同频组网|同频组网技术漫谈

背景

目前，WLAN 组网普遍使用的是“微蜂窝架构”，即一个场所由多台 AP(Access Point，无线接入点)覆盖，为了降低AP之间的同频干扰，相邻AP一般使用不同信道进行错频部署。在这种组网方式中，终端从一台AP的覆盖范围移动到另一台AP的覆盖范围时，终端存在重关联，可能导致数据通信时延变大和丢包断流，同时如果信号很低但不主动发生漫游，也将导致数据通信时延变大和丢包断流。

漫游存在的这些问题，使得“微蜂窝架构” 组网方式难以满足医疗监护、地铁交通、驾考监控和仓储物流等实时性要求高的应用需求。迫切需要一种能满足移动终端低时延漫游或者“零漫游”的组网方式。

说明对象概述

同频组网(SFN，Same Frequency Net)是一种实现零漫游的组网方式，被Gartner称为WLAN第四代技术。同频组网把网络中的多台物理AP虚拟成一台大的“虚拟 AP”，从 STA（Station，无线工作站）端看，多台AP组成的一个同频组是“一台大AP”，从而STA在移动过程中认为自己一直关联在同一台AP上，无需进行漫游，达到“零漫游”的效果；STA实际关联在哪台物理AP上，由AC根据信号强度和网络负载等因素决策，STA从一台AP切换关联到另一台AP过程中，STA无感知，通信不受影响。

工作原理

1组网方式

同频组网是一种零漫游的组网方式和解决方案。同频组网把网络中的多台AP划分到一个同频组中，该同频组内的AP将工作在相同的信道，并且每个已关联的STA都有属于自己的唯一的 BSSID，STA在不同物理AP下切换时，BSSID不变，对STA来说没有漫游发生；多台AP所覆盖的范围合并成为“一台AP”的覆盖范围，即多台AP被虚拟成一台大的“虚拟AP”；STA关联上这台“大AP”之后，STA真正关联到哪台物理AP由AC根据信号强度和网络负载等因素决策，STA 从一台物理AP切换关联到另一台物理AP过程中，STA无感知，整个过程不发生漫游事件，通信不受影响，仿佛STA在移动的过程中，AP在跟着STA移动，因此同频组网下的AP又被称为“会飞的AP”。典型拓扑的工作过程如图4-1所示。STA接入过程和AP切换过程，跟“微蜂窝架构”的接入过程和漫游过程有所不同，下面分别介绍。

图 4- 1 同频组网典型拓扑工作过程

2接入过程

同频组网的接入过程遵循IEEE802.11标准协议，接入过程包含扫描、认证和关联三次报文交互，如图 4-2 所示。扫描又分为被动扫描和主动扫描（图4-2中标出了主动扫描），被动扫描是指AP周期发送beacon报文，在AP覆盖范围内广播该AP上可接入的WLAN的行为。在“微蜂窝架构”网络中，各AP上相同SSID的WLAN发送的beacon报文内容不同，各AP自成一个“微蜂窝”。同频组网方式下，一个STA只关联相同的一个BSSID，STA在不同物理AP下切换时，BSSID不变，一个同频组内的所有物理AP构成一个大的“虚拟 AP”；因此，从STA角度看，环境中只有一台AP，STA在多台AP覆盖的范围内移动时将不会发生漫游。

主动扫描是指STA发送probe request报文探测环境中的无线网络的行为，AP收到probe request报文将回应 probe response报文告知STA该AP上可接入的WLAN及WLAN的属性。同频组网内的多台AP都将可能回复probe response给STA，且这些probe response报文BSSID不同， STA选择一个最合适的BSSID接入；接入成功后，这个BSSID就分配给这个STA，而且这个BSSID就不再向其他STA回复probe response报文；AC会再分配一个新的BSSID给该STA关联的AP，继续为新STA提供接入服务。

图 4-2 STA 接入过程

3切换过程

STA成功接入之后，当AC发现另一台AP可以为该STA提供更好的服务时（比如STA移动过程中），将发生切换动作，把STA从当前关联AP切换到另一台AP关联，并由切换后的AP提供数据服务，切换过程如图4-3所示，具体切换过程描述如下：

图 4-3 同频组网切换过程

第1步：AP接收所有STA发送的帧，提取出这些STA的摘要信息(比如RSSI等)，并发送给AC。
第2步：AC处理AP上传的STA信息，为每个STA建立一个可选AP列表。
第2步：AC定期为STA检查可选AP列表，根据信号强度和负载等因素判断是否找到更好的AP，若找到，则执行第4步；否则继续遍历AP列表至末尾返回。
第4步：AC从当前关联AP上获取该STA的信息；
第5步：AC将获取到的STA信息发送给新AP，在新AP上创建vap拟为STA提供服务，旧AP上删除该STA信息。
第6步：STA关联在新的AP上，AC上更新转发等表项，新AP为STA提供服务，切换完成。

相较于“蜂窝架构”网络的漫游方式，同频组网AP切换存在如下优势：
STA关联到AP2后可以立即通信，无需进行重关联操作和后续的握手报文交互，减少了 STA的漫游时间；
STA关联到哪台AP是由AC控制，受外部因素影响较小，避免了不同厂商的STA对漫游支持存在差异的问题；
AP的切换过程中，AC端会提前把STA结点信息通告给AP2，AP2复制该STA状态并使STA加入 AP2，整个切换过程中基本上可以保证STA不丢包。

典型应用

1案例背景

以同频组网在某公司现代物流中心(后文以 A 公司代替)成功应用为案例，说明同频组网的典型应用。

A 公司是一家区域性某类物品流通企业，2005年至今一直稳居该省该行业榜首。本次是在其新建的现代物流中心部署无线网络，该物流基地由全自动立体库区、拆零拣选流水线作业区、冷链产品存储作业区、第三方物流等配以WMS现代物流信息系统组成，是该省乃至国内单体面积最大、功能最齐全的现代物流基地之一。目前只建成了一期工程，建成的区域如图 5-1红框所示。

图 5-1 A 公司现代物流中心效果图

已经建好的区域是一个大的厂棚，厂棚占地150m*100m，可以看作是二层建筑，一楼分为收发货区、托盘地堆A区、托盘地堆B区、器械区和冷库，一楼平面图如图5-2所示，从图中可以看到，收货区和发货区处于相通区域，其它区域则大部分通过实体墙隔开；二楼主要为拆零拣选区。根据A公司物流基地整体解决方案的设计，在二楼使用智分零漫游方案，在一楼使用同频组网方案。下面主要介绍一楼同频组网网络的部署情况。

图 5-2 A 公司现代物流中心一楼平面图

2 终端特点和用户使用习惯

客户使用的终端主要有三种类别，分为笔记本电脑（戴尔）、平板电脑（微软）和手持终端（摩托罗拉）；在终端规模上，新采购的数量分别为150台、60台和16台，总数为226台，未来同时使用的终端数约为150台，其中70台使用在二楼智分网络，剩余约80台使用在一楼同频组网区域。一楼同频组网区域，终端更加具体的分布为，收货区使用10几台笔记本，出货区使用20-30台手持终端，托盘地堆A区和B区共使用20-30台手持终端，其它区域使用约 10台终端。

客户通过在终端安装的物流管理软件对货物的物流状态进行管理，货物的物流状态主要有收货、上架、下架、发货、复核等状态。在终端类别的使用上，收货区使用笔记本电脑（带蓝牙扫描枪）收货，上架、下架和发货等操作则使用手持终端进行；在使用习惯上，手持终端用于扫描二维码，并由二维码通过我们的无线网络访问数据库；平板主要在智分网络使用。经过和负责人交流，一般来说终端相对固定使用在一个功能区，即A区的终端一般在 A区使用，不会拿到B区使用，但是不排除跨区作业。

图 5-3 A公司所用手持终端

3 同频组网解决方案

从使用无线网络的业务出发，用户需要一个高稳定、低时延、零漫游的无线网络：

1.无线网络为用户的生产网，用户需要一个高稳定性的网络，用于保障正常业务的流畅进行，网络一旦中断或出现异常，流水线工作将无法继续，业务无法开展，对生产造成严重影响。

2.为了保证生产的高效进行，用户要求较低的网络时延，时延过大将影响生产，尤其在上下货区域，导致货物堆积，流水线受阻，无法正常收发货。

3.客户一般是在一个功能区域中移动作业，在这个区域中终端可能发生漫游，为了保证低时延和数据不中断，要求是一个“零漫游”网络。

4.同时，用户主要通过无线网络对数据库进行访问，因此数据量一般较小。

结合该物流园的建筑特点和终端特点，保证网络的服务质量，同时考虑到将来容量扩充，将一楼同频组网区域划分为四个组，分别为：收货区同频组1 ，发货区同频组2，托盘地堆 B 区同频组3，托盘地堆A区同频组4，如图5-4所示。客户使用终端在四个功能区作业过程中分别在一个同频组中，终端移动作业不发生漫游，目前整个网络稳定运行，体验延迟低、速度快，客户反映良好。