段景山，馬立香，毛玉明，楊 寧

（電子科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，四川 成都 610054）

WLAN（無線局域網(wǎng)）技術(shù)近年來在帶寬提升和組網(wǎng)技術(shù)方面都取得了很大成果，得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。在筆者的辦公環(huán)境里，可以用測試儀表測出27個以上的AP信號覆蓋，在城市的公寓環(huán)境里，經(jīng)常也能測到局部范圍以內(nèi)10余個AP在同時工作。說明WLAN的發(fā)展已經(jīng)不僅僅是“走入千家萬戶”，而是開始變得擁擠和相互影響了?？梢灶A(yù)計在WLAN技術(shù)的工程應(yīng)用和科學(xué)研究等領(lǐng)域，對相關(guān)技術(shù)人員的培訓(xùn)和培養(yǎng)要求也將會變得十分迫切。本文總結(jié)了筆者承擔(dān)本校WLAN實驗室建設(shè)工作的思考和經(jīng)驗，討論了針對WLAN組網(wǎng)、測試和應(yīng)用等方面的實驗體系建設(shè)、設(shè)備選型和實驗項目設(shè)計。

1 WLAN實驗室建設(shè)需求和目標(biāo)

在文獻(xiàn)［1］—［3］中描述了 WLAN技術(shù)的迅猛發(fā)展，從最初的IEEE 802.11，IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)到隨后的IEEE 802.11g，IEEE802.11n，IEEE802.11ac……，物理層在不斷增強(qiáng)，速率獲得顯著提升；隨著11e、11s、11p、11f、11r等系列協(xié)議的推出，使 WLAN在靈活組網(wǎng)、安全、移動支持等方面有了明顯改善，WLAN的應(yīng)用已從傳統(tǒng)的辦公室和家庭小范圍組網(wǎng)擴(kuò)展到車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

高校作為各種高新通信技術(shù)應(yīng)用的實驗場，文獻(xiàn)［3］—［7］描述了無線校園網(wǎng)中的 WLAN技術(shù)應(yīng)用，文獻(xiàn)［8］將其應(yīng)用于應(yīng)急通信，文獻(xiàn)［9］將其應(yīng)用企業(yè)中，文獻(xiàn)［10］描述了 WLAN技術(shù)支持下的地鐵控制系統(tǒng)等。文獻(xiàn)［1］中描述了運(yùn)營商應(yīng)用 WLAN技術(shù)的4個階段，指出WLAN作為主流無線接入技術(shù)的重要補(bǔ)充，正在以技術(shù)融合的變革成為移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)之一。

WLAN具有部署簡易的優(yōu)勢，但在部署過程中仍然涉及安全、性能和維護(hù)等方面問題，而且隨著WLAN應(yīng)用的推廣，當(dāng)局部范圍內(nèi)聚集大量的設(shè)備和用戶時，這些問題會越來越凸顯和變得嚴(yán)重——不經(jīng)意的參數(shù)設(shè)置、隨意的部署和一味增加信號功率都可能導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。深圳地鐵集團(tuán)曾在2012年11月發(fā)現(xiàn)深圳地鐵列車受旅客攜帶的WIFF設(shè)備發(fā)出的信號干擾而導(dǎo)致停運(yùn)。

綜上所述，一方面是 WLAN的快速發(fā)展和大量部署，另一方面是掌握WLAN網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、管理和安裝調(diào)試等技能人才相對缺乏。這些技術(shù)人員應(yīng)熟悉WLAN各種技術(shù)和設(shè)備特性，能夠為各種復(fù)雜環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)制定合理方案，并指導(dǎo)工程實施，達(dá)到覆蓋成本與用戶體驗最優(yōu)化；且在WLAN工程建設(shè)的實施過程中能夠在資源管理、信息安全、服務(wù)質(zhì)量等方面進(jìn)行定性評估和定量分析，預(yù)見問題和處理各種故障。而這些技術(shù)人才的培養(yǎng)，需要高校相關(guān)專業(yè)加強(qiáng)WLAN實驗／實踐條件和完善實驗室的建設(shè)，使其成為學(xué)生學(xué)習(xí)運(yùn)用理論知識，增強(qiáng)科學(xué)研究能力、工程建設(shè)能力和開拓創(chuàng)新能力的平臺和場所。為此，我們?yōu)閃LAN實驗室設(shè)定了以下建設(shè)目標(biāo)：

（1）加深對WLAN技術(shù)及其特點的了解和掌握；

（2）培養(yǎng)能預(yù)見問題、提前處理的意識，培養(yǎng)必要的工程檢測和處理問題的能力；

（3）啟發(fā)學(xué)生對WLAN技術(shù)進(jìn)一步研究的興趣；

（4）啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識，并培養(yǎng)學(xué)生將創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實的能力。

實驗室通過引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備，把無線信號從“看不見，摸不著”變成“可見、可調(diào)、可測、可分析”；通過精心設(shè)計系列實驗項目，增強(qiáng)學(xué)生對WLAN技術(shù)的感性認(rèn)識、掌握測控方法，培養(yǎng)學(xué)生理性分析能力；通過仔細(xì)規(guī)劃實驗體系全面培養(yǎng)學(xué)生的工程和科研能力。

2 分層WLAN實驗體系規(guī)劃

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是計算機(jī)與通信的交叉學(xué)科，涉及的知識面廣，內(nèi)涵豐富。專業(yè)人才的培養(yǎng)應(yīng)注重軟、硬兼修，全面發(fā)展。WLAN技術(shù)既可以與其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)互聯(lián)、融合，具備一般網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成要素和基本特點，又可以構(gòu)成獨立系統(tǒng)，在信號處理、資源管理、動態(tài)路由、移動業(yè)務(wù)等方面有自己獨特的需求和處理方法。為全面培養(yǎng)學(xué)生在WLAN技術(shù)領(lǐng)域的工程素養(yǎng)、科研素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，提出了一種多層次、系統(tǒng)性的實驗體系建設(shè)和規(guī)劃方案，如圖1所示。

圖1 分層結(jié)構(gòu)的WLAN實驗體系 建設(shè)方案

首先，通過需求調(diào)研及分析，提煉出WLAN工程應(yīng)用和科學(xué)研究需要具備的諸核心能力，包括：無線信號分析、WLAN監(jiān)測及協(xié)議分析、無線組網(wǎng)和性能測試、移動業(yè)務(wù)開發(fā)等；然后，參考網(wǎng)絡(luò)垂直分層體系將這些核心能力分為信號、協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層4個不同層面，圍繞著這些核心能力的培養(yǎng)分別建設(shè)實驗平臺和設(shè)計實驗項目。4個層面的實驗建設(shè)內(nèi)容不同，各有側(cè)重，同時又互為依靠、相互配合，構(gòu)成了一個有機(jī)整體。

（1）信號層。培養(yǎng)學(xué)生信號頻譜分析能力，增強(qiáng)對WLAN無線信號傳播特性、抗干擾特性和無線通信質(zhì)量影響因素的感性認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生定量評估干擾影響的能力、信號覆蓋熱區(qū)的測繪能力等。

（2）協(xié)議層。學(xué)生通過協(xié)議監(jiān)測分析 WLAN協(xié)議信令和交互過程，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生對利用率、差錯率、延時等關(guān)鍵參數(shù)的測試和分析能力，加深對WLAN技術(shù)內(nèi)涵的認(rèn)知。

（3）網(wǎng)絡(luò)層。培養(yǎng)學(xué)生大規(guī)模組網(wǎng)的工程設(shè)計能力，培養(yǎng)學(xué)生測試網(wǎng)絡(luò)容量、端到端延時、熱點部署、干擾規(guī)避、安全防護(hù)等工程實施的能力。

（4）應(yīng)用層。培養(yǎng)學(xué)生移動業(yè)務(wù)開發(fā)能力，并進(jìn)行創(chuàng)新技能訓(xùn)練，培育創(chuàng)新項目。

WLAN設(shè)備升級換代周期短，在分層實驗體系科學(xué)的規(guī)劃下，WLAN實驗室建設(shè)有了明確、長遠(yuǎn)的目標(biāo)，并可根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)合理分配資源，分步驟、滾動式發(fā)展。

3 實驗室設(shè)備配置和選型

WLAN實驗室的設(shè)備的配置和選型圍繞WLAN運(yùn)行場景構(gòu)建和測試平臺搭建兩條主線開展，形成創(chuàng)新和實踐的培養(yǎng)場和試驗場，實驗設(shè)備配置的兩條主線如圖2所示。圖2的左半部分表示運(yùn)行場景，圖的右半部分表示測試平臺。運(yùn)行場景是實驗項目的基礎(chǔ)環(huán)境并為測試平臺提供測試對象，通過測試，能深入地發(fā)現(xiàn)問題和理解問題。在實驗室重構(gòu)WLAN運(yùn)行場景，為學(xué)生提供了全真的工程訓(xùn)練和創(chuàng)新項目實踐環(huán)境及條件，實驗室更提供了各種精密測試儀表和測試軟件，可在信號、協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用等方面進(jìn)行全方位測試。

圖2 實驗設(shè)備配置的兩條主線

WLAN實驗體系的4個層面解釋了實驗設(shè)備在各實驗項目中的作用，有了明確的目的，才能將設(shè)備、儀表用好。如頻譜分析儀的主要功能是信號層面的射頻信號觀測，部分頻譜分析儀的離線分析功能可進(jìn)行解碼分析，這個功能就屬于協(xié)議層面，在協(xié)議分析的實驗項目中發(fā)揮作用。對比信號層的頻譜分析儀和協(xié)議層的WLAN測試儀，前者的協(xié)議分析功能無法與后者相比，而后者雖然也具備信號功率檢測功能，但也無法替代頻譜分析儀對射頻信號的觀測作用。

3.1 WLAN運(yùn)行實驗場景構(gòu)建

該實驗場景主要由智能終端、無線組網(wǎng)場景以及無線業(yè)務(wù)開發(fā)平臺構(gòu)成。

（1）智能終端包括可移動和固定式終端。移動終端可考慮選擇平板電腦或嵌入式開發(fā)板，用于QoE測試和評估；固定式終端由“PC＋無線網(wǎng)卡”組成，其特點是可運(yùn)行功能強(qiáng)大的業(yè)務(wù)軟件和測試軟件。

（2）無線組網(wǎng)場景包括AP、AC、認(rèn)證服務(wù)器、接入服務(wù)器等實現(xiàn)WLAN組網(wǎng)的支持設(shè)備。AP分為“胖”和“瘦”兩類，根據(jù)實驗課規(guī)模配備足夠的數(shù)量。選擇的AP應(yīng)具備盡量多的功能和支持盡量多的協(xié)議，如路由功能、NAT、安全認(rèn)證、網(wǎng)絡(luò)管理、WDS等，這樣在實驗項目內(nèi)容設(shè)計上才會少受限制。

（3）無線業(yè)務(wù)開發(fā)平臺由業(yè)務(wù)開發(fā)工具、模擬運(yùn)行環(huán)境和智能終端提供的真實運(yùn)行環(huán)境構(gòu)成，學(xué)生可在這個平臺上設(shè)計和部署自己設(shè)計的業(yè)務(wù)軟件。在近幾年的本科生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目中，針對或利用智能終端的項目占通信類項目的較大比重，業(yè)務(wù)開發(fā)平臺應(yīng)能為相關(guān)項目提供良好的支持和幫助。

3.2 WLAN測試平臺搭建

該平臺主要包括信號測試、協(xié)議測試和網(wǎng)絡(luò)測試3個子平臺。

（1）信號測試子平臺。該子平臺的核心設(shè)備是頻譜分析儀，還可配備信號發(fā)生器、WLAN綜合測試儀等測試儀表及軟件構(gòu)成信號測試平臺。文獻(xiàn)［11］中提供了一種射頻測試解決方案。

①利用頻譜分析儀的在線測試功能可以觀測到被測區(qū)域無線通信場景的實時變化，包括WLAN射頻信號、背景噪聲和干擾信號，可以測量信號功率、信噪比、信干比、EMI等關(guān)鍵參數(shù)，這是無線通信環(huán)境的最核心、最基本的測試。部分較高端的頻譜分析儀可配合專門的WLAN測試軟件實現(xiàn)WLAN射頻信號的離線測試，如發(fā)射機(jī)載波泄漏和星座誤差（EVM），可用于評估WLAN產(chǎn)品質(zhì)量。

②信號發(fā)生器可以模擬發(fā)射各種典型信號，對被測系統(tǒng)進(jìn)行干擾，可測試不同干擾源的存在對WLAN系統(tǒng)的影響。

③信號測試平臺設(shè)備的頻率范圍至少應(yīng)為3 GHz以上，覆蓋當(dāng)前WLAN、藍(lán)牙和Zigbee的主流應(yīng)用頻段為2.4GHz。如果進(jìn)一步考慮到11a／n／ac幾個新標(biāo)準(zhǔn)都采用了5.8GHz民用頻段，測試儀表的頻率范圍最好應(yīng)在6Hz以上。

（2）協(xié)議測試與分析子平臺?？膳鋫渚W(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽和分析儀表或軟件，通過監(jiān)聽和記錄空中信令交互過程，理論聯(lián)系實際，掌握WLAN各協(xié)議運(yùn)行機(jī)制，分析故障原因。

常用的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽軟件加普通無線網(wǎng)卡可以監(jiān)聽WLAN業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，但是不能抓取到WLAN信令數(shù)據(jù)，在選型時需特別注意。

（3）網(wǎng)絡(luò)測試子平臺?？膳鋫?WLAN測試分析儀、網(wǎng)絡(luò)流量發(fā)生器或測試軟件、網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀、網(wǎng)絡(luò)仿真軟件等。

在文獻(xiàn)［12］中描述了利用WLAN測試儀測試設(shè)備性能的方案。網(wǎng)絡(luò)測試平臺能針對AP、AC等設(shè)備測試其客戶端容量、丟包率和時延、轉(zhuǎn)發(fā)吞吐量、多模接入能力等性能指標(biāo)；在組網(wǎng)場景下，能測試和分析網(wǎng)絡(luò)有效吞吐量、切換與漫游性能、多制式系統(tǒng)并存的相互影響、多種業(yè)務(wù)的互相壓制與影響、安全設(shè)置漏洞、故障定位等。

4 實驗項目設(shè)計

實驗項目是學(xué)生技能培養(yǎng)的載體，實驗設(shè)備和平臺只是工具，沒有精心設(shè)計的實驗項目，再高端的儀表也起不了作用。好的實驗項目應(yīng)具備明確的目的、可操作性強(qiáng)的實驗步驟、能啟發(fā)學(xué)生興趣，并引導(dǎo)他們做更深入的思考。

4.1 項目設(shè)計思路

按照分層實驗體系的規(guī)劃，每個層面的實驗項目都負(fù)有增強(qiáng)學(xué)生工程建設(shè)能力、科學(xué)研究能力和開拓創(chuàng)新能力的使命，但根據(jù)各層面的內(nèi)涵和特點，在這3種能力的培養(yǎng)上也有各自不同的側(cè)重。

（1）信號層將不可見的無線信號可視化、形象化，利用測試儀表可直接觀測對象的本質(zhì)，在激發(fā)學(xué)生科學(xué)研究興趣方面最有優(yōu)勢。因此，信號層的實驗項目設(shè)計時應(yīng)注意與基礎(chǔ)理論的銜接，如信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、通信原理等課程的相關(guān)知識點，啟發(fā)學(xué)生透過實驗觀測，思考和重構(gòu)理論模型。

（2）協(xié)議層的主要手段是監(jiān)聽，分析問題時可直達(dá)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作的核心——協(xié)議和信令的交互過程。對于理解WLAN運(yùn)作機(jī)理，發(fā)現(xiàn)問題根源，設(shè)計解決方案很有幫助。設(shè)計協(xié)議層實驗項目時應(yīng)兼顧工程訓(xùn)練和科學(xué)研究2個方面的需求。

（3）網(wǎng)絡(luò)層引導(dǎo)學(xué)生建設(shè)完整系統(tǒng)，進(jìn)行綜合性能測試，了解WLAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各部分的作用及相互之間的配合和影響。網(wǎng)絡(luò)層實驗項目在工程訓(xùn)練方面優(yōu)勢明顯，設(shè)計時可以以綜合型、小組合作型項目為主，強(qiáng)調(diào)方案設(shè)計、工程實施技能的訓(xùn)練。同時，多網(wǎng)共存的性能測試、TCP流相互壓制等實驗內(nèi)容有一定科學(xué)研究特色，注意引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注這方面內(nèi)容。

（4）應(yīng)用層側(cè)重用戶體驗。學(xué)生可以通過業(yè)務(wù)開發(fā)平臺將自己的想法付諸實現(xiàn)，并應(yīng)用到實驗環(huán)境中，取得實測結(jié)果。應(yīng)用層在科創(chuàng)項目的培育方面優(yōu)勢明顯，可考慮以開放性、設(shè)計型的實驗項目為主。

4.2 基礎(chǔ)型與綜合型項目設(shè)計

我們將實驗項目分為2個大類：基礎(chǔ)型和綜合型。

（1）基礎(chǔ)型項目針對每層特定目標(biāo)訓(xùn)練學(xué)生掌握基本的測試技巧和分析方法。如使用頻譜分析儀觀測背景噪聲、使用流量發(fā)生器產(chǎn)生指定業(yè)務(wù)類型的數(shù)據(jù)、使用WLAN測試儀分析信道有效利用率等。

（2）綜合型項目取材于WLAN組網(wǎng)建設(shè)、故障檢修、科學(xué)研究中的典型任務(wù)，并按照實驗教學(xué)特點和規(guī)律設(shè)計而成，需要運(yùn)用多種設(shè)備和儀表，多名學(xué)生配合完成（綜合型實驗場景如圖3所示）。如無線“校園”網(wǎng)設(shè)計與實施、WLAN接入與認(rèn)證、WLAN網(wǎng)絡(luò)綜合性能測試、移動業(yè)務(wù)測試、移動業(yè)務(wù)開發(fā)等。

圖3 綜合型實驗場景

在實際教學(xué)過程中，可以應(yīng)用項目教學(xué)法將綜合型實驗項目改造為教學(xué)項目，將實驗?zāi)繕?biāo)改造為項目需求，實驗方法和步驟改造為項目引導(dǎo)文，引導(dǎo)學(xué)生從需求分析開始，制定計劃，選擇和擬訂方案，分工、實施，應(yīng)用測試平臺對項目成果進(jìn)行測試。在這個過程中，基礎(chǔ)型實驗項目可作為教學(xué)項目中的基礎(chǔ)技能訓(xùn)練環(huán)節(jié)，在教師指導(dǎo)下完成或?qū)W生自主完成。

5 結(jié)束語

本文在WLAN網(wǎng)絡(luò)急需大量部署來提升用戶服務(wù)質(zhì)量的背景下，立足于高校專業(yè)實驗室建設(shè)，針對WLAN方向人才培養(yǎng)，開創(chuàng)性地提出了分層實驗體系，并從規(guī)劃、設(shè)備配置和選型、實驗項目設(shè)計等方面進(jìn)行了詳細(xì)說明和探討。網(wǎng)絡(luò)是個復(fù)合系統(tǒng)，內(nèi)涵十分豐富，分層實驗體系為各部分工作找出了各自的地位和作用，以及它們相互之間的邏輯關(guān)系，為實驗內(nèi)容建設(shè)過程中需要反復(fù)思量的“為什么要做？”、“為什么要這樣做？”、“做到什么程度才是合適的？”等問題指出了尋找答案的方向。例如：我們?yōu)槭裁葱枰徺I頻譜分析儀——因為在最基礎(chǔ)的信號層，我們需要觀察WLAN射頻信號狀態(tài)，評估干擾影響，信號質(zhì)量不佳可能導(dǎo)致協(xié)議層交互失敗，可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)容量不高，可能導(dǎo)致應(yīng)用層用戶體驗下降。

分層實驗體系有助于我們理清實驗室建設(shè)思路，確定實驗建設(shè)內(nèi)容和實驗指導(dǎo)方向，合理組織實驗項目，有效發(fā)揮各部分作用，不僅可用于指導(dǎo)WLAN實驗建設(shè)，還可推廣到網(wǎng)絡(luò)類其他專業(yè)，希望本文的探討和思考能起到拋磚引玉的作用。

（

）

［1］滕燕，郝天新.運(yùn)營商WLAN發(fā)展策略與定位［J］.現(xiàn)代電信科技，2011（12）：73－77.

［2］龍青良，王保利.WLAN發(fā)展策略分析［J］.郵電設(shè)計技術(shù)，2011（10）：73－76.

［3］劉正朋.基于藍(lán)牙與802.11n的實驗室儀器無線局域網(wǎng)的研究與實現(xiàn)［D］.青島：青島科技大學(xué)，2011.

［4］胡朝清.基于IEEE802.11n的無線校園網(wǎng)［J］.長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013（2）：236－240.

［5］姚煜，席軍.無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在高校網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.中國新通信，2013（14）：56.

［6］李風(fēng)芝.無線校園網(wǎng)的實踐應(yīng)用［J］.電子測試，2013（7）：212－213.

［7］柳楠，馬宏偉，趙秀梅.WLAN應(yīng)用于“課堂實驗室”的研究與實施［J］.科技信息，2010（18）：23－24.

［8］高悅，韓穎，王景麗.WLAN技術(shù)在應(yīng)急通信中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代電信科技，2013（5）：31－34.

［9］吳少青.無線局域網(wǎng)在企業(yè)中的應(yīng)用［J］.科技與企業(yè)，2012（14）：119.

［10］劉新泉.無線局域網(wǎng)技術(shù)在地鐵PIS系統(tǒng)中的應(yīng)用探討［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（15）：87.

［11］黃靜明.WLAN測試解決方案［J］.電信網(wǎng)技術(shù)，2013（4）：88－90.

［12］邱燕東.WLAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備性能測試探討［J］.電信網(wǎng)技術(shù)，2013（1）：63－69.