高效、无缝、融合的新型WLAN
WLAN意为无线局域网络，指应用无线通信技术将计算机设备互联起来，构成可以互相通信和实现资源共享的网络体系。该技术的出现不是为了取代有线局域网络，而是用来弥补有线局域网络的不足，以实现无网线、无距离限制的通畅网络，使网络的构建和终端的移动更加灵活。
Wi-Fi是一种无线联网技术，是WLAN的一个标准。Wi-Fi包含于 WLAN中，属于采用WLAN协议的一项新技术。
如今，对我们当中的很多人来讲，Wi-Fi已经成为一种“生活必需品”，Wi-Fi热点的数量不断增长。而据全球最大的WLAN网络提供商iPass预计，Wi-Fi热点数量还将继续快速增长，到2018年，全球热点数量将达到3.4亿个。目前，一个Wi-Fi热点对应的人数为150人，到2018年一个Wi-Fi热点将对应20人，密集化部署成为趋势。
截至2015年底，日本已经部署了覆盖全境的Wi-Fi网络，日本总务省计划到2020年为全国所有中小学安装Wi-Fi，普及“数字教材”。同时，日本的WLAN网络也面临着许多问题，包括认证复杂、使用率低、不能自动切换、人群密集区用户体验差等。英国政府投资1.5亿英镑开展Wi-Fi公路项目建设，计划在2017年年底前建设一条Wi-Fi公路，用来支持无人驾驶汽车，同时通过传感器收集高速公路、隧道、桥梁等不同路况信息，推动交通向自动化、信息化发展，无线访问节点（Access Point, AP）间的无缝切换已经成为不可回避的技术难题。
中国移动共计投入资金200亿元，在全国范围内建设WLAN热点429万个，然而随后曾被视为“四网协同”重要组成部分的WLAN业务却被战略性放弃，一个主要原因就是现有WLAN网络存在认证复杂、安全性低、切换时延长、利用效率低等问题。2013年3月，IEEE 802.11 HEW工作组成立，改变了单纯以提升吞吐量为目标的做法，在提升吞吐量的同时，通过引入新的架构和技术，确保用户在真实场景下的任何时间、任何地点都能获得稳定、高速的体验，从而彻底改变Wi-Fi低效、移动性差的特点。
2007年起，在国家科技重大专项“LTE业务应用及网络演进研究”、北京市科技计划项目“新一代融合网络业务控制、应用与管理系统研发”、北京市教委共建项目“未来无线通信系统资源分配与调度策略研究”等课题的支持下，针对WLAN网络面临的“传输效率低”“均衡效率低”和“融合效率低”这3个挑战，项目组基于MAC层并行接入、虚拟资源迁移和动态流量分载等关键技术，研究高效、无缝、融合的新型WLAN管控关键技术、设备与网络管理系统。项目参与单位有北京邮电大学、大唐电信科技股份有限公司、中国电信集团公司和中国信息通信研究院。
密集部署环境下的并行传输技术
针对传输效率低的问题，项目组提出了基于随机几何的动态载波感知控制算法，利用随机几何理论对节点之间的相对位置信息以及传输随机性进行建模，准确地建立了载波感知门限与平均吞吐量的关系模型，实现了空间复用提升，同时降低了域间干扰；提出了WLAN单冲突域内并行传输的MAC层接入机制，提升异构接入点在同一冲突域下的传输容量，提高资源利用率（见图1），使得吞吐量随着天线数量的增加而显著提升，并且吞吐量比非并行传输的吞吐量提升约30%；同时提出了基于体验质量（Quality ofExperience, QoE）的功率控制算法，有效提升了并行传输的性能。
图1 多天线异构接入点并行传输效果图
基于SDN的新型WLAN
针对均衡效率低的问题，项目组基于软件定义网络（Software Defined Network, SDN）的理念实现网络的数据面与控制面的分离，提出了可编程的WLAN网络架构，并通过SDN控制器提供的应用接口实现无缝切换、负载均衡、接入控制等网络管理应用（见图2）；在上述可编程WLAN网络架构的基础上，设计开发了一种AP间无缝切换技术，其主要机理在于为用户的接入分配软件访问节点（Software Access Point, SAP）虚拟资源，根据用户在不同AP之间的切换执行相应的虚拟资源迁移，使平均切换时延降低到50毫秒以内；提出了一种基于邻区列表的动态扫描策略，通过基于邻区列表的动态扫描机制进行切换预测，减少了近40%的信道扫描时间。
图2 可编程的WLAN网络架构
WLAN与蜂窝网络的协同融合
针对融合效率低的问题，项目组提出了基于设备的网络自动发现机制，实现了基于Hotspot 2.0的安全认证架构，WLAN向蜂窝网的HLR服务器请求认证信息，通过EAP-SIM和EAP-AKA的认证方式对用户进行身份验证（见图3），完成了WLAN与蜂窝网的安全透明认证；首次建立了基于吸引子选择的自适应流量分载模型，该算法能够根据网络负载的变化自适应地调整流量分载比，实现了数据流量在异构网络下的一致性管理，利用SDN控制器提供的上层接口能够快速地部署分载算法，达到毫秒级。
图3 基于Hotspot 2.0的融合网络架构
项目组历经7年时间，研究了高效、无缝、融合的新型WLAN管控技术，研发了新型WLAN设备及系统，具有完全自主知识产权；打破了国外在WLAN管控方面的技术壁垒，在WLAN高效管控技术、新型设备与应用服务方面走在了国际前列。
项目成果形成了一系列产品和解决方案，包括新型WLAN AP、控制器、网络管理系统等。产品已在多个城市和行业大规模推广应用：在苏州、南京等地商场部署商业热点，为商户和市民提供便捷、高速的无线宽带接入服务，推动“智慧商场”建设，同时为商户创造商业价值；为西安市中心医院、西安交通大学第一附属医院等多家医院提供了高速的无线宽带接入，提升了医疗信息化水平，推动了“智慧医疗”建设；建设了江苏省城市综合智能公交系统和西安机场大巴Wi-Fi系统，实时获得车辆信息并回传，用信息化手段解决公共交通调度难题，同时在高负载情况下保证高的吞吐量与效率，满足快速上网与观看视频的需求，推动“智慧交通”建设；在全国多所学校教学楼、公寓等用户高密度区域部署新型WLAN设备，保证了高密覆盖下无线网络的带宽和稳定性，推动了“智慧校园”建设；完成了首钢体育场的WLAN覆盖，满足高并发用户覆盖需求，推动了“智慧场馆”建设，保障了用户无线接入体验；在广西、陕西、甘肃三省1800个农村宽带示范村，利用高效管控的客户终端设备（CPE）技术，支撑偏远农村4兆以上宽带全覆盖，宽带渗透率提升15%。
致谢：感谢国家科技重大专项“LTE业务应用及网络演进研究”（课题编号：2009ZX03002-013-03）、北京市科技计划项目“新一代融合网络业务控制、应用与管理系统研发”（课题编号：Z101101004310002）、北京市教委共建项目“未来无线通信系统资源分配与调度策略研究”（课题编号：201206001）、北京市教育委员会项目“基于SDN新型WLAN组网与产业化”（课题编号：201501001）和国家自然科学基金项目“WLAN中多天线异构接入点的并行传输机理研究”（课题编号：61671073）的支持。
温向明：北京邮电大学教授、博士生导师，北京邮电大学副校长。
亓航：北京邮电大学博士研究生。
路兆铭：北京邮电大学讲师。
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