WLAN器件开发和网络规划中特性测试

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WLAN技术带来了新挑战，如何才能有效地消除干扰?WLAN基站和接入点功率管理的效率如何?这些问题必须通过综合测试方案加以解决，本文专门论述了WLAN器件开发和网络规划中关键特性测试的意义和优势。
    WLAN技术为半导体芯片制造商、网络设备制造商(NEM)、业务提供商和网络管理员带来了新挑战，因为那些性能未经测试或未经证明的器件或设备很容易引发网络故障。因此在交付新的WLAN产品或现场部署WLAN网络之前，需要解决一些特定问题。例如，在2.4GHz射频(RF)范围内，如何才能有效地消除干扰?当移动用户从一个接入点(AP)移动到另一个接入点时，将会出现哪种类型的漫游切换延迟呢?MAC层和上层安全机制的不同实现将对产品和网络的性能将产生怎样的影响?WLAN基站和接入点功率管理的效率如何?上述所有问题及传统的端对端性能、延迟和丢包问题都能通过综合测试加以解决。
    实际应用中射频传播的标准化建模
    WLAN芯片和设备制造商面临的最大挑战是如何利用2.4GHz和5GHz射频信令实现高稳定性和高性能的物理层。尽管802.11b和802.11a理论上可以分别达到11Mbps和54Mbps的数据率，但实际应用中，数据率很大程度上取决于物理层接口与射频信道接口特性(如多径衰落、路径损耗、延迟扩展和对数正态屏蔽)匹配的程度。开发人员和业务提供商必须通过在实验室再现实际的射频损耗才能获得真正意义上的产品性能。由于很难像双绞线和铜线连接那样再现影响射频传输的环境变量，因此需要解决的问题很多也很复杂。以多径干扰为例，无线电波可被固态物体反射并在原始信号稍作延迟后出现在无线接入点(WLANAP)或W-NIC接收器中，这将引发码间干扰并导致信号质量下降。在办公室环境下，一般反射信号延迟为50ns，而生产车间的延迟则达到300ns。可以采用码间间距调节技术抵消多径干扰的影响，但需要以数据率为代价。此外，当无线电波试图跟踪反射信号及原始信号时，还会出现抖动干扰。
    多径衰落仿真器可以复现这类射频特性，即通过在实验室再现实际的射频损耗对待测系统(SUT)进行验证。到射频信道仿真器和干扰仿真器的连接既可以采用射频隔离室，也可以利用双绞线直接连接到射频损耗仿真器装置。仿真器连接也需要利用射频环行器(circulator)隔离信号的发送和接收。SUT的性能首先应当在没有损耗的环境下精确测量，一旦建立了基准，就可以通过引入各种信道模型(如JTC或指数衰落Rayleigh模型)对物理层进行渐进式损耗测试。JTC信道模型的优势在于获得了联合标准委员会的认可，成为无线室内通信标准模型，因此适用于各种WLAN系统的性能比较。
    2.4GHz射频范围内干扰下的系统性能
    射频干扰是指那些影响正常系统操作的不期望干扰射频信号。幅度足够大且在接收器频谱范围内的干扰射频信号完全可以视为在不断发送数据包的伪802.11基站。这使得合法的802.11基站必须等到干扰信号消失后才能正常发送数据。在拥挤的2.4GHz范围内尤其需要考虑这个问题，因为微波炉、无线电话、蓝牙器件及其他的非802.11器件都在这里与802.11b器件共享频谱。噪声和干扰仿真器可以在实验室环境下仿真这些损耗，因此是任何装备齐全的WLAN测试实验室不可或缺的装置。现在，各公司正在为WLAN市场开发标准的WLAN干扰模型，但至今均未发布产品。
    漫游切换延迟和射频速率适配性能的测量
    在WLAN用户移动中，接入点首先将通过降低连接速率保证用户在离开服务区后仍能保持连接。
    之后，如果信号继续在衰落，客户端可以选择另一个具有更强信号的接入点。可能有人会想当然地以为漫游切换延迟无关紧要，因为他们携带笔记本电脑出行时，往往并不要求在线。但我们也必须考虑其他一些情形，那时较差的速率适配性能及漫游切换性能将影响无线应用系统的效率。在某些特定应用中，漫游还可能引发接入点的可扩展性问题。不妨设想一下经常发生在大学校园或大型公司环境下的漫游情形吧。在这两种情况下，发生漫游时接入点需要处理大量的尖峰信号。
    在IEEE802.11规范中，客户端移动性可以分为以下三类:
    无切换:无线客户端可能移动也可能不移动，但不会改变连接的接入点。
    BSS切换:无线客户端在属于相同无线底层架构的多个接入点之间移动。
    ESS切换:无线客户端在属于不同无线底层架构的多个接入点之间移动。
    无线客户改变接入点连接时，任何发送到该无线客户的传输流都将改变物理路径。这钟切换不会瞬间完成并有可能触发各种各样的错误，包括数据的丢失、错误插入、重复发送和失序以及持续增加的延迟。
    移动到接入点范围之外的无线客户端可以不断地在传送数据的低速率和不传送数据的高速率之间进行速率适配。此外，如果无线客户端位于两个接入点的范围内，那么将在这两个接入点之间反复切换。根据重连接对性能的影响以及连接改变的频率，这种往复式切换影响性能的程度也不一样。
    802.11规范还规定，ESS切换中可以出现业务中断，但BSS切换中完全可以没有业务中断。然而，该规范没有规定实现客户端重连接或接入点切换功能的方法。
    由于规范并没有给出标准的实现方法，因此每家供应商采用的测试手段也各不相同。
    各种安全解决方案的可扩展性:WEP、802.11i、802.1x、IPSec、SSL和Firewall
    上述每种实现方法都或多或少存在一些缺陷:X.25速率太低，IP则没有足够多的地址，而802.11则受限于安全定义方式――有线安全等级协议(WEP)，因为WEP没有明确RC4流加密中的初始化向量(IV)的实现方法。某些实现方法在每次重启时将IV设定为0，而每使用一次则自动增加1。这样，有可能导致需要复用密钥流。此外，考虑到加密密钥和IV均不采用MD5或SHA-1这些散列方法进行编码，因此WEP很容易遭受那些针对消息流加解密的简单密码解析攻击。IEEE标准制订组正同802.11i紧密合作以期克服WEP的这个缺陷，但设备提供商和业务提供商已经转向其他的安全解决方案，如802.1x、IPSec、SSL、集成防火墙及其他专用解决方案。这样，WLAN就能根据选择的安全机制及实现方法的效率为各种解决方案选择性能，从而能充分地发挥优势。为了更好地理解与WLAN安全解决方案相关的性能问题，非常有必要在实际中进行IP虚拟专用网(IP-VPN)协议的控制层测试及面向连接(HTTP)和无连接(UDP)传输流的数据层测试。
    利用IPSec协议确定IP-VPN隧道创建容量、在每条隧道上生成UDP或HTTP传输流并测量数据的性能特性(如丢包率、延迟和响应时间)至关重要。上述结果不仅需要有效地显示以进行快速性能基准比较，还必须成为解决互操作性问题的有效手段。
    防火墙测试应确定最大的应用事务处理容量并以TCP为传输代理测量应用系统的数据率。防火墙测试应当测量防火墙执行网络地址解析(NAT)的性能以及测试采用的多分组数据滤波准则的影响。防火墙测试设备也应当允许传输与其他应用传输流并行生成的不同速率攻击流以检验防火墙抵御拒绝服务攻击(DoS)的能力。这样就能制订出合法的传输流性能基准，而攻击流也能在待测设备的引导下不断消耗占用的资源。
    检验防火墙的性能需要能足以对峰值互联网条件进行建模并仿真互联网混合传输流的高流量互联网事务，因为基于状态检查的防火墙(StatefulFirewall)需要产生真正的应用传输流以正确地转发传输流。可扩展性是选择正确的防火墙测试设备时需要考虑的关键因素，因为为了测试防火墙的性能，每秒钟往往需要有效地测试数千个HTTP事务及数百万条并发的TCP连接。
    测试将推动WLAN技术的应用
    由于WLAN技术能够带来真正的成本效益、移动性并增加办公区域、大学校园、家庭和热点地区的连接效率，因此获得了广泛认可并迅速得到推广。对于802.11a和802.11a/b双模及802.11g设备，2005年的增长率则有望达到3位数。虽然得到了广泛认同并迅速推广，但人们仍对WLAN至今尚未实现的性能以及不甚令人满意的业务质量(QoS)心存疑虑。早期的客户尚能容忍WLAN技术的一些缺陷因为他们希望应用最新的技术，但随着该技术成为主流解决方案，客户对WLAN性能和QoS上的缺陷将变得越来越无法忍受。用户并不满足于只能漫游，例如他们希望不仅能自由移动，而且发生接入点连接中断或重连接入点时也不会中断业务。一旦意识到这一点，芯片和设备生产商及业务提供商就会加强测试实验室的建设，利用新的测试设备仿真实际射频网络条件并测试产品和网络解决方案的高稳定性和可扩展性。对于那些解决方案能满足主流客户性能需求的厂商而言，WLAN技术可以为他们带来丰厚的利润。