毕业设计（论文）-WLAN组网及性能仿真.doc

南京邮电大学 毕 业 设 计（论 文）题 目WLAN的组网及性能仿真专 业网络工程学生姓名班级学号指导教师指导单位南京邮电大学日期： 2012 年 11 月 12 日至 2013 年 6 月 21 日 毕业设计（论文）原创性声明本人郑重声明：所提交的毕业设计（论文），是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本研究做出过重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示了谢意。 论文作者签名： 日期： 年 月 日摘 要 近年来，随着无线宽带和移动通信技术不断发展，人们对网络依赖的日益严重， WLAN快捷的便利性显得越来越重要。因此，无线局域网通信技术得到了迅速的发展。 本文首先介绍了WLAN的原理和技术指标，阐述了WLAN的运作过程，以及IEEE802.11协议及其系列标准产生背景及原因，并且比较了WLAN相比传统有线网和移动网的优点。本文还研究了电信级WLAN的组网方案和组网会面临的一些问题，对组网的拓扑结构进行了分析。同时，本文还重点介绍了OPNET软件网络仿真相关知识，包括运用OPNET软件建立网络模型的步骤。最后对搭建的网络进行仿真研究，通过对全局统计量和节点之间统计量的分析比较和不同参数的仿真实验对比，可以得出相应结论，实现了基于OPNET软件的WLAN网络建模和性能仿真。关键词：无线局域网；无线接入点；OPNET；网络仿真ABSTRACT In recent years, with the continuous development of wireless broadband and mobile communications technology, the dependence on the network is growing faster than before. The convenience of WLAN is becoming more and more important. Therefore, WLAN (Wireless Local Area Network) technology has developed rapidly.The article describes the main principles and techniques of WLAN and elaborates the operation of WLAN, as well as its family of standard IEEE802.11 protocol. It also introduces the advantages of WLAN compared to traditional wired networks and mobile network. This article also studies the carrier-grade WLAN networking solutions and the problems of networking. The topology of network is analyzed in this paper. Meanwhile, the paper also introduces the software named OPNET in network simulation. We can use OPNET to establish the network model and simulation to research through the global statistics and analysis of statistics between nodes. We draw the appropriate conclusions through the differences between the different parameters of the simulation experiments. Finally, we can operate WLAN network modeling and performance simulation successfully based on OPNET software.Key words: WLAN; Access Point; OPNET; network simulation目 录第一章 绪论- 1 -1.1 课题研究的意义及来源- 1 -1.2 课题任务- 1 -1.3 论文结构及本人主要工作- 1 -第二章 WLAN技术原理- 3 -2.1 WLAN基本概念- 3 -2.2 WLAN发展史- 3 -2.3 WLAN的特点- 3 -2.4 WLAN技术标准- 4 -2.5 IEEE 802.11协议简述- 5 -2.6 WLAN网络结构- 8 -第三章 WLAN电信级组网- 11 -3.1 WLAN组网意义- 11 -3.3 WLAN组网方案- 12 -3.4 AP建设思路- 12 -3.5 AC网络拓扑结构- 13 -3.6 业务数据转发方式- 14 -3.7 组网面临的问题- 16 -第四章 OPNET建模仿真- 19 -4.1 OPNET简介- 19 -4.2 OPNET组成- 19 -4.3 OPNET特点- 19 -4.4 OPNET通信仿真机制- 20 -4.5 OPNET基本仿真流程- 21 -4.6 WLAN网络建模- 22 -4.7 WLAN仿真- 24 -4.8 WLAN性能测试- 26 -结束语- 34 -致 谢- 35 -参考文献- 36 -附录- 37 -南京邮电大学2013届本科生毕业设计（论文）第一章 绪论1.1 课题研究的意义及来源随着网络技术的发展，人们希望能够随时随地访问网络，并且对多媒体业务等数据服务需求加大，而且网络也越来越广泛得被使用，用户数量急剧增加，这必然给网络原有设备带来冲击，因此需要发展新的网络接入方法以缓解网络需求。WLAN以其独特的优势，比如，热点覆盖、低移动性和高数据传输速率， 与固网和移动网形成了很好的互补，因而在无线局域网的应用越来越广泛。为了迅速地部署WLAN网络，运营商们都在不断完善WLAN的互通技术。WLAN网络广泛的部署可以分流数据流量的压力，让整个网络更加健壮。以提高网络服务质量，提升用户的满意度为目标，此时网络仿真则突显出其重要性，所以本课题的研究意义是非常大的。1.2 课题任务本次毕业的主要任务是基于OPNET软件的WLAN建模仿真与性能测试，熟练使用OPNET软件，并用该软件搭一个无线网络模型进行仿真，并分析网络操作过程中的各种行为，比较统计量，得出结论，完成毕设。在仿真实验过程中还需研究WLAN电信级组网和WLAN相关知识，实现分流固网和移动网的使用人群，缓解网络服务压力，提升网络服务质量和便捷性，并且根据所学知识要点建立网络模型并修改。此次仿真使用的OPNET软件版本为14.5最新版，相比其他版本功能更强大，具体就是：事先规划网络模型结构，再对无线网络拓扑结构进行修改纠错，之后根据搭建向导按步骤新建项目场景，在面板上搭建出自己事先规划好的模型，完成参数设置，勾选需观察的统计量，仿真完成后统计量以曲线图的形式展现，我们就能根据图形概况推导出结论，对今后的网络优化提供事实依据。1.3 论文结构及本人主要工作 论文的第一章是课题的绪论，主要阐述本课题的研究意义及来源，并且简单介绍了本课题的主要内容，以及基本任务和步骤。 论文的第二章是关于WLAN的原理和技术标准等，详细介绍了WLAN的原理，特点，技术标准以及发展史。对WLAN常用的结构作了详细阐述。 论文的第三章则是关于WLAN的电信级组网方案，研究了WLAN电信级组网实施的可能性和组网的逻辑结构示意图。 论文的第四部分主要介绍了OPNET软件和它的特点，也详细地阐述了OPNET的通信仿真机制。OPNET仿真是以系统理论、形式化理论、随机过程和统计学理论、优化理论为基础。在设计阶段，仿真方法提供一个虚拟模型来预测并比较各种方案的性能，通过对不同环境和工作负荷的分析和比较，来优化系统的性能。除此之外，毕设的仿真实验部分也一起归纳在第四部分，首先详细描述了使用OPNET软件建模仿真的步骤，然后通过观测统计量得出相应结论。仿真所需工具：OPNET MODELER 14.5、Microsoft Visual C+ 6.0。 此次毕业设计的时间为三个月，一开始我花了近一个月理解毕设题目要求以及收集相关资料和自学相关知识点，因之前并未对OPNET软件有过多少了解，所以花了一部分时间熟悉OPNET软件来掌握基本的软件操作。然后用剩下的大部分时间设计了初期无线局域网的网络模型，完成模块设计，搭建框架，之后进行调试运行测试，得出仿真结果。最终通过导师与自己的共同努力，终于顺利地完成了毕业设计。第二章 WLAN技术原理2.1 WLAN基本概念无线局域网络(Wireless Local Area Networks； WLAN)是相当便利的数据传输系统。它利用射频（Radio Frequency）的技术，取代碍手碍脚的双绞铜线（Coaxial）所构成的有线局域网络，使得无线局域网络能利用简单的存取架构。用户可以通过它可以达到随时随地都能获取网络信息的理想境界。WLAN是一种便捷的数据通信网络，一般作为传统有线局域网（如以太网）的补充或者替代。WLAN通过无线技术发送和接收数据，减少了有线连接的需求。如此就能让用户在移动的情况下得到一直在线的网络服务，比如网页浏览、网上聊天等以前只可以在台式机上实现的功能。2.2 WLAN发展史 无线网络的初步应用，就要追朔到五十年前的二战期间。当时美国陆军发明了无线电科技，并且用于资料的传输。因为其很高的加密能力，所以美国军队广泛地使用了这个技术。这项技术出乎意料之外地在五十年之后的今天得到了迅速发展并且大大改善了我们的生活。以此为基础，美国夏威夷的技术人员在1971年创造了首个无线电网络。这个无线网络是基于封包式技术并且被称为ALOHNET。早期的无线局域网结构并不复杂，共有7台计算机组成。这7台计算机以双向星型拓扑结构分别置于四座夏威夷的岛屿。中心计算机放在在瓦胡岛上，其余计算机则分置于其他岛屿。从这时开始，无线网络可以说是正式诞生了。1990年，IEEE正式启用了802.11项目，无线网络技术逐渐走向成熟。 IEEE802.11(WIFI)标准诞生以来，先后有802.11a和802.11b，802.11g，802.11e，802.11f，802.11h，802.11i，802.11j等标准制定或者酝酿。现在，为实现高宽度、高质量的WLAN服务，802.11新系列的标准也即将横空出世。自2003年以来，因为人们对网络的网速以及便捷性要求越来越高，对WLAN市场需求越来越大，WLAN市场热度极速上升。于是和电脑以及移动设备紧密结合的技术得到了人们的争相吹捧。人们开始重视WiFi、CDMA/GPRS、蓝牙等无线技术，所以这些技术配套的产品理所应当得成为IT市场上的增长点。同一时间，无线网络因其低成本和便捷等特点，开始逐步步入人们生活的主流，大大改善了生活质量。2.3 WLAN的特点无线局域网（WLAN）是适应时代的产物。它是由计算机网络与无线通信技术相结合造就的。WLAN不仅支持计算机之间的通信，还支持移动通信和多媒体应用。它是利用了无线多址信道的方法，并且使用无线电或红外线信号来处理数据传输。无线局域网可以在替代传统线缆的同时，提供以太网的功能。无线局域网是以电磁波的形式在空气中发送和接受数据，而无需线缆介质。WLAN的数据传输速率现已能够达到108Mbps。无线网的传输距离也相当大，可达20km以上。它是对有线联网方式的一种补充和替代，能够迅速便捷地实现网络连接功能。 无线局域网与有线网络相比，有很多优势。直接采用电缆会受到物理条件的限制，且安装成本较高。在部署完成以后，改动不够灵活。如果使用电话线连接，每月的费用比较高，而且安装和设备成本也很高。如果使用微波连接，通常都要申请许可证，安装不方便，使用和设备的价格都很昂贵。但是无线连接则无需担心上述问题，通过无线信号传输数据，避免了高昂的使用价格。况且，无线局域网的网络适应性很好，不易受到地理位置的限制。比如，公司搬迁需重设无线网络，在这种情况下只要重新设置网络连接设备和天线，就可以快速恢复无线网的连接。因为无线网传输提供的仅仅是一个完全透明的链路（符合IEEE 802.11），所以支持所有的网络协议(如TCP/IP)。无线网具有很高的兼容性，各种网络接口的标准和不同操作系统都可以支持。通过WLAN，企业可以完全控制网络，节约服务费用，降低组建和安装硬件的初期投资。与有线网络相比，无线局域网具有以下优点：l 架设便捷通常在网络架构中，布线的时间最长、而且会影响周边环境。解决这个问题恰好就是无线局域网设计的一个初衷，免去了施工过程中一些破坏建筑和架线的过程。无线局域网优势就是只要安装多个AP(Access Point)设备，就可建立覆盖整个建筑或地区的局域网络。l 接入灵活 在传统局域网中，联网往往会受到网络接入点位置的限制。一旦网络布线完成，很难不在增加成本的情况下大范围的移动接入点。当无线局域网建成并且能够运作后，只要在无线信号覆盖范围内的任一位置都能接入网络。 l 经济节约 上面讲到了因为有线网络接入缺少灵活性，这就需要网络规划者增加网络信号覆盖区域，尽可能的在成本允许的情况下增多网络接入点的覆盖范围。这就往往导致预设大量利用率较低的接入点。这样不仅加大了非必要的支出，而且当网络的发展超出了事先规划，又要花费较多费用进行网络改造。无线局域网可以避免或减少以上情况的发生，如果要完成一栋六层高的信息化办公楼的基础网络设施，建设有线网络所需花费将会大大超过建设无线网络。2.4 WLAN技术标准WLAN标准的开发主要有两大组织机构。一个是IEEE的802.11工作组，一个是欧洲ETSI的RES10工作组。 第一个802.11标准是1997年完成的，它通过在ISM频段内使用扩频调制技术，提供高达2Mbit/s的数据传输速率。802.11是IEEE（电气和电子工程师协会）最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入，主要限于数据存取，速率最高只能达到2Mbps。1999年9月，IEEE标准委员会又通过了两项对最初标准的附录。第一个标准802.11b，扩展了已存的2.4GHz物理层性能，使它的数据传送速率可以达到11Mbit/s。第二个标准802.11a，致力于在5GHz频段内的物理层中提供新的、更高的数据传送速率（2054Mbit/s）。另外一个WLAN标准HIPERLAN（High Performance European Radio LAN，高性能欧洲无线LAN），是由ETSI（European Telecommunications Standards Institute，欧洲电信标准化协会）的RES10小组开发的，是高速WLAN的泛欧标准。该标准是一种在欧洲应用的无线局域网标准的一个子集，具有两种规格：HiperLAN/1和HiperLAN/2。HiperLAN/1标准采用5G射频频率，可以达到上行20Mbps的速率。此标准采用了GMSK技术。HiperLAN/2同样也采用5G射频频率，不过其上行速率可以达到54Mbps。HiperLAN/2采用的则是OFDM技术。HiperLAN/2系统同3G标准兼容。WLAN（无线局域网）系统可以用来传送接收数据、图像以及实现语音通讯。HiperLAN/2网络协议栈的体系结构具有很高的灵活性。此标准能够很容易适配并扩展不同的固定网络。HiperLAN/2作为目前性能最高的WLAN技术，其具体特点表现在：高速数据传输，其速率在物理层高达54Mbps；面向连接；为每个数据包定义了优先级处理，且易于QoS控制；接入点能自动选择合适的无线信道进行数据传输；支持安全认证和加密功能；移动性；网络与应用无关；省电。标准HIPERLAN与802.11标准非常相似。它们都覆盖了物理层和MAC层，通过在5GHz波段内使用传统的无线调制技术，提供225Mbit/s的数据传输速率。2.5 IEEE 802.11协议简述 IEEE 802工作组制定了802.3 Ethernet协议、802.5 Token Ring协议、802.3z 100BASE-T快速以太网协议以及1997年发布的802.11协议。802.11协议主要工作在ISO协议的最低两层上。该协议在物理层上进行了一些细微改动。高速数字传输的特性和连接的稳定性被加进了物理层。802.11b协议在802.11的1Mbps和2Mbps速率下又增加了5.5Mbps和11Mbps两个新的网络吞吐速率，移动用户能够获得同Ethernet一样的性能、网络吞吐率、可用性。(1)IEEE802.11IEEE802.11协议在1997年6月诞生，别名又称为无线保真(Wireless Fidelity)协议。此协议是由大批的局域网以及计算机专家审定通过的标准。该标准定义了物理层和媒体访问控制(MAC)的规范。物理层定义了数据传输的信号特征和调制，定义了两个RF传输方法和一个红外线传输方法1。RF传输标准是跳频扩频和直接序列扩频，工作在2.40002.4835GHz频段。IEEE802.11是IEEE最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据访问，速率最高只能达到2Mbps1。由于它在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，所以IEEE802.11标准被IEEE802.11b所取代了。(2)IEEE802.11bIEEE 802.11b无线局域网的带宽最高可达11Mbps。该标准速率比起两年前批准的IEEE 802.11标准快5倍，扩大了无线局域网的应用领域。另外，也可根据实际情况采用5.5Mbps、2 Mbps和1 Mbps带宽，实际的工作速度在5Mb/s左右，与普通的10Base-T规格有线局域网几乎是处于同一水平1。作为公司内部的设施，可以基本满足使用要求。IEEE 802.11b使用的是开放的2.4GHz频段，不需要申请就可使用。既可作为对有线网络的补充，也可独立组网，从而使网络用户摆脱网线的束缚，实现真正意义上的移动应用。IEEE 802.11b无线局域网与我们熟悉的IEEE 802.3以太网的原理很类似，都是采用载波侦听的方式来控制网络中信息的传送。不同之处是以太网采用的是CSMA/CD（载波侦听/冲突检测）技术，网络上所有工作站都侦听网络中有无信息发送，当发现网络空闲时即发出自己的信息，如同抢答一样，只能有一台工作站抢到发言权，而其余工作站需要继续等待。如果一旦有两台以上的工作站同时发出信息，则网络中会发生冲突，冲突后这些冲突信息都会丢失，各工作站则将继续抢夺发言权。而802.11b无线局域网则引进了冲突避免技术，从而避免了网络中冲突的发生，可以大幅度提高网络效率。IEEE 802.11b具有很高的数据传输速率，因为其2.4ghz直接序列扩频无线电可以提供最大为11mbps的数据传输速率，无须直线传播。该协议还提供动态速率转换功能，当射频情况变差时，降低数据传输速率为5.5mbps、2mbps和1mbps。802.11b支持以百米为单位的范围（在室外为300米；在办公环境中最长为100米）。其与以太网类似的连接协议和数据包可以提供可靠的数据传送，有效地使用网络带宽。与以前的标准不同的是，802.11b只允许一种标准的信号发送技术。(3)IEEE802.11aIEEE802.11a标准规定WLAN工作频段在5.15-5.825GHz，物理层速率最高可达54Mbps，数据传输速率达到54Mbps/72Mbps(Turbo)，传输层速率最高可达25Mbps。传输距离控制在10-100米。该标准也是IEEE802.11的一个补充，扩充了标准的物理层，采用正交频分复用（OFDM）的独特扩频技术，采用QFSK调制方式，可提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的以太网无线帧结构接口，以及TDD/TDMA的空中接口，支持多种业务如话音、数据和图像等，一个扇区可以接入多个用户，每个用户可带多个用户终端1。据需要，数据率还可降为48，36，24，18，12，9或者6Mb/s。802.11a拥有12条不相互重叠的频道，8条用于室内，4条用于点对点传输。它不能与802.11b进行互操作，除非使用了对两种标准都采用的设备。表2.1则是给数据率以及相应的调制方式。表2.1 数据率及调制方式等参数数据率(Mbit/s)调制方式编码率Ndbps1472字节传输时间(micro;s)6BPSK1/22420129BPSK3/4361344124-QAM1/2481008184-QAM3/4726722416-QAM1/2965043616-QAM3/41443364864-QAM2/31922525464-QAM3/4216224IEEE802.11a标准是IEEE802.11b的后续标准，其设计初衷是取代802.11b标准，然而，工作于2.4GHz频带是不需要执照的，该频段属于工业、教育、医疗等专用频段，是公开的，工作于5.15-8.825GHz频带需要执照的。一些公司仍没有表示对802.11a标准的支持，一些公司更加看好最新混合标准802.11g。(4)IEEE802.11gIEEE 802.11g是在2003年7月通过了的第三种调变标准。其载波的频率为2.4GHz（跟802.11b相同），原始传送速度为54Mbit/s，净传输速度约为24.7Mbit/s（跟802.11a相同）。802.11g的设备与802.11b兼容。802.11g是为了提高更高的传输速率而制定的标准，它采用2.4GHz频段，使用CCK技术与802.11b后向兼容，同时它又通过采用OFDM技术支持高达54Mbit/s的数据流，所提供的带宽是802.11a的1.5倍。IEEE802.11g的物理帧结构分为前导信号（Preamble）、信头Header和负载Payload。Preamble主要用于确定移动台和接入点之间何时发送和接收数据，传输进行时告知其它移动台以免冲突，同时传送同步信号及帧间隔1。Preamble完成，接收方才开始接收数据。Header在Preamble之后用来传输一些重要的数据比如负载长度、传输速率、服务等信息。由于数据率及要传送字节的数量不同，Payload的包长变化很大，可以十分短也可以十分长。IEEE802.11g有以下两个特点：在24GHz频段使用正交频分复用（OFDM）调制技术，使数据传输速率提高到20Mbit/s以上；能够与IEEE802.11b的Wi-Fi系统互联互通，可共存于同一AP的网络里，从而保障了后向兼容性1。如此原有的WLAN系统能够平滑地向高速WLAN过渡，降低了用户的投资。(5)IEEE802.11iIEEE802.11i标准是结合IEEE802.1x中的用户端口身份验证和设备验证，对WLANMAC层进行修改与整合,定义了严格的加密格式和鉴权机制，以改善WLAN的安全性。IEEE802.11i新修订标准主要包括两项内容：“Wi-Fi保护访问”(WiFi Protected Access：WPA)技术和“强健安全网络”(RSN)。Wi-Fi联盟计划采用802.11i标准作为WPA的第二个版本，并于2004年初开始实行。IEEE802.11i标准在WLAN网络建设中的是相当重要的，数据的安全性是WLAN设备制造商和WLAN网络运营商应该首先考虑的头等工作。(6)IEEE802.11e/f/hIEEE802.11e标准对WLANMAC层协议提出改进，以支持多媒体传输，以支持所有WLAN无线广播接口的服务质量保证QOS机制。IEEE802.11f定义访问节点之间的通讯，支持IEEE802.11的接入点互操作协议（IAPP）。IEEE802.11h用于802.11a的频谱管理技术。(7)IEEE802.11n 802.11n主要是结合物理层和MAC层的优化来充分提高WLAN技术的吞吐。主要的物理层技术涉及了MIMO、MIMO-OFDM、40MHz、Short GI等技术,从而将物理层吞吐提高到600Mbps。如果仅仅提高物理层的速率，而没有对空口访问等MAC协议层的优化，802.11n的物理层优化将无从发挥。就好比即使建了很宽的马路，但是车流的调度管理如果跟不上，仍然会出现拥堵和低效。所以802.11n对MAC采用了Block确认、帧聚合等技术，大大提高MAC层的效率。(8)IEEE802.11ac作为对现有技术的一次全面突破，新一代的WLAN技术标准802.11ac标准将带来更高空口速率、更佳媒体业务体验、更高用户并发性能、更优空口覆盖效果。传统802.11n标准在最高速率模式下均采用的64QAM调制技术，这一技术在802.11a/g标准中就已经开始使用。802.11ac启用了更为精密256QAM调制技术，使得调制效率得到大幅提升。国际范围内5G频段有多达二十多个20MHz频宽有效信道可供Wi-Fi使用。802.11ac技术可以根据需要灵活的绑定最多8个独立信道，轻松实现带宽倍增。2.6 WLAN网络结构WLAN的网络结构一般有两种模式：无中心网络和有中心网络。(1)无中心网络 无中心网络（无AP网络）也称对等网络或Ad-hoc网络，在这种无中心的分布对等式下，无线网中的任意两站之间可以直接通信，无需设中心转接站。该网络不接入有线网络，一般独立使用。这是最简单的无线局域网结构。具体拓扑结构如下图2.2所示PC（个人电脑）笔记本手机（移动设备）智能设备（具有无线功能）无线信号图2.2 无中心网络此网络组网灵活，形成局域网并不复杂。多个无线接口都在彼此能识别的范围内，它们就能建成一个局域网。对等网络中的节点必须能同时识别到此网络范围内的其他节点，不然就认为网络中断。无中心网络一般只用于少量用户的组网环境，比如4到6个用户，并且需要互相距离足够近。因为无中心网络没有中心管理的单元，所以此网络在可管理性和扩展性方面有一定的缺陷。在此网络中的无线节点之间只可以单对单通信，不能实现交换连接的功能，所以连接性能也不是很好。这种网络模式一般只适用临时的无线应用环境。(2)有中心网络 有中心网络也叫结构化网络，是基于AP的网络结构。网络中的工作站都是直接与无线AP连接，是一种理想的低耗工作模式。无线AP则用来承担无线通信的管理和网络连接的工作。增加无线AP的数量可以扩大无线信号的覆盖范围，并且不同AP间可以互相漫游，结构图如下图2.3所示。Internet 路由器AC交换机服务器PC机笔记本掌上电脑APWireless图2.3 基于AP的网络结构这种基于无线AP的Infrastructure（基础）结构模式其实与有线网络中的星型交换模式差不多，也属于集中式结构类型，其中的无线AP相当于有线网络中的交换机，起着集中连接和数据交换的作用2。在这种无线网络结构中，除了需要像Ad-Hoc对等结构中在每台主机上安装无线网卡，还需要一个AP接入设备，俗称“访问点”或“接入点”。这个AP设备就是用于集中所有无线节点的连接，并且集中管理这些节点,当然一般的无线AP还提供了一个有线以太网接口，用于与有线网络、工作站和路由设备的连接2。这种网络结构模式的特点主要表现在网络易于扩展、便于集中管理、能提供用户身份验证等优势，另外数据传输性能也明显高于Ad-Hoc对等结构。在这种AP网络中，AP和无线网卡还可针对具体的网络环境调整网络连接速率，如11Mbps的可使用速率可以调整为1Mbps、2Mbps、5.5Mbps和11Mbps 4档；54Mbps的IEEE 802.11a和IEEE 802.11g的则更是有54Mbps、48Mbps、36Mbps、24Mbps、18Mbps、12Mbps、11Mbps、9Mbps、6Mbps、5.5Mbps、2Mbps、1Mbps共12个不同速率可动态转换，以发挥相应网络环境下的最佳连接性能。第三章 WLAN电信级组网3.1 WLAN组网意义 基于IEEE 802.11标准的无线局域网（WLAN）技术已开始从企业、家庭市场进入运营市场。WLAN作为一种运营业务已在全球主流运营商内进行试验并开始投入商用。从组网的角度，WLAN在特定的场所可以替代有线接入方式接入网络，例如公众热点区域、家庭无线宽带接入等。从可运营业务的角度看，由于WLAN具有相对于诸如2.5G、3G等无线技术的高带宽和低成本，能够满足客户对高速无线宽带业务的需求。WLAN 能承载短距离的高带宽的无线数据业务，能为当今的3G数据业务分流。国内外通信运营商把无线局域网络的建设当作现今通信网络发展的战略重点。数据业务快速增长的需求和宽带市场日益激烈的竞争导致了无线局域网的快速发展。各运营商都提高了对WLAN的认识，将无线网络与FTTH 和3G网络的发展统一深入考虑。各运营商都加快了WLAN 建设步骤，扩大热点覆盖范围，期望打造出电信级WLAN网络。不断优化网络质量，使WLAN切实成为承担无线热点范围内数据流量的主体和通信网络的重要组成部分。让有线网、3G、WLAN协调发展，构建网络通信的良好局面。固网运营商和移动运营商都很看好其应用前景。我国运营商都开始考虑逐步部署宏蜂窝+WLAN的网络模式，把“3G网数据业务分流”看作组网的主要目的之一。无线局域网将作为蜂窝接入网络的补充接入手段。3.2 WLAN组网设备从网络使用的角度来看，为了能够迅速部署网络，集中管理网络设备和用户的精细化管理，运营商更倾向于采取集中控制性WLAN组网（瘦AP+AC）。瘦AP+AC架构的WLAN网络主要由WLAN终端设备（STA）、WLAN接入点设备（AP）、接入控制点（AC）、PORTAL服务器、AAA服务器、OSS等组成。(1)WLAN终端设备（STA）WLAN终端设备包括安装了无线网卡的电脑，也包括了支持WiFi功能的PDA、手机、平板电脑等3。(2)接入点设备（Access Point，简称AP） AP是WLAN业务网络的小型无线基站设备，完成IEEE 802.11a/b/g/n标准的无线接入，是连接有线网络与无线网络的桥梁。 (3)接入控制器（Access Controller，简称AC） 纯粹的AC承担对WLAN网络中的AP的集中管理功能，完成无线信道管理、设备管理维护、基本的WLAN用户接入管理。 (4）PORTAL服务器 当WLAN网络采用WEB认证方式时，当STA关联WLAN网络后通过浏览器发起Internet访问请求时，AC将该请求强制发送到PORTAL服务器。服务器接收到该请求后，向用户发送认证页面。当用户在认证页面输入相关认证信息并提交后，PORTAL服务器接收用户认证请求并向AC发起用户认证过程；用户认证完成后，PORTAL服务器将认证结果通知用户。通过认证的终端用户就可以正常访问网络。 （5）AAA服务器 AAA是认证（Authentication）、授权（Authorization）、计费（Accounting）的缩写，AAA服务器的功能也体现在这三个方面。AAA的主要应用是通过RADIUS协议和接入设备（例如AC、BRAS等）配合，实现对以IP方式接入网络的认证、授权和计费。即对某用户为接入到某网络是否有权限进行认证，并对有权用户授予其使用网络所具备的权限（带宽属性等），并对使用网络进行计帐。3.3 WLAN组网方案 对于可运营的WLAN，从组网的角度，运营商一般选择集中控制性WLAN组网（瘦AP+AC）方式。下面将介绍电信级WLAN组网的逻辑示意图，逻辑组网示意图如下图3.1。图3.1 WLAN逻辑组网示意图 从上图我们可以得知WLAN组网所需的设备，其中包括无线终端设备（STA）、无线接入点（AP）、交换机、接入控制器、宽带接入服务器（BRAS）、路由器和3A服务器等。无线终端发出无线信号通过无线接入点进入交换器，到达接入控制器（AC）和BRAS。这里的BRAS是宽带接入服务器（Broadband Remote Access Server,简称BRAS）是面向宽带网络应用的新型接入网关，它位于骨干网的边缘层，可以完成用户带宽的IP/ATM网的数据接入。通过路由进入服务器认证页面，自动分配到IP地址，最后认证通过开始计时计费地访问因特网。3.4 AP建设思路 AP建设应选择干扰源少干扰较小的地区，并且合理规划AP 的覆盖区。无线信号的频率采用合理的频率规划方案降低同频、邻频干扰。2.4GHz 频段共划分为13 个子信道，每个子信道带宽22MHz。 为了保证信道之间互相不干扰，两个同时工作的信道的中心频率间隔不能低于25MHz。由此可以看出，最多可以同时支持3 组3个不重叠的信道（1/6/11、2/7/12、3/8/13）同时工作。当使用1/6/11 信道有较大干扰时，可考虑使用部分交叠信道进行频率分配，并保证信道间隔不小于4个频点，即可考虑1/5/9/13、2/6/10、3/7/11、4/8/12 信道同时工作。图3.2为频点规划图，采用了空间间隔的方法实现1/6/11 子信道的频点复用。分配方案如下图3.2所示。图3.2 频点规划图 在确定WLAN 覆盖方式及频点规划后，需根据热点的覆盖区域与无线环境，通过链路预算，结合设备性能，估算热点所需的AP 数量。链路预算方法：P r=P t+G t+G r-L D（d ）-L s （1）式中：P r ：接收功率电平；P t ：AP 发射功率；G t ：发射天线增益；G r ：接收天线增益；L s ：线缆及各类器件损耗。室外环境：L D（d ）（dB）=32.45+20lg（d ）+20lg（f ） （2）室内环境：L D（d ）（dB）=40+10n lg（d ） （3）式中：d ：距离（m）；f ：频率（GHz）；n ：路径损耗指数。3.5 AC网络拓扑结构 (1)直连模式 当AC处于下游AP设备和上游设备（例如BRAS）数据的转发路径中时，称之为直连模式。这种组网方式中AC也充当了汇聚交换机的作用，此时AC位置较高，适用于新建组网、广域稀疏热点覆盖和大容量AC部署，AC可与城域核心路由器或省核心路由器直连3。此连接模式下，网络的拓扑结构清晰，数据报文经过接入控制器处理，方便用户数据的集中管理。 (2)旁挂模式当AC在物理拓扑中不直接处于AP和上游设备（例如BRAS/汇聚交换机）间、而是并行地旁挂在BRAS/汇聚交换机旁时，称这种组网方式为旁挂模式3。旁挂模式下，业务数据不流经AC，AC无法对用户数据进行管理。一般在已建成的网络上新建接入控制器时采用的大多是此连接方式。BRAS上闲置的端口对接新建AC，这样整个网络连接就可以不受影响。如下图3.3所示。图3.3 直联模式与旁挂模式逻辑图3.6 业务数据转发方式在WLAN网络中，STA和AP间的报文为802.11报文，AP作为STA和有线网络间的桥梁，完成802.11报文的终结并转换为802.3报文，然后向有线网络中进行转发。在向有线网络转发过程中，AP可以采用两种转发模式：直接转发（或本地转发），集中转发（或隧道转发）。(1)直接转发以业务面数据转发为例，所谓直接转发，是指WLAN用户业务数据不经过CAPWAP封装，AP收到终端的802.11格式的上行数据，由AP直接转换为802.3报文并标记业务vlan-s后向目的地发送。下行报文到达AP后，由AP转换为802.11格式发送给终端。此组网模式通常应用在AC旁挂的模式下，因为AC不承担数据业务转发功能，只管理无线接入点。则无线接入点必须承担数据的格式转换盒协议匹配工作。如下图3.4所示。图3.4 业务面数据本地转发（直接转发） (2)集中转发另外一种AP数据转发方式是集中转发。所谓集中转发就是指无线接入点把用户业务数据打包到CAPWAP隧道中，然后再传递给AC。业务上行数据由AP封装在CAPWAP报文，业务vlan-s由AP标记，管理vlan-m由连接AP的交换机标记，由AC接收并解CAPWAP封装并终结vlan-s、vlan-m3。业务下行数据由AC封装在CAPWAP报文，业务vlan-s和管理vlan-m由AC标记，由连接AP的交换机终结vlan-m，由AP接收并解CAPWAP封装并终结vlan-s。封装后的报文在CAPWAP报文外层使用管理vlan-m，中间网络设备只需配置和透传管理vlan-m，而对封装在CAPWAP报文内的业务vlan-s不需配置。集中转发通常应用于AC直连，不过AC旁挂有时也需要配上AP集中转发。如下图3.5所示。图3.5 业务面数据集中转发示意图3.7 组网面临的问题WLAN网络的一些问题在组网部署过程中慢慢显露出来。同时，相比公司企业的中小型无线局域网络，电信级WLAN网络显得更加复杂和庞大。随着无线网的大范围部署，越来越多的新问题也都暴露出来了。1.WLAN认证问题国内WLAN最大的问题就是认证太繁琐，用户每次接入网络都要输入用户名和密码。因此，大量的用户放弃了WLAN。但这个问题已经在国外得到解决，国外的运营商已经实现了更方便的无线网接入方式。用户接入互联网不用再输入繁琐的用户名和密码。我国运营商开始注意到了这个问题，并且正在试点。SIM卡认证、MAC认证的方式逐步替代原有繁琐的认证方式。目前，国内运营商已经在进行相关试点和部署。针对WLAN认证繁琐问题，不同运营商都制定了相应的企业规范，区别在于认证的协议和参考标准4。中国移动WLAN业务采用的方式是把Web浏览器作为认证客户端进行认证。用户认证时，需要在中国移动提供的特定认证网页上输入用户名和密码。当认证通过后，用户就能自由地访问互联网。需要注意的一点就是在认证之前用户必须搜索并已经连接上CMCC信号。中国联通的开通和认证方式和中国移动的基本相同。中国电信的WLAN业务开通和认证相对复杂一些，并且不支持短信开通。其WLAN认证方式需要在登录页面填写手机号后，点击获取密码，然后通过短信获取随机密码。而这个密码的有效期仅为6个小时，这也就意味着6小时后再次登录还需要重新获取密码进行认证。可见我国WLAN认证过程过于繁琐，对于移动和联通在开通WLAN服务后就可以获得静态密码，无需再次申请（当然也可以申请动态密码）；而电信在没有手机情况下，就无法连接WLAN，因为认证需要接受短信获取动态密码。 总之，简化WLAN认证过程是运营商的首要问题，如果WLAN上网十分便捷，用户自然就会选择WLAN。2.邻频干扰问题随着热点的增多，运营商AP之间的干扰在所难免。目前，我国的WLAN的干扰问题很严。据统计，最主要的干扰就是AP与AP之间的干扰。WLAN业务使用的802.11a/b/g协议存在一定劣势。体现在：1、802.11a/b/g协议的工作频段分别为5GHz和2.4GHz，信号穿透能力差，信号整体覆盖存在一定难度；2、802.11b/g的公开频段共13个，但其互不干扰的频段只有3个，因此在信号覆盖过程中，如何降低信号间的同频、临频干扰，对于提高WLAN网络的质量和稳定性有至关重要的作用4。802.11b/g频道划分图如下图3.6所示。图3.6 802.11b/g频道划分 WLAN是基于CSMA/CA方式为终端服务的。也就是说，一个终端需要使用WLAN进行通信时，首先要监听信道，这时就会出现两种情况，一是如果信道当时有人在使用，就一直监听下去直到信道空闲。二是如是信道空闲，就使用这个信道，此时信道是被占用的4。820.11b和802.11g协议的理论最大速率虽然能够达11Mbit/s和54Mbit/s的速率，但如果此时AP1和AP2都使用的6频道，那么无论终端是接入到AP1还是AP2，只要有一个终端在进行通信，那么这个6信道就是被占用的，其他终端不能使用，这就是干扰。因为WLAN是采用竞争的，终端竞争到就完全使用这22MHz的信道，使用完后终端继续竞争。此时如果AP使用相同信道的话，竞争会使性能退化，单个AP的吞吐性能下降。而同时，同频干扰产生波形的叠加或者衰落，导致接收端无法准确识别、还原信号，大量数据重传更增加了带宽开销，使无线网络的传送性能更加恶化。因此研究如何增加WLAN无线网络的抗干扰能力具有重大意义。下图3.7为AP之间干扰的示意图。图3.7 主AP与干扰AP 而且，由于目前我国对AP管理缺乏相关的法规，没有统一的监管，运营商在部署热点的时候存在严重的抢点现象。一些大型热点场所与其