高校園區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與實(shí)踐

戴情 李揚(yáng)

摘? 要：隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟與移動智能終端的廣泛應(yīng)用，在高校信息化建設(shè)推進(jìn)過程中，無線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與應(yīng)用受到廣泛關(guān)注和重視。文章在明確建設(shè)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，展開需求分析，結(jié)合某校園網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況，提出高校園區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋架構(gòu)規(guī)劃，通過室內(nèi)、室外信號覆蓋規(guī)劃、無線信號優(yōu)化設(shè)計，構(gòu)建了校園有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)互補(bǔ)共存的綜合網(wǎng)絡(luò)，改善了高校信息化建設(shè)中的校園網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：無線網(wǎng)絡(luò)；移動智能終端；信息化；校園網(wǎng)

中圖分類號：TP393? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）10-0080-05

Abstract： With the maturity of wireless network technology and the wide application of mobile intelligent terminals， the construction and application of wireless network has received extensive attention in the promotion process of the college informatization construction. Based on the definite construction objectives， this paper expands the demand analysis， combines with the actual situation of a campus network， proposes the wireless network coverage architecture planning of college campus. Through indoor and outdoor signal coverage planning and wireless signal optimization design， the comprehensive network of campus wired network and wireless network is constructed， and the campus network environment in the informatization construction of colleges and universities is improved.

Keywords： wireless network; mobile intelligent terminal; informatization; campus network

0? 引? 言

在智慧校園和教育信息化2.0行動計劃背景下[1，2]，目前大部分高中職院校對于信息化教育的規(guī)劃和建設(shè)尤為重視，其中無線網(wǎng)絡(luò)的搭建是一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。無線網(wǎng)即WLAN（Wireless Local Area Network），是指應(yīng)用無線通信技術(shù)將計算機(jī)設(shè)備互聯(lián)起來，構(gòu)成可以互相通信和實(shí)現(xiàn)資源共享的網(wǎng)絡(luò)體系[3]。與有線網(wǎng)絡(luò)相比，最大的區(qū)別在于傳輸媒介，它是利用無線電射頻技術(shù)取代傳統(tǒng)網(wǎng)線，與有線網(wǎng)絡(luò)相互補(bǔ)充、互為備份。大部分院校前期建設(shè)網(wǎng)絡(luò)多為運(yùn)營商投資建設(shè)，AP部署過于稀疏，導(dǎo)致師生體驗(yàn)無線效果較差，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備老化、標(biāo)準(zhǔn)落伍、故障頻發(fā)難以滿足目前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要求。因此為推進(jìn)高水平信息化體系建設(shè)，建立新型無線校園網(wǎng)絡(luò)較為迫切。無線校園網(wǎng)靈活性強(qiáng)，它不受物理連接線路限制，師生可以在校園網(wǎng)覆蓋的范圍通過PC機(jī)和移動終端上網(wǎng)；搭建無線網(wǎng)絡(luò)時需求物理連接線路和相關(guān)設(shè)備相對較少，可以有效節(jié)約成本，建設(shè)周期也相對較短；無線網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性較強(qiáng)，可在原有的校園網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展無線網(wǎng)絡(luò)接入?，F(xiàn)階段師生群體中使用筆記本、IPAD、手機(jī)等移動智能終端設(shè)備的用戶居多，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)，可以滿足師生對校園網(wǎng)、圖書館等網(wǎng)絡(luò)資源訪問需求[4]。

1? 高校無線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)目標(biāo)

1.1? 兼容原有網(wǎng)絡(luò)

建設(shè)的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)與原有建成并使用的無線網(wǎng)絡(luò)為一個整體，采用原有的組網(wǎng)架構(gòu)和認(rèn)證方式，兼容原有無線網(wǎng)絡(luò)。建成后可以做到同一賬號在多個校區(qū)間實(shí)現(xiàn)校園WLAN網(wǎng)絡(luò)無縫漫游。

1.2? 統(tǒng)一身份認(rèn)證

為面向未來提供強(qiáng)大的業(yè)務(wù)承載和擴(kuò)容能力，以保證有線網(wǎng)絡(luò)不會成為無線網(wǎng)絡(luò)的流量瓶頸，設(shè)計有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)建設(shè)，共用BRAS網(wǎng)關(guān)結(jié)合現(xiàn)有的認(rèn)證計費(fèi)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有線無線統(tǒng)一認(rèn)證和計費(fèi)，隨時隨地師生都可通過有線或無線的方式接入網(wǎng)絡(luò)，訪問校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)資源。

1.3? 統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)管理

通過實(shí)施新部署一套涵蓋新建和原有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)有、無線網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一化管理，簡易網(wǎng)絡(luò)管理操作，結(jié)合智能化的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維提升了網(wǎng)絡(luò)管理效率。如：接入交換機(jī)檢測到接口廣播風(fēng)暴，上報該告警，描述最后的工作狀態(tài)，方便故障定位。

1.4? 高速接入并全面覆蓋

為保障師生高速上網(wǎng)的用戶體驗(yàn)，實(shí)施范圍內(nèi)的樓內(nèi)所有空間和室外主要場所等應(yīng)做到信號全面覆蓋，且接入速度滿足師生的上網(wǎng)需要。

1.5? 加固安全防護(hù)并保障內(nèi)部資源

考慮到安全設(shè)備在網(wǎng)運(yùn)行周期較長，需對校園網(wǎng)安全設(shè)備升級替換，通過多安全產(chǎn)品配合，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的安全防護(hù)。

2? 高校園區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求分析

2.1? 無線、有線網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一建設(shè)的需求

高校園區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)依托現(xiàn)有有線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，通過靈活的接入方式，滿足不同用戶移動接入校園網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求。在無線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)過程中，本著不能影響現(xiàn)有的有線網(wǎng)業(yè)務(wù)的原則，因此需要建設(shè)一張無線與有線相結(jié)合的校園網(wǎng)絡(luò)。

2.2 無線終端接入校園網(wǎng)的場景的需求

校內(nèi)無線終端接入校園網(wǎng)的場景主要有：行政區(qū)，包含行政和各大學(xué)院辦公樓、報告廳、校企合作群；教學(xué)區(qū)，包含圖書館、教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓；生活區(qū)，包含食堂、體育館、活動中心、學(xué)生宿舍樓；園區(qū)室外，包括校園活動廣場、體育場、主干道。

2.3? 無線業(yè)務(wù)場景的需求

高校園區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)場景主要有：課堂學(xué)習(xí)，包含辦公學(xué)習(xí)軟件、即時通信軟件、Email、文件傳輸、網(wǎng)上直播、桌面共享和桌面云等，這類業(yè)務(wù)主要承載在辦公電腦、辦公筆記本和平板電腦上；課后娛樂，包含視頻、游戲和社交軟件等，這類業(yè)務(wù)主要承載在筆記本、手機(jī)和平板電腦上；校園物聯(lián)網(wǎng)，包含資產(chǎn)管理、能效控制（空調(diào)、照明）和智能門鎖等。

2.4? 統(tǒng)一接入身份認(rèn)證的需求

隨著高校無線網(wǎng)絡(luò)的開放，用戶可以在不受時間和空間的限制下，隨時隨地通過不同的終端接入校園網(wǎng)。同時，也為黑客攻擊校園網(wǎng)絡(luò)提供了便捷方式。因此，當(dāng)用戶通過無線網(wǎng)絡(luò)訪問校內(nèi)和校外資源時，無線網(wǎng)絡(luò)需提供多種的接入方式和靈活的認(rèn)證與計費(fèi)方法，確保接入身份的合法性，并控制其對合法資源的訪問。

2.5? 綜合管理的需求

隨著高校無線網(wǎng)絡(luò)的使用，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的種類和數(shù)量將大幅增加。管理者需要對整網(wǎng)設(shè)備的穩(wěn)定性、健康性、安全性及流量數(shù)據(jù)等方面進(jìn)行監(jiān)控，同時，用戶終端種類也會變得更加多種多樣。當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障時，管理員將面臨如何高效地發(fā)現(xiàn)、診斷、并解決問題的巨大挑戰(zhàn)。因此，在規(guī)劃和建設(shè)的過程中，不僅要實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)網(wǎng)中所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的集中管理與控制，還要實(shí)現(xiàn)對用戶終端監(jiān)控管理。

3? 高校園區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計與規(guī)劃

高校園區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)規(guī)劃是高校無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的基石，為了保障高校園區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案有效可行，將校園網(wǎng)建成具有高性能、相對開放、資源豐富、服務(wù)完善的網(wǎng)絡(luò)體系，得以支撐大容量的課件資源庫、教學(xué)資源庫、電子論壇BBS、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、郵件服務(wù)器、視頻服務(wù)器以及各種流媒體和應(yīng)用平臺，滿足日常教學(xué)、管理等相關(guān)工作[5]。高校園區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案如圖1所示。高校無線網(wǎng)絡(luò)主要包含核心層、匯聚層、接入層[6]。無線網(wǎng)和有線網(wǎng)的核心交換機(jī)間采用兩根40G高速電纜互聯(lián)，保證互聯(lián)帶寬與高可用性。有線網(wǎng)核心交換機(jī)采用10G鏈路連接上網(wǎng)行為管理、出口防火墻等安全設(shè)備。核心交換機(jī)下行采用40G鏈路與樓宇匯聚交換機(jī)互聯(lián)，提供40GE的骨干網(wǎng)絡(luò)，并且設(shè)備具備100G接口的升級擴(kuò)展能力，可平滑升級至大帶寬的網(wǎng)絡(luò)。匯聚層中規(guī)劃每幢樓宇分別部署1臺有線網(wǎng)匯聚交換機(jī)和1臺無線網(wǎng)匯聚交換機(jī)，采用下行萬兆光口，上行40G光口，滿足未來業(yè)務(wù)發(fā)展需求；接入層，根據(jù)每層樓需求，有線網(wǎng)部署24口/48口接入交換機(jī)，采用下行千兆電口，上行萬兆光口，通過萬兆鏈路與樓層匯聚交換機(jī)互聯(lián)；無線網(wǎng)部署不同類型的POE接入交換機(jī)，采用下行千兆電口或多數(shù)率電口，上行萬兆光口，通過萬兆鏈路與樓層匯聚交換機(jī)互聯(lián)。

3.1 無線信號覆蓋規(guī)劃

校園無線網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋需要在室內(nèi)和室外都安裝無線接入點(diǎn)。在校園無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計和實(shí)施過程中，根據(jù)不同的應(yīng)用場景，采用不同型號的AP。

3.1.1? 室內(nèi)場景信號覆蓋

高校園區(qū)室內(nèi)無線覆蓋規(guī)則：遵循信號全覆蓋原則，實(shí)現(xiàn)信號范圍最大化；采用雙頻（2.4 GHz和5.0 GHz）信號覆蓋；行政辦公室、小教室和宿舍采用面板型AP，走廊、教室、圖書館、大開間辦公室、會議室等區(qū)域采用吸頂式普通AP覆蓋，報告廳、演播廳等人員密集區(qū)域采取高密AP覆蓋。

3.1.2? 室外場景信號覆蓋

在室外如運(yùn)動場、廣場及其他相對開闊的區(qū)域，需要覆蓋的范圍較大，且室外情況更復(fù)雜，除了有對無線信號的傳輸造成或大或小影響的樹木等障礙物外，對室外設(shè)備的要求也比室內(nèi)設(shè)備要求更高，必須考慮雷雨、溫度過高或過低等天氣對設(shè)備的影響。為了保證室外開闊空間中AP的覆蓋能力要比室內(nèi)半開闊空間遠(yuǎn)，一般會添加室外天線。在具備有線網(wǎng)絡(luò)建筑的情形時，一般考慮將AP安裝在建筑物樓頂或側(cè)壁，通過室外定向或全向天線對室外空間進(jìn)行覆蓋。

高校園區(qū)室外無線覆蓋規(guī)則：室外采用部分覆蓋原則，主要包括師生活動較密集的廣場、體育場等；采用三頻（2.4 GHz和雙5.0 GHz）信號覆蓋；使用防水防塵的IP68級別的專用室外AP進(jìn)行覆蓋；AP安裝位置應(yīng)確保天線主波束方向正對覆蓋目標(biāo)區(qū)域，保證覆蓋效果；實(shí)施過程中，室內(nèi)外覆蓋的 AP需統(tǒng)一規(guī)劃信道，不產(chǎn)生同頻干擾。

3.2? SSID規(guī)劃設(shè)計

單個AP可配置多個SSID（Service Set Identifier即服務(wù)集標(biāo)識），單個AP可支持16個SSID，雙頻AP可支持32個SSID。配置過程中按照用戶群體和業(yè)務(wù)需求劃分不同的SSID，對于不同的SSID、AC（Access Controller即接入控制器）下發(fā)不同的策略，SSID根據(jù)相應(yīng)的策略與終端進(jìn)行管理。

虛擬局域網(wǎng)（Virtual Local Area Network， VLAN），主要用于區(qū)分不同的業(yè)務(wù)類型或用戶群體。在WLAN網(wǎng)絡(luò)中SSID承擔(dān)相應(yīng)工作。在SSID的規(guī)劃中，綜合考慮VLAN與SSID的映射關(guān)系，如表1所示，根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需要與SSID匹配，形成1：1或N ：1映射關(guān)系。

3.3? AP與無線用戶上線認(rèn)證方式

無線校園網(wǎng)部署入網(wǎng)認(rèn)證方式通常采用基于Portal認(rèn)證（即Web認(rèn)證）和基于802.1x相結(jié)合的認(rèn)證方式[7]。把整個高校園區(qū)的無線網(wǎng)AP接入看成一個大交換機(jī)，通過不同的VLAN進(jìn)行廣播域隔離?？蛻舳送ㄟ^DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol），即動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議，獲取IP地址，網(wǎng)關(guān)在接入認(rèn)證路由器上開啟DHCP中繼功能，所有的數(shù)據(jù)流量直接由AP直接轉(zhuǎn)發(fā)。AC采用免認(rèn)證，客戶端通過BRAS（Broadband Remote Access Server），即寬帶接入服務(wù)器，進(jìn)行Portal認(rèn)證。通過認(rèn)證計費(fèi)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用戶的準(zhǔn)入準(zhǔn)出一體化認(rèn)證與實(shí)名流控[8]?？蛻舳嗽跊]有Portal認(rèn)證時，只能訪問統(tǒng)一認(rèn)證平臺的服務(wù)器；通過認(rèn)證后，才可訪問外部網(wǎng)絡(luò)。AP通過三層網(wǎng)絡(luò)，以MAC地址認(rèn)證的方式注冊到無線控制器上，如圖2所示。AP的管理以樓宇為單位進(jìn)行劃分，通過VLAN進(jìn)行隔離。AP的管理地址從無線核心進(jìn)行獲取，網(wǎng)關(guān)在無線核心交換機(jī)上。圖2為AP到無線控制器注冊配置信息。

3.4? 無線信號優(yōu)化設(shè)計

3.4.1? 信號強(qiáng)度達(dá)標(biāo)

首先，信號覆蓋的強(qiáng)度是第一位的，所有無線信號優(yōu)化的方式都以滿足信號強(qiáng)度為基礎(chǔ)。目標(biāo)覆蓋區(qū)域的信號覆蓋強(qiáng)度要求筆記本不低于-75 dBm，PAD手機(jī)等終端不低于-65 dBm。因此，園區(qū)無線網(wǎng)覆蓋區(qū)域信號強(qiáng)度不低于

-65 dBm。其次，根據(jù)國際規(guī)范和國際無線電管理委員會WLAN的標(biāo)準(zhǔn)，Wi-Fi在2.4 GHz工作頻段的波長比5 GHz的波長要長，因此，其穿墻能力較強(qiáng)。但是，2.4 GHz的頻段數(shù)量較少，在部署多AP的場景中，會出現(xiàn)信號干擾的情況，降低用戶體驗(yàn)感。最后，2.4 GHz的頻率比5 GHz低，所以能夠傳輸?shù)男畔⒘勘容^小。因此，在高校園區(qū)無線網(wǎng)覆蓋的場景中，優(yōu)先使用5 GHz覆蓋。在覆蓋區(qū)域邊緣或者多障礙物的場景中，使用2.4 GHz完成覆蓋。

在不考慮干擾、線路損耗等因素時，接收信號強(qiáng)度的計算公式為：

接收信號強(qiáng)度=射頻發(fā)射功率+發(fā)射端天線增益-路徑損耗-障礙物衰減+接收端天線增益

3.4.1.1? 室內(nèi)半開放場景

2.4 GHz：L=50+25 lg （d ）

5 GHz：L=57+30 lg （d ）

L表示路徑損耗（dB），d表示信號傳輸距離（m），路徑損耗與信號傳輸距離的關(guān)系如表2所示。

3.4.1.2? 室外覆蓋場景

2.4 GHz/5 GHz：L=42.6+26 lg （d ）+20 lg （? f ）

L表示路徑損耗（dB），d表示信號傳輸距離（室外覆蓋場景為km），f表示工作頻率（MHz），路徑損耗與信號傳輸距離的關(guān)系如表3所示。

3.4.2? 信道規(guī)劃

在實(shí)際的安裝部署中，為了保證信號覆蓋的質(zhì)量，必須部署相應(yīng)數(shù)量的AP，造成AP的覆蓋范圍出現(xiàn)重疊，AP之間互相可見。如果所有的AP都工作在相同信道，這些AP只能共享一個信道的頻率資源，造成整個WLAN網(wǎng)絡(luò)性能較低。2.4 GHz頻段可以使用1、6、11三個非重疊信道，采用蜂窩覆蓋的方式，構(gòu)建WLAN網(wǎng)絡(luò)。5 GHz頻段可以使用36、44、52、64、149、157、165信道。如圖3所示。

在多層樓層中部署無線網(wǎng)絡(luò)，垂直方向上也要規(guī)劃互不干擾的信道。如圖4所示。

3.5? 無線信號評估

評測一個無線網(wǎng)的性能時，主要從信號強(qiáng)度、信噪比、漫游切換、無線傳輸速率、丟包率、延時、信號干擾等指標(biāo)進(jìn)行測評。如表4、5、6所示，通過不同型號和類型的無線終端，安裝對應(yīng)的無線測試軟件，在不同的應(yīng)用場景，逐一測試無線平均信號強(qiáng)度、信噪比、Ping網(wǎng)關(guān)平均時延、服務(wù)器上傳/下載速率、網(wǎng)頁加載時間等。評估指標(biāo)如表7所示。

2.4 GHz和5 GHz

測試服務(wù)器 3 用于提供FTP、HTTP、DHCP等服務(wù)測試

如表8所示，本文所設(shè)計的無線校園網(wǎng)建設(shè)方法經(jīng)過測試和調(diào)試，基本實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)外的無線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，在實(shí)際的應(yīng)用中也驗(yàn)證了該方案的各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。

4? 結(jié)? 論

無線網(wǎng)具有建設(shè)周期短、部署靈活、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，加上當(dāng)前相關(guān)技術(shù)已比較成熟，故得以關(guān)注和普及。該文以某校園無線網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目為切入點(diǎn)，將理論聯(lián)系實(shí)際，從明確建設(shè)目標(biāo)到需求分析，再到架構(gòu)與規(guī)劃設(shè)計，最后項(xiàng)目實(shí)施，都逐一展開詳細(xì)論述，且通過驗(yàn)證達(dá)到較好效果。從而，為高校園區(qū)無線網(wǎng)的建設(shè)提供借鑒，具有一定的理論與實(shí)踐意義。

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作者簡介：戴情（1990—），女，漢族，安徽安慶人，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士研究生，研究方向：網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、群智感知；通訊作者：李揚(yáng)（1991—），男，漢族，安徽宿州人，工程師，本科，研究方向：網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、智能運(yùn)維。