赵　越**，陈周国，苏　宏，丁建伟，郭宇斌，谭小彬

(1.保密通信重点实验室，成都 610041;2.中国科学技术大学 自动化系，合肥 230027)



面向密集部署的超高吞吐率Wi-Fi融合应用技术

赵越**1，陈周国1，苏宏1，丁建伟1，郭宇斌1，谭小彬2

(1.保密通信重点实验室，成都 610041;2.中国科学技术大学 自动化系，合肥 230027)

为了降低网络密集部署对超高吞吐率(VHT) Wi-Fi性能的影响，提出了VHT Wi-Fi基于软件定义网络(SDN)的网络架构、无线网络侧虚拟化和增强型认证与快速切换技术，以提高系统的共存性、抗干扰性和安全性。实验结果表明，VHT Wi-Fi与SDN、网络功能虚拟化、伽罗瓦/计数模式协议结合，吞吐率性能获得约10%的提升，在保证安全性同时平均切换时延降低至40 ms，可保障VHT Wi-Fi在密集部署网络中发挥重要作用。

超高吞吐率Wi-Fi；密集部署；软件定义网络；网络功能虚拟化；安全切换

1　引　言

目前，电气和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)制定了802.11ac和802.11ad作为新一代超高吞吐率(Very High Throughput,VHT)Wi-Fi，以适应高速无线数据业务发展的需求[1]。但是，由于VHT Wi-Fi工作在非许可证频段，需要与其他的802.11网络共享2.4/5 GHz频段，在无线网络密集部署情况下，受相邻网络干扰的影响，无法保障良好的服务质量。因此，在网络密集部署情况下如何保障VHT Wi-Fi性能是需要重点关注的问题。同时，随着无线接入点(Access Point,AP)部署密度不断增加，移动服务的连续性要求Wi-Fi支持快速且频繁的切换，用户设备(User Equipment,UE)在AP间移动时如何进行快速切换与安全关联是另一个需要关注的问题。

面向密集部署的VHT Wi-Fi技术已引起了关注。文献[2]指出密集部署的无线网络虽能提升频谱利用效率，但要避免重叠覆盖区域由于网络干扰导致性能下降。文献[3]通过量化VHT Wi-Fi相邻网络间干扰和负载状况，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，从而降低干扰对网络性能的影响。文献[4]分析了UE在无线局域网移动时产生的安全切换时延包括认证时延、密钥交换时延以及重关联时延等。文献[5]提出了面向无线局域网的基于计数模式/CBC-MAC协议(Counter Mode/CBC-MAC Protocol,CCMP)的安全切换机制，然而CCMP基于预共享密钥的认证模式，无法保证前向保密性，并且造成较大的通信与计算开销。当前，面向密集部署的网络干扰协调研究多以AP协商动态分配信道为主，AP间信令频繁交互无疑会占用信道，导致频谱利用效率降低。此外，面向密集部署的安全切换研究也需要在保证安全性的同时降低切换时延。

软件定义网络(Software-Defined Networking,SDN)和网络功能虚拟化(Network Function Virtualization,NFV)技术是目前研究热点。SDN技术通过协作化技术来有效实现密集部署无线网络干扰协调和负载均衡，NFV技术可以解决密集部署无线网络场景下的移动性问题，这些技术将指导未来Wi-Fi的设计及应用，而SDN、NFV如何与VHT Wi-Fi应用结合是需要关注的问题。此外，VHT Wi-Fi需要设计轻量、高效的接入认证和密钥管理协议、快速的成对临时密钥算法，以及在重关联或者关联之前进行资源预留，降低切换时间。

本文分析了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的新型网络架构、无线网络侧虚拟化、增强型认证与快速切换等技术，更好地提升VHT Wi-Fi的共存性、抗干扰性和安全性，并通过搭建实验环境对网络共存、网络干扰和切换时延进行测试分析。通过对VHT Wi-Fi网络架构、虚拟资源管理、移动性管理分析与探讨，期望可以为未来无线网络的网络规划提供支持与借鉴。

2　VHT Wi-Fi应用及部署模型

面向密集部署的VHT Wi-Fi典型应用及部署模型如图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。

图1　VHT Wi-Fi应用及部署模型

2.1替代千兆以太网

VHT Wi-Fi可取代传统的千兆以太网，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

通过数据流量卸载技术将移动蜂窝网络部分用户的业务转接到Wi-Fi网络，可以显著降低移动蜂窝网络的数据流量压力。此技术适用于业务热点区域中位置固定或低速移动的UE。此外，3GPP提出了一种更高效的IP流移动性技术[6]，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，如图1中UE3可以同时通过AP2、eNodeB接入到同一个核心网。

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2.4/5 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，可以避免网络干扰，房间内的网络吞吐率可以与有线网络相比。因此，Wi-Fi可以使用2.4/5 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。在视距传输距离，可使用VHT Wi-Fi提供无线回程连接，如图1中AP3与eNodeB之间通过802.11ac替代千兆以太网，为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、组网灵活等优势。

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，支持为多台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[7]，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，降低了低接入等级发送队列的延迟与负载。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　VHT Wi-Fi融合应用技术

VHT Wi-Fi在密集部署网络中具有诸多应用需求，但存在与传统Wi-Fi设备共存、密集部署情况下的网络干扰、安全切换时延较长等问题有待解决。本文提出基于SDN的VHT Wi-Fi网络架构、VHT Wi-Fi的无线网络侧虚拟化和增强型认证与快速切换技术，以适应未来网络发展需求。

3.1基于SDN的网络架构

新一代Wi-Fi的显著特征是灵活性与适应性。图2所示为基于SDN的新型网络架构，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衔接。

图2　基于SDN的网络架构模型

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[8]，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。

3.2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，动态分配资源给对应的网络。文献[9]提出802.11ac的业务不再局限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，以及服务质量需求等因素，由多个数据节点通过协同多点传输技术为某一业务提供高速率和稳定的服务。

UE移动过程中为其提供服务的数据节点需要发生改变，以获取持续的稳定服务，NFV技术可以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；

第三，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[10]。

3.3增强型认证与快速切换

VHT Wi-Fi可以采用伽罗瓦/计数模式协议(Galois/Counter Mode Protocol,GCMP)取代CCMP。依据CCMP，UE接入网络需要执行证书认证和单播密钥协商，当UE发生切换时，UE要和目的AP先进行预认证或重新认证，然后再进行单播密钥协商。此外，当攻击者窃听得到UE入网时与AP明文交互的认证信息，并且获取STA或UE的共享密钥，就能通过数学推导得出单播会话密钥，解密以前UE与AP之间传输的所有密文。依据GCMP，UE接入网络只需要完成接入认证，不再需要进行UE和AP之间的显式密钥认证，发生切换时，只需运行快速切换的安全关联建立协议，不需要重新执行认证或预认证过程。而且，GCMP采用Diffie-Hellman(DH)交换生成新的会话密钥，攻击者即使获得PSK和协议使用的随机数等参数，也因为面临椭圆曲线DH问题无法计算出会话密钥[11]。

两个协议在UE接入网络和发生切换时的性能对比如表1所示，假定AP和ASU之间为一跳直连链路，并将发送和接收一次消息称为一次交互，E表示模指数运算，S表示计算签名，M表示计算消息认证码(Message Integrity Code,MIC)。可以看出，当UE接入网络时，GCMP计算性能上仅仅在UE、ASU端各增加1次模指运算，但却减少了3次协议交互的过程，缩短了接入时延；当UE发生切换时，GCMP的通信性能和计算性能都优于CCMP。

表1　GCMP与CCMP的协议性能对比

4　实验与性能分析

本节对VHT Wi-Fi的3个典型应用实例进行测试与性能分析，包括:VHT Wi-Fi设备与传统W-Fi设备共存；密集部署的无线网络间干扰；UE在VHT Wi-Fi间移动切换。

4.1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3个空间流和20/40/80 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。实验配置与参数如表2所示。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他工作在2.4/5 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 Mb/s(802.11ac，80 MHz带宽)、300 Mb/s(802.11n，40 MHz带宽)和25 Mb/s(802.11a，20 MHz带宽)。

表2802.11a/n/ac实验配置与参数

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

标准工作频段/GHz带宽/MHz发射功率/dBm调制编码方式子载波数(数据/导频)MU-MIMO传播时延/μs时隙时长/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

未来802.11ac设备涌入市场，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对现有网络性能的影响，以及802.11ac AP能否替代现有的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需求。

图3Wi-Fi设备间共存性分析测试

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

4.3网络干扰分析

密集部署的无线网络易受干扰。如图4(a)所示，在B室进行性能测试，AP1、AP2为802.11ac设备，AP3、AP4为802.11n设备，每一台AP接入一台相同模式UE。其中，AP1与AP2复用带宽为80MHz的信道,称为配置1；AP1、AP3分别使用带宽为80 MHz、40 MHz相交的信道，称为配置2；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，称为配置3。

如图4(b)所示，配置1中两台802.11ac AP使用信道重合，每台AP的干扰信号频率与有用信号频率相同，对AP接收同频有用信号造成干扰，影响通信链路质量，造成信干噪比较低，总吞吐率下降10%～15%。配置2中AP3与AP1使用的信道部分重合，相重合的信道存在同频干扰也会导致AP1和AP3吞吐率下降，由于802.11ac本身具有MU-MIMO等抗干扰能力，因此802.11n受干扰影响更为严重，AP3吞吐率下降35%～40%。配置3中一个802.11ac AP与两个802.11n AP复用信道，造成相邻AP的使用信道完全重合，同频干扰进一步加剧，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50%～55%。基于上述的测试结果，我们得出这样的结论：802.11ac在与802.11a/n并存时，网络性能受同频干扰的影响导致下降，尤其在网络空间狭小及使用信道相互交叠时。因此，密集部署的无线网络对SDN技术具有强烈需求。

图4(c)为基于SDN的干扰协调技术，与文献[4]提出的传统干扰协调技术，以及未采取任何干扰协调措施的VHT Wi-Fi吞吐率性能比较。由于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，支持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，与传统干扰协调方案相比，避免了AP间频繁信令交互对无线信道的占用，SDN技术能提供更好的吞吐率性能。从图4(c)可以看出，与传统干扰协调技术相比，配置1、配置2和配置3吞吐率性能分别提升13.4%、11.3%和8.5%。其中，802.11ac相比802.11n更好地支持频谱分析，与SDN结合实现对AP工作信道集中控制管理，吞吐率获得更大的提升。

(a)网络配置

(b)网络干扰分析性能测试

(c)基于SDN的干扰协调技术与传统干扰协调技术性能比较

图4Wi-Fi网络间干扰分析测试

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

4.4切换时延分析

图5(a)给出了UE在传统与无线网络侧虚拟化场景下的切换时延统计结果。其中，UE以1～10 m/s速率在A室和B室之间发生移动，A室和B室各部署1台802.11ac AP。VHT Wi-Fi与NFV技术结合，切换时延大幅降低，基本可以实现无缝切换，解决密集部署场景下UE移动性问题。同时，相对于低速运动UE，无线侧虚拟网络架构在UE移动速率较高时(一定范围内)性能优势愈加明显。这是因为随着UE移动速率增加，Wi-Fi管理节点获取信息的时间间隔随之减小，可以更快地完成协同与交互，及时处理UE的快速接入与信道分配。图5(b)给出了UE分别依据CCMP和GCMP协议在AP间发生安全切换的时延统计结果，从图中可以看出，GCMP协议产生的切换时延远小于CCMP协议，在保证切换安全性同时满足快速切换要求，支持UE以常规速度在VHT Wi-Fi移动的情景。

(a)传统与无线网络侧虚拟化性能比较

(b)CCMP与GCMP性能比较

图5Wi-Fi网络间切换时延测试

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

5　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面向密集部署的典型应用及其性能需求，研究了VHT Wi-Fi与SDN、NFV结合后的网络架构、无线网络侧虚拟化、移动性管理等，并搭建实验环境测试了传统与新型Wi-Fi设备共存、密集部署的无线网络间干扰、安全切换时延。实验结果表明,VHT Wi-Fi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技术可以实现共存性、抗干扰性，在吞吐率性能上获得更大的提升，与802.11ac传统干扰协调方案相比，吞吐率性能获得约10%的提升，结合GCMP可以更好支持安全性和移动性，平均切换时延降低至40 ms，可保障VHT Wi-Fi在密集部署网络中发挥重要作用。

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赵越(1983—)，男，山东泰安人，2012年于西南交通大学获博士学位，现为高级工程师，主要研究方向为无线网络与信息安全；

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

陈周国(1980—)，男，四川达州人，2006年于电子科技大学获硕士学位，现为高级工程师，主要研究方向为密码学与信息安全；

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

苏宏(1966—)，男，重庆忠县人，1990年于电子科技大学获硕士学位，现为研究员，主要研究方向为保密通信；

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

丁建伟(1986—)，男，四川自贡人，2015年于清华大学获博士学位，现为工程师，主要研究方向为大数据与信息安全；

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年于电子科技大学获硕士学位，现为工程师，主要研究方向为信息安全；

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

谭小彬(1973—)，男，陕西西安人，2003年于中国科学技术大学获博士学位，现为副教授，主要研究方向为未来网络体系架构。

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基金项目：国家自然科学基金资助项目(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：赵越，陈周国，苏宏,等.面向密集部署的超高吞吐率Wi-Fi融合应用技术[J].电讯技术，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