超高吞吐率Wi—Fi融合應用新技術分析

楊建紅+趙越+滕飛

【摘 要】分析了超高吞吐率Wi-Fi在無線網絡密集部署情況下的典型應用及其性能需求，提出超高吞吐率Wi-Fi基于軟件定義網絡的網絡架構、無線網絡側虛擬化等新型機制。實驗結果表明：超高吞吐率Wi-Fi能有效提升網絡吞吐率，但與802.11a/n并存將導致網絡性能變差，結合SDN、NFV技術可以實現延展性和抗干擾性的提高，在吞吐率性能上獲得更大的提升，保障超高吞吐率Wi-Fi在未來密集部署的無線網絡中發揮重要作用。

【關鍵詞】超高吞吐率Wi-Fi 密集部署 軟件定義網絡 網絡功能虛擬化

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.011 中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010（2016）20-0054-07

1 引言

隨著無線網絡的快速發展和用戶對高帶寬、靈活性網絡的需求，無線網絡的網絡架構正經歷著巨大變革。新一代無線網絡呈現出密集部署、異構網絡并存的多樣化形態，這種無縫覆蓋、相互融合的網絡拓撲結構雖然非常接近頻譜利用率的理論極限[1]，但依然存在3個嚴重的問題。第一，移動回程網絡成為吞吐率受限的瓶頸，無法滿足無線接入網絡數據流量增長的需求。第二，現有的網絡協議由于無法有效解決網絡干擾、快速切換等問題，不能直接應用于密集部署的無線網絡。第三，LTE基站（eNodeB）發射功率較高，造成能耗增加，不利于通信環境“綠色化”。

Wi-Fi技術具有吞吐率高、投資成本低、組網靈活、維護簡便等優勢，被認為是能解決無線網絡密集部署問題的有效方案。目前，IEEE制定802.11ac和802.11ad作為新一代超高吞吐率（Very High Throughput，VHT）Wi-Fi，很好地適應高速無線數據業務發展的需要[2]。但是，由于VHT Wi-Fi工作在非許可證頻段，需要與其它的802.11網絡共享頻段，其所采用帶沖突避免的載波偵聽多址接入（CSMA/CA）機制無法完全避免相鄰網絡的干擾，也無法保障良好的服務質量（Quality of Service，QoS），Wi-Fi在密集部署下的網絡性能是需要重點關注的問題。軟件定義網絡（Software-Defined Networking，SDN）和網絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）技術是目前研究的熱點，這些技術將會指導未來Wi-Fi的設計及應用，SDN、NFV如何與Wi-Fi應用結合也是需要引起關注的問題。

本文分析VHT Wi-Fi在無線網絡密集部署情況下的典型應用及其性能需求，結合基于SDN的Wi-Fi網絡架構、無線網絡側虛擬化等關鍵技術，更好地提升VHT Wi-Fi的延展性和靈活性。通過搭建實驗環境對共存性、網絡干擾進行測試分析。本文對VHT Wi-Fi網絡架構和虛擬資源管理等方面提出了分析和探討，期望可以對未來無線網絡的網絡規劃提供支持與借鑒。

2 應用場景

VHT Wi-Fi技術的幾個典型應用場景如圖1所示，包括Wi-Fi替代千兆以太網、多用戶多入多出（Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，MU-MIMO）傳輸、構建Wi-Fi回程網絡以及基于Wi-Fi實現移動數據流量卸載。

2.1 替代千兆以太網

近期，Wi-Fi聯盟提出VHT Wi-Fi取代傳統的千兆以太網，這是改善無線接入點（Access Point，AP）與用戶設備（User Equipment，UE）、UE與UE之間連接的可靠、經濟的途徑。如圖1中AP1采用工作于5 GHz頻段的802.11ac，支持多路空間流傳輸；AP2采用工作于60 GHz的高頻段的802.11ad，由于該頻段載波穿透力極差，傳輸距離、信號覆蓋范圍均受到很大影響，802.11ad主要用來作為單個房間內設備間的高速無線傳輸通道，為家庭用戶提供超高速短距離無線應用服務。

2.2 數據流量卸載

LTE等移動蜂窩網的業務量不斷增長，通過數據流量卸載技術將LTE網絡部分用戶的業務轉接到Wi-Fi網絡，Wi-Fi與LTE網絡的負載均衡可以顯著降低LTE網絡的數據流量壓力。數據流量卸載技術尤其適用于移動業務熱點區域中位置固定或低速移動的UE。此外，3GPP Rel.10提出一種更高效的IP流移動性（IP Flow Mobility）技術[3]，支持UE依據業務類型和網絡負載等情況，分配數據流同時接入到多個無線接入網絡。圖1中UE3可以同時通過AP2、eNodeB接入到同一個核心網，Wi-Fi和LTE網絡存在接口，并且判斷Wi-Fi是否可信建立兩種接入方式。如果Wi-Fi被視為可信的接入網絡，則UE通過Wi-Fi直接與LTE網絡的演進分組核心網（Evolved Packet Core，EPC）交互。如果Wi-Fi被視為不可信的接入網絡，則需要在UE與EPC間建立Internet協議安全性（Internet Protocol Security，IPSec）隧道，讓數據流通過這條隧道進行傳輸，提供數據源認證、完整性認證、數據加解密等安全保護措施。

數據流量卸載的另一個應用場景是僅在Wi-Fi環境下將數據流量從擁擠的2.4 GHz/5 GHz頻段轉移到802.11ad使用的60 GHz頻段。由于60 GHz頻段傳輸距離受限，可以有效地避免網絡干擾，單個房間內環境的網絡吞吐率可以與有線網絡相比。因此，Wi-Fi可以使用2.4 GHz/5 GHz構建作為連接各房間的回程網絡，使用60 GHz為房間內的UE提供超快速數據傳輸。

2.3 無線回程網絡

傳統上，回程均基于有線網絡，但AP部署密集化后，并非每臺AP都能有線回程，這是因為有線回程部署的位置和數量對密集部署的無線網絡的性能影響很大。數量太多，成本很高，數量太少或位置規劃不合理，回程能力有限。圖1中AP3與eNodeB之間通過802.11ac替代千兆以太網，為現階段廣泛應用的802.11g/n無線局域網提供回程技術支持?；爻叹W絡的關鍵性能指標是網絡吞吐率，VHT Wi-Fi不僅能支持非常高的網絡吞吐率，而且具有投資成本低、組網靈活可擴展等優勢，尤其在光纖無法覆蓋的區域，可使用Wi-Fi在視距傳輸距離提供無線回程連接。雖然Wi-Fi使用開放的無線頻譜資源會受到其它使用此頻段網絡的干擾，但由于回程鏈路是點到點固定連接，可以使用定向天線有效避免網絡干擾。MIMO傳輸技術得益于MIMO陣列天線的發展，不僅支持點到點鏈路的定向數據傳輸，而且可以控制天線發射功率以調整覆蓋范圍。

2.4 多用戶MIMO傳輸

802.11ac協議采用了下行MU-MIMO傳輸技術，AP為多天線配置，利用發射波束賦形和多用戶分集技術，為多臺UE同時傳輸數據。802.11ac定義了一種新型發送機會（Transmitting Opportunity，TXOP）共享機制[4]，下行數據幀中根據業務類別劃分為不同的接入等級（Access Categories，AC）的發送隊列，支持不同發送隊列同時進行數據傳輸，多個AC不會因為相互競爭TXOP而造成“虛擬碰撞”問題，有效降低了低接入等級發送隊列的延遲與負載，改善了信道帶寬的資源利用率。如圖1所示，AP4提供可區分的、分布式的3個AC，分別對應語音、視頻、盡力而為不同的業務類型，支持同時接入不同業務流。

3 性能需求

為了能夠發揮上述應用場景的效能，需要對Wi-Fi的吞吐率、頻譜利用效率、能量效率、安全切換時間等性能需求進行分析。

3.1 吞吐率

802.11標準化工作重點就是不斷提高Wi-Fi的吞吐率，以802.11ac和802.11ad協議為例的VHT Wi-Fi均基于高階調制編碼方式（802.11ac可采用256QAM調制，802.11ad采用64QAM調制）、超高信道帶寬（802.11ac支持高達160 MHz信道帶寬，802.11ad更是支持高達2.16 GHz信道帶寬）、增強型傳輸（802.11ac采用多用戶分集和波束賦形，802.11ad采用波束賦形）等物理層增強技術。此外，數據鏈路層也定義了一些新的特性，包括空閑信道評估、發送請求/發送清除（request to send/clear to send，RTS/CTS）等機制解決多臺UE競爭信道產生的碰撞問題。還可以使用幀聚合策略，將多個數據幀重新封裝組合成新的數據幀進行發送，減少MAC頭、物理層前導、幀間間隔等，進一步提高Wi-Fi吞吐率。

3.2 頻譜利用效率

密集部署的無線網絡雖能提升頻譜利用效率，但需要相應的網絡管理策略進行保障，避免重疊覆蓋區域由于網絡干擾導致性能下降。如圖1所示，處于交疊基本業務集（Overlap Basic Service Set，OBSS）場景的UE3受到網絡干擾比較嚴重，在頻譜有限的情況下會導致QoS變差。解決方法是量化相鄰網絡的干擾和負載狀況，形成狀態信息并交互，依此進行信道選擇和協作資源共享[5]。此外，相鄰網絡可以使用認知無線電技術感知周圍的頻譜環境，實時選擇最優頻點的信道進行數據傳輸，保證相鄰網絡同時使用的信道頻率相互正交，從而降低OBSS干擾對頻譜利用效率的影響。

3.3 能量效率

Wi-Fi能效優化目標就是在降低功率消耗（延長UE待機時間和降低AP運行成本）的同時保持非常高的吞吐率。802.11ac與其它的802.11系列協議相比，提供了更寬的信道帶寬、更高階的調制方案和更多并發的空間流。但是，設置最高的系統參數值（如256-QAM調制及編碼碼率5/6，160 MHz信道和8×8 MIMO）并不一定能夠達到最優的Wi-Fi性能，尤其是再考慮能效將變得更加復雜。文獻[6]通過實驗分析得出結論：利用更寬的信道帶寬和較低階的調制編碼方案（Modulation and Coding Scheme，MCS）與使用較高階的MCS和較小的信道帶寬相比，可以通過較少的能量損耗，達到相同的吞吐率性能。文獻[7]分析能量效率與信道帶寬、自適應傳輸速率、空間流的相互關系，得出的結論是：可以通過三個方法降低能量損耗，分別是提升信道帶寬，采用自適應調制和編碼技術，增加并行的空間流數目。802.11ac最大限度地利用信道帶寬，根據不同UE的信道情況提供自適應的調制與編碼選擇，支持1至8路空間流，因此802.11ac的能量效率很高。

3.4 安全切換時間

切換過程通常伴隨著UE、AP與EPC之間交互的各種信令報文，存在偽AP、拒絕服務與重放攻擊等安全威脅。為了保證切換前后UE通信的正常運行，802.11系列協議設計了安全切換處理流程，首先建立與新AP的新信道，然后進行接入認證與密鑰協商，最后完成業務關聯[8]。802.11ac的目的是減少切換的時延，支持對時延敏感的實時業務。切換時延包括執行802.11安全協議所產生的認證時延、密鑰交換時延以及重關聯時延等。802.11ac通過研究新的認證協議、新的密鑰管理協議、更快的成對臨時密鑰（Pairwise Transient Key，PTK）算法以及在重關聯或者關聯之前的資源預留，使安全切換時間壓縮到最小程度[9]。

4 融合發展

隨著Wi-Fi技術的發展，傳統與新型Wi-Fi設備共存、密集部署的無線網絡間干擾以及安全切換時延成為網絡應用發展的瓶頸，結合SDN、NFV、增強型認證與快速切換等關鍵技術，更好地適應未來網絡延展性、靈活性、安全性的需求。

4.1 基于SDN的Wi-Fi網絡架構

新一代Wi-Fi的顯著特征是靈活性與適應性。如圖2所示，基于SDN理念重新構建Wi-Fi網絡架構，網絡劃分為基礎設施層、控制層、應用層?；A設施層部署虛擬化的接入適配網元，適配Wi-Fi在內的各種無線網絡制式，大量可編程的SDN交換機實現業務數據傳輸、轉發、處理和狀態收集?？刂茖佑梢幌盗蟹植际降腟DN控制器組成，SDN控制器集中管理網絡感知、接入控制、路由選擇、資源分配等網絡服務，SDN控制器與SDN交換機采用開放流表（OpenFlow）協議作為通信接口。應用層由眾多不同業務組成，這些業務可由SDN控制器調度和分配，SDN控制器和網絡服務之間通過開放的應用程序編程接口（Application Programming Interface，API）銜接。

SDN技術可以解決無線網絡密集部署出現的干擾復雜和負載分布不均問題，以CROWD項目為例[10]，802.11ac網絡資源（包括空口資源和回傳網絡資源）集中形成一個資源池并對其進行統一管理和動態分配，SDN控制器能夠掌握實時的網絡動態，多個SDN控制器可以進行協同和交互，實現更大范圍內的管理信息共享，并提供所需的支持策略部署的靈活性網絡資源管理。SDN交換機支持業務數據流進行本地轉發，提升交換機設備的轉發能力，減輕網絡負載壓力。SDN技術在提升802.11ac網絡資源利用率、降低能耗的同時，還可以通過協作化技術來有效實現干擾協調和負載均衡，提升網絡性能。

4.2 無線網絡側虛擬化

現有無線網絡的基礎設施歸屬于不同網絡運營商，服務供應商希望提供給UE在不同網絡資源共享、無縫切換的使用體驗。在Wi-Fi技術中引入NFV技術，將網絡資源（包括物理設備資源和頻譜資源）從硬件中解耦出來，集成為以軟件為基礎的管理平臺，實現不同網絡的共存與管理，支持業務上下文感知和網絡資源優化配置。NFV技術以業務為基礎，針對不同的業務和應用類型選擇不同的虛擬資源為其提供服務，AP作為數據節點不再是獨立的物理實體，而視為抽象的處理資源，網絡根據實際的業務負載，動態地將資源分配給對應的網絡。文獻[11]提出802.11ac的業務不再局限于由固定的網絡基礎設施提供，而是綜合無線信號質量、數據節點負載程度以及業務QoS需求等因素，由多個數據節點通過協同多點（Coordinated Muti-Point，CoMP）傳輸技術為某一業務提供高速率和穩定的優質服務。

UE移動過程中為其提供服務的數據節點需要發生改變，以獲取持續的優質服務，NFV技術可以有效解決密集部署無線網絡場景下的移動性問題。首先，來自核心網的數據匯聚到Wi-Fi管理節點，由管理節點轉發到底層各數據節點，降低了核心網路徑轉換概率和時延。其次，UE在加入虛擬網絡時，就已經完成接入控制、資源預留以及上行同步，避免了原切換過程中這部分操作帶來的時延。最后，用戶或業務的上下文信息在各節點之間共享和同步，可以隨著UE的移動隨時快速轉換數據節點，避免了復雜的切換過程[12]。

5 實驗與性能分析

本節重點研究新一代Wi-Fi應用的3個典型實例：（1）VHT Wi-Fi設備與傳統Wi-Fi設備共存；（2）密集部署的無線網絡間干擾；（3）UE在VHT Wi-Fi間移動切換。首先介紹實驗平臺，然后對各實例進行測試與性能分析。

5.1 實驗平臺

實驗平臺使用符合COTS 802.11ac、802.11a、802.11n標準的設備（包括AP、UE）。802.11ac設備配有Broadcom BCM4360雙頻AC芯片組，支持多達三個空間流和20 MHz/40 MHz/80 MHz信道帶寬。802.11a、802.11n的設備配有Atheros AR9580芯片組，信道帶寬分別為20 MHz、40 MHz。部署實驗環境A室（2 m×5 m，AP密集部署）和B室（8 m×15 m，AP松散部署）。在實驗環境周圍沒有其它工作在2.4 GHz/5 GHz頻段的無線網絡。通過Iperf進行網絡性能測試，AP與UE下行鏈路最大吞吐率的平均值達到700 Mbps（802.11ac，80 MHz帶寬）、300 Mbps（802.11n，40 MHz帶寬）、25 Mbps（802.11a，20 MHz帶寬）。

5.2 共存性分析

未來802.11ac系列設備大量涌入市場，新型和傳統Wi-Fi設備間的共存性問題必將引發關注，實驗分析添加802.11ac AP對現有的網絡性能的影響以及802.11ac AP能否有效替代現有的802.11a/n AP。

如圖3所示，在A室測試對比一臺802.11ac AP接入802.11a/n/ac等多臺UE，與802.11a/n/ac多臺AP各接入一臺相同模式UE的網絡性能，每臺UE的業務類型相同。當802.11ac AP接入802.11a/n UE與接入802.11ac UE相比，整個網絡吞吐率下降嚴重，其中接入802.11a UE的下降幅度要比接入802.11n UE的下降幅度更加明顯。對于后一種情景，即使AP間使用互不相交的信道，在狹小環境內配置多臺不同模式AP與僅配置一臺802.11ac AP相比，整個網絡吞吐率也會變差，然而802.11a/n設備可以達到的吞吐率稍高。這是由于AP間受鄰道干擾的影響導致網絡性能下降，但是增加802.11a/n AP比單臺802.11ac AP更好地支持802.11a/n

UE的無線數據傳輸。盡管傳統Wi-Fi設備（例如802.11a）向后兼容性差而導致網絡性能的下降，但仍可以與新型Wi-Fi設備共存，單獨配置一臺802.11ac AP為802.11n/ac UE提供的吞吐率可以滿足高速率的應用服務需求。

5.3 網絡干擾分析

密集部署的無線網絡易受干擾，實驗分析Wi-Fi頻域有多個網絡運行相互產生的影響。如圖4（a）所示，在B室分別對三種配置進行性能測試，其中AP1、AP2為802.11ac設備，AP3、AP4為802.11n設備，每一臺AP均接入一臺相同模式UE。其中，配置1的AP1與AP2復用帶寬為80 MHz的信道；配置2的AP1、AP3分別使用帶寬為80 MHz、40 MHz相交的信道；配置3的AP1、AP3、AP4分別使用帶寬為80 MHz、40 MHz、40 MHz相交的信道，但AP3、AP4使用信道不相交。

測試結果如圖4（b）所示，配置1中兩臺802.11ac AP使用的信道重合，吞吐率性能受同頻干擾影響較為嚴重，與單個802.11ac AP獨自運行相比，吞吐率下降約10%～15%。配置2中AP3雖然僅與AP1使用帶寬的部分信道重合，但產生的干擾也會導致AP1和AP3下行鏈路吞吐率的明顯下降，其中802.11n性能受干擾影響更為嚴重，當與802.11ac AP重合時，吞吐率下降約35%～40%。配置3中一個802.11ac AP與兩個802.11n AP復用信道時，整個網絡吞吐率進一步下降，802.11ac AP吞吐率近似于802.11n AP在沒受到干擾情況下的吞吐率，802.11n AP吞吐率下降約為50%～55%。

基于上述的測試結果，得出的結論是：以802.11ac為代表的VHT Wi-Fi有效提升網絡吞吐率，但與802.11a/n并存時，網絡性能變差是不可避免的，尤其在網絡空間較小及使用的信道相互交疊時。因此，密集部署的無線網絡對SDN技術具有強烈需求。圖4（c）為不同網絡配置情況下，基于SDN的Wi-Fi網絡架構與傳統網絡架構的吞吐率比較。SDN控制器能夠實時掌握UE側的信號強度，AP側的空閑帶寬和無線鏈路干擾狀況，對網絡資源進行合適的調配，有效實現干擾協調和負載均衡，相比傳統網絡架構能提供更好的吞吐率性能。從圖4（c）可以看出，配置1、配置2和配置3的吞吐率性能分別提升45%～50%、35%～40%和25%～30%。其中，802.11ac比802.11n能更有效支持頻譜分析，其與SDN相結合能更好地實現對AP工作信道的集中控制管理，在吞吐率性能上獲得更大的提升。

6 結束語

無線網絡密集部署是解決未來移動業務快速增長需求的必然趨勢。本文關注VHT Wi-Fi在無線網絡密集部署的典型應用，評估相關應用對VHT Wi-Fi性能的需求，研究VHT Wi-Fi與SDN、NFV結合后的網絡架構和虛擬資源管理等。搭建實驗環境測試傳統與新型Wi-Fi設備共存、密集部署的無線網絡間干擾。實驗結果表明：VHT Wi-Fi能有效提升網絡吞吐率，但與802.11a/n并存時，網絡性能變差無法避免，尤其是在空間較小及使用信道相互交疊時。結合SDN、NFV等技術可以實現延展性和抗干擾性，在吞吐率性能上獲得更大的提升，保障VHT Wi-Fi在未來密集部署的無線網絡中發揮重要作用。

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