WiFi关键技术与产品演进研究

陈涛　胡园园　王颖

摘 要：WiFi技术作为用户上网使用最广泛的接入方式之一，其产品演进对于电信运营商、通信企业等具有至关重要的意义。全面介绍了WiFi发展中的关键技术，并结合WiFi产品现状，探讨了新技术、新业务对WiFi产品的影响和需求，指出其在管理上向云端迁移，在功能上融合物联网接入技术，在产品形态上向物联网AP、场景化AP发展的演进趋势，旨在给WiFi产品研究与设计工作提供方向借鉴。

关键词：WiFi;WLAN;云WiFi;物联网AP;场景化AP

DOI：10. 11907/rjdk. 192377

中图分类号：TP393   文献标识码：A                文章编号：1672-7800（2020）003-0215-05

Research on Key Technologies and Product Evolution of WiFi

CHEN Tao， HU Yuan-yuan， WANG Ying

（School of Computer Science， Nanjing University of Science and Technology Zijin College，Nanjing 210023， China）

Abstract：WiFi is one of the most widely used access methods for users to access the Internet，and its development and product evolution are of great significance to telecom operators， communication enterprises and so on. This paper comprehensively analyzes the key technologies in the development of WiFi， and discusses the impact and demand of new technology and new business on WiFi products with the current situation of WiFi products. This paper points out that the management of WiFi products is migrated to the cloud， the function is convergent with the Internet of Things technology， and the product form is evolved towards IoT AP and scenario AP. The purpose of this paper is to provide reference for the research and design of WiFi products.

Key Words： WiFi; WLAN; Cloud WiFi; IoT AP; scenario AP

0 引言

随着移动互联网、物联网技术的快速发展，随时随地自由上网已经普及。WiFi技术作为无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）的关键接入方式，自诞生20 多年來，其重要性及商业价值已经获得了广泛认可，以至于WiFi网络成为WLAN的代名词[1]。在全球范围内，WiFi 网络承载了超过一半的数据流量。运营商、政府、企业等机构在商场、酒店、机场、校园、办公等场所大量部署WiFi热点，以满足人们生活、学习和工作需要[2-3]。在用户终端方面，智能手机、笔记本电脑、平板电脑、数码相机等大量智能设备，都已经把WiFi模块作为产品的标准配置。

本文首先回顾了WiFi标准的发展历程，讨论了标准的基本技术指标;然后对WiFi关键技术进行了分析，包括物理层技术、安全技术和漫游技术等;最后结合WiFi产品现状，阐述了新技术和新业务对WiFi产品的影响，探讨了其未来的演进趋势。

1 WiFi技术标准

WiFi标准由美国电气和电子工程师协会（Institue of Electic and Electronic Engineers，IEEE）制定。IEEE设置了多个工作组，其中WiFi技术由IEEE 802.11工作组负责。1997年6月，IEEE发布了具有里程碑意义的802.11标准，该标准由多个子集构成，详细定义了从物理层到媒体接入控制层（Media Access Control，MAC）的WiFi通信协议。以此为基础，IEEE又先后推出了802.11b、802.11a、802.11g、802.11n、802.11ac、802.11ax等系列标准，以对其性能进行提升[4]。IEEE 802.11标准的关键技术指标如表1所示[5-6]。

从表1可以看出，在1999年9月，IEEE发布了两个标准：802.11b和802.11a。802.11b工作在2.4GHz频段，不再采用跳频扩频技术（Frequency Hopping Speread Spectrum， FHSS），而是基于直序扩频技术（Direct Sequence Spectrum， DSSS），最大速率可以达到11Mbps;802.11a工作在5GHz频段，基于正交频分复用技术（Orthogonal Fregencey Division Multiplexing， OFDM），最大速率可达到54Mbps。

2003年，802.11工作组制定了802.11g标准，支持DSSS和OFDM调制技术，特别是将802.11a的OFDM技术迁移到2.4GHz频段上，使2.4GHz频段的最大速率达到54Mbps。

2009年，IEEE推出802.11n标准，同时支持2.4GHz和5GHz。802.11n在天线上改进了原有的单入单出技术（Single Input Single Output， SISO），采用多入多出技术（Multiple Input Multiple Output， MIMO），可同时支持4条空间流收发（即4*4 MIMO），使其最高速率达到600Mbps。802.11n标准保持了后向兼容性，支持和802.11b、802.11a和802.11g标准的交互操作，在市场上取得了巨大成功。

2013年底，IEEE发布了802.11ac标准。802.11ac工作在5GHz频段，其核心技术源于802.11n，并引入增强MIMO技术，最终使得802.11ac的最大速率上升到6.9Gbps。

802.11ax又称为高效率无线标准（High-Efficiency Wireless，HEW），是一项制定中的WiFi标准，于2019年发布。802.11ax采用正交频分多址接入技术（Orthogonal Frequency Division Multiple Access， OFDMA），最高速率可达到11Gbps。

纵观802.11系列标准的发展历程可得出结论：提升用户接入速率是标准演进的不懈追求，这也是语音、视频等高带宽业务发展的必然需要。

2 WiFi关键技术分析

技术的演进是由用户需求驱动的，WiFi技术的发展也不例外。通过物理层、安全、漫游等关键技术发展，不断提升用户的业务体验。

2.1 物理层技术

WiFi物理层主要解决数据传输问题，用户接入速率的提升依赖于物理层技术发展。802.11物理层主要涉及FHSS、DSSS、OFDM和MIMO等技术[7]。

（1）FHSS技术。FHSS是802.11的早期技术，仅支持2.4GHz频段。为保持接收端和发送端同步，FHSS在预定信道上按照固定的时隙，以连续跳变的方式发射无线信号。采用FHSS调制技术，最大速率仅为2Mbps。

（2）DSSS技术。DSSS采用少量固定且宽频的信道，可以支持复杂的调制方案并具有更高的数据速率。DSSS采用相移键控调制（Phase Shift Keying， PSK），最高可以达到11Mbps速率。

（3）OFDM技术。OFDM是一种多载波调制技术，采用大量并行的数据子载波提高传输速率。OFDM将每个信道分成若干子载波，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子载波上进行传输。由于OFDM系统中各个子载波相互正交，使得相邻载波互不干扰，因此子载波相互靠得很近，使系统具有更好的频谱利用效率[8]。OFDMA技术是OFDM的进一步演进，其将OFDM和FDMA（Frequency Division Multiple Access）技术结合，在利用OFDM对信道进行子载波化后，在部分子载波上加载传输数据 [9]。

（4）MIMO技术。MIMO技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破，该技术在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，能在不增加频宽的情况下成倍提高通信系统的容量和频谱利用率，从而改善每个用户的服务质量[10]。

MIMO支持单用户通信和多用户通信，分别称为SU-MIMO（Single User MIMO）和MU-MIMO（Multi-User MIMO）[11]。SU-MIMO 可以大大增加单用户吞吐率，但现网中大量移动终端都采用单流模式，相对于多流终端而言，传输相同容量的数据需要占用更多的空口时间，因此单流终端成为提升接入用户数目的一个瓶颈。MU-MIMO是解决这个问题的好方法，在不改变用户带宽和频率的情况下，在同一时刻，一个接入点设备（Access Point， AP）可以同时给多个用户发送不同的数据。

图1给出了一个支持 4*4 MIMO的 AP 和一个只支持 1*1 MIMO 的智能终端通信对比。 在SU-MIMO 场景下，AP的每根天线上都发送同一份数据，虽然不同天线发送相同的数据会带来分集增益，但收益是有限的。在MU-MIMO 场景下，AP的每根天线可发送不同的数据（不同的天线对应不同的用户），就单个 AP 来说，可以发送 4 份不同的数据，效率比SU-MIMO 提升了4倍。

MU-MIMO技術在802.11ac wave2中已经获得支持，最大物理层速率达到6.9Gbps。在即将发布的802.11ax标准中，MU-MIMO结合OFDMA调制技术，最高速率可达到11Gbps。

2.2 安全技术

WiFi以无线射频信号作为传输介质，这种开放的信道使攻击者很容易对传输的业务数据进行窃听和篡改。因此，如何保护用户隐私和敏感数据安全是WiFi技术需要解决的重要问题。WiFi安全技术主要包括空口安全、接入安全、边界防护安全等方面。

（1）空口安全。为了避免空口传播的数据被攻击者获得，必须对数据进行加密。WiFi提供了一系列的加密协议，只允许拥有密钥的授权用户访问数据，确保数据在传输过程中的安全。WiFi提供的加密方式有RC4（Rivest Cipher 4）、TKIP（Temporal Key Integrity Protocol）、CCMP（Counter Mode with CBC-MAC Protocol）等[12]。相比RC4，TKIP和CCMP具有更好的安全性，它们之间的差异主要表现在协议报文格式上，而在安全性上几乎没有差别。

（2）接入安全。接入安全指只有用户身份认证通过后才允许接入无线网络，并在用户访问网络之前限制其访问权限。用户接入认证主要有PSK（Pre-shared Key）认证、802.1X认证、Portal认证、MAC认证等。其中802.1X认证、MAC认证、Portal认证支持对有线用户和无线用户进行身份认证，而PSK认证则专门为WiFi无线用户提供认证。802.1X是基于端口的网络接入控制协议，提供了一个认证过程框架，支持多种认证协议，在企业园区、移动办公等对安全要求较高的场所应用广泛[13]。

（3）边界防护安全。WiFi网络很容易受到各种威胁，如未经授权的AP、Ad-hoc网络、拒绝服务型攻击（Denial of Service，DoS）等。为了抵御这些来自网络边界的威胁，WiFi主要提供了无线入侵检测系统（Wireless Intrusion Detection System，WIDS）和无线入侵防护系统（Wireless Intrusion Prevention System，WIPS）技术。WIDS用于对非法终端、恶意的用户攻击和入侵无线网络的行为进行安全检测;WIPS在WIDS基础上提供防护策略，进一步保护无线网络安全。

2.3 漫游技术

漫游（Roaming）指无线终端（Station， STA）从一个AP移动到另一个AP时，仍然保持业务不中断的一种特性。例如，在移动过程中可流畅地进行语音通话、观看视频等。

（1）漫游原理。漫游的决定权由STA掌握，STA基于接收信号强度（Received Signal Strength Indication， RSSI）、丢包率、误码率等指标进行判断，达到阈值则启动切换。

如图2所示，STA首先关联在AP1上，然后从AP1的覆盖范围移动到AP2的覆盖范围，并在AP2重新关联。在移动期间，STA保持IP地址不变，用户感受不到业务中断。需要说明的是，业务不中断是宏观意义上的，实际上由于在漫游过程中需要切换信道并扫描新的AP，STA关联到新AP后需要重新协商加密密钥等，漫游过程中会有少量丢包和业务时延。

（2）快速漫游。普通漫游切换时间一般在300ms左右。为了提升漫游切换性能，802.11工作组在802.11r中提出了快速漫游标准[14]。快速漫游省却了802.1X认证和密钥协商，大幅减少了漫游过程中的报文交互次数，从而使业务切换时间降到100ms以内。

3 WiFi产品演进

WiFi标准和技術的发展推升产品不断更新换代，以下从产品现状和未来演进两方面分别进行阐述。

3.1 WiFi产品现状

WiFi产品主要包括两大类：接入点设备（Access Point， AP）和接入控制器（Access Controller，AC）。实际部署中可以结合交换机、路由器等传统网络设备，采用不同的组网方式。

（1）接入点设备AP。AP主要用于接入无线终端设备（称为STA），基于功能差异，可分为胖AP（Fat AP）和瘦AP（Fit AP）两种。Fat AP集接入、安全、认证等功能于一体，但需要单独进行配置，管理和维护复杂。例如，常用的家庭无线路由器就属于Fat AP;Fit AP对于WiFi功能进行了划分，AP上仅具有部分无线能力，而把配置、管理等功能放在AC上实现，支持大规模网络部署。例如，在校园网络中部署的AP都属于Fit AP。

从支持的WiFi标准来看，现阶段支持802.11ac的AP已经成为主流成品，并向后兼容802.11a/b/g/n等协议;此外，部分厂商已经推出了802.11ax标准的AP，例如华为推出的AP7060DN[15]，思科推出的9130设备等[16]。

（2）接入控制器AC。AC用于对Fit AP的管理，简化无线网络的配置和维护。AC需要支持热备份和冗余备份，满足可靠性要求。在用户管理方面，AC提供丰富灵活的用户策略管理及权限控制能力，实现大规模、高密度的无线用户接入服务。

（3）WiFi组网方式。WiFi组网方式一般具有两种类型：Fat AP组网和AC+Fit AP组网[17]，如图3所示。

Fat AP组网。Fat AP组网一般应用在家庭、小型办公区域等场所。一般情况下，放置一台或几台AP，完成SOHO型无线局域网搭建。对于Fat AP组网，无线用户的接入、安全策略完全集中在AP设备上，需要对每个AP单独配置，无法支持用户的无缝漫游;AC+Fit AP组网。为了简化网络管理，提升无线用户在较大区域的漫游体验，WiFi网络更多采用AC+Fit AP的组网架构。这种架构对网络功能重新进行了划分，其中AC负责AP的配置和管理、用户接入控制、漫游管理等;AP负责802.11物理层、射频空口统计等功能。根据AP和AC之间的网络层次，分为二层组网和三层组网。当AC和AP之间的网络为直连或二层网络时，二者同属于一个二层广播域，称为二层组网;当AP和AC之间的网络为三层网络时，AP和AC属于不同的IP网络，此时称为三层组网。

3.2 WiFi产品演进趋势

随着新技术的发展和用户需求的多样化， WiFi产品形态、组网架构等产生了重要变化。以下分别从云计算、物联网、细分市场、新兴业务等方面进行探讨。

（1）云计算技术推动WiFi产品云化管理。AC管理的AP 数量一般在2-10K数量级，有线侧可达到100Gbps转发能力。随着无线网络规模的扩大，传统的AC + Fit AP模式很难满足大规模、跨区域管理需求，云WiFi解决方案出现了。在云WiFi方案中，AP和AC均支持云端管理，甚至AC设备不再以硬件形态出现，而是作为一个组件安装在云端服务器上。云WiFi解决方案利用云计算技术，通过互联网实现异地多分支网络的自动化、集中化管理，提供从规划、部署、运维等全过程的管理方案。

（2）物联网技术推动融合型AP发展。物联网技术预示着未来任何物体，在任何时间和任何地点都能连接到网络，将彻底改变人们的生活方式。物联网场景使用了多种无线连接技术，如WiFi、Bluetooth、RFID、ZigBee、LoRa等。在产品形态上，催生了融合多种无线技术的物联网AP诞生[18]。物联网AP要求在传统WiFi基础上，通过内置IoT（Internet of Things）模块、内置IoT插卡或外接IoT扩展模块等方式，实现IoT网络与WiFi网络的双网合一，在满足WiFi覆盖的同时，解决大量的物联网终端接入。这种融合型AP实现了双网共站点、共回传和共电源模式，可大幅降低产品成本、减少部署工作量，减少对周边环境的破坏。

（3）多样化需求推动场景化AP不断发展。在企业园区、办公楼、图书馆、足球场等场所，无线网络有着广阔的应用场景。这种多样化的环境对WiFi产品有着不同的需求，不可能使用一种AP产品就能满足所有场所的部署，从而促使场景化AP不断发展。如在体育场、展览馆等高密度覆盖场所，需要满足大规模用户的接入，要求相应的AP采用小角度天线，具有强大的并发接入能力;在仓储、物流等领域，需要支持位置服务功能，AP设备需要兼具室内定位能力，以便实现货物运行轨迹跟踪[19];在高校宿舍、酒店房间、医院病房等场景，为了解决每个独立房间的无线覆盖，通常采用分布式AP产品，通过远程射频单元（Radio Remote Unit， RU）进行房间覆盖;其它方面，如满足室外无线回传的AP，用于轨道交通的AP等，都是场景化AP的典型用例。

（4）新兴业务是WiFi产品更新换代的永恒动力。随着虚拟现实（Virtual Reality，VR）、增强现实（Augmented Reality，AR）、4K/8K视频等高带宽业务的出现，全球市场对802.11ax AP 都抱有很大希望。AR/VR 通过遮挡用户的现实视线，将其感官带入一个独立且全新的虚拟空间，为用户提供更深入、浸入感更强的体验。4K/8K视频中，4K指4K 分辨率，8K代表8K分辨率，这些技术可从本质上提升视频的表现力，让用户感受到最优秀的画质所带来的视觉盛宴。市场上除802.11n AP存量产品外，设备商最新出货以802.11ac AP为主。根据Dell'Oro公司预测[20]，随着芯片的成熟及支持终端的日益普及，到2023 年，预计802.11ax AP的出货量将占全球企业级室内AP 出货量的90%以上。也就是说，到2023 年，90% 的企业无线网络都会选择802.11ax AP。

4 结语

WiFi技术发展至今，在標准快速迭代和需求场景爆炸式增长的双重推动下，产品形态已经发展为一个包含AP、AC的完整网络解决方案。本文根据新技术和新需求现状，分析了WiFi发展的关键技术点和WiFi产品的发展趋势，为设备厂商和研究人员提供方向参考。当然，在这些技术或产品实现上还有许多工作要做，如智能天线技术、云WiFi管理技术、物联网融合技术等，后续研究可在这些关键方向上不断深入。只有突破这些领域的束缚，WiFi产品才能不断满足新业务、新需求的发展需要。

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（責任编辑：杜能钢）

收稿日期：2019-09-30

基金项目：南京理工大学紫金学院科研项目（2019ZRKX0401002）

作者简介：陈涛（1975-），男，硕士，南京理工大学紫金学院计算机学院高级工程师，研究方向为边缘计算、感知计算;胡园园（1978-），女，硕士，南京理工大学紫金学院计算机学院讲师，研究方向为网络空间安全、云计算;王颖（1982-），女，硕士，南京理工大学紫金学院计算机学院讲师，研究方向为虚拟现实、边缘计算。