校园无线网部署方案研究

杨秀梅， 郑剑

（北京航空航天大学网络信息中心，北京 100191）

0 引 言

无线局域网（WLAN，Wireless Local Area Network）［1］由于其低廉的价格，高速而便捷的无线接入被引入到校园网建设中；同时，学校由于用户相对密集，数据业务需求量大，也是各大运营商的热点部署地区．

校园WLAN网络的部署方案［2－3］与校园网的运营方式密切相关．本文从校园WLAN网络的应用场景出发，分析了WLAN在校园网的部署需求，给出了校园WLAN网络架构，并针对室内／外多种场景，提出了对应的无线校园网部署方案．

1 校园WLAN网络应用场景分析

与其他公共热点区域的WLAN覆盖不同，校园WLAN网络部署与校园网络的市场经营模式息息相关．本节在分析校园WLAN网络经营模式的基础上，重点分析校园WLAN网络部署的各种主要场景．

1．1 校园WLAN的运营模式分析

根据网络建设和运营的主体区分，校园WLAN网络大致包含学校自建自运营、运营商建设运营、运营商建设学校运营、运营商学校共建共运营等市场运营模式．对学校自建模式，校园WLAN网业务及管理平台与其他校园网络业务及管理平台一致；对运营商建设模式，校园WLAN网络与运营商自身的WLAN业务及管理平台融合；对学校和运营商共建模式，校园WLAN网业务及管理也多与运营商自身WLAN业务及管理融合．

1．2 校园WLAN的部署场景分析

通常校园既包含密集分布的宿舍、教学区等室内场景，也包含广场花园式的室外空旷场景．有必要对校园WLAN网络的主要应用场景进行划分，有针对性的规划校园WLAN网络覆盖部署方案．

（1） 室外区域覆盖场景

学校体育场、图书馆前后空地是学生课外学习较为集中的区域，也是最需要无线覆盖的校园室外公共区域．

（2） 局部开放的室内大覆盖场景

对大型公共教室、大礼堂、阅览室等室内场景，其覆盖区域大小各异，建筑结构较复杂，用户数量多、集中度高、业务量大，完全通过有线网络来覆盖这些区域代价过高，WLAN无疑是一种很好的替代覆盖方式．

（3） 房间多、用户分散的楼宇覆盖场景

对教学楼、办公楼、宿舍区等室内区域，通常具有房间多、用户分散的特点，虽然其中多数区域已部署了有线网络，但是也有部分区域不具备有线部署条件或部署困难，此时通过WLAN网络覆盖可以有效地节约部署成本．

2 校园WLAN网络部署策略

本节结合校园WLAN网络的市场模式，介绍对应的校园WLAN网络架构，然后给出了校园WLAN网络规划及部署策略建议．

2．1 校园WLAN网络架构

根据运营主体的不同，校园WLAN网络的业务及管理平台的部署有两种方式：第一种部署于校园网；第二种部署于城域网．如果WLAN网络属于学校建设，其运营主体为学校，那么WLAN网络的业务以及管理平台都应整合到校园网管理平台中，其部署也是位于校园网内．如WLAN网络的运营主体为运营商，那么WLAN网络的业务及管理平台则位于城域网．而在WLAN接入层则是一致的，无线接入点（AP，Access Point）通过接入交换机，逐步汇聚到核心交换机．

图1为学校作为建设运营主体场景下校园WLAN网络架构的示意图．WLAN作为校园网建设和运营的一部分，其管理业务平台位于校园网内．该类校园WLAN网络架构相对简单，无线控制器（AC，Access Controller）与WLAN业务及管理平台（Portal服务器、Radius服务器、网管等）均位于校园网内部．AC可接入到校园网的汇聚交换机上，而WLAN的业务及管理平台与校园网的业务及管理平台一致，亦位于校园网的汇聚交换机．用户通过对应的出口网关访问因特网．

图1 校园WLAN网络架构（业务及管理平台位于校园网内）

若校园WLAN网络由运营商负责建设、学校负责维护，双方利润分成，校园WLAN网络与校内原有计费系统相融合，另外其也可通过运营商的接入系统接入．此时WLAN的接入认证计费系统存在两套：第一种部署于校园网，与高校内部的Radius服务器等融合；第二种部署于城域网，运营商自营的WLAN业务及管理平台．同样，对于AC的部署也存在两种方式，第一种位于校园网内部，如图2所示；第二种位于运营商机房内，如图3所示．第一种方式，AC上联校园的汇聚交换机然后再通过出口路由器到城域网，AP可工作在集中转发模式．AP上可设置两个SSID对应不同的VLAN（一个映射校园网接入，另一个映射城域网接入），校园网的汇聚交换机对VLAN进行区分，相应的对数据流进行转发．第二种方式下如果AP需开通两个SSID对应校园内网和校园外网，必须将AP工作在集中转发和本地转发混合模式．

图2 校园WLAN网络架构（业务及管理平台位于城域网，AC位于校园网）

图3 校园WLAN网络架构（业务平台、管理平台及AC均位于城域网）

2．2 校园WLAN网络规划策略

通过WLAN对校园进行覆盖时，首先需要对相应的网络覆盖区域进行合理的网络规划，规划项目包括：用户容量、网络上层总带宽、多业务VLAN划分、DHCP地址池容量等．

（1） 用户容量规划

单个AP可覆盖的用户容量N的计算为

其中，P为用户上网的并发率，B为每个用户分配的带宽，C为AP空口带宽．以802．11 g［4］模式为例，其AP的空口有效带宽约为20 Mbps，而802．11n［5］HT20模式下单空间流AP的空口有效带宽值为40 Mbps，双空间流AP的空口有效带宽约为80 Mbps．

（2） 网络上层总带宽规划

WLAN接入网上层出口带宽需满足的公式是

其中L为高峰期时最大用户数，B为每用户的限制带宽．

（3） 无线链路规划

对于无线链路进行规划时，需首先估算出要求覆盖区域边缘处的信号场强，根据无线电波传播理论中自由空间信号传播模型［6］，接受信号场强的公式是

其中，Pt为发射机的输出功率，室内放装型AP的射频输出功率为100 mW（20 dBm），室内分布型和室外型AP的射频输出功率为500 mW（27dBm），常见用户终端（笔记本、无线网卡）的射频输出功率为50 mW（17 dBm）；Gt为发射天线的增益；空间路径损耗为L0，按自由空间模型可用公式（4）计算，d为传输距离，单位Km，f为工作频率，单位GHz；Ld则为其他损耗，如信号穿透墙体后的损耗等．

（4） 无线信道规划

对WLAN的网络规划中，为实现AP的有效覆盖，避免信道间的相互干扰，需使用信道分配的一些理论，如蜂窝覆盖原理等，以优化信道的分配．

2．3 校园WLAN覆盖方案

根据第2．2节对于校园WLAN部署场景的分析，由于不同场景中对于WLAN覆盖的需求不同，因此需设计对应的无线覆盖方案．

（1） 室外区域场景覆盖方案

对于校园室外区域，通常采用室外型AP，将其部署在楼宇顶端或室外立柱上．部署时面临广域覆盖和部署空间位置受限的矛盾，所以室外AP通常采用大功率、高功率或智能天线的方式提升覆盖效果．在缺乏可靠的有线回程传输链路的部分区域，可通过无线网桥、MESH组网或微波等方式实现无线回传．此外，为了减少端到端的无线链路传输损耗，无线链路传输跳数应尽量不超过3跳．

（2） 局部开放的室内大覆盖方案

对局部开放的室内场景，覆盖区域较为空旷，无吸顶天线的依附物，通常采用壁悬式AP（部署点如图4所示）．部署时，需严格注意AP的信道规划，避免邻近AP间出现明显干扰．另外，由于此类地区人员密集，业务需求量较大，因此AP的部署尽量以双频的802．11 n设备为主，一方面双频802．11 n设备所能提供的无线频点较多，一定程度上可以将部分用户吸引到频点资源相对较多的5．8 GHz频段上，从而有效降低用户间的干扰，另一方面802．11 n设备能够提供更大容量的无线接入．

图4 室内大覆盖场景的部署方案

（3） 房间多、用户分散的楼宇覆盖方案

对于房间多、用户相对分散的楼宇，依据初期网络条件，存在多种WLAN覆盖方案．

· 室外AP覆盖室内方案

对于室内未部署有线网络或难以部署无线网络、且层数较少（不大于8层）的楼宇，可通过室外AP对室内进行覆盖．具体部署时，可依据楼宇纵深宽度的差别可选择单向或双向覆盖．如图5所示，对于纵深较小的楼宇，AP的信号透过门窗可有效地覆盖本楼纵向两个房间（约8 m）；当纵向超过3个房间（12 m）时，需要考虑从楼的两边向待部署楼进行覆盖．这种方案适用于对指定区域进行定向覆盖，一般选择定向天线，天线安装尽量位于楼层的中间位置．

图5 室外AP对室内的覆盖方案

· 室内AP放装部署

在部署室内分布系统较为困难，且室内已存在有线网络，此时可通过室内AP进行放装部署，此类部署方式较适合应用于学校办公室等场景．

· 室内AP分布部署

由于AP放装部署存在管控风险，因此通常采用室内分布系统方式部署室内AP．在没有2G、3G室内分布系统的区域，可以独立部署WLAN室内分布系统．在存在2G、3G室内分布系统的区域，AP可通过合路器与2G、3G信号一起接入室内分布系统．

对于室内AP信号与2G、3G信号的合路，存在如图6所示“二级合路方式”、“独立主干末端合路”、“一级干放合路”的三种合路方式．

图6 室分合路的三种方式

二级合路方式系统容量较大，适用于用户密度较高的场景，但其多一级合路则意味着多一级插损，会增加2G／3G无线拉远单元（RRU，Remote Radio Unit）的输出损耗，同时也增加了多个合路器的成本．采用独立主干、末端合路的方式只有单级末端合路，其对2G／3G的插入损耗较小，成本低，缺点是系统容量较低，只适合在局部区域覆盖．采用一级干放合路方式网络结构简单，部署方便，不过，其系统扩容困难，还由于放大器的引入对RRU形成干扰，且存在单点失效问题，通常不推荐使用．

WLAN独立室分系统可通过“室分AP＋室内天线”的方式对校园宿舍等场景进行覆盖．由于学生宿舍用户密度大，需要增加AP的部署密度，然而信道资源是有限的，如室分系统安装于走廊中，WLAN信号经过宿舍门和墙体衰减后宿舍内信号强度较弱．针对校园宿舍这种特殊情况，可利用室内天线将室分AP的WLAN信号直接引入到宿舍室内，增强信号覆盖强度和用户容量．

3 总 结

本文针对校园WLAN网络市场运营模式的差异，提炼出几种校园WLAN网络架构，给出了对应的网络规划策略建议．并针对室外区域、局部开放的室内区域、用户多且用户分散等典型场景面临的若干关键问题，提出了具体的无线覆盖解决方案，可以作为无线校园网规划、部署和运营的主要参考．

［1］ STALLINGS，W．Wireless Communications ＆Networks Person New Internationl Edition［M］．2nd Edition．Upper Saddle River，NJ：Prentice Hall，2004．

［2］ 于雷，余兆明．高校校园无线局域网部署方案的分析研究［J］．中国科技信息杂志，2008，4：106－108．

［3］ 张圣，陈伟．基于WLAN技术的无线校园网组网研究［J］．中国数据通信，2005，2：26－29．

［4］ IEEE Std 802．11g．Wireless LAN Medium Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY）Specifications：Further Higher Data Rate Extension in the 2．4GHz band，2003．

［5］ IEEE Std 802．11n．Wireless LAN Medium Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY）Specifications：Enhancements for Higher Throughput，2009．

［4］ 吴伟陵，牛凯．移动通信原理［M］．北京：电子工业出版社，2007．