趙　越**，陳周國，蘇　宏，丁建偉，郭宇斌，譚小彬

(1.保密通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041;2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 自動化系，合肥 230027)

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面向密集部署的超高吞吐率Wi-Fi融合應(yīng)用技術(shù)

趙越**1，陳周國1，蘇宏1，丁建偉1，郭宇斌1，譚小彬2

(1.保密通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041;2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 自動化系，合肥 230027)

為了降低網(wǎng)絡(luò)密集部署對超高吞吐率(VHT) Wi-Fi性能的影響，提出了VHT Wi-Fi基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、無線網(wǎng)絡(luò)側(cè)虛擬化和增強(qiáng)型認(rèn)證與快速切換技術(shù)，以提高系統(tǒng)的共存性、抗干擾性和安全性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，VHT Wi-Fi與SDN、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化、伽羅瓦/計(jì)數(shù)模式協(xié)議結(jié)合，吞吐率性能獲得約10%的提升，在保證安全性同時平均切換時延降低至40 ms，可保障VHT Wi-Fi在密集部署網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。

超高吞吐率Wi-Fi；密集部署；軟件定義網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化；安全切換

1　引　言

目前，電氣和電子工程師協(xié)會(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)制定了802.11ac和802.11ad作為新一代超高吞吐率(Very High Throughput,VHT)Wi-Fi，以適應(yīng)高速無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展的需求[1]。但是，由于VHT Wi-Fi工作在非許可證頻段，需要與其他的802.11網(wǎng)絡(luò)共享2.4/5 GHz頻段，在無線網(wǎng)絡(luò)密集部署情況下，受相鄰網(wǎng)絡(luò)干擾的影響，無法保障良好的服務(wù)質(zhì)量。因此，在網(wǎng)絡(luò)密集部署情況下如何保障VHT Wi-Fi性能是需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。同時，隨著無線接入點(diǎn)(Access Point,AP)部署密度不斷增加，移動服務(wù)的連續(xù)性要求Wi-Fi支持快速且頻繁的切換，用戶設(shè)備(User Equipment,UE)在AP間移動時如何進(jìn)行快速切換與安全關(guān)聯(lián)是另一個需要關(guān)注的問題。

面向密集部署的VHT Wi-Fi技術(shù)已引起了關(guān)注。文獻(xiàn)[2]指出密集部署的無線網(wǎng)絡(luò)雖能提升頻譜利用效率，但要避免重疊覆蓋區(qū)域由于網(wǎng)絡(luò)干擾導(dǎo)致性能下降。文獻(xiàn)[3]通過量化VHT Wi-Fi相鄰網(wǎng)絡(luò)間干擾和負(fù)載狀況，實(shí)時選擇最優(yōu)頻點(diǎn)的信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，保證相鄰網(wǎng)絡(luò)同時使用的信道頻率相互正交，從而降低干擾對網(wǎng)絡(luò)性能的影響。文獻(xiàn)[4]分析了UE在無線局域網(wǎng)移動時產(chǎn)生的安全切換時延包括認(rèn)證時延、密鑰交換時延以及重關(guān)聯(lián)時延等。文獻(xiàn)[5]提出了面向無線局域網(wǎng)的基于計(jì)數(shù)模式/CBC-MAC協(xié)議(Counter Mode/CBC-MAC Protocol,CCMP)的安全切換機(jī)制，然而CCMP基于預(yù)共享密鑰的認(rèn)證模式，無法保證前向保密性，并且造成較大的通信與計(jì)算開銷。當(dāng)前，面向密集部署的網(wǎng)絡(luò)干擾協(xié)調(diào)研究多以AP協(xié)商動態(tài)分配信道為主，AP間信令頻繁交互無疑會占用信道，導(dǎo)致頻譜利用效率降低。此外，面向密集部署的安全切換研究也需要在保證安全性的同時降低切換時延。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software-Defined Networking,SDN)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Function Virtualization,NFV)技術(shù)是目前研究熱點(diǎn)。SDN技術(shù)通過協(xié)作化技術(shù)來有效實(shí)現(xiàn)密集部署無線網(wǎng)絡(luò)干擾協(xié)調(diào)和負(fù)載均衡，NFV技術(shù)可以解決密集部署無線網(wǎng)絡(luò)場景下的移動性問題，這些技術(shù)將指導(dǎo)未來Wi-Fi的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，而SDN、NFV如何與VHT Wi-Fi應(yīng)用結(jié)合是需要關(guān)注的問題。此外，VHT Wi-Fi需要設(shè)計(jì)輕量、高效的接入認(rèn)證和密鑰管理協(xié)議、快速的成對臨時密鑰算法，以及在重關(guān)聯(lián)或者關(guān)聯(lián)之前進(jìn)行資源預(yù)留，降低切換時間。

本文分析了VHT Wi-Fi在無線網(wǎng)絡(luò)密集部署情況下的典型應(yīng)用及其性能需求，結(jié)合基于SDN的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、無線網(wǎng)絡(luò)側(cè)虛擬化、增強(qiáng)型認(rèn)證與快速切換等技術(shù)，更好地提升VHT Wi-Fi的共存性、抗干擾性和安全性，并通過搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境對網(wǎng)絡(luò)共存、網(wǎng)絡(luò)干擾和切換時延進(jìn)行測試分析。通過對VHT Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、虛擬資源管理、移動性管理分析與探討，期望可以為未來無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供支持與借鑒。

2　VHT Wi-Fi應(yīng)用及部署模型

面向密集部署的VHT Wi-Fi典型應(yīng)用及部署模型如圖1所示，包括Wi-Fi替代千兆以太網(wǎng)、多用戶多入多出(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output,MU-MIMO)傳輸、構(gòu)建Wi-Fi回程網(wǎng)絡(luò)，以及基于Wi-Fi實(shí)現(xiàn)移動數(shù)據(jù)流量卸載。

圖1　VHT Wi-Fi應(yīng)用及部署模型

2.1替代千兆以太網(wǎng)

VHT Wi-Fi可取代傳統(tǒng)的千兆以太網(wǎng)，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(nèi)設(shè)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(yīng)用服務(wù)。

2.2數(shù)據(jù)流量卸載

通過數(shù)據(jù)流量卸載技術(shù)將移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)部分用戶的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)接到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，可以顯著降低移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量壓力。此技術(shù)適用于業(yè)務(wù)熱點(diǎn)區(qū)域中位置固定或低速移動的UE。此外，3GPP提出了一種更高效的IP流移動性技術(shù)[6]，依據(jù)業(yè)務(wù)類型和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等情況，分配數(shù)據(jù)流同時接入到多個無線接入網(wǎng)絡(luò)，如圖1中UE3可以同時通過AP2、eNodeB接入到同一個核心網(wǎng)。

數(shù)據(jù)流量卸載的另一個應(yīng)用場景是僅在Wi-Fi環(huán)境下，將數(shù)據(jù)流量從擁擠的2.4/5 GHz頻段轉(zhuǎn)移到802.11ad使用的60 GHz頻段。由于60 GHz頻段傳輸距離受限，可以避免網(wǎng)絡(luò)干擾，房間內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)吞吐率可以與有線網(wǎng)絡(luò)相比。因此，Wi-Fi可以使用2.4/5 GHz構(gòu)建作為連接各房間的回程網(wǎng)絡(luò)，使用60 GHz為房間內(nèi)的UE提供超快速數(shù)據(jù)傳輸。

2.3無線回程網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)上，回程均基于有線網(wǎng)絡(luò)，但AP部署密集化后，并非每臺AP都能有線回程，這是因?yàn)橛芯€回程部署的位置和數(shù)量對密集部署的無線網(wǎng)絡(luò)的性能影響很大。數(shù)量太多，成本很高；數(shù)量太少或位置規(guī)劃不合理，回程能力有限。在視距傳輸距離，可使用VHT Wi-Fi提供無線回程連接，如圖1中AP3與eNodeB之間通過802.11ac替代千兆以太網(wǎng)，為802.11g/n無線局域網(wǎng)提供回程技術(shù)支持。回程網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能指標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)吞吐率，VHT Wi-Fi不僅能支持非常高的網(wǎng)絡(luò)吞吐率，而且具有投資成本低、組網(wǎng)靈活等優(yōu)勢。

2.4多用戶MIMO傳輸

802.11ac協(xié)議采用了下行MU-MIMO傳輸技術(shù)，AP為多天線配置，利用發(fā)射波束賦形和多用戶分集技術(shù)，支持為多臺UE同時傳輸數(shù)據(jù)。802.11ac定義了一種新型發(fā)送機(jī)會(Transmitting Opportunity,TXOP)共享機(jī)制[7]，下行數(shù)據(jù)幀中根據(jù)業(yè)務(wù)類別劃分為不同的接入等級(Access Categories,AC)的發(fā)送隊(duì)列，支持不同發(fā)送隊(duì)列同時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，多個AC不會因?yàn)橄嗷ジ偁嶵XOP而造成“虛擬碰撞”問題，降低了低接入等級發(fā)送隊(duì)列的延遲與負(fù)載。如圖1所示，AP4提供可區(qū)分的、分布式的3個AC，分別對應(yīng)語音、視頻、“盡力而為”不同的業(yè)務(wù)類型，支持同時接入不同業(yè)務(wù)流。

3　VHT Wi-Fi融合應(yīng)用技術(shù)

VHT Wi-Fi在密集部署網(wǎng)絡(luò)中具有諸多應(yīng)用需求，但存在與傳統(tǒng)Wi-Fi設(shè)備共存、密集部署情況下的網(wǎng)絡(luò)干擾、安全切換時延較長等問題有待解決。本文提出基于SDN的VHT Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、VHT Wi-Fi的無線網(wǎng)絡(luò)側(cè)虛擬化和增強(qiáng)型認(rèn)證與快速切換技術(shù)，以適應(yīng)未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求。

3.1基于SDN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

新一代Wi-Fi的顯著特征是靈活性與適應(yīng)性。圖2所示為基于SDN的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)劃分為基礎(chǔ)設(shè)施層、控制層、應(yīng)用層。基礎(chǔ)設(shè)施層部署虛擬化的接入適配網(wǎng)元，適配Wi-Fi在內(nèi)的各種無線網(wǎng)絡(luò)制式，大量可編程的SDN交換機(jī)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸、轉(zhuǎn)發(fā)、處理和狀態(tài)收集；控制層由一系列分布式的SDN控制器組成，SDN控制器集中管理網(wǎng)絡(luò)感知、接入控制、路由選擇、資源分配等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，SDN控制器與SDN交換機(jī)采用開放流表協(xié)議作為通信接口；應(yīng)用層由眾多不同業(yè)務(wù)組成，這些業(yè)務(wù)可由SDN控制器調(diào)度和分配，SDN控制器和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)之間通過開放的應(yīng)用程序編程接口銜接。

圖2　基于SDN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型

SDN技術(shù)可以解決無線網(wǎng)絡(luò)密集部署出現(xiàn)的干擾復(fù)雜和負(fù)載分布不均問題，以CROWD項(xiàng)目為例[8]，802.11ac網(wǎng)絡(luò)資源(包括空口資源和回傳網(wǎng)絡(luò)資源)集中形成一個資源池并對其進(jìn)行統(tǒng)一管理和動態(tài)分配，SDN控制器能夠掌握實(shí)時的網(wǎng)絡(luò)動態(tài)，多個SDN控制器可以進(jìn)行協(xié)同和交互，實(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)的管理信息共享，并提供所需的支持策略部署的靈活性網(wǎng)絡(luò)資源管理。SDN交換機(jī)支持業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流進(jìn)行本地轉(zhuǎn)發(fā)，提升交換機(jī)設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)能力，減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載壓力。SDN技術(shù)在提升802.11ac網(wǎng)絡(luò)資源利用率、降低能耗的同時，還可以通過協(xié)作化技術(shù)來有效實(shí)現(xiàn)干擾協(xié)調(diào)和負(fù)載均衡，提升網(wǎng)絡(luò)性能。

3.2無線網(wǎng)絡(luò)側(cè)虛擬化

現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施歸屬于不同網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商，服務(wù)供應(yīng)商希望提供給UE在不同網(wǎng)絡(luò)資源共享、無縫切換的使用體驗(yàn)。在Wi-Fi技術(shù)中引入NFV技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)資源(包括物理設(shè)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(chǔ)的管理平臺，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)的共存與管理，支持業(yè)務(wù)上下文感知和網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化配置。NFV技術(shù)以業(yè)務(wù)為基礎(chǔ)，針對不同的業(yè)務(wù)和應(yīng)用類型選擇不同的虛擬資源為其提供服務(wù)，AP作為數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)不再是獨(dú)立的物理實(shí)體，而視為抽象的處理資源，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)實(shí)際的業(yè)務(wù)負(fù)載，動態(tài)分配資源給對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[9]提出802.11ac的業(yè)務(wù)不再局限由固定的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提供，而是綜合無線信號質(zhì)量、數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)負(fù)載程度，以及服務(wù)質(zhì)量需求等因素，由多個數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)通過協(xié)同多點(diǎn)傳輸技術(shù)為某一業(yè)務(wù)提供高速率和穩(wěn)定的服務(wù)。

UE移動過程中為其提供服務(wù)的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)生改變，以獲取持續(xù)的穩(wěn)定服務(wù)，NFV技術(shù)可以解決密集部署無線網(wǎng)絡(luò)場景下的移動性問題：

首先，來自核心網(wǎng)的數(shù)據(jù)匯聚到Wi-Fi管理節(jié)點(diǎn)，由管理節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到底層各數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，降低了核心網(wǎng)路徑轉(zhuǎn)換概率和時延；

其次，UE在加入虛擬網(wǎng)絡(luò)時，就已經(jīng)完成接入控制、資源預(yù)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；

第三，用戶或業(yè)務(wù)的上下文信息在各節(jié)點(diǎn)之間共享和同步，可以隨著UE的移動隨時快速轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，避免了復(fù)雜的切換過程[10]。

3.3增強(qiáng)型認(rèn)證與快速切換

VHT Wi-Fi可以采用伽羅瓦/計(jì)數(shù)模式協(xié)議(Galois/Counter Mode Protocol,GCMP)取代CCMP。依據(jù)CCMP，UE接入網(wǎng)絡(luò)需要執(zhí)行證書認(rèn)證和單播密鑰協(xié)商，當(dāng)UE發(fā)生切換時，UE要和目的AP先進(jìn)行預(yù)認(rèn)證或重新認(rèn)證，然后再進(jìn)行單播密鑰協(xié)商。此外，當(dāng)攻擊者竊聽得到UE入網(wǎng)時與AP明文交互的認(rèn)證信息，并且獲取STA或UE的共享密鑰，就能通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出單播會話密鑰，解密以前UE與AP之間傳輸?shù)乃忻芪摹Ｒ罁?jù)GCMP，UE接入網(wǎng)絡(luò)只需要完成接入認(rèn)證，不再需要進(jìn)行UE和AP之間的顯式密鑰認(rèn)證，發(fā)生切換時，只需運(yùn)行快速切換的安全關(guān)聯(lián)建立協(xié)議，不需要重新執(zhí)行認(rèn)證或預(yù)認(rèn)證過程。而且，GCMP采用Diffie-Hellman(DH)交換生成新的會話密鑰，攻擊者即使獲得PSK和協(xié)議使用的隨機(jī)數(shù)等參數(shù)，也因?yàn)槊媾R橢圓曲線DH問題無法計(jì)算出會話密鑰[11]。

兩個協(xié)議在UE接入網(wǎng)絡(luò)和發(fā)生切換時的性能對比如表1所示，假定AP和ASU之間為一跳直連鏈路，并將發(fā)送和接收一次消息稱為一次交互，E表示模指數(shù)運(yùn)算，S表示計(jì)算簽名，M表示計(jì)算消息認(rèn)證碼(Message Integrity Code,MIC)?？梢钥闯觯?dāng)UE接入網(wǎng)絡(luò)時，GCMP計(jì)算性能上僅僅在UE、ASU端各增加1次模指運(yùn)算，但卻減少了3次協(xié)議交互的過程，縮短了接入時延；當(dāng)UE發(fā)生切換時，GCMP的通信性能和計(jì)算性能都優(yōu)于CCMP。

表1　GCMP與CCMP的協(xié)議性能對比

4　實(shí)驗(yàn)與性能分析

本節(jié)對VHT Wi-Fi的3個典型應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行測試與性能分析，包括:VHT Wi-Fi設(shè)備與傳統(tǒng)W-Fi設(shè)備共存；密集部署的無線網(wǎng)絡(luò)間干擾；UE在VHT Wi-Fi間移動切換。

4.1實(shí)驗(yàn)平臺

實(shí)驗(yàn)平臺使用符合COTS 802.11ac、802.11a、802.11n標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備(包括AP、UE)。802.11ac設(shè)備配有Broadcom BCM4360雙頻AC芯片組，支持多達(dá)3個空間流和20/40/80 MHz信道帶寬。802.11a、802.11n的設(shè)備配有Atheros AR9580芯片組，信道帶寬分別為20 MHz、40 MHz。實(shí)驗(yàn)配置與參數(shù)如表2所示。部署實(shí)驗(yàn)環(huán)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(shí)驗(yàn)環(huán)境周圍沒有其他工作在2.4/5 GHz頻段的無線網(wǎng)絡(luò)。通過Iperf進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能測試，AP與UE下行鏈路最大吞吐率的平均值達(dá)到700 Mb/s(802.11ac，80 MHz帶寬)、300 Mb/s(802.11n，40 MHz帶寬)和25 Mb/s(802.11a，20 MHz帶寬)。

表2802.11a/n/ac實(shí)驗(yàn)配置與參數(shù)

Tab.2 The experimental configuration and parameters of 802.11a/n/ac

標(biāo)準(zhǔn)工作頻段/GHz帶寬/MHz發(fā)射功率/dBm調(diào)制編碼方式子載波數(shù)(數(shù)據(jù)/導(dǎo)頻)MU-MIMO傳播時延/μs時隙時長/μs802.11ac2.4/58029OFDM,BPSK、QPSK、16QAM、64QAM、256QAM256(234/8)2×219802.11n2.4/54036OFDM,BPSK、QPSK、16QAM、64QAM128(108/6)802.11a52036OFDM,QFSK64(52/4)

4.2共存性分析

未來802.11ac設(shè)備涌入市場，新型和傳統(tǒng)Wi-Fi設(shè)備間的共存性問題必將引發(fā)關(guān)注，實(shí)驗(yàn)分析添加802.11ac AP對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)性能的影響，以及802.11ac AP能否替代現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)性能，每臺UE的業(yè)務(wù)類型相同。當(dāng)802.11ac AP接入802.11a/n UE與接入802.11ac UE相比，整個網(wǎng)絡(luò)吞吐率下降嚴(yán)重，其中接入802.11a UE的下降幅度比接入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(huán)境內(nèi)配置多臺不同模式AP與僅配置一臺802.11ac AP相比整個網(wǎng)絡(luò)吞吐率也會變差，然而802.11a/n設(shè)備可以達(dá)到的吞吐率稍高，這是由于AP間受鄰道干擾的影響導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)傳輸。盡管傳統(tǒng)Wi-Fi設(shè)備(例如802.11a)向后兼容性差而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的下降，但可以與新型Wi-Fi設(shè)備共存，單獨(dú)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需求。

圖3Wi-Fi設(shè)備間共存性分析測試

Fig.3 Analysis and test of coexistence between Wi-Fi devices

4.3網(wǎng)絡(luò)干擾分析

密集部署的無線網(wǎng)絡(luò)易受干擾。如圖4(a)所示，在B室進(jìn)行性能測試，AP1、AP2為802.11ac設(shè)備，AP3、AP4為802.11n設(shè)備，每一臺AP接入一臺相同模式UE。其中，AP1與AP2復(fù)用帶寬為80MHz的信道,稱為配置1；AP1、AP3分別使用帶寬為80 MHz、40 MHz相交的信道，稱為配置2；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，稱為配置3。

如圖4(b)所示，配置1中兩臺802.11ac AP使用信道重合，每臺AP的干擾信號頻率與有用信號頻率相同，對AP接收同頻有用信號造成干擾，影響通信鏈路質(zhì)量，造成信干噪比較低，總吞吐率下降10%～15%。配置2中AP3與AP1使用的信道部分重合，相重合的信道存在同頻干擾也會導(dǎo)致AP1和AP3吞吐率下降，由于802.11ac本身具有MU-MIMO等抗干擾能力，因此802.11n受干擾影響更為嚴(yán)重，AP3吞吐率下降35%～40%。配置3中一個802.11ac AP與兩個802.11n AP復(fù)用信道，造成相鄰AP的使用信道完全重合，同頻干擾進(jìn)一步加劇，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50%～55%?；谏鲜龅臏y試結(jié)果，我們得出這樣的結(jié)論：802.11ac在與802.11a/n并存時，網(wǎng)絡(luò)性能受同頻干擾的影響導(dǎo)致下降，尤其在網(wǎng)絡(luò)空間狹小及使用信道相互交疊時。因此，密集部署的無線網(wǎng)絡(luò)對SDN技術(shù)具有強(qiáng)烈需求。

圖4(c)為基于SDN的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，與文獻(xiàn)[4]提出的傳統(tǒng)干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，以及未采取任何干擾協(xié)調(diào)措施的VHT Wi-Fi吞吐率性能比較。由于SDN控制器能夠?qū)崟r掌握UE側(cè)的信號強(qiáng)度、AP側(cè)的空閑帶寬和無線鏈路干擾狀況，支持對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行合適的調(diào)配，有效實(shí)現(xiàn)干擾協(xié)調(diào)和負(fù)載均衡，與傳統(tǒng)干擾協(xié)調(diào)方案相比，避免了AP間頻繁信令交互對無線信道的占用，SDN技術(shù)能提供更好的吞吐率性能。從圖4(c)可以看出，與傳統(tǒng)干擾協(xié)調(diào)技術(shù)相比，配置1、配置2和配置3吞吐率性能分別提升13.4%、11.3%和8.5%。其中，802.11ac相比802.11n更好地支持頻譜分析，與SDN結(jié)合實(shí)現(xiàn)對AP工作信道集中控制管理，吞吐率獲得更大的提升。

(a)網(wǎng)絡(luò)配置

(b)網(wǎng)絡(luò)干擾分析性能測試

(c)基于SDN的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)與傳統(tǒng)干擾協(xié)調(diào)技術(shù)性能比較

圖4Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)間干擾分析測試

Fig.4 Analysis and test of Wi-Fi network interference

4.4切換時延分析

圖5(a)給出了UE在傳統(tǒng)與無線網(wǎng)絡(luò)側(cè)虛擬化場景下的切換時延統(tǒng)計(jì)結(jié)果。其中，UE以1～10 m/s速率在A室和B室之間發(fā)生移動，A室和B室各部署1臺802.11ac AP。VHT Wi-Fi與NFV技術(shù)結(jié)合，切換時延大幅降低，基本可以實(shí)現(xiàn)無縫切換，解決密集部署場景下UE移動性問題。同時，相對于低速運(yùn)動UE，無線側(cè)虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在UE移動速率較高時(一定范圍內(nèi))性能優(yōu)勢愈加明顯。這是因?yàn)殡S著UE移動速率增加，Wi-Fi管理節(jié)點(diǎn)獲取信息的時間間隔隨之減小，可以更快地完成協(xié)同與交互，及時處理UE的快速接入與信道分配。圖5(b)給出了UE分別依據(jù)CCMP和GCMP協(xié)議在AP間發(fā)生安全切換的時延統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從圖中可以看出，GCMP協(xié)議產(chǎn)生的切換時延遠(yuǎn)小于CCMP協(xié)議，在保證切換安全性同時滿足快速切換要求，支持UE以常規(guī)速度在VHT Wi-Fi移動的情景。

(a)傳統(tǒng)與無線網(wǎng)絡(luò)側(cè)虛擬化性能比較

(b)CCMP與GCMP性能比較

圖5Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)間切換時延測試

Fig.5 The handoff delay test between the Wi-Fi networks

5　結(jié)束語

無線網(wǎng)絡(luò)密集部署是解決未來移動業(yè)務(wù)快速增長需求的必然趨勢。本文關(guān)注VHT Wi-Fi面向密集部署的典型應(yīng)用及其性能需求，研究了VHT Wi-Fi與SDN、NFV結(jié)合后的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、無線網(wǎng)絡(luò)側(cè)虛擬化、移動性管理等，并搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境測試了傳統(tǒng)與新型Wi-Fi設(shè)備共存、密集部署的無線網(wǎng)絡(luò)間干擾、安全切換時延。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,VHT Wi-Fi與802.11a/n并存時，網(wǎng)絡(luò)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(jié)合SDN、NFV技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)共存性、抗干擾性，在吞吐率性能上獲得更大的提升，與802.11ac傳統(tǒng)干擾協(xié)調(diào)方案相比，吞吐率性能獲得約10%的提升，結(jié)合GCMP可以更好支持安全性和移動性，平均切換時延降低至40 ms，可保障VHT Wi-Fi在密集部署網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。

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趙越(1983—)，男，山東泰安人，2012年于西南交通大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要研究方向?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)與信息安全；

ZHAO Yue was born in Tai′an,Shandong Province,in 1983.He received the Ph.D. degree from Southwest Jiaotong University in 2012.He is now a senior engineer.His research concerns wireless networks and information security.

Email：yuezhao@foxmail.com

陳周國(1980—)，男，四川達(dá)州人，2006年于電子科技大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要研究方向?yàn)槊艽a學(xué)與信息安全；

CHEN Zhouguo was born in Dazhou,Sichuan Province,in 1980.He received the M.S. degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2006.He is now a senior engineer.His research concerns cryptography and information security.

Email：czgexcel@163.com

蘇宏(1966—)，男，重慶忠縣人，1990年于電子科技大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為研究員，主要研究方向?yàn)楸Ｃ芡ㄐ牛?/p>

SU Hong was born in Zhongxian,Chongqing,in 1966.He received the M.S. degree from University of Electronic Science and Technology of China in 1990.He is now a senior engineer of professor.His research concerns secure communication.

Email：ssuhong@163.com

丁建偉(1986—)，男，四川自貢人，2015年于清華大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)榇髷?shù)據(jù)與信息安全；

DING Jianwei was born in Zigong,Sichuan Province,in 1986.He received the Ph.D. degree from Tsinghua University in 2015.He is now an engineer.His research concerns big data and information security.

Email：mathe_007@163.com

郭宇斌(1987—)，男，山西原平人，2014年于電子科技大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)樾畔踩?/p>

GUO Yubin was born in Yuanping,Shanxi Province,in 1987.He received the M.S. degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2014.He is now an engineer.His research concerns information security.

Email：gybglp@163.com

譚小彬(1973—)，男，陜西西安人，2003年于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要研究方向?yàn)槲磥砭W(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。

TAN Xiaobin was born in Xi′an,Shaanxi Province,in 1973.He received the Ph.D. degree from University of Science and Technology of China in 2003.He is now an associate professor.His research concerns future network architecture.

Integration Application Technologies of Very High Throughput Wi-Fi in Dense Networks Deployments

ZHAO Yue1,CHEN Zhouguo1,SU Hong1,DING Jianwei1,GUO Yubin1,TAN Xiaobin2

(1.Science and Technology on Communication Security Laboratory,Chengdu 610041,China;2.Department of Automation,University of Science and Technology of China,Hefei 230027，China)

In order to reduce adverse effects of the dense deployment on very high throughput(VHT) Wi-Fi performance,this paper proposes a network architecture based on software-defined networking(SDN),wireless network virtualization,the enhanced authentication and the fast handoff of VHT Wi-Fi,in order to achieve scalability,interference immunity and security.The experimental results show that the combination of SDN,network function virtualization,Galois/counter mode protocol and VHT Wi-Fi can improve throughput by 10%,ensure safety and reduce the handoff delay to 40 ms.The techniques mentioned above can ensure the role of the VHT Wi-Fi in in future dense wireless network deployments.

very high throughput Wi-Fi;dense deployment;software-defined networking;network function virtualization;secure handoff

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.09.001

2016-01-07；

2016-05-10Received date:2016-01-07；Revised date：2016-05-10基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61202043)Foundation Item:The National Natural Science Foundation of China(No.61202043)

TN929.5

A

1001-893X(2016)09-0949-07

引用格式：趙越，陳周國，蘇宏,等.面向密集部署的超高吞吐率Wi-Fi融合應(yīng)用技術(shù)[J].電訊技術(shù)，2016,56(9):949-955.[ZHAO Yue,CHEN Zhouguo,SU Hong,et al.Integration application technologies of very high throughput Wi-Fi in dense networks deployments[J].Telecommunication Engineering,2016,56(9):949-955.]

**通信作者：yuezhao@foxmail.comCorresponding author：yuezhao@foxmail.com