同頻組網技術

【同頻組網】同頻組網這種零漫游的組網和解決方案，很好地解決了移動STA不主動漫游、漫游時通信時延大和通信丟包中斷等問題，同頻組網的這個特點，使得其在醫療、駕考、物流和地鐵等行業低時延和實時性要求高等場景中具有明顯的優勢和廣闊的應用前景。

發布時間：2022-03-30
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背景

目前，WLAN 組網普遍使用的是“微蜂窩架構”，即一個場所由多臺 AP(Access Point，無線接入點)覆蓋，為了降低AP之間的同頻干擾，相鄰AP一般使用不同信道進行錯頻部署。在這種組網方式中，終端從一臺AP的覆蓋范圍移動到另一臺AP的覆蓋范圍時，終端存在重關聯，可能導致數據通信時延變大和丟包斷流，同時如果信號很低但不主動發生漫游，也將導致數據通信時延變大和丟包斷流。

漫游存在的這些問題，使得“微蜂窩架構” 組網方式難以滿足醫療監護、地鐵交通、駕考監控和倉儲物流等實時性要求高的應用需求。迫切需要一種能滿足移動終端低時延漫游或者“零漫游”的組網方式。

說明對象概述

同頻組網(SFN，Same Frequency Net)是一種實現零漫游的組網方式，被Gartner稱為WLAN第四代技術。同頻組網把網絡中的多臺物理AP虛擬成一臺大的“虛擬 AP”，從 STA（Station，無線工作站）端看，多臺AP組成的一個同頻組是“一臺大AP”，從而STA在移動過程中認為自己一直關聯在同一臺AP上，無需進行漫游，達到“零漫游”的效果；STA實際關聯在哪臺物理AP上，由AC根據信號強度和網絡負載等因素決策，STA從一臺AP切換關聯到另一臺AP過程中，STA無感知，通信不受影響。

工作原理

1組網方式

同頻組網是一種零漫游的組網方式和解決方案。同頻組網把網絡中的多臺AP劃分到一個同頻組中，該同頻組內的AP將工作在相同的信道，并且每個已關聯的STA都有屬于自己的唯一的 BSSID，STA在不同物理AP下切換時，BSSID不變，對STA來說沒有漫游發生；多臺AP所覆蓋的范圍合并成為“一臺AP”的覆蓋范圍，即多臺AP被虛擬成一臺大的“虛擬AP”；STA關聯上這臺“大AP”之后，STA真正關聯到哪臺物理AP由AC根據信號強度和網絡負載等因素決策，STA 從一臺物理AP切換關聯到另一臺物理AP過程中，STA無感知，整個過程不發生漫游事件，通信不受影響，仿佛STA在移動的過程中，AP在跟著STA移動，因此同頻組網下的AP又被稱為“會飛的AP”。典型拓撲的工作過程如圖4-1所示。STA接入過程和AP切換過程，跟“微蜂窩架構”的接入過程和漫游過程有所不同，下面分別介紹。

圖 4- 1 同頻組網典型拓撲工作過程

2接入過程

同頻組網的接入過程遵循IEEE802.11標準協議，接入過程包含掃描、認證和關聯三次報文交互，如圖 4-2 所示。掃描又分為被動掃描和主動掃描（圖4-2中標出了主動掃描），被動掃描是指AP周期發送beacon報文，在AP覆蓋范圍內廣播該AP上可接入的WLAN的行為。在“微蜂窩架構”網絡中，各AP上相同SSID的WLAN發送的beacon報文內容不同，各AP自成一個“微蜂窩”。同頻組網方式下，一個STA只關聯相同的一個BSSID，STA在不同物理AP下切換時，BSSID不變，一個同頻組內的所有物理AP構成一個大的“虛擬 AP”；因此，從STA角度看，環境中只有一臺AP，STA在多臺AP覆蓋的范圍內移動時將不會發生漫游。

主動掃描是指STA發送probe request報文探測環境中的無線網絡的行為，AP收到probe request報文將回應 probe response報文告知STA該AP上可接入的WLAN及WLAN的屬性。同頻組網內的多臺AP都將可能回復probe response給STA，且這些probe response報文BSSID不同， STA選擇一個最合適的BSSID接入；接入成功后，這個BSSID就分配給這個STA，而且這個BSSID就不再向其他STA回復probe response報文；AC會再分配一個新的BSSID給該STA關聯的AP，繼續為新STA提供接入服務。

圖 4-2 STA 接入過程

3切換過程

STA成功接入之后，當AC發現另一臺AP可以為該STA提供更好的服務時（比如STA移動過程中），將發生切換動作，把STA從當前關聯AP切換到另一臺AP關聯，并由切換后的AP提供數據服務，切換過程如圖4-3所示，具體切換過程描述如下：

圖 4-3 同頻組網切換過程

第1步：AP接收所有STA發送的幀，提取出這些STA的摘要信息(比如RSSI等)，并發送給AC。
第2步：AC處理AP上傳的STA信息，為每個STA建立一個可選AP列表。
第2步：AC定期為STA檢查可選AP列表，根據信號強度和負載等因素判斷是否找到更好的AP，若找到，則執行第4步；否則繼續遍歷AP列表至末尾返回。
第4步：AC從當前關聯AP上獲取該STA的信息；
第5步：AC將獲取到的STA信息發送給新AP，在新AP上創建vap擬為STA提供服務，舊AP上刪除該STA信息。
第6步：STA關聯在新的AP上，AC上更新轉發等表項，新AP為STA提供服務，切換完成。

相較于“蜂窩架構”網絡的漫游方式，同頻組網AP切換存在如下優勢：
STA關聯到AP2后可以立即通信，無需進行重關聯操作和后續的握手報文交互，減少了 STA的漫游時間；
STA關聯到哪臺AP是由AC控制，受外部因素影響較小，避免了不同廠商的STA對漫游支持存在差異的問題；
AP的切換過程中，AC端會提前把STA結點信息通告給AP2，AP2復制該STA狀態并使STA加入 AP2，整個切換過程中基本上可以保證STA不丟包。

典型應用

1案例背景

以同頻組網在某公司現代物流中心(后文以 A 公司代替)成功應用為案例，說明同頻組網的典型應用。

A 公司是一家區域性某類物品流通企業，2005年至今一直穩居該省該行業榜首。本次是在其新建的現代物流中心部署無線網絡，該物流基地由全自動立體庫區、拆零揀選流水線作業區、冷鏈產品存儲作業區、第三方物流等配以WMS現代物流信息系統組成，是該省乃至國內單體面積最大、功能最齊全的現代物流基地之一。目前只建成了一期工程，建成的區域如圖 5-1紅框所示。

圖 5-1 A 公司現代物流中心效果圖

已經建好的區域是一個大的廠棚，廠棚占地150m*100m，可以看作是二層建筑，一樓分為收發貨區、托盤地堆A區、托盤地堆B區、器械區和冷庫，一樓平面圖如圖5-2所示，從圖中可以看到，收貨區和發貨區處于相通區域，其它區域則大部分通過實體墻隔開；二樓主要為拆零揀選區。根據A公司物流基地整體解決方案的設計，在二樓使用智分零漫游方案，在一樓使用同頻組網方案。下面主要介紹一樓同頻組網網絡的部署情況。

圖 5-2 A 公司現代物流中心一樓平面圖

2 終端特點和用戶使用習慣

客戶使用的終端主要有三種類別，分為筆記本電腦（戴爾）、平板電腦（微軟）和手持終端（摩托羅拉）；在終端規模上，新采購的數量分別為150臺、60臺和16臺，總數為226臺，未來同時使用的終端數約為150臺，其中70臺使用在二樓智分網絡，剩余約80臺使用在一樓同頻組網區域。一樓同頻組網區域，終端更加具體的分布為，收貨區使用10幾臺筆記本，出貨區使用20-30臺手持終端，托盤地堆A區和B區共使用20-30臺手持終端，其它區域使用約 10臺終端。

客戶通過在終端安裝的物流管理軟件對貨物的物流狀態進行管理，貨物的物流狀態主要有收貨、上架、下架、發貨、復核等狀態。在終端類別的使用上，收貨區使用筆記本電腦（帶藍牙掃描槍）收貨，上架、下架和發貨等操作則使用手持終端進行；在使用習慣上，手持終端用于掃描二維碼，并由二維碼通過我們的無線網絡訪問數據庫；平板主要在智分網絡使用。經過和負責人交流，一般來說終端相對固定使用在一個功能區，即A區的終端一般在 A區使用，不會拿到B區使用，但是不排除跨區作業。

圖 5-3 A公司所用手持終端

3 同頻組網解決方案

從使用無線網絡的業務出發，用戶需要一個高穩定、低時延、零漫游的無線網絡：

1.無線網絡為用戶的生產網，用戶需要一個高穩定性的網絡，用于保障正常業務的流暢進行，網絡一旦中斷或出現異常，流水線工作將無法繼續，業務無法開展，對生產造成嚴重影響。

2.為了保證生產的高效進行，用戶要求較低的網絡時延，時延過大將影響生產，尤其在上下貨區域，導致貨物堆積，流水線受阻，無法正常收發貨。

3.客戶一般是在一個功能區域中移動作業，在這個區域中終端可能發生漫游，為了保證低時延和數據不中斷，要求是一個“零漫游”網絡。

4.同時，用戶主要通過無線網絡對數據庫進行訪問，因此數據量一般較小。

結合該物流園的建筑特點和終端特點，保證網絡的服務質量，同時考慮到將來容量擴充，將一樓同頻組網區域劃分為四個組，分別為：收貨區同頻組1 ，發貨區同頻組2，托盤地堆 B 區同頻組3，托盤地堆A區同頻組4，如圖5-4所示。客戶使用終端在四個功能區作業過程中分別在一個同頻組中，終端移動作業不發生漫游，目前整個網絡穩定運行，體驗延遲低、速度快，客戶反映良好。