基于分布式AC的VoWLAN系統(tǒng)的研究

徐細(xì)波　高紅杰　于中華

【摘要】 VoWLAN是VoIP與WLAN的有機(jī)結(jié)合，是一種前景廣泛的新興應(yīng)用。傳統(tǒng)的WLAN網(wǎng)絡(luò)對終端移動性支持不佳，不能滿足VoWLAN的實(shí)時性要求。本文結(jié)合新興的集中式WLAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提出基于分布式AC的WLAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并分析該架構(gòu)對于VoWLAN業(yè)務(wù)的支持。

【關(guān)鍵詞】 VoWLAN 終端移動性 分布式AC

一、引言

近年來，隨著無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area networks，WLAN）技術(shù)快速發(fā)展和市面上智能手機(jī)、平板電腦和筆記本等無線終端設(shè)備的普及，WLAN開始在個人家庭和企業(yè)辦公環(huán)境中廣泛運(yùn)用，無線方式為上網(wǎng)帶來了極大便利。

隨著IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)的正式通過，WLAN的接入速度可以達(dá)到300Mbps，人們希望能將在有線網(wǎng)絡(luò)上成熟運(yùn)用的VoIP技術(shù)應(yīng)用在WLAN上，即VoWLAN技術(shù)。VoWLAN技術(shù)對WLAN網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)提出更高的要求，因?yàn)镮P話音業(yè)務(wù)對于實(shí)時性要求高，而傳統(tǒng)的基于胖AP的WLAN網(wǎng)絡(luò)中，終端在各個無線接入點(diǎn)（Access Point，AP）間切換時會產(chǎn)生較大的延遲甚至是通信中斷，不能滿足VoWLAN業(yè)務(wù)的需求。針對上述問題，本文結(jié)合集中式WLAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提出基于分布式AC的WLAN架構(gòu)，并分析該架構(gòu)下的WLAN業(yè)務(wù)流程。

二、集中式WLAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

隨著無線局域網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，傳統(tǒng)的基于胖AP的WLAN架構(gòu)逐漸暴露出缺乏統(tǒng)一的管理手段、漫游支持不足、缺乏有效的接入和安全控制策略等缺點(diǎn)。為了解決以上問題，人們提出了集中式的WLAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。集中式WLAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

相比于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，集中式WLAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)通過引入接入控制器（Access Controller，AC），簡化了胖AP的功能。通過將部分功能，特別是對時延不敏感的高級功能，比如管理、控制、認(rèn)證、安全等轉(zhuǎn)移到AC上實(shí)現(xiàn)，大大減輕了AP的負(fù)擔(dān)。簡化后的無線接入點(diǎn)稱為瘦AP，它相當(dāng)于AC的一個遠(yuǎn)程受控天線，對外提供RF信號，實(shí)現(xiàn)WLAN的覆蓋。

相對于基于胖AP的方案，集中式的WLAN組網(wǎng)架構(gòu)更加適用于大規(guī)模組網(wǎng)，該架構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）優(yōu)秀的擴(kuò)展性。無線控制設(shè)備有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。目前常見的AC設(shè)備可以同時管理上千個AP，同時通過硬件升級或者堆疊技術(shù)，可以不斷地?cái)U(kuò)充支持AP的數(shù)目，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的平滑擴(kuò)容。

（2）智能RF管理功能。AC能夠遠(yuǎn)程設(shè)定AP的射頻工作狀態(tài)。 用戶可以根據(jù)需要動態(tài)調(diào)整某個AP的覆蓋范圍和工作頻段，可以保證相鄰AP不會產(chǎn)生同頻干擾。

（3）集中的網(wǎng)絡(luò)管理。AC有著非常強(qiáng)大的集中管理功能。例如開通、管理、維護(hù)所有AP設(shè)備和移動終端、無線電波頻譜、無線安全、接入認(rèn)證、移動漫游以及接入用戶管理等功能均可在AC上統(tǒng)一完成，而AP可以做到零配置，即插即用。

（4）漫游功能支持。移動終端在同一AC管理下的各個AP間切換，無需重新認(rèn)證，大大減少了無線客戶端和AP的關(guān)聯(lián)時間，實(shí)現(xiàn)了快速二層、三層漫游的功能。

（5）負(fù)載均衡。由于在一個AP的覆蓋范圍內(nèi)，無線連接的帶寬是共享的，即無線終端數(shù)目越多，每個終端所能分享的帶寬就越小。要確保每個無線終端的傳輸速率，就必須能限制單個AP上無線終端的數(shù)量或者帶寬需求。而AC可根據(jù)策略，將AP上接入的部分無線終端分散到相鄰的負(fù)擔(dān)較小的AP上，實(shí)現(xiàn)AP間的負(fù)載均衡。

集中式WLAN對于終端漫游支持的提升，對于VoWLAN業(yè)務(wù)的發(fā)展具有極大的促進(jìn)。然而，集中式WLAN網(wǎng)絡(luò)有一個缺點(diǎn)：因?yàn)锳P只是接受AC控制的一個遠(yuǎn)程天線，所以所有接入終端的數(shù)據(jù)需要AC完成轉(zhuǎn)發(fā)。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，AC轉(zhuǎn)發(fā)壓力很大。

VoWLAN是一種大數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)，對網(wǎng)絡(luò)的QoS要求高。當(dāng)AC的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)量達(dá)到一定程度，必然出現(xiàn)丟包、延時增大等異常情況，將降低VoWLAN的話音質(zhì)量。

為了繼承集中式WLAN在漫游方面的優(yōu)勢，同時避免AC成為系統(tǒng)瓶頸，最佳的辦法是采用分布式AC取代單一AC，實(shí)現(xiàn)控制端的負(fù)載均衡，消除系統(tǒng)瓶頸。

三、基于分布式AC的WLAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于分布式AC的WLAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是指采用由多個AC組成的無線控制設(shè)備組取代集中式WLAN網(wǎng)絡(luò)中的單AC，完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，同時，無線控制設(shè)備組中各個AC間實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)實(shí)時同步，每個AC都掌握了全網(wǎng)所有終端的信息，以保證對于終端漫游的支持?；诜植际紸C的WLAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖中，全部AP劃分為N個區(qū)域，分別由無線控制設(shè)備組中的N個AC設(shè)備控制，區(qū)域中的所有AP接受該AC的管理，并將所有管理和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)以隧道方式傳遞到AC上，由AC解包處理。每個AC負(fù)責(zé)維護(hù)一段IP地址池，向接入歸屬區(qū)域各AP的無線終端分配。地址池大小由接入規(guī)模決定。各區(qū)域內(nèi)的AP數(shù)量和AC的控制關(guān)系可以通過配置動態(tài)調(diào)整。經(jīng)過分片管理后，每個AC設(shè)備的負(fù)擔(dān)大幅降低且可以動態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了控制側(cè)的負(fù)載均衡，消除了系統(tǒng)瓶頸。

管理關(guān)系確定后，各AP從自己歸屬的AC上獲取各種控制信息，并實(shí)時上報(bào)自身狀態(tài)及所接入終端設(shè)備的各類信息。在無線控制設(shè)備組內(nèi)部，各AC設(shè)備間采用數(shù)據(jù)同步的方式將所管轄的AP信息互相同步。此時每個AC都掌握了全網(wǎng)AP及所有接入WLAN的無線終端信息。無線終端在各個區(qū)域間移動，無線控制設(shè)備組內(nèi)各個AC設(shè)備都能夠及時發(fā)現(xiàn)，保證了良好的移動性。

四、分布式AC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的VoWLAN業(yè)務(wù)流程

基于SIP協(xié)議的話音系統(tǒng)是有線網(wǎng)絡(luò)上VoIP業(yè)務(wù)的主流形式。在分布式AC的WLAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，同樣可以采用基于SIP的話音系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)VoWLAN。

VoWLAN業(yè)務(wù)主要分為區(qū)域內(nèi)終端互通、區(qū)域間終端互通和移動互通三種類型，下邊分別詳述。

4.1 區(qū)域內(nèi)移動終端互通

區(qū)域內(nèi)終端互通情況下，業(yè)務(wù)流程與數(shù)據(jù)發(fā)送方式與集中式WLAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)類似，都是由單AC完成雙向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。只是區(qū)域內(nèi)終端數(shù)量控制在AC處理能力范圍內(nèi)，不會對業(yè)務(wù)質(zhì)量造成影響。

4.2 不同區(qū)域間終端互通

在分布式AC的WLAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，由于無線控制設(shè)備組中各個AC實(shí)時同步業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，所以每個AC均掌握了所有移動終端的IP地址及該IP的歸屬AC。當(dāng)收到目的地址為某個IP的數(shù)據(jù)包時，可根據(jù)上述IP地址與AC的映射關(guān)系，找到終端歸屬AC，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。不同區(qū)域間終端互通業(yè)務(wù)流程如圖3所示。

（1）兩區(qū)域中各AP在開機(jī)上電后，根據(jù)配置與自己的歸屬AC 1、AC 2建立雙向數(shù)據(jù)隧道，從AC上獲取管理信息，上報(bào)本地狀態(tài)及接入設(shè)備信息；（2）兩終端A、B分別通各個區(qū)域中兩AP接入WLAN，接受AC 1、AC2的認(rèn)證，從各自的歸屬AC上獲取了業(yè)務(wù)IP地址。兩終端在接入WLAN后，按照SIP注冊流程分別完成了向SIP服務(wù)器的鑒權(quán)，處于可用狀態(tài)；（3）終端A呼叫終端B，SIP信令被封裝在無線幀內(nèi)，送到A的接入AP；（4）AP將數(shù)據(jù)丟到與AC 1建立的數(shù)據(jù)隧道中，AC 1解包，將IP包轉(zhuǎn)發(fā)到SIP服務(wù)器；（5）SIP服務(wù)器根據(jù)注冊狀態(tài)，尋址到被叫終端B，向終端B歸屬的AC 2轉(zhuǎn)發(fā)SIP信令；（6）AC 2根據(jù)目的IP，將數(shù)據(jù)丟到與終端B接入AP間的數(shù)據(jù)隧道，AP將請求送到終端B，終端B摘機(jī)接聽；（7）A、B向?qū)Ψ桨l(fā)送媒體流，媒體IP包被封裝成無線幀，送到接入AP。AP向各自歸屬的AC發(fā)送據(jù)，由AC解包，向目的IP所屬的AC轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，雙方聽到對方話音；（8）任意一方掛機(jī)，掛機(jī)請求沿著信令通道到達(dá)對端，通話結(jié)束。

4.3 終端移動狀態(tài)下的互通

無線終端的移動在WLAN中移動分為兩類：區(qū)域內(nèi)移動與跨區(qū)域移動。

區(qū)域內(nèi)移動是指無線終端在歸屬于同一區(qū)域的各AP間切換，該區(qū)域內(nèi)所有AP均歸屬于同一個AC設(shè)備，與該AC建立數(shù)據(jù)隧道，所以無線終端在切換過程前后發(fā)送的數(shù)據(jù)都由這個歸屬AC負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)，因此切換過程不會對話音業(yè)務(wù)造成任何影響。

跨區(qū)域切換是指無線終端從一個區(qū)域切換到另外一個區(qū)域，如圖4所示。此時終端從區(qū)域1中AP 1覆蓋范圍移動到區(qū)域2中AP 2覆蓋范圍，歸屬關(guān)系也從AC 1轉(zhuǎn)移到AC 2。AP2會將終端接入的信息通過數(shù)據(jù)隧道上報(bào)到AC 2，AC 2查詢無線終端信息表，判定該終端是從區(qū)域1中移動過來，而不是新入網(wǎng)終端，所以無需認(rèn)證、分配新IP地址。所以終端可以很快的完成漫游，在新的區(qū)域內(nèi)繼續(xù)執(zhí)行業(yè)務(wù)。同時無線控制設(shè)備組間各AC通過同步，刷新無線終端信息表，全部掌握到終端的漫游信息。

下面以無線終端在跨區(qū)域切換狀態(tài)下與有線SIP終端互通的過程為例介紹終端移動狀態(tài)下的話音業(yè)務(wù)流程。圖5所示為該過程的流程圖。

（1）終端A位于區(qū)域1中，與有線終端建立了話音通信；（2）終端A開始向區(qū)域2移動，移動過程同圖4；（3）終端A完成與區(qū)域2中AP的接入，通過AC2向有線側(cè)轉(zhuǎn)發(fā)媒體流；（4）有線終端仍然向終端A的IP地址發(fā)送RTP包，核心交換機(jī)根據(jù)既有路由配置，將目的IP為A的IP包送到AC 1上；（5）AC 1通過同步已經(jīng)感知到終端A的漫游，因此將目的IP為A的數(shù)據(jù)包全部轉(zhuǎn)發(fā)到AC2，最終送到終端；（6）對雙方終端而言，移動過程對話音通信并未造成任何影響。

五、小結(jié)

VoWLAN業(yè)務(wù)是一種很有應(yīng)用前景的WLAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。本文根據(jù)VoWLAN業(yè)務(wù)的需求特點(diǎn)，結(jié)合集中式WLAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提出了基于分布式AC的WLAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并分析了該架構(gòu)下VoWLAN業(yè)務(wù)的幾種典型流程。該架構(gòu)在繼承集中式WLAN在漫游方面優(yōu)勢的同時，實(shí)現(xiàn)了控制端的負(fù)載均衡，消除了系統(tǒng)瓶頸，可以很好的支持較大規(guī)模的VoWLAN應(yīng)用。