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作者:吴日海 杨讯

出版社:人民邮电出版社

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企业WLAN架构与技术

企业WLAN架构与技术试读:

内 容 提 要

本书基于华为在WLAN领域多年的技术积累和对客户业务的了解,以企业无线网络所面临的业务挑战为切入点,详细介绍了Wi-Fi标准的最新演进、企业场景下的空口性能和提升用户体验的解决思路,以及企业WLAN的典型组网、规划和场景化设计,旨在向读者全面呈现企业WLAN的规划设计、技术实现等,并给出部署建议。

本书是了解和设计WLAN的实用指南,内容通俗易懂、实用性强,适合WLAN技术支持工程师、WLAN规划工程师、网络管理员及网络技术爱好者阅读。《国之重器出版工程》编 辑 委 员 会

编辑委员会主任:苗 圩

编辑委员会副主任:刘利华 辛国斌

编辑委员会委员:

冯长辉 梁志峰 高东升 姜子琨 许科敏

陈 因 郑立新 马向晖 高云虎 金 鑫

李 巍 高延敏 何 琼 刁石京 谢少锋

闻 库 韩 夏 赵志国 谢远生 赵永红

韩占武 刘 多 尹丽波 赵 波 卢 山

徐惠彬 赵长禄 周 玉 姚 郁 张 炜

聂 宏 付梦印 季仲华

专家委员会委员(按姓氏笔画排列):

于 全 中国工程院院士

王 越 中国科学院院士、中国工程院院士

王少萍 “长江学者奖励计划”特聘教授

王建民 清华大学软件学院院长

王哲荣 中国工程院院士

尤肖虎 “长江学者奖励计划”特聘教授

邓宗全 中国工程院院士

甘晓华 中国工程院院士

叶培建 中国科学院院士

朱英富 中国工程院院士

朵英贤 中国工程院院士

邬贺铨 中国工程院院士

刘大响 中国工程院院士

刘怡昕 中国工程院院士

刘韵洁 中国工程院院士

孙逢春 中国工程院院士

苏彦庆 “长江学者奖励计划” 特聘教授

苏哲子 中国工程院院士

李伯虎 中国工程院院士

李应红 中国科学院院士

李新亚 国家制造强国建设战略咨询委员会委员、中国机械工业联合会副会长

杨德森 中国工程院院士

张宏科 北京交通大学下一代互联网互联设备国家工程实验室主任

陆建勋 中国工程院院士

陆燕荪 国家制造强国建设战略咨询委员会委员、原机械工业部副部长

陈一坚 中国工程院院士

陈懋章 中国工程院 院士

金东寒 中国工程院院士

周立伟 中国工程院院士

郑纬民 中国计算机学会原理事长

郑建华 中国科学院院士

屈贤明 国家制造强国建设战略咨询委员会委员、工业和信息化部智能制造专家咨询委员会副主任

项昌乐 “长江学者奖励计划” 特聘教授,中国科协书记处书记,北京理工大学党委副书记、副校长

柳百成 中国工程院院士

闻雪友 中国工程院院士

徐德民 中国工程院院士

唐长红 中国工程院院士

黄维中 国科学院院士、西北工业大学常务副校长

黄卫东 “长江学者奖励计划” 特聘教授

黄先祥 中国工程院院士

董景辰 工业和信息化部智能制造专家咨询委员会委员

焦宗夏 “长江学者奖励计划” 特聘教授新一代信息技术·华为数据通信系列专家指导委员会

主 任

张尧学 中国工程院院士

副主任

陈 钟 北京大学教授、博士生导师

马殿富 北京航空航天大学教授、博士生导师技术指导委员会

主 任

胡克文 华为数据通信产品线总裁

副主任

钟开生 华为企业BG Marketing与解决方案销售部副总裁

委 员

刘少伟 华为数据通信研发管 理部部长

赵志鹏 华为数据通信产品线园区网络领域总裁

顾雄飞 华为数据通信产品线广域网络领域总裁

王 雷 华为数据通信产品线数据中心网络领域总裁

邵明嵩 华为数据通信产品线交换机与企业网关产品部部长

解明震 华为数据通信数字化信息和内容体验部部长

王建兵 华为数据通信架构与设计部部长推荐语

该丛书由华为公司的一线工程师编写,从行业趋势、原理和实战案例等多角度介绍了与数据通信相关的网络架构和技术,同时对虚拟化、大数据、软件定义网络等新技术给予了充分关注。该丛书可以作为网络与数据通信领域教学及科研的参考书。——中国工程院院士,东南大学未来网络研究中心主任 李幼平

当前,国家大力加强网络强国建设,数据通信就是这一建设的基石。这套丛书的问世对进一步构建完善的网络技术生态体系具有重要意义。——中国信息通信研究院云计算与大数据研究所所长 何宝宏

该丛书以网络工程师的视角,呈现了各类数据通信网络设计部署的难点和未来面临的业务挑战,实践与理论相结合,包含丰富的第一手行业数据和实践经验,适用于网络工程部署、高校教学和科研等多个领域,在产学研用结合方面有着独特优势,填补了业界空白。——东北大学教授、研究生院常务副院长,国家杰出青年科学基金获得者王兴伟

该丛书对华为公司近年来在数据通信领域的丰富经验进行了总结,内容实用,可以作为数据通信领域图书的重要补充,也可以作为信息通信领域,尤其是计算机通信网络、无线通信网络等领域的教学参考。这套丛书既有扎实的技术性,又有很强的实践性,它的出版有助于加快推动产学研用一体化发展,有助于培养信息通信技术方面的人才。——清华大学教授、计算机系副主任,国家杰出青年科学基金获得者 徐恪

该丛书汇聚了作者团队多年的从业经验,以及对技术趋势、行业发展的深刻理解。无论是作为企业建设网络的参考,还是用于自身学习,这都是一套不可多得的好书。——北京理工大学教授,电动车辆国家工程实验室主任 王震坡

这是传统网络工程师在云时代的教科书,了解数据通信网络的现在和未来也是网络人的一堂必修课。如果不了解这些内容,迎接我们的可能就只有被淘汰或者转行,感谢华为为这个行业所做的知识整理工作!——平安科技平安云网络产品部总监 丘子隽

该丛书将园区办公网络、数据中心网络和广域互联网的网络架构与技术讲解得十分透彻,内容通俗易懂,对金融行业的IT主管和工作人员来说,是一套极佳的学习和实践指导图书。——兴业银行信息科技部数据中心主任 郑倚志推荐序

无线通信技术的应用改变了人们的生活、工作方式,如今只要有一部手机,就可以满足吃、穿、住、用、行等各方面的需求,而实现这一切的基础,就是手机所接入的无线网络。最常见的无线网络是移动通信网络和无线局域网(Wireless Local Area Network,WLAN),其中移动通信网络采用的是长距离无线通信技术,而WLAN采用的则是短距离无线通信技术。

移动通信技术发展迅猛,数十年内即完成了从1G到5G的演进,业务也从语音和短信扩展到了数据和多媒体。尤其是5G的出现,加速了行业的数字化转型,开启了物联时代,将为社会带来一场新的变革。WLAN是遵循Wi-Fi标准的无线局域网,在20多年时间内就从第1代的802.11标准演进到了第6代的802.11ax标准(也称为Wi-Fi 6),带宽也从最初的2 Mbit/s提升到接近10 Gbit/s,可以从容地应对海量数据的爆发式增长,具备取代有线连接的能力。

目前,家庭和企业园区仍广泛使用自建网络来承载学习、娱乐、办公、生产等各种数据,而无线网络的天然优势使WLAN逐渐成为自建网络的主力,这也是Wi-Fi标准加速演进的驱动力所在。家用WLAN比较简单,覆盖区域小,接入用户少,而企业WLAN需要接入海量的用户,提供覆盖大区域的漫游服务,承载多种复杂的业务,对WLAN的带宽、时延和连接数都有很高的要求。Wi-Fi标准在演进过程中不断提高带宽和连接效率,尤其是在Wi-Fi 6标准中引入了5G网络的多项技术,例如1024-QAM高阶调制技术、正交频分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)多用户技术等,从而使WLAN具备大带宽、低时延、多连接的优势,为企业的数字化转型提供了网络基础,加速了企业在物联网、人工智能、大数据、云计算等高新技术方面的探索、应用和创新,刺激了企业生产力的提升,帮助企业保持领先优势。

华为公司在无线通信技术上有着深厚的积累,不仅引领了5G标准的制定和推广,在Wi-Fi 6标准的制定过程中同样也做出了巨大贡献。担任Wi-Fi 6标准工作组主席的华为专家奥萨马·阿布勒-马格德(Osama Aboul-Magd)博士曾经说过:“Wi-Fi 6将是未来发展的基石,基于华为深厚的5G研究,华为进行了特色创新,升级到Wi-Fi 6是个稳妥的投资。”《企业WLAN架构与技术》一书是华为在企业WLAN领域多年技术积累和实践经验的总结,不仅阐明了家用WLAN和企业WLAN的区别之处,还详细介绍了Wi-Fi 6标准的关键技术,分析其给企业数字化转型带来的深远影响,同时也提供了详实的WLAN规划设计方法,是对企业WLAN部署方案的高度提炼和总结。对于信息通信技术从业者及技术爱好者来说,这是一本了解和掌握企业WLAN的相关内容不可多得的参考书。中国科学院 院士东南大学 教授前 言

本书出版之际,正逢无线保真(Wireless Fidelity,Wi-Fi)技术诞生21周年(Wi-Fi联盟最初叫无线以太网相容性联盟,该联盟成立于1999年,于2002年改名为Wi-Fi联盟,802.11a/b标准也是在1999年正式发布)。20多年间,Wi-Fi网络的应用普及经历了高潮,也经历了低谷,最终还是依靠顽强的生命力和快速的技术迭代更新征服了市场,迎来了爆发式的增长,成为短距离无线接入领域的绝对王者。

Wi-Fi技术应用于企业网络已有10多年的历史。使用Wi-Fi技术的企业WLAN在企业网络中的角色也在不断发生变化,从“有线网络的补充”,到“有线和无线网络一体化”的一部分,再到最近兴起的携带自己的设备办公(Bring Your Own Device,BYOD)和全无线办公,WLAN已经成为企业网络的基本需求,成为释放生产力、创新力的基础承载。

随着WLAN在企业之中的作用越来越重要,客户对它的要求也越来越高。高品质的无线接入体验、无感知的漫游体验、随时随地超宽带,为了满足客户的这些需求,华为公司的产品解决方案给客户提供了端到端的认证和安全服务、高可靠的网络服务和高质量的产品。

本书基于华为公司在WLAN领域多年的技术积累和对客户业务的了解,结合当前企业WLAN所面临的挑战,由浅入深地为读者介绍Wi-Fi的新标准、企业场景下的空口性能和提升用户体验的解决思路、无线安全防护措施,以及物联网融合解决方案。同时,本书还提供了企业WLAN的典型组网、规划和场景化设计,以及部署建议等内容,旨在向读者全面呈现企业WLAN的解决方案。对于网络工程师等信息通信技术(Information and Communications Technology,ICT)行业从业人员,本书是熟悉WLAN架构、规划设计和部署的指南;对于网络技术爱好者及在校学生,本书也可作为学习WLAN新技术的参考书。

本书内容

本书共分为10章,介绍如下。

第1章 企业WLAN概述

本章首先围绕Wi-Fi技术的诞生和演进,介绍企业WLAN的发展历程;其次介绍企业WLAN所面临的变革和挑战;最后重点介绍为应对上述挑战而提出的新一代企业WLAN解决方案。

第2章 WLAN技术基础

目前WLAN的标准是由IEEE 802.11工作组制定的IEEE 802.11标准。IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers,电气电子工程师学会)于1990年成立了802.11工作组以标准化WLAN技术。经过十几年的发展,802.11标准已经逐渐发展成包含一系列标准的标准族。本章先介绍无线通信的基本概念和WLAN关键技术,再介绍802.11标准的演进和不同版本标准的对比,最后介绍新一代802.11ax标准的基本内容,以及其物理层和媒体接入控制(Media Access Control,MAC)层的关键技术。

第3章 空口性能与用户体验提升

Wi-Fi技术的生命力非常强大,一个重要的原因在于其超宽的工作带宽,从早期802.11b标准的11 Mbit/s到最新的802.11ax标准的10 Gbit/s,给用户的使用体验带来了极大的提升。然而,当接入WLAN的用户较多时,每个用户实际可获取的带宽会急剧下降。在企业办公的高密环境中,用户对网速下降的感受尤为明显。本章将深入分析影响WLAN性能的关键因素,并介绍解决相应问题的技术手段。

第4章 WLAN安全与防御

WLAN是以无线电波代替网线进行数据传输的,与有线网络需要布放网线相比,基础设施的建设较为简单,但由于其传输媒介的特殊性,保障WLAN安全的问题显得尤为重要。本章首先介绍WLAN的安全威胁,其次重点介绍几种常见的消除WLAN安全威胁的安全机制,例如常用的接入认证方式及无线攻击检测和反制。

第5章 WLAN与物联网融合

物联网(Internet of Things,IoT),顾名思义,就是连接物与物的互联网。本章首先介绍物联网中常见的几种无线通信技术,然后探讨Wi-Fi网络与物联网采用的短距离无线通信技术融合部署的可行性,最后重点介绍几个物联网接入点(Access Point,AP)典型的使用场景。

第6章 WLAN定位技术

本章首先介绍常见的无线定位技术原理,使读者可以快速掌握理论基础,以便更好地理解后续各节的内容;其次介绍各种短距离无线通信系统如何利用定位技术计算位置;最后从实际需求出发,介绍组建定位系统的思路。

第7章 企业WLAN组网设计

不同的企业对于WLAN的要求是不同的,随着WLAN在企业网络中的应用越来越广泛,如何构建一个满足业务要求的WLAN成为企业面临的重要问题。在构建网络之前,首先要设计良好的架构,选择合适的组网方式。本章介绍WLAN的组网设计思路和典型的组网方案。

第8章 企业WLAN规划设计

一个良好的网络规划设计(简称网规设计)可以同时满足信号覆盖广、避免冲突、网络容量大等需求,本章从实际建网流程出发,为读者介绍企业WLAN规划设计的方法。

第9章 企业WLAN场景化设计

本章对典型场景进行场景分析和网规设计,以帮助读者更深入地了解并掌握WLAN网规设计方法,并应用到实际的项目中。

第10章 企业WLAN网络运维

网络运维是指园区网络管理员为了保证网络的正常稳定运行而进行的必不可少的日常网络维护工作。本章重点介绍网络运维主要工作中的日常监控、网络巡检、设备升级和故障处理。

致谢

本书由华为技术有限公司“数据通信数字化信息和内容体验部”及“数据通信架构与设计部”联合编写。在此期间,华为数据通信产品线的领导给予了很多的指导、支持和鼓励,在此,诚挚感谢相关领导的扶持!

以下是本书编委和技术审校人员名单。

编委:吴日海、杨讯、叶明富、白小飞、周霞、王义博、丁玉权、俞居正、马志、王军辉、吉祥、周晓、王海涛、崔剑雷、潘淳、陈剑、汪明月、马家斌、罗晓雁、蔡亚杰、黄国刚、贾嘉、淦明、于健、郭宇宸、李云波。

技术审校:郭俊、吴日海、周霞、王义博、杨讯、叶明富、白小飞。

参与本书编写和审校的人员虽然有多年的WLAN从业经验,但因时间仓促,书中错漏之处在所难免,望读者不吝赐教,在此表示衷心的感谢。本书常用图标第1章 企业WLAN概述

本章首先围绕Wi-Fi技术的诞生和演进,介绍企业WLAN的发展历程;其次介绍企业WLAN所面临的变革和挑战;最后重点介绍为应对上述挑战而提出的新一代企业WLAN解决方案。

1.1 企业WLAN的发展历程

Wi-Fi技术的诞生,首先是为了解决有线网络布线的烦琐问题。收银机(POS机)制造商NCR公司在为百货商店和超市(简称商超)等客户提供服务时发现,每次改变店面格局都需要为收银机重新布线,费时费力。1988年,NCR公司联合AT&T和朗讯推出WaveLAN无线网络技术方案,实现了收银机的无线化接入,这一技术也被公认为Wi-Fi技术的前身。WaveLAN技术的诞生促使IEEE 802 LAN/MAN标准委员会在1990年成立了802.11无线局域网工作委员会,开始制定WLAN的技术标准。

下面依据WLAN技术的演进,结合企业WLAN架构和协议,分阶段介绍企业WLAN的发展历程,如图1-1所示。

1.第一阶段:初级移动办公时代——无线网络作为有线网络的补充

WaveLAN技术的应用可以被认为是企业WLAN的雏形。早期的Wi-Fi技术主要应用在类似“无线收银机”这样的物联设备上,但是随着802.11a/b/g标准的推出,无线连接的优势越来越明显,终端模组的成本也在快速下降,企业和消费者开始认识到Wi-Fi技术的应用潜力,无线热点开始出现在咖啡店、机场和酒店。Wi-Fi这个名字也在这一时期诞生,它是Wi-Fi联盟的商标。该联盟最初的目的是推动802.11b标准的制定,并在全球范围内推行Wi-Fi产品的兼容认证。随着标准的演进和符合标准的产品的普及,人们往往将Wi-Fi等同于802.11标准。需要说明的是,802.11标准是众多WLAN技术中的一种,只是802.11标准已成为业界的主流标准,而人们提到WLAN时,通常是指使用Wi-Fi技术的WLAN。这是企业WLAN应用的第一阶段,主要是解决“无线接入”的问题,核心价值是摆脱有线的束缚,让设备在一定范围内可以自由移动,这也是WLAN最直接的价值体现,用无线网络延伸了有线网络。但是这一阶段的WLAN对安全、容量和漫游能力等方面没有明确的诉求,AP的形态还是单个接入点,用于单点组网的无线覆盖。通常称单个接入点架构的AP为FAT AP。图1-1 企业WLAN的发展历程

2.第二阶段:无线办公时代——有线和无线网络一体化

随着无线设备的进一步普及,企业WLAN从起初仅仅作为有线网络的补充,发展到和有线网络一样不可或缺,由此进入第二阶段。在这个阶段中,企业WLAN作为企业网络的一部分,除了需要满足BYOD的需求外,还需要为企业的访客提供网络接入。

单个咖啡店的接入用户数一般为十几人,但是企业的接入用户数可能成百上千,此时单个AP已经无法满足建设大规模WLAN的需求,由此新的WLAN架构——WAC+FIT AP应运而生。在网络中引入一个集中的无线接入控制器(Wireless Access Controller,WAC),通过无线接入点控制和配置(Control And Provisioning of Wireless Access Points,CAPWAP)协议来实现集中信道管理、统一配置、全网的漫游和认证,如图1-2所示。图1-2 WAC+FIT AP架构

另外,在企业办公场景下,存在大量视频、语音等大带宽业务,对企业WLAN的带宽有更大的需求。从2012年开始,802.11ac标准趋于成熟,对工作频段、信道带宽、调制与编码方式等做出了诸多改进,与以往的802.11标准相比,其具有更高的吞吐量、更少的干扰,能够允许更多的用户接入,引领WLAN进入了吉比特时代。这种技术的改进为企业无线办公创造了充分的条件。

在此背景下,AP不但需要支持新的802.11标准,同时也需要更强劲的业务处理能力。企业级AP和家用AP开始分道扬镳,走向不同的演进路线。

作为企业网络的基础设施,企业级AP不仅需要更长的使用寿命和更加牢固的结构设计,更重要的是,需要更强大的处理能力和更高效的空口调度算法,来满足高并发、大容量的接入场景。企业级AP和家用AP的差异如表1-1所示。表1-1 企业级AP和家用AP的差异续表

3.第三阶段:全无线办公时代——全无线办公,以无线为中心

目前,企业WLAN已经进入第三阶段,在企业办公环境中,使用无线网络彻底替代有线网络。办公区采用全Wi-Fi网络覆盖,办公位不再提供有线网口,办公环境更为开放和智能。未来,企业云桌面办公、智真会议、4K视频等大带宽业务将从有线网络迁移至无线网络,而虚拟现实(Virtual Reality,VR)/增强现实(Augmented Reality,AR)、虚拟助手、自动化工厂等新技术将直接基于无线网络部署。新的应用场景对企业WLAN的设计与规划提出了更高的要求。

2018年,新一代Wi-Fi标准Wi-Fi 6(这是Wi-Fi联盟的命名,IEEE将其命名为802.11ax标准)发布,这是Wi-Fi发展史上的又一重大里程碑,它的核心价值是容量的进一步提升,引领室内无线通信进入10吉比特时代;多用户并发性能提升4倍,让网络在高密接入、业务重载的情况下,依然保持优秀的服务能力。

企业WLAN的另一个演进方向是基于WLAN的位置服务功能和物联网连接功能发展。例如,通过融合Wi-Fi技术和蓝牙定位技术支持高精度室内导航和定位;通过融合射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)和ZigBee等短距离物联技术支持电子价签、智能手环等物联网应用。

1.2 企业WLAN面临的挑战

企业WLAN发展至今,在标准快速迭代和需求场景爆炸式增长双重因素的推动下,已经由最初的“有线网络的补充”发展到全无线办公。承载在网络上的业务也不再是“访问互联网”这样简单的消费需求。企业WLAN已经成为支撑各行各业实现数字化转型、提升生产和工作效率的基础设施,其面临的挑战也变得更为艰巨,如图1-3所示。图1-3 企业WLAN面临的挑战

1.WLAN业务超大的带宽需求

在未来,各行各业都面临着数字化转型,以企业办公为例,数字化转型的一个重要方面就是移动化和云化。通过集成了即时通信、电子邮件、视频会议、待办审批等服务的一站式办公平台,越来越多的工作可以随时随地在移动端处理。移动化和云化可以帮助企业摆脱地域差异,完成协同办公,特别是随着4K智真会议等新技术的兴起,多地人员可以参与同一个项目,不同地区办公的项目成员可以随时随地召开智真会议进行交流,清晰流畅的4K视频会议与面对面的会议并无二致。当然,智真会议对带宽的要求很高,需要至少50 Mbit/s的带宽和低于50 ms的时延。

此外,教育领域中,数字化课堂已经成为新趋势,在线互动教学、高清教学视频点播、学术视频会议重新定义了学习空间,学生不必安安静静地坐在课堂上,而是随时随地都可使用移动终端学习,充分利用碎片化时间。VR技术的出现还带来了参与度高的沉浸式课程,从而增强教师的教学效果。举个最常见的VR教学的例子——手术示教,通过部署4K/VR手术示教系统,将手术场景实时同步到各个教室,让更多的学生参与到观摩和学习当中,同时手术现场的医生可以通过高清视讯设备和会诊专家进行远程实时交流,而这一切都需要超大带宽的支撑。

传统业务单个用户的带宽都不超过10 Mbit/s,如何满足大带宽业务并发成为企业WLAN面临的一大挑战。

2.Wi-Fi技术瓶颈影响用户体验

在使用WLAN的过程中,除了对带宽的需求外,还存在很多用户体验差的问题。

举个比较典型的例子,在大型展会中,主办方都会提供无线接入服务供参展人员上网。但是参展人员可能会发现,明明能够搜索到主办方提供的WLAN热点,但就是关联不上,即使连上了,打开网页的速度也很慢,特别是在移动过程中,感觉信号更差了。其实造成这种情况的原因有很多,可能是无线信道分配不合理,导致出现严重的同频干扰;可能是信道功率配置不合理,导致部分区域信号弱,速率低;可能是场地中存在一些干扰源,例如微波炉等设备,影响到无线信号的稳定性;也可能是接入用户数过多,使得网络存在着一些拥塞区域,导致速率低,接入困难;还有可能是部分手机漫游不及时。上述这些原因都会影响到用户体验。同时,在展会中还有一些特殊的应用场景。例如,一些展台会设计使用VR技术的互动体验环节,它对时延的要求极高;参展的记者可能会利用无线网络进行现场直播或者进行文字报道,如何保证其流畅性也是一项难题。

3.WLAN业务的安全性被质疑

WLAN采用无线电波传输数据的特殊性使得无线信道成为黑客、违法分子攻击和破坏数据传输的重要目标。特别是进入全无线办公时代后,WLAN取代了有线网络承载核心业务的传输,如果WLAN受到攻击,那么产生的损失和破坏将是毁灭性的。

以金融行业为例,中国银行业协会发布的《2017年中国银行业服务报告》指出,截至2017年,我国手机银行业务快速增长,其中手机银行个人客户已达15.02亿户。人们利用无线网络,可以在移动终端上随时随地对自己的账户进行查询、转账、理财等操作,免去了以往跑银行办理业务的麻烦。但是客户在获得便利的同时,也要承担风险,一旦在使用手机银行的过程中遭到攻击,数据被窃取,将会造成直接的经济损失。特别是2017年下半年被媒体广泛报道的KRACK攻击,经过媒体的发酵,引发了用户对无线安全的担心。

4.网络设备的增加带来更复杂的规划部署和维护

传统的有线网络只为固定区域的人群服务,区域内有多少终端,需要配置多少上网口,都是可以预知的。但规划无线网络的时候,情况将变得极为复杂。试想一下,有一个50人的会议室,要求在实现Wi-Fi网络全覆盖的同时,还需支持实时视频会议。传统网络方案中,网络管理员需要准确预估覆盖区域的业务模型,然后规划Wi-Fi网络,设置无线射频参数,避免AP间的同频干扰并保证无线信号的覆盖率和质量;为了满足实时视频会议对带宽、时延、丢包率等指标的要求,还需要设置复杂的QoS参数;最后,再人工逐台设备去配置命令行,如果出现配置错误,还需要逐条命令去检查,费时费力。另外,由于无线设备的特殊性,一旦设备故障,会影响一片区域用户的接入,因此需要实时监控AP和交换机设备的工作状态。但是如果AP数量庞大,人工监测的工作量会非常大。

5.WLAN与物联网融合的挑战

在WLAN迅猛增长的同时,连接物与物的物联网技术也在快速发展并被广泛应用。现在是万物互联的时代,企业的物联网也是随处可见。在企业办公场景中,物联网可以用于企业资产管理,实现资产移动轨迹查看和自动盘点等功能;在学校中,物联网可用于学生的健康管理,实现学生自动考勤和学生体征检测;在医院中,物联网可以用于输液管理、药品管理和生命体征的实时监控等;在工厂中,物联网可用于车间生产资源的实时互联,实现生产资源的精细化管控。

WLAN和物联网技术都在迅猛发展着,业界也在不断探索二者融合的可能性。一方面,独立部署物联网投资成本较高,同时,分别管理和维护WLAN和物联网两套网络也比较复杂;另一方面物联网和WLAN有很多相似之处,包括物理层(PHY层)的协议、使用的频段、部署和组网方式,因此二者从共存到融合,最终到归一,这是一个重要的技术演进方向。

1.3 新一代企业WLAN解决方案

为了应对以上的种种挑战,新一代企业WLAN解决方案应运而生,如图1-4所示。图1-4 新一代企业WLAN解决方案

1.支持802.11ax标准,应对超高带宽需求

随着4K/8K高清视频、AR/VR等新兴业务的普及,对WLAN提出了高带宽、低时延的要求。为了应对超高带宽的需求,802.11标准一直致力于传输速率的突破。从最开始802.11b标准传输速率仅为11 Mbit/s,到802.11ac标准传输速率突破1 Gbit/s大关,再到最新802.11ax(Wi-Fi 6)标准将传输速率提升到10 Gbit/s,并且引入了多种多用户技术,提升了用户的实际吞吐率。

2.创新无线空口技术,打造卓越用户体验

为打造最优的用户体验,需要在以下关键技术中做出改进。(1)无线覆盖

为了使WLAN获得最优的网络覆盖范围,必须为WLAN规划合理的信道和功率。射频调优功能可以自动部署信道和调整发射功率:一方面可以应对多样化的网络环境,规避干扰和填补盲区,使得无线覆盖达到最优;另一方面,针对网络中存在的不确定因素,射频调优也可以进行自动检测,进而优化无线网络参数,应对网络变化。(2)抗干扰

WLAN的一个显著特点是在自由空间中传输数据,而这种开放的无线环境中存在大量的干扰。新一代企业WLAN解决方案提供了一系列技术手段应对干扰。首先,对于非Wi-Fi干扰,可以通过频谱分析功能进行识别;其次,针对Wi-Fi干扰可以通过空闲信道评估(Clear Channel Assessment,CCA)和请求发送(Request to Send,RTS)/允许发送(Clear to Send,CTS)技术来降低有效信号与干扰信号发生冲突的概率;最后,自适应调制编码(Adaptive Modulation and Coding,AMC)算法可以在干扰无法避免的情况下减少干扰带来的性能损失。

除了通过软件算法提升抗干扰能力外,各类先进的天线技术也能助力AP规避干扰。一方面,高密天线可以有效控制AP的覆盖范围,减小相邻AP之间的干扰;另一方面,智能天线可以通过波束成形技术保障无线信号质量。(3)用户QoS

用户业务的多样化决定了WLAN需要对其进行区分对待才能让用户获取最佳体验。对待不同的业务,新一代企业WLAN解决方案提供了多种QoS技术。空口优先级调度可以帮助重要业务优先调度;Airtime调度则可以让多个用户公平地共享无线资源,传输更多的数据;智能应用控制(Smart Application Control,SAC)技术可以进一步识别业务类型,特别是高优先级的业务,如语音和视频业务,对业务进行更为精细化的控制。(4)移动体验

WLAN不同于有线网络,用户的相对位置并不是固定的,因此保证用户在漫游过程中的体验也非常关键。快速漫游功能使得用户在移动过程中业务不会中断,且无须重新认证;智能漫游功能则可以针对无法顺利漫游的黏性终端提供服务,提升使用此类终端的用户在漫游中的体验。

3.融合安全技术,开启无线全面防护

随着802.11标准的演进,WLAN的安全防护措施也在不断地升级。

新一代企业WLAN解决方案尤其关注网络的安全性,通过多样化的用户认证机制,建立安全的关联,确保参与通信的各方身份的合法性;通过无线数据加密,确保无线数据链路的安全性;对于WLAN中可能存在的非法攻击,可通过无线攻击检测实现对非法终端、恶意用户的攻击和入侵WLAN的行为进行安全检测,更进一步,还可以通过无线攻击反制进一步保护企业WLAN的安全,如阻止非法无线设备非授权访问企业网络,提供针对网络系统攻击的防护。

4.基于场景的网络规划部署和维护

新一代企业WLAN解决方案根据不同的企业和组织对WLAN的不同要求,提供了多种组网方案。此外,由于WLAN的特殊性,不仅需要确定组网方案,还需要进行网络规划。除了通用的无线网规设计方法外,还需要根据不同业务的特点,包括业务类型和业务使用频度、用户分布和终端类型、关键业务和关键区域,按照不同场景设计网络规划方案。网络规模的扩大导致网络规划难度加大,可以通过在网络规划、部署、验收和维护阶段引入专业的工具,实现一键智能规划部署,用工具取代繁复的设计过程,从而缩短项目交付的时间。当网络在自身或者外部环境出现异常的时候,能够自动地提示异常的发生,则会大大降低人工维护成本。

5.WLAN和物联网融合方案

新一代企业WLAN解决方案还包含WLAN和物联网融合方案。例如,通过物联网AP融合蓝牙定位技术,支持高精度室内导航和定位;通过物联网AP融合RFID/ZigBee等短距离物联技术,支持电子价签、智能手环等物联网应用。

第2章 WLAN技术基础

WLAN技术作为一种无线通信技术,和无线广播电台一样,都是通过无线电波在空间中传输信息。为了便于读者理解WLAN技术,本章先介绍无线通信的基本概念和WLAN关键技术,再介绍802.11标准的演进和不同版本标准的对比,最后介绍新一代802.11ax标准的基本内容,以及其物理层和MAC层的关键技术。

2.1 无线通信概念

无线通信是利用无线电波在空间辐射和传播的性质,在空间中传送信息的一种通信方式。2.1.1 无线电波

无线电波是电磁波的一种。电磁波又称为电磁辐射。同相振荡且互相垂直的电场与磁场,在空间中以波的形式传递能量和动量,其传播方向垂直于电场与磁场的振荡方向,以光速前进,如图2-1所示。图2-1 电磁波

人们周边的所有物体时刻都在进行电磁辐射。一个物体产生的电磁波并不只在一个方向存在,而是向着周围各个方向传播,同时还会发生反射、折射和散射。在无线通信中,接收端除了会收到非发送端发送的电磁波,还会收到来自发送端的经过直射、反射后的多个相同的电磁波(多径干扰),这些都是干扰,所以无线通信远比有线通信复杂,如图2-2所示。图2-2 多径干扰和外部干扰

频率是电磁波的重要特性参数。频率的分布就是频谱,按照频率从高到低的顺序,电磁波可以分为伽马射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波和无线电波,如图2-3所示。电磁波的频率越高,能量越大,直射能力越强,传输过程中能量衰减越快,传输距离越短。图2-3 电磁波频谱

WLAN使用的电磁波是无线电波。无线电波由振荡电路的交变电流产生,能够通过天线发射和接收,也称为无线电、电波、射频(Radio Frequency,RF)、射频电波或射电。

射频的频率范围称为频段。WLAN使用的频段是2.4 GHz频段(2.4~2.4835 GHz)和5 GHz频段(5.15~5.35 GHz,5.725~5.85 GHz)。这两个频段属于工业、科学和医疗(Industrial,Scientific and Medical,ISM)频段,使用ISM频段无须获得许可证或支付费用,只要符合规定的发射功率(一般小于1W),且不对其他频段造成干扰即可。免费的频段资源降低了WLAN的使用成本,但也带来了多种无线通信技术工作在相同频段上的同频干扰问题。各个国家和地区允许使用的ISM频段并不相同,所以其允许使用的WLAN频段也不相同,实际的使用需遵循当地法律和法规的要求。2.1.2 无线通信系统

在探讨信息如何通过无线电波传输之前,先来看一个声音传输的例子,这将有助于理解无线通信系统的组成。A对B说“你好”,A将发声的指令下发给嘴巴,嘴巴将信息转换成一组特定频率和幅度的声波,声波在空气中振动传播,B的耳朵接收到声波后转换成可以辨识的信息,如图2-4所示。图2-4 通信系统

声音的传输过程可以看作一个通信系统。“你好”是A要传输的信息,我们称A为信源;A的嘴巴将信息转换为声波,是发送设备,转换的过程为调制;声波在空气中传播,空气是能够承载声波的传媒介质,是信道;B的耳朵能够接收声波,是接收设备;B将声波转换为可辨识的信息,我们称B为信宿,转换的过程和调制相反,即为解调;声波在空中传输时,如果还有其他人说话,可能导致B无法听清A说什么,这就是环境中的噪声和干扰。

在无线通信系统中,信息可以是图像、文字、声音等。信息需要先经过信源编码转换为便于电路计算和处理的数字信号,再经过信道编码和调制,转换为无线电波发射出去,如图2-5所示。其中发送设备和接收设备使用接口和信道连接。对于有线通信,这很容易理解,设备上的接口是可见的,连接可见的线缆;而对于无线通信,接口是不可见的,连接着不可见的空间。为了便于理解和描述,将无线通信使用的接口称为空中接口,简称空口。图2-5 无线通信系统

1.信源编码

信源编码是将最原始的信息,经过对应的编码方式,转换为数字信号的过程。信源编码可以减少原始信息中的冗余信息,即在保证不失真的情况下,最大限度地压缩信息。不同类型的信息需要采用不同的编码方式处理,例如,H.264就是视频的一种编码方式。

2.信道编码

信道编码是一种对信息纠错、检错的技术,可以提升信道传输的可靠性。信息在无线传输的过程中容易受到噪声的干扰,导致接收信息出错,引入信道编码能够在接收设备上最大限度地恢复信息,降低误码率。WLAN使用的信道编码方式包含二进制卷积编码(Binary Convolutional Encoding,BCC)和低密度奇偶校验(Low Density Parity Check,LDPC)码。

信道编码的实现需要在原始信息中增加冗余信息,所以经过信道编码后,信息长度会有所增加。原始信息的占比可以用编码效率表示,简称码率,即编码前后的比特数量比。信道编码不能提升有效信息的传输速率,反而会降低其传输速率,但提高了有效信息传输的成功率。因此通信协议选择合适的编码,可以在性能和准确程度之间获得最佳的平衡。

3.调制

数字信号在电路中表现为高低电平的瞬时变化,只有将数字信号叠加到高频振荡电路产生的高频信号上,才能通过天线将其转换成无线电波发射出去,叠加动作就是调制的过程。高频信号本身没有任何信息,只是用来“运载”信息,所以被称为载波。

调制的过程实际包含符号映射和载波调制。

符号映射是采用调制的方法,将数字信号的比特映射为符号(也称为码元或信元)。1个符号可以表示1 bit,也可以表示多个比特。例如,使用二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)调制,1 bit信息映射为1个符号;使用正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)调制,2 bit信息映射为1个符号;使用正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)进行调制,当模式为16-QAM时,4 bit信息映射为1个符号。符号中携带的比特数越多,数据的传输速率越高。

载波调制是将符号和载波叠加,使载波携带要传输的信息。为了进一步提升传输速率,出现了多载波调制技术。多载波调制是利用波的正交特性,将信号分段,先分别调制到多个载波,再叠加到一起由天线发送,实现多组信号的并行传输。多载波调制可以有效利用频谱资源,并降低多径干扰。WLAN使用的多载波调制技术是正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)。

4.信道

信道是传输信息的通道,无线信道就是空间中的无线电波。无线电波无处不在,如果随意使用频谱资源,将带来无穷无尽的干扰问题,所以无线通信协议除了要定义出允许使用的频段,还要精确划分出频率范围,每个频率范围就是信道。

例如,WLAN的2.4 GHz频段被划分为14个有重叠的、频宽是22 MHz的信道,如图2-6所示,其中包含重叠信道和非重叠信道。图2-6 2.4 GHz频段信道划分

· 重叠信道:例如,信道1和信道2互为重叠信道,在一个空间内同时存在重叠信道,则会产生干扰问题。

· 非重叠信道:例如,信道1和信道6互为非重叠信道,在一个空间内同时存在非重叠信道时不会产生干扰问题。2.1.3 信道速率和带宽

无线通信的目的是有效传输信息,所以需要信道传输速率快,出错率低。信道的传输速率也称为数据率、比特率或吞吐率,单位是bit/s。信道上可以传输的最大速率称为信道容量或吞吐量。

带宽是指一段连续的频率范围,也称为频率宽度或频谱宽度,用于表示可以使用的频谱资源的多少,单位是Hz,有时信道容量也可以称为带宽。为什么信道容量也可以叫作带宽呢?这就要提到著名的奈奎斯特定理,在不考虑噪声的理想情况下,如果信道的带宽是B(单位:Hz),则符号速率是2B(单位:Baud),根据符号映射的比特数,就可以得到信道容量。例如,1个信道的频率范围是5170 MHz~5190 MHz,1个符号携带6 bit信息,则20 MHz就是其带宽,最大理论速率是240 Mbit/s。所以,带宽虽然用于表示一段频谱的宽度,但也会被用来表示速率。

奈奎斯特定理描述了一个无噪声的完美信道,但现实中噪声无处不在,香农定理告诉我们实际的信道容量会受噪声的影响。噪声的影响可以用信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)来表示,即信号功率和噪声功率的比值。带宽不变时,噪声越大,信道容量越小;但根据香农定理推导可知,当带宽无限大时,信道容量也不会无限增加。

2.2 WLAN关键技术

WLAN作为一种无线通信技术,为了实现其高速的无线传输,应重点从以下4个方面进行提升。

·调制方式:采用更优的信号调制方式。

·载波数量:采用OFDM增加载波数量。

·信道带宽:采用信道绑定技术提升信道带宽。

· 空间流数:采用多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术增加空间流数。

本节介绍提升无线速率的技术,包括调制方式、OFDM、信道绑定和MIMO。此外,为了保证多用户接入时的上网体验,WLAN还引入了多址技术来区分用户,包括多用户多输入多输出(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output,MU-MIMO)和正交频分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)。

无线通信不同于有线通信。有线通信可以通过线缆上的高低电平检测到电信号是否与自身发送的信号发生碰撞,而无线通信无法进行这样的检测。802.11标准在MAC层设计了一种简单的分布式接入协议——载波侦听多址访问/冲突避免(Carrier Sense Multiple Access /Collision Avoidance,CSMA/CA),本节的最后将为读者详细介绍该技术。2.2.1 调制技术

根据电磁波的3个特征——振幅、频率和相位,可以将数字信号的调制技术归为3类,分别是幅移键控(Amplifier Shift Keying,ASK)、频移键控(Frequency Shift Keying,FSK)和相移键控(Phase Shift Keying,PSK),如图2-7所示。另外,还有一种将ASK和PSK结合起来的机制叫作QAM,调制效率最高。调制后无线电波的微小变化正是叠加数字信号的结果。图2-7 调制方式

·ASK:通过改变载波的振幅来表示0和1,实现简单,但抗干扰能力弱。

· FSK:通过改变载波的频率来表示0和1,实现简单,抗干扰能力强,用于低速的数据传输。

· PSK:通过改变载波的相位来表示0和1,也被称为MPSK。M表示符号(Symbol)的种类,包含BPSK(2PSK)、QPSK(4PSK)、16PSK、64PSK等,常用的是BPSK和QPSK。例如,最简单的BPSK用 0°和180°共2个相位表示0和1,即2种符号,传递1 bit的信息;QPSK则使用0°、90°、180°和270°共4个相位,能够表示00、01、10和11共4种符号,传递2 bit的信息,其传输的信息量是BPSK的2倍,如图2-8所示。图2-8 BPSK和QPSK调制

· QAM:使用两个正交载波进行振幅调制,1个符号能够传递更多的信息,也被称为N -QAM。N表示符号的种类,包含16-QAM、64-QAM、256-QAM、1024-QAM等。N越大,数据传输速率越大,但误码率也会提升。

WLAN使用的信号调制方式有BPSK、QPSK和QAM。下面重点介绍一下QAM。

通过BPSK和QPSK的对比可知,随着相位数的增加,1个符号传输的比特数也随之增加,那么相位数是不是可以无限制地一直增加呢?答案是否定的,因为相位数一旦增加到一定程度,相邻相位之间的相位差会变得非常小,调制后的信号抗干扰能力就会降低。此时,QAM应运而生。

下面以16-QAM为例介绍QAM的原理。

16-QAM就是通过调整幅度和相位,组合成16个不同的波形,分别代表0000,0001,……,相当于1个符号传输4 bit,如图2-9所示。

那么如何实现QAM呢?还是以16-QAM为例。数据经过信道编码后得到(SSSS),将编码映射到星座图上,形成复数调制符号,3210然后将符号的I、Q分量(对应复平面的实部和虚部,也就是水平和垂直方向)采用幅度调制的方式分别调制在对应的相互正交(时域正交)的两个载波(cosω0t和sinω0t)上,然后叠加形成调制后的信号,如图2-10所示。图2-9 16-QAM调制图2-10 QAM流程

这里提到了星座图的概念。星座图是将输入数据、I/Q数据、载波相位三者的映射关系画到一张图里。16-QAM的星座图如图2-11所示。

星座图采用的是极坐标。星座图中的每一个点都可以用一个夹角和该点到原点的距离表示。前文提到过QAM是一种同时调制相位和幅度的调制方式,星座图上这个夹角就是调制的相位,距离就代表调制幅度。

QAM的应用很广泛,以802.11a标准为例,结合调制方式、编码率,得到的速率如表2-1所示。图2-11 16-QAM星座图表2-1 802.11a标准中不同编码方式对应的速率

从表2-1中可以看出,如果需要提高传输速率,可以使用点数更多的QAM。目前QAM最高已达到1024-QAM(1024个符号)。

但并不是点数越多的QAM就越好。因为随着点数的增多,点之间的距离也会变小,这样就要求接收到的信号质量很高,否则很容易命中相邻的其他点。

另外,在802.11标准中,引入了调制和编码方案(Modulation and Coding Scheme,MCS)。以802.11ac标准为例,MCS索引有10个,每一个数字对应一组调制和编码方式,如表2-2所示。对于每个MCS索引值,根据其信道带宽、空间流数和保护间隔(Guard Interval,GI)可以计算出不同的速率。表2-2 802.11ac MCS索引2.2.2 OFDM

1.OFDM的原理

OFDM是一种多载波调制技术。它的主要原理是,将信道划分成多个正交的子信道,将高速的串行数据信号转换成低速的并行数据信号,并将这些信号调制到子信道上进行传输。正交的子信道对应的载波通常被称为子载波。

将串行数据转化成并行数据,主要是为了将高速数据转换成低速数据,因为在无线传输中,高速数据很容易引起码元之间的干扰。

将信道划分成正交子信道就是为了提升频谱利用率。这些子载波是相互正交的,意味着这些子载波相互之间没有干扰。这样这些子载波就可以尽可能地靠近,甚至叠加,如图2-12所示。

在图2-12中,信道被分为3个正交的子载波,每个子载波在波峰均作为数据编码使用。当每个子载波处在波峰时,其他2个子载波振幅均为0。在对OFDM符号进行解调的过程中,需要提取的频点正是每个子载波频谱的最大幅值处,因此,从多个相互重叠的子载波符号中提取每一个子载波符号时,不会受到其他子载波的干扰,从而避免OFDM符号产生载波间干扰。图2-12 正交子载波示例

在实际的WLAN系统中,OFDM的子载波是按照一定规则进行划分的。以802.11a标准为例,OFDM将5 GHz频段的20 MHz信道划分成64个子载波,每个子载波频宽为312.5 kHz,以物理层协议数据单元(PHY Protocol Data Unit,PPDU)中的数据字段中的OFDM符号为例,如图2-13所示。图2-13 802.11a标准的子载波划分

· 边带保护子载波:用来做保护间隔,以减少相邻信道的干扰,不承载任何数据,在左边(即频率较低的一侧)有6个边带保护子载波,在右边有5个边带保护子载波。

· 导频子载波:用来估计信道参数并用在具体的数据解调中,承载的是特定的训练序列,一共有4个导频子载波。

· 直流子载波:在子载波中心位置的直流子载波一般都是空置不用的,仅做标识。

· 数据子载波:用来传递数据所用的子载波,802.11a/g标准中规定了48个数据子载波,802.11n/ac标准中规定了52个数据子载波。

通常在描述工作子载波的时候,指的就是导频子载波加上数据子载波,在802.11a标准中,工作子载波数量为52(即4+48)个。

前文中提到,OFDM的处理流程是将高速的串行数据信号转换成一组低速的并行数据信号,并将这些信号调制到子信道上进行传输。这个调制和解调一般利用快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform,IFFT)和快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)方法来实现,如图2-14所示。图2-14 OFDM的调制和解调

发送端一次性处理一批并行的信号,然后通过IFFT将这些原始信号调制到对应的子载波后进行叠加,这就构成了时域上的OFDM符号。当接收端接收完OFDM符号之后,再进行一次逆运算(FFT),就可以对数据进行正确的解调。

2.OFDM的优劣势

OFDM的优势如下。(1)传输速率高

在802.11标准中,传统的物理层技术中,跳频扩频(Frequency Hopping Spread Spectrum,FHSS)的最高传输速率为2 Mbit/s,直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)的最高传输速率为11 Mbit/s,而OFDM则在传输速率上有了很大的提升。以802.11a标准为例,OFDM结合64-QAM,最高传输速率可以达到54 Mbit/s。(2)频谱利用率高

这些子载波是相互正交的,这意味着这些子载波相互之间没有干扰,也正因为这样,相邻子载波可以靠得足够近,使得频谱利用率更高。(3)抗多径干扰

因为OFDM是将信道划分成了多个子载波,只要保证子载波的频宽小于信道的相关带宽,就可以消除多径传输造成的码间干扰。(4)抗衰落能力

试读结束[说明:试读内容隐藏了图片]

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