基于IEEE802.11n的无线网络及其在校园网的应用研究

摘要：该文对IEEE 802.11n的标准及其核心技术进行了介绍，并就基于它的无线设备组建的校园网进行了分析，对它在校园网中的应用进行了研究。

关键词：IEEE 802.11n标准；无线网；校园网

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)36-2859-03

Wireless Network with the Standard IEEE 802.11n and their Applications in Schoolnet

DU Xin-zheng1,WANG Ai-xia2

(1.School of Business,Jinling Institute of Technology,Nanjing 211169,China;2.School of Information Science and Technology,Jinling Institute of Technology,Nanjing 211169,China)

Abstract: In this paper，the standard of IEEE 802.11n and it's core technology is introduced,and schoolnet with IEEE 802.11n device is analyzed，and the application of the wireless network in schoolnet is studied .

Key words: IEEE 802.11n standard; wireless network; schoolnet

1 前言

随着无线技术的快速发展，企业移动信息化的需求日益强烈，如何为企业用户提供安全、稳定、高速的无线网络也变得非常迫切。IEEE 802.11n作为Wi-Fi的下一代技术标准，其技术优势已经家喻户晓。与之前标准相比，高达5倍的传输速率、2倍的吞吐量，同时采用MIMO技术，抗干扰性方面了有了很大的提高……等等这些，都可以很好的满足企业用户的需求，然而，由于802.11n正式标准尚未颁布，即使市面上基于802.11n草案2.0标准的产品层出不穷、Wi-Fi联盟对基于草案标准的产品进行严格的认证测试，企业用户仍不敢企业涉足。以致于802.11n很长的一段时间里，在企业应用领域出现了空白。然而随着802.11n技术与产品的日益成熟，这种局面也迎来了新的转机。

2 WLAN及802.11标准系列简介

IEEE的802.11标准系列是现今WLAN实现技术的主流，它相对简单，通信可靠，具有灵活、高吞吐量和快速安装的特点，而且技术发展存在渐进性和继承性，升级较为方便。802.11标准系列的最初版本是由IEEE美国国际电子电机学会于1997年正式批准的，是第一个被国际上认可的协议。在最初版本中定义了介质访问接入控制层（MAC层）和物理层，总数据传输速率设计为2Mbps。两个设备之间的通信可以自由直接(ad hoc)的方式进行，也可以在基站(Base Station, BS)或者访问点（Access Point，AP）的协调下进行。为了解决冲突，在不同的通讯环境下取得良好的通讯品质，采用 CSMA/CA (Carrier Sense Multi Access/Collision Avoidance)硬件沟通方式。之后IEEE又陆续了若干改进版本，包括1999年的 802.11a，定义了一个在5GHz ISM频段上的数据传输速率可达54Mbps的物理层；802.11b，定义了一个在2.4GHz的ISM频段上的数据传输速率为11Mbps的物理层。以及以后的802.11c到802.11m一系列标准。其中802.11g在2.4GHz的ISM频段上达到了54Mbps的传输速率。而正在制定中的802.11n正式标准更是最高达到了600Mbps的传输速率。

3 IEEE 802.11n标准核心技术介绍

3.1 MIMO

IEEE 802.11n草案的最大特点在于引入了MIMO技术。传统的单入单出系统（SISO）中，在发送端和接收端都只采用一根天线。但是在实际的无线通信环境中，传播路径上会存在许多障碍物，使得信号在传播过程中发生散射、反射。当这些信号传播到接收端时就形成了多条传播路径。不同传播路径信号相位不同，彼此干扰引起信号衰落，这就是多路干扰问题。传统的802.11装置会将这些来自别的路径的信号视为干扰，给通信的有效性和可靠性带来严重的影响。

MIMO（Multiple-Input Multiple-Out-put）技术就是利用多天线来抑制信道衰落。实际上在现有的802.11设备中，有些已经具有了多条配置不同的天线，但是在任何点只有其中一个最好的天线被使用，其他处于闲置状态。这样在发送端和接收端之间仍然只有一条输入输出流。在MIMO技术中，发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道，形成多径无线信道，使多天线同时工作。由MIMO技术的原理图可以看出：传输信息流S经过空时编码后被分解形成N个信息子流Sn(其中n=1,.....,N)。这N个子信息流由N个天线发射出去，经空间传播后被 M个接收天线所接收。多天线接收机利用这些信号的差异，用先进的空时编码处理将这些信息子流分离和解码，并将它们合并恢复出原始信号。这样，它恰恰利用了多路干扰，从中取利，原来的信号干扰变为信号增益，提高了信道的可靠性，降低了信道的误码率。

3.2 信道结构

信道就是采用无线信号作为传输媒体传输数据的无线通道。现行的IEEE 802.11b，a，g都采用20Mhz信道结构，工作在2.4GHz、ISM频段上。所谓ISM频段是指世界各国均保留了一些无线频段，以用于工业，科学研究，和微波医疗方面的应用。应用这些频段无需许可证，只需要遵守一定的发射功率(一般低于1W)，并且不要对其它频段造成干扰即可。除2.4GHz之外，ISM频段在各国的规定并不统一。如在美国有三个频段902-928 MHz, 2400-2483.5 MHz 和5725-5850 MHz，而在欧洲900MHz的频段则有部份用于GSM通信。

常用的IEEE 802.11b/g将其使用的2.4GHz、ISM频段分为11或13个20Mhz的频段，信道重叠再所难免。如图四所示，最多只有1，6，11三条信道互不重叠。同时在无线AP信号覆盖范围内有两个以上的AP时，需要为每个AP设定不同的频段，以免共用信道发生冲突。而很多用户使用的无线设备的默认设置都是Channel（信道）为1，当两个以上的这样的无线AP设备相“遇”时就必然会产生冲突。

为了实现最高600Mbps的传输速率，WWiSE和TGnSynch都采用了40Mhz信道技术来实现，但是在是否使用一个独立完整的40MHz信道的问题上还存在着较大的分歧。TGnSynch主张在2.4Ghz或者5Ghz频段上使用MIMO技术，通过把2条20Mhz进行捆绑而形成40Mhz信道，从而使带宽达到600Mbps。

3.3 MAC增强

MAC层增强技术主要有两个方面，一个是减少ACK报文，另一个就是聚合技术。之前每个单播数据帧都要有一个ACK应答报文，在IEEE 802.11n中采取了更为灵活的应答机制，减少了ACK报文的数量，提高了效率。这一点上WWiSE和TGnSynch的观点是相同的。

4)无线路由器：具有路由等网络层功能、在网络24dbi的定向天线可以实层实现异种网络互联的设备叫无线路由器，也可作为第三层网桥使用。无线路由器既可以提供无线接入功能，也可以提供路由功能。所以它可以理解为带无线局域网功能的路由器，也可以理解为带路由功能的无线接入点。市场上流行的无线路由器一般都支持专线xdsl/ cable，动态xdsl，pptp四种接入方式，它还具有其它一些网络管理的功能，如dhcp服务、nat防火墙、mac地址过滤等等功能。基于IEEE 802.11n的无线网桥可以支持IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g和IEEE 802.11n四种模式。如D-link的dir-655 、linksys的WRT330N或者350N、贝尔金的V1000F5D8232zh4、网件的WNR854T。

⑸ POE交换机也被称为基于局域网的供电系统(POL, Power over LAN )或有源以太网( Active Ethernet)的交换机，有时也被简称为可实现以太网供电的交换机，这是利用现存标准以太网传输电缆的同时传送数据和电功率的最新标准规范，并保持了与现存以太网系统和用户的兼容性。IEEE 802.3af标准是基于以太网供电系统POE的新标准，它在IEEE 802.3的基础上增加了通过网线直接供电的相关标准，是现有以太网标准的扩展，也是第一个关于电源分配的国际标准。结合UPS不间断电源作为中央电源管理，可以排除断电情况发生。如Cisco Catalyst 3750-E交换机。

5.2 校园无线网络的应用研究

通过实验与测试，充分考虑了无线网络的可靠性、冗余能力、自愈能力，网络系统面临的各种不安全因素的影响以及网络能够满足向更高性能扩展的能力，校园无线解决方案体现如下特点：

5.2.1 单独无线链路组网

高校在建设无线校园网络时，选择单独的物理链路组网，主要有三方面的考虑。

1) 无线网作为一种灵活的网络接入方式，一般是充当了有线网备份的角色。当有线网中断或遇到大规模病毒爆发时，无线网凭借其优势发挥作用。而基于IEEE 802.11n标准的无线网络由于网速可以达到300Mbps，并最终达到600Mbps的速度，所以可以在某些区域可替代有线网络。

2) 单独的物理链路便于网络的管理与维护，更能体现无线网的扩展能力。校园无线网总体架构图如图1所示，所有覆盖区域的AP用POE交换机汇聚，POE千兆上联到汇聚层交换机，用无线控制器实现无线用户的上网认证以及与有线网络的互通。

3) 单独构造的无线网是校园网的一部分，分担了用户的上网压力。“瘦AP”的覆盖模式在“瘦AP”的覆盖模式中，需要中央无线控制器，每个AP只单独负责RF和通讯的工作，其作用就是一个简单的、基于硬件的RF 底层传感设备，由中央无线控制器实现设备的集中管理。主要体现如下优势：

a) 灵活的组网方式和优秀的可扩展性采用“瘦AP + 无线控制器”的解决方案中，所有AP接受到的RF信号经过802.11编码后，通过加密隧道协议穿过以太网络并传送到无线控制器上，进而由无线控制器集中对编码流进行加密、验证、安全控制等工作。因此AP无需和无线控制器直接相连，可以通过网络部署在需要覆盖的任意地方，大大增加了实施的灵活性。通过对无线控制器硬件的升级不断扩充支持AP的数量，从而实现无线网络的扩展。

b) 集中的网络管理“瘦AP”的解决方案中，所有的关于无线网络的配置都可以通过配置无线控制器统一完成。例如开通、管理、维护所有AP设备以及移动终端，包括无线电波频谱、无线安全、接入认证、移动漫游以及接入用户等所有功能。

5.2.2 统一的用户身份认证

在实现有线网与无线网无缝集成后，学校需要对用户实现统一认证、统一管理，从而让用户真正享受到无处不在的网络应用。通过对来往于这几个校区的无线网用户使用统一的账号进行身份验证，可实现用户在几个校区之间的无线网漫游。高校可在LDAP 目录服务器基础上建立一套校园网用户统一认证管理系统。无线网作为整个校园网的一个补充和延伸，无线网用户的管理需要沿用原有的系统，由无线控制器实现与LDAP目录服务系统的对接，从而达到了无线网用户账号与原有账号的统一，实现用户在无线覆盖区域，甚至活动于多个校区之间仍然可以使用统一的账号进行漫游登录，实现随时、随地的接入校园网。

5.2.3 用户“Web portal + DHCP”认证接入

Web portal认证方式虽然不是安全的最高等级，却适用于学校大规模无线部署的应用。首先它提供用户自助登录服务，不需要安装客户端；其次，使用http接入方式，保证足够的安全等级；无线网关接入到Radius的链路是MD5非明文加密，用户名和密码不会被盗用，既保证了网络的安全又灵活便利。无线校园网采用了基于“用户名+ 密码”的统一认证方式，并给予不同的业务不同的接入带宽、不同QoS等级，以及分配不同的IP地址，实现统一认证，差别管理。通过无线控制网关和Radius配合，保证每一个进入无线校园网的用户都是合法的用户。

5.2.4 无线信号覆盖解决办法

在校园无线网建设过程中，信号的有效覆盖是一个非常关键的问题。在具体的校园网实施过程中，主要存在两种典型的应用环境，一种是校园内的户外公共区域；另一种是校园室内楼宇。

1)WSN+室外AP+全向天线的室外覆盖

学校体育馆、田径场、中心广场等室外区域，由于特殊的地理条件限制，需要使用室外AP，用全向天线进行无线信号的覆盖，采用WSN技术进行数据传输。室外的AP与有线网络为接合点，多个无线AP通过接入交换机与校园原有的有线网络融合为一体进入公众网；以室外多点大功率天线，室内企业级路由和大功率功放实现楼间远距离无线覆盖校区。

2) 室内区域无线覆盖

室内的AP以室内有线网络为结合点，室内区域无线覆盖以单个AP小面积覆盖，多个AP整合频道交叉覆盖形成大面积覆盖区域，每个AP都是根节点，保证有效带宽。在结构比较复杂的楼层，大于3层的楼内，适当增加AP同时可配合吸顶天线，并实现AP频道的交叉分布，避免信号干扰。

6 结束语

新的IEEE 802.11n标准提供了诱人的传输速率，迎合并满足了诸如VoIP，网络多媒体，NAS（网络附加存储）的需求。虽然还没有正式批准，但它注定将成为未来无线标准的主流。事实上基于IEEE 802.11n的无线网络产品已经生产了出来。使用IEEE 802.11n的无线网络设备在原有的有线校园网的基础上拓展无线网络，以达到网络的无缝效果，扩展有线网络的范围，是当今校园网发展的一个方向。随着无线局域网技术的逐步成熟，在高校校园网络中的应用也将越来越广泛，广大师生将能更方便地获取网络资源和信息，这势必会推动高校信息化资源建设更快速地发展。但是，无线网络也有很多缺点，在使用过程中应该根据自身实际，采取一套合理的管理、安全措施，防止无线网络受到安全的威胁，使其更好的为我们服务。

参考文献：

[1] BROADCOM CORPORATION, 802.11n: Next-Generation Wireless LAN,2006.

[2] Steven J. Vaughan-Nichols, Will the New Wi-FiFly ?, 2006.

[3] Josip Lorincz, Dinko Begusic,University of Split,FESB-Split, Croatia, Physical Layer Analysis of Emerging IEEE 802.11 in WLAN Standard, 2006.

[4] 孙印杰,刘欲晓.网络组建与应用教程[M].北京:电子工业出版社,2006.

[5] 姜涛,方权亮.浅谈无线局域网的技术特点[J].中国科技信息,2005,8.

[6] 李天明.校园网的拓扑之无线网络[J].科技经济市场，2007,4.

[7] 陆述田.无线网络在校园网中的实现[J].潍坊学院学报,2007,2.