超高吞吐率Wi—Fi融合应用新技术分析

杨建红+赵越+滕飞

【摘 要】分析了超高吞吐率Wi-Fi在无线网络密集部署情况下的典型应用及其性能需求，提出超高吞吐率Wi-Fi基于软件定义网络的网络架构、无线网络侧虚拟化等新型机制。实验结果表明：超高吞吐率Wi-Fi能有效提升网络吞吐率，但与802.11a/n并存将导致网络性能变差，结合SDN、NFV技术可以实现延展性和抗干扰性的提高，在吞吐率性能上获得更大的提升，保障超高吞吐率Wi-Fi在未来密集部署的无线网络中发挥重要作用。

【关键词】超高吞吐率Wi-Fi 密集部署 软件定义网络 网络功能虚拟化

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.011 中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1006-1010（2016）20-0054-07

1 引言

随着无线网络的快速发展和用户对高带宽、灵活性网络的需求，无线网络的网络架构正经历着巨大变革。新一代无线网络呈现出密集部署、异构网络并存的多样化形态，这种无缝覆盖、相互融合的网络拓扑结构虽然非常接近频谱利用率的理论极限[1]，但依然存在3个严重的问题。第一，移动回程网络成为吞吐率受限的瓶颈，无法满足无线接入网络数据流量增长的需求。第二，现有的网络协议由于无法有效解决网络干扰、快速切换等问题，不能直接应用于密集部署的无线网络。第三，LTE基站（eNodeB）发射功率较高，造成能耗增加，不利于通信环境“绿色化”。

Wi-Fi技术具有吞吐率高、投资成本低、组网灵活、维护简便等优势，被认为是能解决无线网络密集部署问题的有效方案。目前，IEEE制定802.11ac和802.11ad作为新一代超高吞吐率（Very High Throughput，VHT）Wi-Fi，很好地适应高速无线数据业务发展的需要[2]。但是，由于VHT Wi-Fi工作在非许可证频段，需要与其它的802.11网络共享频段，其所采用带冲突避免的载波侦听多址接入（CSMA/CA）机制无法完全避免相邻网络的干扰，也无法保障良好的服务质量（Quality of Service，QoS），Wi-Fi在密集部署下的网络性能是需要重点关注的问题。软件定义网络（Software-Defined Networking，SDN）和网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）技术是目前研究的热点，这些技术将会指导未来Wi-Fi的设计及应用，SDN、NFV如何与Wi-Fi应用结合也是需要引起关注的问题。

本文分析VHT Wi-Fi在无线网络密集部署情况下的典型应用及其性能需求，结合基于SDN的Wi-Fi网络架构、无线网络侧虚拟化等关键技术，更好地提升VHT Wi-Fi的延展性和灵活性。通过搭建实验环境对共存性、网络干扰进行测试分析。本文对VHT Wi-Fi网络架构和虚拟资源管理等方面提出了分析和探讨，期望可以对未来无线网络的网络规划提供支持与借鉴。

2 应用场景

VHT Wi-Fi技术的几个典型应用场景如图1所示，包括Wi-Fi替代千兆以太网、多用户多入多出（Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，MU-MIMO）传输、构建Wi-Fi回程网络以及基于Wi-Fi实现移动数据流量卸载。

2.1 替代千兆以太网

近期，Wi-Fi联盟提出VHT Wi-Fi取代传统的千兆以太网，这是改善无线接入点（Access Point，AP）与用户设备（User Equipment，UE）、UE与UE之间连接的可靠、经济的途径。如图1中AP1采用工作于5 GHz频段的802.11ac，支持多路空间流传输；AP2采用工作于60 GHz的高频段的802.11ad，由于该频段载波穿透力极差，传输距离、信号覆盖范围均受到很大影响，802.11ad主要用来作为单个房间内设备间的高速无线传输通道，为家庭用户提供超高速短距离无线应用服务。

2.2 数据流量卸载

LTE等移动蜂窝网的业务量不断增长，通过数据流量卸载技术将LTE网络部分用户的业务转接到Wi-Fi网络，Wi-Fi与LTE网络的负载均衡可以显著降低LTE网络的数据流量压力。数据流量卸载技术尤其适用于移动业务热点区域中位置固定或低速移动的UE。此外，3GPP Rel.10提出一种更高效的IP流移动性（IP Flow Mobility）技术[3]，支持UE依据业务类型和网络负载等情况，分配数据流同时接入到多个无线接入网络。图1中UE3可以同时通过AP2、eNodeB接入到同一个核心网，Wi-Fi和LTE网络存在接口，并且判断Wi-Fi是否可信建立两种接入方式。如果Wi-Fi被视为可信的接入网络，则UE通过Wi-Fi直接与LTE网络的演进分组核心网（Evolved Packet Core，EPC）交互。如果Wi-Fi被视为不可信的接入网络，则需要在UE与EPC间建立Internet协议安全性（Internet Protocol Security，IPSec）隧道，让数据流通过这条隧道进行传输，提供数据源认证、完整性认证、数据加解密等安全保护措施。

数据流量卸载的另一个应用场景是仅在Wi-Fi环境下将数据流量从拥挤的2.4 GHz/5 GHz频段转移到802.11ad使用的60 GHz频段。由于60 GHz频段传输距离受限，可以有效地避免网络干扰，单个房间内环境的网络吞吐率可以与有线网络相比。因此，Wi-Fi可以使用2.4 GHz/5 GHz构建作为连接各房间的回程网络，使用60 GHz为房间内的UE提供超快速数据传输。

2.3 无线回程网络

传统上，回程均基于有线网络，但AP部署密集化后，并非每台AP都能有线回程，这是因为有线回程部署的位置和数量对密集部署的无线网络的性能影响很大。数量太多，成本很高，数量太少或位置规划不合理，回程能力有限。图1中AP3与eNodeB之间通过802.11ac替代千兆以太网，为现阶段广泛应用的802.11g/n无线局域网提供回程技术支持。回程网络的关键性能指标是网络吞吐率，VHT Wi-Fi不仅能支持非常高的网络吞吐率，而且具有投资成本低、组网灵活可扩展等优势，尤其在光纤无法覆盖的区域，可使用Wi-Fi在视距传输距离提供无线回程连接。虽然Wi-Fi使用开放的无线频谱资源会受到其它使用此频段网络的干扰，但由于回程链路是点到点固定连接，可以使用定向天线有效避免网络干扰。MIMO传输技术得益于MIMO阵列天线的发展，不仅支持点到点链路的定向数据传输，而且可以控制天线发射功率以调整覆盖范围。

2.4 多用户MIMO传输

802.11ac协议采用了下行MU-MIMO传输技术，AP为多天线配置，利用发射波束赋形和多用户分集技术，为多台UE同时传输数据。802.11ac定义了一种新型发送机会（Transmitting Opportunity，TXOP）共享机制[4]，下行数据帧中根据业务类别划分为不同的接入等级（Access Categories，AC）的发送队列，支持不同发送队列同时进行数据传输，多个AC不会因为相互竞争TXOP而造成“虚拟碰撞”问题，有效降低了低接入等级发送队列的延迟与负载，改善了信道带宽的资源利用率。如图1所示，AP4提供可区分的、分布式的3个AC，分别对应语音、视频、尽力而为不同的业务类型，支持同时接入不同业务流。

3 性能需求

为了能够发挥上述应用场景的效能，需要对Wi-Fi的吞吐率、频谱利用效率、能量效率、安全切换时间等性能需求进行分析。

3.1 吞吐率

802.11标准化工作重点就是不断提高Wi-Fi的吞吐率，以802.11ac和802.11ad协议为例的VHT Wi-Fi均基于高阶调制编码方式（802.11ac可采用256QAM调制，802.11ad采用64QAM调制）、超高信道带宽（802.11ac支持高达160 MHz信道带宽，802.11ad更是支持高达2.16 GHz信道带宽）、增强型传输（802.11ac采用多用户分集和波束赋形，802.11ad采用波束赋形）等物理层增强技术。此外，数据链路层也定义了一些新的特性，包括空闲信道评估、发送请求/发送清除（request to send/clear to send，RTS/CTS）等机制解决多台UE竞争信道产生的碰撞问题。还可以使用帧聚合策略，将多个数据帧重新封装组合成新的数据帧进行发送，减少MAC头、物理层前导、帧间间隔等，进一步提高Wi-Fi吞吐率。

3.2 频谱利用效率

密集部署的无线网络虽能提升频谱利用效率，但需要相应的网络管理策略进行保障，避免重叠覆盖区域由于网络干扰导致性能下降。如图1所示，处于交叠基本业务集（Overlap Basic Service Set，OBSS）场景的UE3受到网络干扰比较严重，在频谱有限的情况下会导致QoS变差。解决方法是量化相邻网络的干扰和负载状况，形成状态信息并交互，依此进行信道选择和协作资源共享[5]。此外，相邻网络可以使用认知无线电技术感知周围的频谱环境，实时选择最优频点的信道进行数据传输，保证相邻网络同时使用的信道频率相互正交，从而降低OBSS干扰对频谱利用效率的影响。

3.3 能量效率

Wi-Fi能效优化目标就是在降低功率消耗（延长UE待机时间和降低AP运行成本）的同时保持非常高的吞吐率。802.11ac与其它的802.11系列协议相比，提供了更宽的信道带宽、更高阶的调制方案和更多并发的空间流。但是，设置最高的系统参数值（如256-QAM调制及编码码率5/6，160 MHz信道和8×8 MIMO）并不一定能够达到最优的Wi-Fi性能，尤其是再考虑能效将变得更加复杂。文献[6]通过实验分析得出结论：利用更宽的信道带宽和较低阶的调制编码方案（Modulation and Coding Scheme，MCS）与使用较高阶的MCS和较小的信道带宽相比，可以通过较少的能量损耗，达到相同的吞吐率性能。文献[7]分析能量效率与信道带宽、自适应传输速率、空间流的相互关系，得出的结论是：可以通过三个方法降低能量损耗，分别是提升信道带宽，采用自适应调制和编码技术，增加并行的空间流数目。802.11ac最大限度地利用信道带宽，根据不同UE的信道情况提供自适应的调制与编码选择，支持1至8路空间流，因此802.11ac的能量效率很高。

3.4 安全切换时间

切换过程通常伴随着UE、AP与EPC之间交互的各种信令报文，存在伪AP、拒绝服务与重放攻击等安全威胁。为了保证切换前后UE通信的正常运行，802.11系列协议设计了安全切换处理流程，首先建立与新AP的新信道，然后进行接入认证与密钥协商，最后完成业务关联[8]。802.11ac的目的是减少切换的时延，支持对时延敏感的实时业务。切换时延包括执行802.11安全协议所产生的认证时延、密钥交换时延以及重关联时延等。802.11ac通过研究新的认证协议、新的密钥管理协议、更快的成对临时密钥（Pairwise Transient Key，PTK）算法以及在重关联或者关联之前的资源预留，使安全切换时间压缩到最小程度[9]。

4 融合发展

随着Wi-Fi技术的发展，传统与新型Wi-Fi设备共存、密集部署的无线网络间干扰以及安全切换时延成为网络应用发展的瓶颈，结合SDN、NFV、增强型认证与快速切换等关键技术，更好地适应未来网络延展性、灵活性、安全性的需求。

4.1 基于SDN的Wi-Fi网络架构

新一代Wi-Fi的显著特征是灵活性与适应性。如图2所示，基于SDN理念重新构建Wi-Fi网络架构，网络划分为基础设施层、控制层、应用层。基础设施层部署虚拟化的接入适配网元，适配Wi-Fi在内的各种无线网络制式，大量可编程的SDN交换机实现业务数据传输、转发、处理和状态收集。控制层由一系列分布式的SDN控制器组成，SDN控制器集中管理网络感知、接入控制、路由选择、资源分配等网络服务，SDN控制器与SDN交换机采用开放流表（OpenFlow）协议作为通信接口。应用层由众多不同业务组成，这些业务可由SDN控制器调度和分配，SDN控制器和网络服务之间通过开放的应用程序编程接口（Application Programming Interface，API）衔接。

SDN技术可以解决无线网络密集部署出现的干扰复杂和负载分布不均问题，以CROWD项目为例[10]，802.11ac网络资源（包括空口资源和回传网络资源）集中形成一个资源池并对其进行统一管理和动态分配，SDN控制器能够掌握实时的网络动态，多个SDN控制器可以进行协同和交互，实现更大范围内的管理信息共享，并提供所需的支持策略部署的灵活性网络资源管理。SDN交换机支持业务数据流进行本地转发，提升交换机设备的转发能力，减轻网络负载压力。SDN技术在提升802.11ac网络资源利用率、降低能耗的同时，还可以通过协作化技术来有效实现干扰协调和负载均衡，提升网络性能。

4.2 无线网络侧虚拟化

现有无线网络的基础设施归属于不同网络运营商，服务供应商希望提供给UE在不同网络资源共享、无缝切换的使用体验。在Wi-Fi技术中引入NFV技术，将网络资源（包括物理设备资源和频谱资源）从硬件中解耦出来，集成为以软件为基础的管理平台，实现不同网络的共存与管理，支持业务上下文感知和网络资源优化配置。NFV技术以业务为基础，针对不同的业务和应用类型选择不同的虚拟资源为其提供服务，AP作为数据节点不再是独立的物理实体，而视为抽象的处理资源，网络根据实际的业务负载，动态地将资源分配给对应的网络。文献[11]提出802.11ac的业务不再局限于由固定的网络基础设施提供，而是综合无线信号质量、数据节点负载程度以及业务QoS需求等因素，由多个数据节点通过协同多点（Coordinated Muti-Point，CoMP）传输技术为某一业务提供高速率和稳定的优质服务。

UE移动过程中为其提供服务的数据节点需要发生改变，以获取持续的优质服务，NFV技术可以有效解决密集部署无线网络场景下的移动性问题。首先，来自核心网的数据汇聚到Wi-Fi管理节点，由管理节点转发到底层各数据节点，降低了核心网路径转换概率和时延。其次，UE在加入虚拟网络时，就已经完成接入控制、资源预留以及上行同步，避免了原切换过程中这部分操作带来的时延。最后，用户或业务的上下文信息在各节点之间共享和同步，可以随着UE的移动随时快速转换数据节点，避免了复杂的切换过程[12]。

5 实验与性能分析

本节重点研究新一代Wi-Fi应用的3个典型实例：（1）VHT Wi-Fi设备与传统Wi-Fi设备共存；（2）密集部署的无线网络间干扰；（3）UE在VHT Wi-Fi间移动切换。首先介绍实验平台，然后对各实例进行测试与性能分析。

5.1 实验平台

实验平台使用符合COTS 802.11ac、802.11a、802.11n标准的设备（包括AP、UE）。802.11ac设备配有Broadcom BCM4360双频AC芯片组，支持多达三个空间流和20 MHz/40 MHz/80 MHz信道带宽。802.11a、802.11n的设备配有Atheros AR9580芯片组，信道带宽分别为20 MHz、40 MHz。部署实验环境A室（2 m×5 m，AP密集部署）和B室（8 m×15 m，AP松散部署）。在实验环境周围没有其它工作在2.4 GHz/5 GHz频段的无线网络。通过Iperf进行网络性能测试，AP与UE下行链路最大吞吐率的平均值达到700 Mbps（802.11ac，80 MHz带宽）、300 Mbps（802.11n，40 MHz带宽）、25 Mbps（802.11a，20 MHz带宽）。

5.2 共存性分析

未来802.11ac系列设备大量涌入市场，新型和传统Wi-Fi设备间的共存性问题必将引发关注，实验分析添加802.11ac AP对现有的网络性能的影响以及802.11ac AP能否有效替代现有的802.11a/n AP。

如图3所示，在A室测试对比一台802.11ac AP接入802.11a/n/ac等多台UE，与802.11a/n/ac多台AP各接入一台相同模式UE的网络性能，每台UE的业务类型相同。当802.11ac AP接入802.11a/n UE与接入802.11ac UE相比，整个网络吞吐率下降严重，其中接入802.11a UE的下降幅度要比接入802.11n UE的下降幅度更加明显。对于后一种情景，即使AP间使用互不相交的信道，在狭小环境内配置多台不同模式AP与仅配置一台802.11ac AP相比，整个网络吞吐率也会变差，然而802.11a/n设备可以达到的吞吐率稍高。这是由于AP间受邻道干扰的影响导致网络性能下降，但是增加802.11a/n AP比单台802.11ac AP更好地支持802.11a/n

UE的无线数据传输。尽管传统Wi-Fi设备（例如802.11a）向后兼容性差而导致网络性能的下降，但仍可以与新型Wi-Fi设备共存，单独配置一台802.11ac AP为802.11n/ac UE提供的吞吐率可以满足高速率的应用服务需求。

5.3 网络干扰分析

密集部署的无线网络易受干扰，实验分析Wi-Fi频域有多个网络运行相互产生的影响。如图4（a）所示，在B室分别对三种配置进行性能测试，其中AP1、AP2为802.11ac设备，AP3、AP4为802.11n设备，每一台AP均接入一台相同模式UE。其中，配置1的AP1与AP2复用带宽为80 MHz的信道；配置2的AP1、AP3分别使用带宽为80 MHz、40 MHz相交的信道；配置3的AP1、AP3、AP4分别使用带宽为80 MHz、40 MHz、40 MHz相交的信道，但AP3、AP4使用信道不相交。

测试结果如图4（b）所示，配置1中两台802.11ac AP使用的信道重合，吞吐率性能受同频干扰影响较为严重，与单个802.11ac AP独自运行相比，吞吐率下降约10%～15%。配置2中AP3虽然仅与AP1使用带宽的部分信道重合，但产生的干扰也会导致AP1和AP3下行链路吞吐率的明显下降，其中802.11n性能受干扰影响更为严重，当与802.11ac AP重合时，吞吐率下降约35%～40%。配置3中一个802.11ac AP与两个802.11n AP复用信道时，整个网络吞吐率进一步下降，802.11ac AP吞吐率近似于802.11n AP在没受到干扰情况下的吞吐率，802.11n AP吞吐率下降约为50%～55%。

基于上述的测试结果，得出的结论是：以802.11ac为代表的VHT Wi-Fi有效提升网络吞吐率，但与802.11a/n并存时，网络性能变差是不可避免的，尤其在网络空间较小及使用的信道相互交叠时。因此，密集部署的无线网络对SDN技术具有强烈需求。图4（c）为不同网络配置情况下，基于SDN的Wi-Fi网络架构与传统网络架构的吞吐率比较。SDN控制器能够实时掌握UE侧的信号强度，AP侧的空闲带宽和无线链路干扰状况，对网络资源进行合适的调配，有效实现干扰协调和负载均衡，相比传统网络架构能提供更好的吞吐率性能。从图4（c）可以看出，配置1、配置2和配置3的吞吐率性能分别提升45%～50%、35%～40%和25%～30%。其中，802.11ac比802.11n能更有效支持频谱分析，其与SDN相结合能更好地实现对AP工作信道的集中控制管理，在吞吐率性能上获得更大的提升。

6 结束语

无线网络密集部署是解决未来移动业务快速增长需求的必然趋势。本文关注VHT Wi-Fi在无线网络密集部署的典型应用，评估相关应用对VHT Wi-Fi性能的需求，研究VHT Wi-Fi与SDN、NFV结合后的网络架构和虚拟资源管理等。搭建实验环境测试传统与新型Wi-Fi设备共存、密集部署的无线网络间干扰。实验结果表明：VHT Wi-Fi能有效提升网络吞吐率，但与802.11a/n并存时，网络性能变差无法避免，尤其是在空间较小及使用信道相互交叠时。结合SDN、NFV等技术可以实现延展性和抗干扰性，在吞吐率性能上获得更大的提升，保障VHT Wi-Fi在未来密集部署的无线网络中发挥重要作用。

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