无线局域网技术在学校教育中的应用研究

撒志宏

陇南师范高等专科学校 甘肃成县 742500

无线局域网技术在学校教育中的应用研究

撒志宏

陇南师范高等专科学校 甘肃成县 742500

无线局域网同传统的有线局域网相比，有着组网灵活、扩容和移动上网方便等优势。但它先天存在的通信信息安全性相对较差和信号易受干扰等问题，始终是困扰它发展的难题。讨论无线局域网在学校教育教学活动中发挥的作用及其应用前景。

无线局域网；校园；教学活动

Author’s addressLongnan Teacher College, Chengxian, Gansu, China 742500

近年来，以IEEE（电气与电子工程师协会）802.11系列标准为代表的无线局域网技术日趋走向成熟，并在一些企业和高校得到成功的运用。组网灵活、扩容方便、移动上网等特点是它最大的市场卖点。但同时，系统稳定性差、信号易受天气等多种环境因素的干扰，以及安全性问题难以从根本上解决，所有这些，又始终阻碍着它的快速发展。针对无线局域网技术的这些是是非非，本文通过对无线局域网技术发展的脉络及技术实质进行分析，并结合具体案例归纳校园无线局域网的构架模式，探讨它在学校教育教学活动中的应用。

1 一波三折，无线局域网发展的几个阶段

循着无线局域网的发展轨迹，可以划分为萌芽、起步、标准化和快速发展等几个阶段。

1.1 萌芽阶段

早在第二次世界大战的硝烟战火中，盟军为了克服数据通信架设线路速度慢，易被敌人破坏的缺陷，就尝试使用特定频率的无线电波进行数据通信。这是现行无线局域网的雏形。

1.2 起步阶段

20世纪70年代，人们开始对无线局域网技术进行系统的研究。在整个20世纪80年代，伴随着以太局域网的迅猛发展，以具有不用架线、灵活性强等优点的无线局域网以己之长补有线局域网所短，赢得特定市场的认可。但也正是因为当时的无线局域网是作为有线以太网的一种补充，遵循了IEEE 802.3标准，使直接架构于IEEE 802.3标准上的无线网产品存在易受其他微波噪声干扰，性能不稳定，传输速率低且不易升级等弱点。不同厂商的产品相互也不兼容，这一切都限制了无线网的进一步应用。

1.3 成熟和标准化阶段

1997年，IEEE 802.11无线局域网标准的制定是无线网络技术发展的一个里程碑。IEEE 802.11标准除了提升无线局域网的各种不同性能外，还使得各不同厂商的无线产品得以互联。

到1998年，无线局域网技术的研究得到长足发展。但受技术因素的制约，如带宽窄（只有2 M甚至更低）、安全性不高以及架设成本过高等因素，未能大规模实施。

1999年，IEEE 802.11b标准出台，使传输速率达到11 Mbps。安全上可以实现128位加密，采用MAC地址过滤等新技术。国内一些大学在图书馆等热点地方进行了小规模的尝试。

2001年，IEEE 802.11a标准出台，带宽达到54 M，抗干扰能力大幅度提高。但由于其成本较高，在无线局域网市场里并没有得到广泛应用。

1.4 快速发展阶段

2003年，IEEE 802.11g标准出台，向下兼容IEEE 802.11b标准。54 M带宽使得用户不仅可以传输普通数据包，也可以传输视频和音频等多媒体文件，为无线局域网的高级应用奠定基础。同时，WPA（Wi-Fi保护访问）安全技术进一步发展，提供了开放性网络的安全保证。低廉的价格，突出的性价比等优势，IEEE 802.11g标准的制定使无线局域网技术最终迎来快速发展的春天。

2 无线局域网技术分析

2.1 技术标准

1）标准的形成。无线局域网技术包括蓝牙（Bluetooth）、IEEE 802.11系列、HiperLAN、HomeRF等。而目前应用最广泛的技术是IEEE 802.11系列。IEEE 802.11系列以其出众的吞吐量和覆盖范围，在企业、学校以至家庭无线市场获得越来越大的份额。

IEEE 802.11b可支持11 Mbps共享接入速度，采用2.4 GHz ISM频段（工业、科学、医学专用频段）；IEEE 802.11a技术，采用5 GHz频段，其传输速率高达54 Mbps；IEEE 802.11g其实是一种混合标准，它既能适应IEEE 802.11b标准，又符合IEEE 802.11a标准。

IEEE最近又制定出台IEEE 802.11h和IEEE802.11n标准，无论在传输速率还是网络安全性方面更加成熟。形成IEEE 802.11系列标准。

2）组网环境基本要求及主要技术参数。IEEE802.11委员会对局域网的业务及应用环境、功能条件等设置了基本要求：由无线媒体提供含分组语音在内的1～20 Mbps无线接MAC（媒介访问控制层）业务；WLAN（无线局域网）中的站为局部区域内固定或可移动站；应用环境为办公室、建筑群、工厂、机场等；任意两站间可自由通信；满足802.11、802.2的功能条件；分组丢失率≤4×10-5。

下面是IEEE 802.11系列标准的主要技术参数：

频 带 基本无需许可

适用范围 50～150米

带 宽 11～54 Mbps

业务能力 主要为数据（IEEE 802.11g标准已经具备视音频传输能力）

频率技术 FH跳频/DSSS

直序扩频

2.2 基础架构

无线局域网的组成，主要包括无线网卡和无线接入点（Access Point，简称AP）。而要建立室外网，还需增加室外天线、网桥、信号放大器等。

无线局域网的组建往往是基于常规的有线局域网（如10/100/1 000 M以太网）及其互联设备（路由器、交换机）构成骨干支撑网。利用AP来支持移动终端（MT）的移动和漫游。配有无线网卡的台式机、笔记本电脑或其他设备就可以与无线网络连接起来，如图1所示。

图1 无线局域网基础架构

对于客户端，无线网卡作为无线网络的接口实现与无线网络的连接。无线网卡根据接口类型的不同，主要分3种：PCMCIA无线网卡（适用于笔记本电脑，支持热插拔）、PCI无线网卡（适用于台式机）和USB无线网卡（适用于笔记本电脑和台式机，支持热插拔）。

无线接入点的主要作用是完成WLAN和LAN之间的桥接，也可以充当无线局域网内部的交换设备。

WLAN工作站也可漫游（Roaming）在不同的AP之间。若不加外接天线，AP的覆盖理论上在视野所及之处约250 m。但若在半开放性空间，或有间隔的区域，则30～50 m。由于微波是直线传播，所以微波都是小角度穿透几面墙体，墙体将减弱信号；如果墙体为钢筋混凝土，信号则会更弱。所以，在实际情况下（通常在室外），还需要加上外接增益天线，使距离到达更远、信号更强。

2.3 数据的安全性

无线局域网的数据保密性采取多重保护的方式。首先，每台计算机无线网卡均有一个全球唯一识别号ESSID（全球唯一标识符），网络通过此号码识别是否为本网络成员，如未经系统管理员的认可，外来计算机无法登录无线网络。其次，无线网络采用的直接序列展频技术将完整的数据分段，即使遭截获，也只是其中的一小段。最后，传输的数据都经过加密（WEP，有线等同保密性，40 bit的加密），非法用户得到的只是乱码。

3 校园无线局域网的架构模式

3.1 校园无线网络的一般架构

校园网网络系统一般由网络中心、教学子网、办公子网、图书馆子网、宿舍区子网及后勤子网等组成。

无线局域网在整个校园网络中可以有如下几种架构模式。

1）室内的无线连接。

①原先没有安装有线网络的教室、会议室、临时移动办公室等房间的连接。在室内部署WLAN的第一步是要确定AP的数量和位置。也就是要将多个AP形成的各自的无线信号覆盖区域进行交叉覆盖，各覆盖区域之间无缝连接。所有AP通过双绞线与有线骨干网络相连，形成以有线网络为基础，无线覆盖为延伸的大面积服务区域。所有无线终端通过就近的AP接入网络，访问整个网络资源。

覆盖区的间隙会导致在这些区域内无法连通。安装人员可以通过地点调查来确定AP的位置和数量。地点调查可以权衡实际环境（如教室的面积等）和用户需求，考虑到教学环境对网络带宽、网络速度的要求，这包括覆盖频率、信道使用和吞吐量需求等。多个AP通过线缆连接在有线网络上，使无线终端能够访问网络的各个部分。

通常情况下，一个AP最多可以支持多达80台计算机的接入，当然，数量为20～30台时工作站的工作状态最佳。AP的典型室内覆盖范围是30～100 m。根据教室和会议厅的大小，可配置1个或多个无线接入点。例如，可在教室中放置4台AP（参见图2），使这个教室最多可容纳80～120个无线网络用户。

图2 教室内部拓扑图

②楼层之间的无线连接。对于楼层之间的无线连接，可以采用有线到楼层的方案，这样可以保证最大的传输速率，增大网络的抗干扰能力。其拓扑图如图3所示。

图3 楼层之间的无线连接

为最大限度地发挥无线网络的移动上网和自由度，可以在每层楼的楼道里，根据楼道的实际长度布置若干个AP。

2）室外无线连接。室外无线连接，主要指校园操场及其他校内公共场所的连接。

图4

①设备的选择：AP、无线全向天线、无线定向天线。全向天线：在所有水平方位上信号的发射和接收都相等。定向天线：在一个规定角度的方向上发射和接收大部分的信号。

②室外考虑因素。与教室、会议室不同的是，在校园区室外配置无线接入点要复杂一些，要把各自成一个局域网而又有一定距离的各栋楼房连接起来。在网络的每一端接入AP，并在距离远或信号弱的地方同时外接高增益天线，这样就可以实现几公里以内的两个网段之间的互联。

图4是校园内部楼宇之间的无线连接示意图。

在实施方案中，可以在中心机房架设一个全向室外天线和几个室外定向天线。全向天线覆盖校园各教学楼和操场。而楼宇之间的信号传递，可通过架设的定向天线，将信号分别传递给教学楼、实验楼、图书馆、学生宿舍以及教工家属区等建筑。对于相距较远的建筑，还可以采取接力传递的方式。例如，在教学楼A上分别架设两个室外定向天线，除接收中心机房传递来的信号，满足本楼用户的使用外，还可以将接收到的信号同时转发给教学楼B；教学楼B除满足本楼内部的用户使用外，还可架设全向天线以覆盖附近的草坪，同时也可以将信号传递给教学楼C。其他楼群依此类推。

具体操作时，要根据实际情况（如各栋楼之间的实际距离以及障碍物等）来考虑选择设备（如设备型号、是否要加用全向、定向天线，以及增减设备数量等）。当然，在楼房上架设无线网络设备还需加装避雷器、防潮箱等设备，以防止无线网络设备的损坏。

3）少量移动终端临时组网方案。同有线网络一样，无线终端也可以组成一个很小范围的局域网络。不同的是，它比有线网络的组建更加方便，更能彰显无线网络组网的自由性。

无线局域网的连接可以划分为Ad-Hoc（无线终端直接构建网络，无需接入点）和Infrastructure（基地式构建方式，需要接入点）2种模式。当需与接入点连接时，应选“Infrastructure”模式。而在只有几个无线终端，且在同一空间，彼此距离不太远（30米左右），需要组网的情况下，可以建立Ad-Hoc结构网络。Ad-Hoc结构网络的组建过程相当简单，只需要在每个终端上进行相应的设置，分配固定的IP地址，并设置在同一个网段，就可以互相通信。其结构如图5所示。

Ad-Hoc结构是一种对等网络结构，只要安装了无线网卡，彼此即可实现无线互联，而无需AP。虽同为对等结构，但无线局域网却具备有线局域网所不可比拟的优势。只要一台电脑建立点对点连接（相当于虚拟AP），其他多台电脑就可以直接通过这个点对点连接进行网络互联与共享，即无线互联并不局限于2台电脑。这样当联网用户增加时，仍可使用无线局域网。由于省去无线AP，Ad-Hoc无线局域网的网络架设过程十分简单，非常适合小范围内的无线互联应用。因此，对于一些简单甚至是临时性的无线互联需求，Ad-Hoc是最经济且最方便的解决办法。

图5 AD-HOC组网模式

3.2 具体案例

目前，清华大学、成都电子科技大学、北京第二外国语学院、上海同济大学、西安交通大学、武汉大学、华中科技大学、东北大学东软信息学院等国内著名高校已经相继构建校园无线网络。下面简单介绍一下Above Cable承建的上海财经大学无线局域网。

上海财经大学迫切需要稳定、高效的网络来保证各种信息快速安全的传输和管理，另一方面学生也希望通过各种终端从教室、宿舍和公共场所访问因特网和学校网络。在这种情况下，上海财经大学采用Above Cable无线网络方案，既节省了建设成本和运行成本，实现内部的快速访问，又拥有传统网络所不能比拟的易扩容性和自由移动性，很好地解决了传统接入方式在资金和建设周期方面的困难。

1）系统构建。Above Cable考虑到校园用户的实际需求，在网络设计方面重点考虑网络的高速、稳定、安全、可靠等特性。针对校园实际情况，上海财经大学直接在教室内安装Above Cable AP（ACAP2010-11/H），用于满足一个教室内教师以及学生在课堂教学研究时的网络使用需求。这样每个教室的任何座位都可以直接连接校园网络，同时教师到教室授课，也可以毫不费力地与校园网络连接。针对宿舍内上网的需求情况，项目采用每个楼面悬挂2～3个AP的方案，以满足每个楼层10多个房间的使用。另外每个楼面布置1～2个无线宽频交换机，以实现整个楼层的无线网络覆盖。每个无线宽频交换机通过楼层走廊上预留的有线网络接口和本楼的节点交换机相连，实现无线网络到有线网络的无缝连接。

在项目设计上，Above Cable无线网络系统将保证楼宇和楼宇之间的网络带宽在10 M之上，同时楼宇和楼宇之间的网络连接也尽量不出现干扰。无线桥接在其中发挥重要的应用。Above Cable无线桥接设备（ACAP2020-11/B），可以为两个或者多个独立的局域网络建立带宽高达11 Mbps的空中连接。Above Cable对于无线链路具有很强大的管理功能，不仅具有链路质量检测、数据安全加密、带宽控制等功能，而且Above Cable无线网桥具有非常成功的应用经验，桥接距离从几百米到几十公里均有不同的全套方案以及配套设备。

2）管理维护。Above Cable无线网络为构建校园无线网络提供了多种有效的管理手段，包括Telnet、SNMP、Web等管理界面，网络管理员可以随时随地对无线网络进行配置、监测、控制，大大提高工作效率，使无线网络的运行更加有效可靠。

4 无线局域网在学校教学中的作用

无线局域网在学校的大范围推广使用，结合教学资源库的进一步完善，必将充分地展现出它固有的优势。

4.1 无线网络有利于灵活组织课堂教学

当前，比较普遍的信息化教学模式是，首先把学生带到一个网络教室。由于布设网线的原因，这个网络教室的一切都是固定的。而且，使用网络教室，一般必须事先联系，如果临时调整授课计划，往往容易与别的班级发生时间上的冲突。另外，当参加学习的人数超过网络教室中电脑的数量时，一般很难临时扩容，因为临时布线和拆除都是一件比较麻烦的事情。

对无线网络来说，上述问题就会迎刃而解。突出的组网的灵活性，加上理论上的无限扩容性，可以根据需要，随时组建一个新的网络环境，或者增加新的网络终端。需要的仅仅是每个教室有一个有线接口，即可随时组建一个无线局域网并接入校园网。而且，整个组网过程相当简单，临时扩容就更加方便，几乎不对正常的教学活动产生任何影响。

结合蓝牙、Home RF等无线局域网技术的应用，像PDA一类的数字化学习工具，都可以很方便地穿梭于无线局域网，可以同其他网络终端交换数据，传递信息，从而在课堂中发挥作用。

4.2 无线校园网消除了网络死角，从而使学校图书馆等可数字化教学资源实现真正意义上的共享

由于无线终端可以在Network ID设置相同的接入点间无缝漫游，无论处于何时何地（校园内部），也无论是坐着学习，还是走着浏览，都可以随意地查阅学校图书馆和教学课件资源库的资料，从而让学生的学习和教师的备课活动不受上学放学、上课下课的影响。

4.3 无线网络的使用实现时间和地点上的无限自由性，从而更好地支持信息技术与课程的整合

信息技术与课程的整合是指信息技术与指导学生学习的教学过程的结合，在课程教学过程中把信息技术、信息资源、信息方法、人力资源和课程内容有机结合，共同完成课程教学任务的一种新型的教学方式。信息技术与课程整合，除了观念、信息技术素养等因素外，信息技术的硬件环境是实现的第一前提。信息技术资源库的内容再丰富，如果只能在特定的场合、特定的时间才能获取，信息技术与课程的整合也就只能是一句空话。没有达到如同使用粉笔和钢笔一样的便捷性、随意性，信息技术与课程的完全整合就不能说是真正达到。

无线网络的无线连接，不单单是割掉了网线这条小尾巴，而且将信号无缝地分布于有需求的各个角落。

教育教学活动，除了大多数在教室内进行外，还有相当一部分活动是在操场、广场、实验实习基地进行的。而这些场所大多恰恰是有线网络很难覆盖的地方。无线网络就可以很轻松地填补这个空白。

教师和学生使用网络，调用资源就像从口袋中掏出钢笔一样方便、自然，查找资料甚至比翻开字典还要简便。到这个时候，才能算是真正实现了信息技术与课程的整合。

5 结束语

近年来，相对技术已经相当成熟的有线局域网而言，无线局域网技术所具备的先天优势是有目共睹的。但“金无足赤，人无完人”，无线局域网在展现它的移动使用、组网灵活、扩容方便等特性的同时，也不无例外地存在诸如易受地形、阴云、建筑和其他无线设备干扰等难以克服的诸多缺陷。虽然无线网络依然存在这样那样的缺陷，但这并不妨碍它优势的发挥。应该把握时机，适时而动，让无线局域网技术在学校教育教学活动中充分发挥作用，而不应该缩手缩脚，因为它固有的缺陷而因噎废食，不敢使用。在教育信息化的进程中，要防止盲目投资，避免浪费。但同时，对新技术的漠视，同样是对事业的不负责任。

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Research on Wireless LAN Technology’s Application in School Education

//Sa Zhihong

Wireless LAN compared with conventional wired LAN, a network flexible, expansion and may move to anywhere, etc. But it congenital existing communication and information security relatively poor and signal is susceptible to interfere, with such issues, it is always difficult problem of its development. We will discuss Wireless LAN application in the school teaching and its prospect.

wireless LAN; campus; teaching

TN925+.93

B

1671-489X(2011)12-0098-05

10.3969/j.issn.1671-489X.2011.12.098

作者：撒志宏，毕业于西北师范大学电化教育系，大学学历，讲师，从事学校教育信息化建设和教育技术等相关课程的教学工作。