基于5G技術(shù)的校園網(wǎng)建設(shè)研究與實(shí)踐

曾祥桔 牛思先

【摘? 要】突如其來(lái)的新冠疫情，使線上教學(xué)成為高校新的教學(xué)方式，教學(xué)資源的豐富使以以太網(wǎng)為技術(shù)的校園網(wǎng)不能滿足教學(xué)的需要。5G通訊技術(shù)的發(fā)展，為線上教學(xué)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，如何在原有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上運(yùn)用5G技術(shù)構(gòu)建校園網(wǎng)是新的研究課題。論文從網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?、接入網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、布線等方面進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)出了具體的方案，經(jīng)過(guò)仿真測(cè)試和部分實(shí)驗(yàn)，運(yùn)行效果良好。

【Abstract】With the COVID-19 outbreak， online teaching has become a new teaching method in colleges and universities. The abundant teaching resources make the campus network based on ethernet unable to meet the needs of teaching. The development of 5G communication technology provides strong technical support for online teaching. How to use 5G technology to build campus network on the basis of the original network is a new research topic. This paper studies the topology， access network， network architecture， cabling and other aspects of the network， designs a specific scheme. Through simulation test and some experiments， the operation effect is good.

【關(guān)鍵詞】5G;校園網(wǎng)設(shè)計(jì);局域網(wǎng);移動(dòng)網(wǎng)絡(luò);智慧校園

【Keywords】5G; campus network design; LAN; mobile network; smart campus

【中圖分類號(hào)】TP393.1;TP311.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2020）10-0094-03

1 引言

基于以太網(wǎng)技術(shù)，學(xué)校建成了“千兆接入到樓宇，百兆連接至桌面”的高速校園網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)移動(dòng)、聯(lián)通、電信、教育網(wǎng)4個(gè)網(wǎng)絡(luò)出口連接互聯(lián)網(wǎng);建設(shè)的WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，為師生在校園范圍內(nèi)使用信息資源提供了快速、便捷。進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，人們對(duì)大流量數(shù)據(jù)的需求越來(lái)越多，智能家居、設(shè)備互聯(lián)逐步進(jìn)入現(xiàn)實(shí)生活中，教育行業(yè)的需求也逐日增加。建設(shè)校園設(shè)備智能物聯(lián)、教學(xué)方式智慧多樣的智慧型校園[1]，建設(shè)基于5G技術(shù)的校園網(wǎng)也就勢(shì)在必行。

2 校園網(wǎng)的現(xiàn)狀

學(xué)?，F(xiàn)在已經(jīng)建成千兆到樓宇，百兆到桌面的高速網(wǎng)絡(luò)，擁有信息點(diǎn)17000余個(gè)，覆蓋兩個(gè)校區(qū)建筑區(qū)域。通過(guò)移動(dòng)、聯(lián)通、電信、教育網(wǎng)連接互聯(lián)網(wǎng)，提供15G的出口帶寬，其中分為學(xué)校投資維護(hù)運(yùn)營(yíng)的辦公區(qū)、教學(xué)區(qū)有線網(wǎng)絡(luò)，學(xué)校投資、卓智網(wǎng)絡(luò)科技代為運(yùn)營(yíng)管理的宿舍生活區(qū)的有線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

3 校園網(wǎng)存在的不足

3.1 室內(nèi)覆蓋率低

目前室外的4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋良好，但在室內(nèi)的信號(hào)絕大多數(shù)還是依賴于室外基站遠(yuǎn)距離進(jìn)行輻射，在人員密集區(qū)域，流量使用需求大，僅依靠室內(nèi)WiFi網(wǎng)絡(luò)無(wú)法滿足上網(wǎng)的需求。在流量高峰期及惡劣氣候條件下，室內(nèi)信號(hào)的接收極易受到影響，會(huì)形成有信號(hào)無(wú)網(wǎng)絡(luò)的情況，上網(wǎng)受到一定的影響，僅靠室外基站收發(fā)全部的數(shù)據(jù)流量，無(wú)法在未來(lái)承擔(dān)校園物聯(lián)及其他教學(xué)設(shè)備的高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)需求。

3.2 室外覆蓋不完全

現(xiàn)有的校園WiFi網(wǎng)絡(luò)基本呈現(xiàn)室內(nèi)使用為主的情況，在校園主干道上依舊會(huì)存在覆蓋不全、信號(hào)不穩(wěn)定的情況，在不同區(qū)域時(shí)WiFi網(wǎng)絡(luò)切換存在一定延遲及等待，并且存在一定的覆蓋盲區(qū)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)安全存在風(fēng)險(xiǎn)

WiFi網(wǎng)絡(luò)通常用于一定局域網(wǎng)內(nèi)的簡(jiǎn)單的視頻傳輸?shù)葓?chǎng)合，容易受到各方面的干擾，且WiFi網(wǎng)絡(luò)缺乏必要的安全機(jī)制，容易受到他人對(duì)信息的竊聽(tīng)或盜取[2]。

4 基于5G的校園網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

5G校園網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)以原有校園網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，將5G網(wǎng)絡(luò)接入校園網(wǎng)系統(tǒng)中，提供在原有網(wǎng)絡(luò)下另一種高效實(shí)用的接入方案。

4.1 總體設(shè)計(jì)方案

為了增強(qiáng)校園移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，為今后建設(shè)智慧校園做好前期的網(wǎng)絡(luò)部署，進(jìn)一步加強(qiáng)校園無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋、提升在校師生的上網(wǎng)需求，為校園物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、教學(xué)設(shè)備、移動(dòng)應(yīng)用設(shè)備等硬件的接入提供更高質(zhì)量的接入與服務(wù)、進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)校教學(xué)、科研與管理，5G校園網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)隸屬于運(yùn)營(yíng)商管轄，在進(jìn)行校園網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時(shí)須依附于運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有的規(guī)劃進(jìn)行方案部署，同時(shí)結(jié)合校園實(shí)地環(huán)境按需規(guī)劃建設(shè)，因此，校園5G網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃研究主要以接入網(wǎng)為主。

4.2 接入網(wǎng)設(shè)計(jì)

4.2.1 接入網(wǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

5G接入網(wǎng)從使用場(chǎng)景分為室外機(jī)室內(nèi)場(chǎng)景，主要為用戶設(shè)備提供鑒權(quán)、帶寬分配、接入保護(hù)等功能。

4G基站包含基帶單元BBU、射頻單元RRU、饋線、天線、供電單元等設(shè)備。在以往建設(shè)中，這些設(shè)備通常部署在一體化機(jī)柜或接入網(wǎng)機(jī)房中。在不斷演進(jìn)中，RRU從機(jī)房（柜）分離出來(lái)，直接部署在天線附近。

5G時(shí)，天線、RRU、BBU部分物理層功能合并為AAU設(shè)備，BBU將分割為集中式中央單元CU與分布式單元DU兩部分。部分核心網(wǎng)的功能下放至CU中形成移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算中心MEC，使數(shù)據(jù)本地化處理，減少繞回運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)的延遲。形成如今5G的AAU+DU+CU組網(wǎng)結(jié)構(gòu)[3]。

4.2.2 接入網(wǎng)設(shè)計(jì)

5G接入網(wǎng)室外場(chǎng)景基站原則上使用AAU+DU+CU的模式進(jìn)行建設(shè)，具體建設(shè)方案根據(jù)5G應(yīng)用場(chǎng)景，根據(jù)具體環(huán)境，決定DU與CU在回傳網(wǎng)的部署位置，采用有源數(shù)字化室分系統(tǒng)BBU+RHUB+RRU結(jié)構(gòu)組網(wǎng)。

①宿舍及教學(xué)樓等區(qū)域，為人員高度密集而又相互隔斷的單間，對(duì)于未部署過(guò)室分系統(tǒng)樓宇，采用有源數(shù)字化室分、分布式皮基站室分方案。

②對(duì)于網(wǎng)絡(luò)需求量不多的辦公樓，采用室外微站建設(shè)。

③對(duì)于人員流量大的區(qū)域，通過(guò)單獨(dú)布設(shè)pRRU至樓層單間，必要時(shí)可外接pRRU天線拓展覆蓋范圍，pRRU使用五類雙絞線連接樓層RHUB，各樓層HUB用光纖匯接入BBU，BBU連接網(wǎng)管設(shè)備并接入承載網(wǎng)。

5 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)采用“核心交換機(jī)—匯聚交換機(jī)—樓宇主AP（匯聚交換機(jī)）—微AP”的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)，宿舍區(qū)設(shè)計(jì)如圖4所示。

6 綜合布線設(shè)計(jì)

根據(jù)區(qū)域及業(yè)務(wù)的不同，在原有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，進(jìn)行各個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，如辦公教學(xué)區(qū)設(shè)計(jì)：

①工作區(qū)（終端）子系統(tǒng)。針對(duì)教學(xué)區(qū)室內(nèi)采用5G數(shù)字化室分或分布式皮基站進(jìn)行無(wú)線信號(hào)覆蓋，每件安裝一臺(tái)PRRU設(shè)備，使用五類雙絞線線連接RUHB設(shè)備，利用上聯(lián)RUHB設(shè)備的網(wǎng)線進(jìn)行POE供電。

②水平布線子系統(tǒng)。原有的有線接入及WiFi無(wú)線接入需要保留，不做更改，5G網(wǎng)絡(luò)線路需要重新敷設(shè)五類雙絞線，供室分設(shè)備用戶端接入。

③垂直干線子系統(tǒng)。垂直布線可使用光纖將各樓層的BBU設(shè)備與RUHB設(shè)備連接起來(lái)，進(jìn)行豎井走線或利用原有布線管道。

④管理子系統(tǒng)。利舊原有樓宇掛壁機(jī)柜或設(shè)備間，所有線纜統(tǒng)一按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行連接。

⑤建筑群子系統(tǒng)。各個(gè)樓宇之間使用單模光纖進(jìn)行鏈接，各樓宇光纖線纜連接至校園基站設(shè)備中心進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)匯聚，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及交換。

7 VLAN劃分及IP地址分配

對(duì)于IP及VLAN劃分依舊可參考4G網(wǎng)絡(luò)的方案。針對(duì)學(xué)校所在區(qū)域，采用本地業(yè)務(wù)區(qū)的IP地址分配方案。

8 仿真模擬測(cè)試

利用仿真軟件對(duì)校園5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)部分進(jìn)行模擬配置。完成網(wǎng)絡(luò)仿真的設(shè)計(jì)搭建后，使用Ping、Trace等命令對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連通性、路由跟蹤、業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)等方面的測(cè)試，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行正常。

9 結(jié)語(yǔ)

移動(dòng)通信技術(shù)日新月異，校園網(wǎng)絡(luò)對(duì)流量及高帶寬的需求越來(lái)越多，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模也將越來(lái)越大。在5G發(fā)展背景下，建設(shè)符合校園發(fā)展的5G網(wǎng)絡(luò)是大勢(shì)所趨。在建設(shè)過(guò)程中，結(jié)合高校已有的具體網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，應(yīng)用5G技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析與論證，對(duì)校園建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行詳細(xì)的需求分析，提出升級(jí)改造的內(nèi)容及目標(biāo)，經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)和部分運(yùn)行，設(shè)計(jì)方案有效可行，具有一定的應(yīng)用和參考價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

【1】鄭睿.5G時(shí)代下智慧校園與泛校園網(wǎng)的建設(shè)和應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2019（9）：16-17.

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