一种无线室内AP的应用与设计

1 引言

WLAN(无线局域网)是计算机网络与无线通讯技术结合的产物，目前其发展已比较完善，速度也越来越快，安全性方面也有了长足的发展，已经有越来越多的热点地区采用WLAN作为高速无线数据的接入手段。但与此同时，人们也发现，无线AP（接入点）的覆盖效果始终是在空旷地区较好，而室内覆盖则差强人意，甚至无法接入，因此，解决无线AP的室内覆盖问题就成为WLAN发展的重要问题之一。

2 WLAN与无线AP

LAN是把分布在数公里范围内的不同物理位置的计算机设备连在一起，在网络软件的支持下可以相互通讯和资源共享的网络系统。一般的计算机组网是采用铜缆或光缆组成有线局域网，但这受到布线工程量大，线路容易损坏，安装不灵活等问题的限制，而WLAN就是解决有线网络以上问题而出现的。无线联网方式是对有线联网方式的一种补充和扩展，使网上的计算机具有可移动性，能快速、方便地解决以有线方式不易实现的网络联通问题。

无线局域网由无线网卡(Network Interface Card, NIC)、无线接入点(AccessPoint, AP)、计算机和有关设备组成。无线网卡把设备与无线网络连接起来，而接入点把无线网络与有线网络连接起来，它是无线网和有线网之间沟通的桥梁。由于使用无线媒体，在天线辐射功率一定的情况下，无线局域网中工作站与工作站之间的通讯距离受到限制。通常，通信的距离因应用环境不同而不同。无线局域网可覆盖的区域一般称为服务域（Service Area）。服务域又可分为基本服务区域（BSA）和扩展服务区域（ESA）。BSA指由无线局域网中站的无线收发机及地理环境所确定的通信覆盖区域，对于一般用户来讲，希望BSA越大越好，然而，考虑到无线资源（如频率资源）的有效利用和无线通信技术上的限制，BSA不可能太大，通常范围在100m以内，也就是说，BSA中两个相距最远的工作站应该在100m以内。为了扩大无线局域网的覆盖区域，就需要采用AP把BSA与骨干网络（通常为有线局域网）连接起来。与同一个骨干网相连的多个BSA中的工作站经由AP与有线骨干网相连，从而构成了扩展服务区域。典型的ESA的覆盖范围比BSA大大增加，一般与有线局域网一样，在几千米以内。

另外，在ESA中，AP除了完成无线与有线的桥接作用外，它还确定了一个以它为中心的BSA的地理位置。

在无线局域网中，AP所实现的功能包括：对小区内的移动终端的管理，如登录认证；完成IEEE802.11中入口的功能，实现从802.11到802.X帧格式和从802.X到802.11帧格式的转换；完成数据帧从无线网络到有线网络的桥接过程，实现地址过滤以及地址学习功能；完成移动终端在不同的BSA间越区切换的管理以及移动终端与Internet的兼容，使移动终端在越区切换后仍可以保持连接，做到操作透明性和性能透明性；实现简单网管功能；完成WEP算法等。可见，AP是实现无线局域网移动功能的关键部分。

3 WLAN应用中的局限

WLAN的优点显而易见，因此它受到了很多公司组织和用户的青睐，但同时，它的局限性也随着其应用的飞速增加而变得明显起来。无线电信号干扰、系统兼容性、网络安全、连接问题、安装局限、信号稳定性、健康危害都或多或少地制约了无线网络的进一步发展，其中又以信号连接最为关键。

由于无线网络的信号在传播过程中暴露在空气中，因此，建筑物，高大的树木等各种障碍物都会影响无线电波的传播，在某些方向削弱信号，扭曲信号，甚至使得部分电波改变传播方向，但在室外相对空旷的环境下，这些信号的削弱、扭曲等对无线网络连接不会产生太大的影响，一般情况下不会影响无线网络的连接质量，但是，如果用户需要在室内进行无线连接，也就是说无线工作站处于室内的话，由于室内相对狭小，结构复杂，障碍物多而且密集，其影响难以忽略，室内影响无线连接质量的干扰因素主要有以下几点：

（1）由于室内建筑布局复杂，信号传播中会受到家具、门窗、墙壁、天花板的阻挡，引起无线电信号的反射、折射、衍射现象，发射信号往往经过多条不同路径，以不同的时间到达用户，造成传播信号在时延扩展、信号幅度、频率和相位的改变，从而导致多径传播效应。

（2）人体90%的成分是水，水的共振频率为2.4GHz，因此人体也是干扰无线信号的因素之一。而同一地点测量的信号强度会随着用户站立方向的不同而发生显著的变化。当用户面朝AP时，AP的信号到达网卡为视距传播(LOS ,Line of Sight),信号强度很强；而当用户背朝AP时，用户的身体遮挡了信号，信号强度下降,两者之间的差别可达5~10dBm。

（3）IEEE 802.11b/g协议已成为无线局域网应用的主流,它们工作在2.4GHz的公共频段上，这使得信号在传播过程中会受到其他使用该频段的设备(如手机、微波炉、采用Bluetooth协议通讯的设备)的干扰。

由于以上原因的影响，无线网络连接质量在室内一般会下降的很快，甚至无法保证连接的稳定性，出现频繁掉线的情况。目前一般在室内进行无线连接的工作站都尽量靠近窗口，才能尽可能地保证信号连接的稳定，但这样就使得无线网络的灵活性、可移动性的优势在室内几乎不复存在。

4 室内AP的设计

由于存在以上介绍的WLAN中AP覆盖室内存在的种种局限，就需要有用于改善WLAN无线覆盖效果的网络优化措施，以解决“信号弱”、“遮挡”、“高衍射损耗”和“冷点”等问题，而室内AP的设想就是在此基础上提出的，一方面，它要能与室外AP相连，确保室内工作站能顺利接入无线网络，另一方面，它还需要具备基本路由功能，保证室内的多台工作站都能同时上网。因此，该AP应该同时具备AP Client模式和路由模式，作为Client模式时，可以自动锁定到某一个室外AP，同室外AP进行连接；作为室内型无线路由器时，可以支持多个有线或无线网卡的接入。其应用示意图如图1所示：

根据以上应用需求分析，系统主要就由两大功能部分组成，Client Module（CM）和AP Router Module（RM），作为Client时，功率应尽量较大，以保持与外界AP的良好连接，而对于室内无线路由来讲，则在保证室内连接质量的情况下更应考虑功率不宜太大，以免AP间互相干扰以及危害人体健康。考虑到以上因素， CM和RM模块应彼此尽量独立，系统主要架构如图2所示。

本设计选择Atheros公司的AR2315及AR2317分别作为CM和RM芯片，对系统的具体实现进行说明。AR2315及AR2317均包括一颗嵌入式CPU，采用MIPS公司的MIPS 4000，主频是180MHz。所不同的是，AR2315支持PCI总线接口，外接LNA、PA和RF switch，而AR2317不支持PCI总线接口，内置LNA、PA和RF switch，以及一个1.8V变压器。正是由于AR2315外置PA，所以可以做到将功率尽量放大。AR2315模块示意如图3，AR2317基本和2315类似，只是将PA、RF等部分内置进入了芯片。

AR2315与AR2317之间通过以太网交换芯片ADM6996F（5个10/100M以太口，两个MII口）进行通信，它由AR2317进行控制，系统交换矩阵如图4所示。AR2315通过MII接口和RTL8201CP连接，RTL8201CP是台湾RealTek公司生产的单口的以太网PHY芯片。AR2315占用ADM6996的LAN0口，AR2317占用MII0口，而对用户提供的LAN则占用了ADM6996的其他LAN口。

软件平台由以下几部分组成：系统引导程序、嵌入式操作系统内核、文件系统。系统引导系统称为bootloader，这部分的代码量虽然少，但作用很大，它负责将操作系统内核固化到Flash中和进行系统初始化工作，然后将系统控制权交给操作系统。嵌入式操作系统内核是嵌入式系统加电运行后的管理平台，负责实时性任务和多任务的管理。文件系统是嵌入式系统软件平台占用存储量最大的一部分，也是与开发最相关的一部分。它存储了系统配置文件、系统程序、用户应用程序和必需的驱动程序。

对用户来说，该室内AP是一个整体，因此应该对外提供一个统一的配置管理接口，使用户同时能对CM和RM进行控制，需要配置的项主要包括：

（1）SSID（Service Set Identifier），它可以将一个WLAN分为几个需要不同身份验证的子网络，每一个子网络需要独立的身份验证，只有通过身份验证的用户才能进入相应的子网络，防止未被授权的用户进入，可以加强网络的安全性。同时，CM模块会自动搜索SSID号相同且效果最好的网络进行连接，连接之后可以进行锁定。

（2）MAC（Media Access Control），它可在WLAN的每一个接入点设置一个许可接入的用户MAC地址清单，对于地址不在该清单上的用户，AP将拒绝其接入。这也可在一定程度上增强网络安全性，另一方面，用户也可自行配置，使一个BSA内的多台工作站实现选择性上网。

（3）802.1x认证需要的用户名和密码输入，以及作为室内无线路由器所需要的配置项目如CH设置、NAT、DHCP server等。

参考文献

[1]无线局域网标准IEEE802.11g的技术优势.中国IT认证实验室.2004.9.

[2]计算机网络第3版.清华大学出版社,1998.7.

[3]无线通信原理及应用.电子科技大学出版社,1999.11.

[4]无线局域网（WLAN）-原理、技术与应用.西安电子科技大学出版社,2004.4.