同频组网技术

【同频组网】同频组网这种零漫游的组网和解决方案，很好地解决了移动STA不主动漫游、漫游时通信时延大和通信丢包中断等问题，同频组网的这个特点，使得其在医疗、驾考、物流和地铁等行业低时延和实时性要求高等场景中具有明显的优势和广阔的应用前景。

发布时间：2022-03-30
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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只广播相同的一个BSSID，STA在不同物理AP下切换时，BSSID不变，STA只会收到一种beacon报文，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。