宽带无线网络的新选择——Wi-Fi分流

2008年，数据流量在Vodafone网络首次超过语音流量，之后每年翻一番，而在下一个十年里，数据流量将增长300～500倍（Cisco 2008）；iPhone仅占全球智能手机销量的17%，但其网络浏览次数却达到全球的65%；在过去3年内，AT&T的数据增长超过了50倍，iPhone用户仅占AT&T总客户3%，但是却占用了40%的网络流量[1]。由此看以看出：以iPhone为代表的智能手机及笔记本电脑，带来了爆发性的数据流量。
与此同时，在以3G技术和长期演进(LTE)技术提供的宽带无线接入服务中，若将服务价格控制在大众可以接受的尺度，则成本将大大超出收益，这是运营商无法接受的。对于电信业界寄予厚望的LTE，其第一应用场景是在室内，这又与无线局域网(Wi-Fi)重叠，而大量的终端已经内置了Wi-Fi功能，所以对于室内无线网络而言，具备低成本、大量终端优势的Wi-Fi技术具有强大的竞争力和吸引力。

    新一代高速无线局域网(WLAN)标准802.11n已经于2009年9月定稿，它以600 Mbit/s高速接入、多输入输出(MIMO)、正交频分复用技术(OFDM)等优势特征，使Wi-Fi能够构造室内外宽带无线互联网并大规模组网[2]。

    文章描述一个支持IP移动的Wi-Fi热区，它是独立成网的宽带无线网络，而语音和其他高价值数据业务仍然可以途经2G/3G/LTE等电信网络，以便电信运营商能够提供更好的服务。

1 Wi-Fi热区的构建

1.1 Wi-Fi网络
    当前运营商主导的Wi-Fi网络，由固网应用、笔记本电脑及热点构成，它寄生于有线宽带网络中，是原有电信网络的补充，用于留住客户；而Wi-Fi热区，由移动应用、固网应用、手持终端/笔记本电脑及热区构成，有线网络只作为承载网，能够独立成网，用于分流和新网络新业务。这样的网络，将迎来手持终端、Wi-Fi网络和业务良性发展，如图1所示。

1.2 统一以太网
    以太网延伸到各个地方已成为不可阻挡的趋势，和迅速成长、渗透到社会的各个方面的Internet一样，以太技术已经延伸到了网络的各个地方：有线网络局域网(Ethernet)、WLAN、EPON、城域网(0G/100G Ethernet)、城际网(100G Ethernet)[3]。

    作为一种无线接入技术，包分争用的WLAN非常适用于Internet数据业务，由于无线/有线的全网无需媒体接入控制(MAC)层和IP层转换，所以它的效率更高。以高效率、简单、低成本的优势，以太网络在开放式系统互联(OSI)的分层模型中，恰如其分地担负了第二层的任务。统一以太网的优势在于[4]：

• 包分争用，最适合数据业务
• 统一的MAC包，没有转换开销
• 统一技术，因而实现简单、成本低廉

1.3 802.11n 
    802.11n将能够为WLAN提供100～600 Mbit/s的速率，这一速率约比目前的WLAN快10倍，而且能与现有的Wi-Fi标准广泛兼容，并支持PC、消费电子设备和移动平台等装置。802.11n标称值较多，主要是因为信道带宽和MIMO的不同造成的，计算公式为：
    802.11n 速率＝12×信道带宽系数×空间流数×编码位数×编码率×防护时间间隔系数

    具体的参数如表1所示。

• 信道带宽系数：20 MHz信道的带宽系数为1，40 MHz信道的带宽系数为2.25。
• 空间流数：可以为1、2、3、4，必须小于等于传输天线数，并至少支持两条空间流。
• 编码位数：64 QAM为6，16 QAM为4，四相相移键控信号(QPSK)为2，二相相移键控(BPSK)为1。
• 编码率：BPSK为1/2，QPSK、16 QAM为1/2或3/4，64 QAM为2/3、3/4或7/8。
• 防护时间间隔系数：800 ns的系数为1，400 ns的系数为1.11

1.4 Wi-Fi 的无线覆盖能力
    以往的Wi-Fi一直定位为近距离覆盖，但高达4×4MIMO则大大提高了Wi-Fi的无线覆盖能力，最新的测试表明：使用2×2MIMO和500 nW发射功率的接入点(AP)，其覆盖能力可以达到空旷环境1000 m (2.5 Mbit/s)及500 m (5 Mbit/s)，街道环境则可达到500 m (12 Mbit/s) 。通过适当的规划，Wi-Fi能够覆盖各种类型的地域（如表2所示）[5]。

1.5 MESH技术
    由于有线线路的部署、租用以及维护的代价非常高，都大大超过了AP本身，所以除了原先的固网运营商，上行链路采用无线方式是Wi-Fi网络运营商大规模部署Wi-Fi网络的必然选择。

    802.11s定义了MESH的架构、安全和路由，采用MESH技术，AP能够自动发现、加入、撤除，并根据带宽和业务的情况，自动连接到其他合适的MESH AP [6]。

1.6 AP/AC结构
    为了适应大规模部署和管理的要求，AP已经简化为纯粹的无线控制执行点，而其他的用户认证、用户策略、报文加解密、带宽管理、QoS管理、简式计费、快速移动、网管等功能，均放在其控制器AC上面，AP/AC结构类似于电信蜂窝网的基站/基站控制器。AP/AC之间的接口，采用标准化的CAPWAP协议，rfc5415定义了CAPWAP架构和原语，rfc5416定义了各种802.11控制功能。AC以上，是Wi-Fi网络的核心网，包括AAA、BOSS等各种服务器，可以提供认证、策略和计费等功能[7-8]。

1.7 PMIP协议
    支持移动IP是Wi-Fi网络必备的功能。由网络侧代为实现MIP Client的代理移动IP协议(PMIP)，由于无需改终端，而在业界普遍应用[9]。将PMIP应用到Wi-Fi中，需要解决一些新的问题：

• 经过进一步的改进，终端的3层切换时间尚可减少30%左右。
• 即使实现新旧媒体访问网关(MAG)的三角路由，网络仍有丢包。
• 按照FPMIP协议：原MAG需要知道某个终端的去向，而新MAG需要知道某个新终端的出处，目前Wi-Fi网络没有机制满足这一需求。
• 因为用户报文被打包在MAG隧道中，MAG1、MAG3是某个组播的组播复制点，STA1是该组播组成员，当STA1切换至某个并未加入该组播组的MAG时，需要研究保证STA1依然能够接收到组播报文，互联网工程任务组(IETF)于 2009年夏天成立了Multimob WG，专门关注组播移动性，该组尚处于初始阶段。

    因此，802.11n产品将具有以下各速率：100 Mbit/s或125 Mbit/s（2×2，20 MHz），200 Mbit/s或250 Mbit/s（4×4，20 MHz），300 Mbit/s或250 Mbit/s（2×2，40 MHz），500 Mbit/s或600 Mbit/s（4×4，40 MHz）。当前的市场产品已经能够提供3×3MIMO以及300 Mbit/s的速率。

    网络的性能要求，与终端和业务是息息相关的。由于终端软件和硬件能力的飞速进步，许多业务的服务质量可以通过终端来实现，因此并不需要独占链路的、昂贵的电信网络高服务质量(QoS)。特别对于语音而言，Skype、QQ等使用的是来自Global IP Sound的iLBC解码器，该解码器速率可达到13.3 kbit/s，音质达到G.729，能容忍高达30%的丢包，并能解决IP网络所造成的延迟与抖动[4]。新一代语音编解码器的进步，使得802.11这种非同步开放系统，无需如传统电信网络那样复杂的时序与同步方法，就能实现优良的语音品质。同时，IETF已对此解码器制订标准[10]。

    在开放系统的潮流下，Wi-Fi网络可具备很多开放接口，以便业务提供商开展新业务或提升为现有业务。

1.8 OSR协议
    一般情况下，运营商有很多用户，并知晓用户的状态，如：设备信息、用户定位信息、计费信息等；Internet服务提供商(ISP)拥有众多的内容和应用，是内容的拥有者；开放系统资源(OSR)将两者结合起来，使双方都有业务增长点。如图2所示，运营商将一些用户信息提供给ISP供应商获利，而ISP供应商向用户提供新的业务，通过收费或通过更多用户访问来收取更多的广告费进行获利。

    下面是一些应用场景：
    (1) 定位信息：用户用手机访问Google，发送OSR_Request，查询当前位置附近的咖啡馆，Google根据定位信息和关键字去搜索，将附近离用户最近的咖啡馆均搜索出来，并通过OSR_Response反馈给该用户。

    (2) 设备信息：ISP做广告时，可以根据终端能力的不同提供不同的广告内容，比如运营商通过OSR_Response向ISP答复设备信息服务，则不管客户端是个人数字助理(PDA)、PC或手机，用户只要输入统一资源定位器(URL)，就可以根据不同的设备得出不同的网页。

    (3) QoS保证：现在很多的视频网站，是无法保证QoS的，在这种情况下，就可以基于OSR的QoS保证功能，在用户看视频的时候，如果选择了确保QoS，则将通过OSR接口发QoS保证消息来提供相应级别的QoS保证。

1.9 Wi-Fi热区相关标准
    构建Wi-Fi热区，已经有基本齐备的相关标准，如下所示：

• IEEE 802.11n提供了更高的传输速率、更大的覆盖范围与更好的信号质量。
• IEEE 802.11e提供了一定程度的QoS保障机制。
• IETF MIF、NETEXT、MEXT WG从不同角度对多接口进行研究，包括终端对于不同接口的选择等。
• IETF Hokey工作组致力于Wi-Fi的快速二层切换，hokey相关机制与FMIP、FPMIP协议的结合使用可以保证Wi-Fi终端的移动性需求。
• 3GPP TS23.234、TS29.234，互联结构规范，规定了Wi-Fi offload时的数据流向。
• 3GPP TS32.252、TS33.234，互联计费、安全规范。

2 Wi-Fi分流的流向与策略
    Wi-Fi已是运营商用来承担移动数据业务、进行分流的主要手段之一，中国移动甚至提出并正在积极实施2G/3G/LTE/WALN四网合一的战略。随着用户无线数据流量的猛增，Wi-Fi的地位日显重要，如何有效分流各种数据，并同时保证运营商的利益及保持对网络、终端和数据的控制力，需要研发各种新型分流技术，目前主要有3种方式（如图3所示）。

    (1) 最初流向采取简单分流，即将所有用户数据直接分流，以减轻3G网络的负载。

• 数据分流：通过Wi-Fi网络直接从AC分流Internet业务，不增加核心网的负荷。
• 身份认证有以下两种方法：

    (a) 使用Wi-Fi身份认证信息，由Wi-Fi AAA完成
    (b) 使用SIM卡信息，转由3G AAA完成

    (2) 为了抓住高价值的业务，就需要部分业务仍然经过自有的核心网。

• 低价值业务的数据通过Wi-Fi流向Internet。
• 高价值业务通过内部隧道经分组数据网关(PDG)，再进入3G/LTE核心网。
• 高价值业务的区分策略，由系统在必要时下载给终端，此策略尚未标准化。

    (3) 在没有Wi-Fi网络的地方，需要从第三方Wi-Fi网络分流。
    高价值业务由Internet的隧道经PDG，再进入3G/LTE核心网，其他和以上两种方式相同。

    分流策略也是一个关系重大的选择。电信业传统的策略表是用户加业务，这样导致了系统实现非常繁杂，而用户未必需要这样细的颗粒度服务。电信业另一个传统是一切选择保持在网络侧，即在运营商手中。
所以，将Wi-Fi分流的部分选择权交给用户也是一种积极的思路。如按照不同流向制订不同套餐，用户可根据自己的需要和资费，来决定使用何种通道和流向。

3 结束语
    经过多种技术改良，Wi-Fi技术已能构建热区，但并不能支持移动性。虽然通过各种方式，3G网络内部也能分流，但Wi-Fi分流是空中立即分流，不占用3G频谱，因此才能支持未来的无线宽带[11]。分流并不是卸掉包袱。业务分流可使低价值业务直接从Wi-Fi网络分流，而运营商通过PDG开展高价值数据业务。Wi-Fi网络可以自建或与第三方签约，而便捷上网和EAP-SIM统一认证，将极大地方便用户，便于运营商黏住用户。

    以iPhone为代表的手持终端迅猛增长了数据流量，因此使用Wi-Fi网络分流Wi-Fi终端产生的数据流量是合理的和彻底的方案。文章提出的综合Wi-Fi分流解决方案，能够使用户高速无线上网、支持移动性，并全方位满足运营商分流需求。

4 参考文献
[1] GHOSAL A. Mobile Data Offload Can Wi-Fi Deliver[R]. IntelliNet Technologies Inc,2010.
[2] IEEE Std 802.11n. IEEE Standard for Information Technology-Telecommunications and Information Exchange Between Systems-Local and Metropolitan Area Networks-Specific Requirements-Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications-Amendment 5: Enhancements for Higher Throughput [S]. 2009.
[3] IEEE Std P802.3ba/D3.0. 40Gb/s and 100Gb/s Ethernet Comments. Draft 3.0 Comments[S]. 2009.
[4] The iLBCfreeware org. What is iLBC? [EB/OL]. http://www.ilbcfreeware.org/.
[5] 郑小华. WLAN区域覆盖的探讨[J].电信工程技术与标准化, 2004(2): 12-15.
[6] IEEE Std P802.11s/D0.01. IEEE Standard for Information Technology-Telecommunications and Information Exchange Between Systems-Local and Metropolitan Area Networks-Specific Requirements-Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications-Amendment 10: Mesh Networking [S]. 2009.
[7] CALHOUN P, MONTEMURRO M,STANLEY D,?Control and Provisioning of Wireless Access Points (CAPWAP) Protocol Specification [R]. IETF RFC 5415.2009.
[8] CALHOUN P,MONTEMURRO M,STANLEY D. Control and Provisioning of Wireless Access Points (CAPWAP) Protocol Binding for IEEE 802.11[R]. IETF RFC 5416.2009.
[9] GUNDAVELLI S,LEUNG K, DEVARAPALLI V,et al. Proxy Mobile IPv6 [R].IETF RFC 5213.2008.
[10] 刘乃安. 无线局域网(WLAN)—原理、技术与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2004.
[11] 夏侯允德. 3G与Wi-Fi,一个都不能少[J]. 数字通信, 2010,37(1):20-22.

收稿日期：2010-06-09

[摘要] 以iPhone为代表的智能手机及笔记本电脑，带来了爆发性的数据流量，用Wi-Fi分流部分用户数据已渐成潮流。文章认为通过引入智能天线技术可以增强信号覆盖能力，改良AP/AC能够减少切换时间，引入PMIP从而提供IP移动，使用相对透明Wi-Fi网络有利于提供新业务。文章提出一种无缝覆盖、无缝切换、满足中速移动的Wi-Fi热区，大大分流了用户的Internet及其他数据，而2G/3G/LTE网络则通过业务区分，继续承载语音及其他高附加值业务。

[关键词] 无缝覆盖；无缝切换；Wi-Fi 热区；IP移动；开放网络接口

[Abstract] Smartphones and laptop computers have brought about an explosion in data traffic, and using Wi-Fi to offload data flow has become a trend. This paper suggests that a smart antenna can enhance signal coverage, improved AP/AC can reduce handoff time, PMIP can provide IP mobility, and a relatively transparent Wi-Fi network can be used to provide new services. It proposes seamless coverage and handoff that satisfies medium-speed mobile Wi-Fi and greatly offloads Internet and data traffic. The 2G/3G/LTE network continues to carry voice and other high value-added business.

[Keywords] seamless coverage; seamless handoff ; Wi-Fi hotspot; IP mobility; open system resource interface