高校教学场景的无线校园网建设与优化方案

2022-09-01刘辉

通信电源技术 2022年9期

刘辉

（华南师范大学网络中心，广东佛山 528225）

0 引言

高校校园的网络建设工作不仅要满足师生的基本要求，也是推动教学、管理与科研等各项工作开展的基础[1]。无线网络相比有线网络具有灵活性、移动性以及易运营等优点。现有无线网络普遍采用802.11系列标准，针对网络安全问题也提出了相应的防范措施及安全部署[2]。随着智慧校园建设完善，无线校园网应用迅猛发展。随着新教学方式转变和业务规模扩大，手机、笔记本电脑等智能移动终端日益普及并广泛应用，教学、科研、校园管理以及信息资源的共享、远程教学等多方面融合，无论教学还是生活，都对无线网络的需求日益增强，对使用要求也越来越高[3,4]。基于此，为校园网用户提供高质量、人性化、便捷的网络服务是需要尽快提上日程的一个重要课题。

1 教学场景无线网络方案设计

1.1 场景特点

根据不同场景部署室内访问接入点（Access Point，AP）、室内墙面AP、室内高密AP、室外定向AP以及宿舍入室面板AP等[5]。智慧教室、会议室等场景的特点为空间宽敞，用户密集，作为学校教育教学中最重要的场景之一，终端应用广泛，承载观看在线视频、课堂直播、远程教学、互动教学、网上学术交流、即时查阅资料、上传下载等重要的教学业务，网络质量好坏直接影响到教学质量，对网络质量要求较高，因此对无线网络技术和设备性能要求高。

1.2 Wi-Fi6无线技术

最新的Wi-Fi6技术即802.11ax引入了一系列新技术，主要特点在于大带宽、低延迟、高并发、低功耗以及抗干扰等，可显著提高多终端场景下的网络传输速率[6-8]。

（1）速率提升。大幅提升物理层的协商速率，160 MHz频宽下，单流可达1 201 Mb/s,单射频芯片最大支持8条空间流超过9.6 Gb/s。

（2）多用户传输。支持上下行多用户多入多出（Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，MUMIMO）与上下行正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）两种多用户传输技术，减少多用户并行传输时的信道开销，提升多用户场景下的空间信道利用率。

（3）抗干扰。利用BSS Color快速识别并提升数据同步、接收以及解调的效率，利用动态调整公用通信适配器（Common Communication Adapter，CCA）的门限减少数据发送时对信号的干扰。

1.3 网络架构设计

网络主体架构采用“主干有线+接入无线”的网络架构，有线网络为无线网络提供网络接口扩展。接入层采用级联方式进行连接，上联汇聚采用端口聚合双链路连接，实现链路冗余和带宽扩容；无线采用访问控制器（Access Controller，AC）+瘦AP的组网方式。核心层由核心交换机、无线控制器组成，AC旁挂接入核心交换机。核心设备承载着整个校园网的数据转发，配备双核心双链路冗余，从而增强了校园无线网的安全性、稳定性以及可用性[9]。无线网络结构的拓扑如图1所示。

图1 无线网络结构的拓扑

1.4 设备选型

选择适合场景的高性能设备进行组网，将是打造高效网络的先决条件。结合场景信息，应当选择适合高密场景、多路多频设计且应用新无线技术的放装型AP，如RG-Ap850（AR）。它是一款支持4路双频802.11ax无线接入点，适用于室内高密场景的放装型AP，而且支持802.11ax、802.11ac Wave2、802.11ac Wave1和802.11n等协议。此外，采用硬件独立的4射频设计，整机最大可提供4.134 Gb/s的无线速率，让无线性能不再成为瓶颈。

1.5 AP部署

AP部署需要满足信号覆盖和用户接入最大数。根据场景容纳人数，考虑到智能终端的普及广泛应用，用户可能有多个终端（笔记本电脑+手机）的连接，另外AP参数应以最佳用户数为依据，再考虑一些造成设备性能损耗因素的影响，AP数量规划应有冗余，最佳AP的并发数应为场景容纳人数的2倍以上。例如，若场景容纳人数为100个，AP选型所推荐的并发数为100，那么该场景应合理部署2个AP，同时要考虑安装位置和信道功率的优化，以达到最佳使用效果。

2 无线网络优化方案

无线是以射频收发电磁波的形式在空口中以半双工通道进行传播，传输过程容易被干扰、衰减等因素影响而造成数据延迟丢包。无线网络优化即管理射频资源，使终端能有更好的网络体验。行内常说无线三分建设七分优化，可见网络优化的重要性。

2.1 无线射频管理优化

2.1.1 信道规划

为避免同频干扰，网规需采取空间交错分配信道，增加网络容量[10]。2.4G模式下，Channel可选1～13，信道相隔5时不会产生信道干扰，也就是只有3个不重叠的通信信道，2.4G信道在非高密部署场景推荐采用1、6、11共3个不重叠的信道进行规划，若为高密部署场景则推荐采用1、5、9、13共4个信道进行规划。2.4G频段信号可选信道少，但传播距离远，穿透力较强，可以在比较密集的AP点位部署区域适当关闭2.4G信号，减少临频同频信号干扰。

5G频段容量更高，干扰更少，Channel可选149、153、157、161、165、36、40、44、48、52、56、60以及64共13个不重叠的信道进行规划。使用5G频道可以有效提高用户体验，通过调整5G功率比2.4G稍高或者配置频谱导航进行优化，使用户终端优先接入5G频段。多用户高并发场景使用5G频段可以有更好的网络体验。

2.1.2 功率优化

AP功率分为Coverage功率和Powerlocal功率。通过Wi-Fi魔盒进行测试，收集终端相关数据信息，调整Coverage功率和Powerlocal功率，控制AP覆盖范围及覆盖边界的信号强度在-65 dBm左右，可以减少对周边AP的干扰，同时优化终端的接入和漫游效果。AP点位、间距、覆盖范围部署均匀的区域场景，通过管理平台进行区域批量优化即可，而复杂场景的AP部署差异较大，则需要逐个精细调整。

为了使得双频终端主动接入到信道资源充足的5G频段，也可以将2.4G的信道Coverage功率配置的比5G低，这样方可确保终端接收到同一AP的5G信号比2.4G信号强，终端会优先接入到5G信号。

2.2 上网接入优化

2.2.1 认证优化

为了使所有的Web认证用户一直在线，实现无感知的接入网络，在用户首次Web认证之后，获取无感知接入网络的体验，不需要烦琐的Web认证登录。

通过MAC绑定用户进行快捷认证，进行首次认证后开启无感认证，采用终端MAC地址的RADIUS认证，只要在SMP服务器记录了该终端的MAC地址，该终端即可接入网络，提高用户断线重连和再次接入的效率。

2.2.2 基于STA智能隐藏SSID

限制用户sta-limit结合hide-ssid sta-reach-limit命令配置智能隐藏AP单Radio的服务集标识（Service Set Identifier，SSID）起到分担负载的作用，且避免新单线程单元（Single-Threaded Apartment，STA）尝试关联又关联不上而发送的管理帧报文占用空口带宽，影响网络波动。例如，配置限制单个Radio用户数为30，其状态如图2所示。

图2 单个Radio状态

2.2.3 低速率集

禁止STA和AP之间使用低速发送报文，提升性能。通过禁用掉11M以下的速率集，来避免低速率终端拉低空口性能。

通过{802.11a| 802.11b } network rate命令配置802.11a，802.11b网络的射频支持速率表，即：

Ruijie(config-ac)#{802.11a| 802.11b} network rate speed {disable | supported | mandatory}

例1：配置802.11a网络不支持54M射频速率

Ruijie(config-ac)# 802.11a network rate 54 disable

例2：配置802.11b网络支持54M射频速率

Ruijie(config-ac)# 802.11b network rate 54 supported

2.2.4 限制低功率终端接入

低功率终端不仅自身体验差，还影响接入性能，占用接入数和带宽。通过配置Response-rssi值，控制终端接入；通过配置Assoc-rssi值，则可以在用户上行接收的信号强度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）小于该值时踢用户下线，从而减少设备对管理帧和丢包重传的资源损耗。

2.2.5 用户限速

可以通过配置WLAN-Base或AP-Base，基于无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）或者基于AP进行用户限速，避免个别用户独占大量带宽，也可减少隐藏节点造成的影响，保障网络通畅。

2.3 其他优化

其他网络管理优化，如AP分组、AP管理、有线网络优化、虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN）规划、无线子网规划、用户隔离以及带宽扩容等，可视具体情况进行合理优化，有效增强可管理性、安全性、稳定性，减少广播域、地址解析协议（Address Resolution Protocol，ARP）欺骗等风险。