由于无线控制设备组中各个AC实时同步业务数据，所以每个AC均掌握了所有移动终端的IP地址及该IP的归属AC。当收到目的地址为某个IP的数据包时，可根据上述IP地址与AC的映射关系，找到终端归属AC，完成数据转发。不同区域间终端互通业务流程如图3所示。

（1）两区域中各AP在开机上电后，根据配置与自己的归属AC 1、AC 2建立双向数据隧道，从AC上获取管理信息，上报本地状态及接入设备信息；（2）两终端A、B分别通各个区域中两AP接入WLAN，接受AC 1、AC2的认证，从各自的归属AC上获取了业务IP地址。两终端在接入WLAN后，按照SIP注册流程分别完成了向SIP服务器的鉴权，处于可用状态；（3）终端A呼叫终端B，SIP信令被封装在无线帧内，送到A的接入AP；（4）AP将数据丢到与AC 1建立的数据隧道中，AC 1解包，将IP包转发到SIP服务器；（5）SIP服务器根据注册状态，寻址到被叫终端B，向终端B归属的AC 2转发SIP信令；（6）AC 2根据目的IP，将数据丢到与终端B接入AP间的数据隧道，AP将请求送到终端B，终端B摘机接听；（7）A、B向对方发送媒体流，媒体IP包被封装成无线帧，送到接入AP。AP向各自归属的AC发送据，由AC解包，向目的IP所属的AC转发数据包，双方听到对方话音；（8）任意一方挂机，挂机请求沿着信令通道到达对端，通话结束。

4.3 终端移动状态下的互通

无线终端的移动在WLAN中移动分为两类：区域内移动与跨区域移动。

区域内移动是指无线终端在归属于同一区域的各AP间切换，该区域内所有AP均归属于同一个AC设备，与该AC建立数据隧道，所以无线终端在切换过程前后发送的数据都由这个归属AC负责转发，因此切换过程不会对话音业务造成任何影响。

跨区域切换是指无线终端从一个区域切换到另外一个区域，如图4所示。此时终端从区域1中AP 1覆盖范围移动到区域2中AP 2覆盖范围，归属关系也从AC 1转移到AC 2。AP2会将终端接入的信息通过数据隧道上报到AC 2，AC 2查询无线终端信息表，判定该终端是从区域1中移动过来，而不是新入网终端，所以无需认证、分配新IP地址。所以终端可以很快的完成漫游，在新的区域内继续执行业务。同时无线控制设备组间各AC通过同步，刷新无线终端信息表，全部掌握到终端的漫游信息。

下面以无线终端在跨区域切换状态下与有线SIP终端互通的过程为例介绍终端移动状态下的话音业务流程。图5所示为该过程的流程图。

（1）终端A位于区域1中，与有线终端建立了话音通信；（2）终端A开始向区域2移动，移动过程同图4；（3）终端A完成与区域2中AP的接入，通过AC2向有线侧转发媒体流；（4）有线终端仍然向终端A的IP地址发送RTP包，核心交换机根据既有路由配置，将目的IP为A的IP包送到AC 1上；（5）AC 1通过同步已经感知到终端A的漫游，因此将目的IP为A的数据包全部转发到AC2，最终送到终端；（6）对双方终端而言，移动过程对话音通信并未造成任何影响。

五、小结

VoWLAN业务是一种很有应用前景的WLAN网络应用。本文根据VoWLAN业务的需求特点，结合集中式WLAN网络架构，提出了基于分布式AC的WLAN网络架构，并分析了该架构下VoWLAN业务的几种典型流程。该架构在继承集中式WLAN在漫游方面优势的同时，实现了控制端的负载均衡，消除了系统瓶颈，可以很好的支持较大规模的VoWLAN应用。