基于互联网+教育的校园无线网升级方案

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.01.010

收稿日期：2023-06-04

摘  要：随着智慧校园的建设，全国教育信息化进程实现了前所未有的快速发展，我校依照2018年教育部颁发《教育信息化2.0行动计划》，积极推进“互联网+教育”和“加快面向下一代网络的高校智能学习体系建设”，结合我校佛山校区当前教学楼A区、综合楼一区、综合楼二区、活动中心、行政楼、网络中心、图书馆区域的校园网覆盖情况，以及为学校智慧校园建设可持续发展提供基础支撑，进行升级改造。文章对校区无线网络状况进行了概述，提出了改造目标，结合Wi-Fi 6和全光以太网技术，进行方案设计，并于2022年7月实施，有效提高了网络传输速率，提高了校园网的用户接入数上限，以满足校区师生的无线接入使用需求。

关键词：互联网+教育；Wi-Fi 6；全光以太网；无线局域网；校园网

中图分类号：TN929.5  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2024）01-0050-05

Campus Wireless Network Upgrade Scheme Based on Internet+ Education

LIU Hui

（South China Normal University， Foshan  528225， China）

Abstract： With the construction of smart campus， the process of national education informatization has achieved unprecedented rapid development. In accordance with the Education Informatization 2.0 Action Plan issued by the Ministry of Education in 2018， our university actively promotes “Internet+ Education” and “accelerating the construction of intelligent learning system for colleges and universities facing the next generation network”. Combined with the current campus network coverage situation of the teaching building A， comprehensive building I， comprehensive building II， activity center， administration building， network center and library area in Foshan Campus of our university， and to provide basic support for the sustainable development of the smart campus construction， the upgrading and transformation will be carried out. In this paper， the status of the campus wireless network is summarized， and the transformation goal is proposed. It combines Wi-Fi 6 and all-optical Ethernet technology， designs the scheme and implements in July 2022， which effectively improves the network transmission rate and raises the upper limit of user access to the campus network， so as to meet the needs of teachers and students on campus for wireless access.

Keywords： Internet+ education; Wi-Fi 6; all-optical Ethernet; wireless LAN; campus network

0  引  言

隨着数字化校园建设快速发展，我校积极推进“互联网+教育”，实现接入快速稳定的互联网，并逐步形成云上教育资源、资源集约化的信息化发展模式，满足学校对教学科研的网络设计要求，助力学校将信息技术手段与教学手段完美结合[1，2]。

目前佛山校区教学楼A区、综合楼一区、综合楼二区、活动中心、行政楼、信息中心、图书馆区域无线设备还是2012—2014年期间的无线设备，采用的是802.11AC或者802.11n的无线AP，建设时间较长，并且前期无线建设部署的点位也随着时间的推移，出现了覆盖区域不到位、覆盖数量不足等情况，随着学校师生不断增多，学校信息化建设不断进步，无线终端接入数量也在迅速增多，无线业务也更加丰富，这也给佛山校区现有的无线网建设运维带来新的挑战。

此次通过对上述区域进行原有无线设备的升级替换以及点位补充以满足学校师生的无线接入使用需求。采用场景化Wi-Fi 6无线AP针对各区域无线接入需求特性进行针对性覆盖，部分区域采用全光智分+方案部署，满足覆盖区域未来5年的无线接入需求，更好地服务于师生的教学生活。根据上述情况，此次改造升级目标如下：

1）高质量的无线网络。建设能够覆盖场景，具有良好的稳定性、可扩展性和可管理性的无线网络，为学校的教学、科研、管理提供稳定、高速、可靠的无线网络环境。

2）统一的网络身份认证。采用校园内统一账号认证实现有线无线网络，校园网及运营商网络的认证，使得用户接入认证更方便快捷，实现数字化校园统一认证的建设需求。

3）可管可控的校园网络。配合规范化教学秩序，针对有线无线的上网行为进行管控，针对时间段、接入区域、用户身份类型等方面信息对用户进行精细化管理，在特殊时段（例如上课、熄灯后等）进行网络管控。并通过控制器系统实现网络设备管理以及控制

4）基于实名的网络审计。对校园网入网用户进行统一实名的身份认证，并对用户上网行为进行审计，一旦出现事故能够定位到人，不仅满足公安部82号令要求，而且通过上网行为审计实现校园网安全的上网环境。

1  网络主体结构设计

我校佛山校区无线网络升级改造后中心拓扑的设备主要包含原有的核心交换机、AC、楼宇汇聚交换机、接入交换机、无线AP等设备以及WIS网优平台。本系统依托校园网络构建一个星型结构的数字化、网络化的系统。组网架构按照“带宽需求=并发用户数量×单用户峰值平均速率”，并具有一定冗余，规划每层网络设备之间的链路类型和数量，以确保所需带宽。物理上核心层采用VSU组网，增加设备冗余同时提高设备性能，汇聚层通过链路捆绑与核心层链接，增加链路冗余同时提升带宽，满足日益增加的流量及稳定性需求。逻辑上按照极简扁平化方案部署，将部署有线和无线的用户网关、DHCP地址池部署、认证受控均部署核心N18K上；核心层N18K与SAM+平台对接实现准入管控、策略随行。SAM+作为RADIUS服务器，e Portal作为PORTAL服务器。通过在RG-ONC或N18k和出口设备上配置ACL或PBR进行策略控制，实现资源访问和路径控制。接入和汇聚交换机，划分好相应的VLAN实现透传；原核心设备N18K支持策略随行、支持准入管控、支持自动化运维。不改变现有网络模式，构建网络管理核心，利用SDN技术实现用户认证、终端准入、业务随行、业务编辑。同时对接学校统一用户身份认证系统，实现有线网络与无线网络统一认证、无感知认证。网络主体结构拓扑如图1所示。

2  无线网络设计

2.1  无线局域网技术

无线网络是以无线的模式配合既有的有线架构来分享网络资源的形势。Wi-Fi信号的传输方式是以无线AP为中心，呈圆形向水平方向四周散射。遇到墙壁等障碍物时可反射或改变方向。无线网络即是用户终端与无线AP之间的连接和数据传输。即Wi-Fi是一项基于IEEE 802.11协议标准的无线局域网技术，包括原有的802.11 a/b/g/n/ac以及2019年9月16日发布的802.11ax，每一代协议标准均可向下兼容前一代协议版本[3]。可以说一个无线AP即是一个无线局域网，所以AP的性能直接影响了一个区域的无线用户体验。以RG-850（AR）为例：采用四路双频设计，可支持标准的802.11ax和802.11a/b/g/n/ac协议，工作频宽可选20/40/80 MHz。

无线协商速率=（符号位长×码率×子载波数量×空间流）/传输时间，由无线速率计算公式可知影响无线体验的因素有哪些。符号位长与调制方式相关，即一个Symbol里面能承载的bit数，如1024QAM承载10 bit。码率就是排除纠错码后实际传输的数据码占理论值的比例，可见信噪比是影响码率的关键因素。不同频宽和不同调制方式的子载波数量不同。空间流即是AP的天线，包括发和收，如上图RG-AP850（AR）2×2MIMO即2收2發天线。增加空间流可以显著提升网络容量，然则由于环境因素等限制，在实际中，3×3空间流之后更高的提升作用并不明显。以Wi-Fi 6为例，不同频宽和空间流对应的理论速率如表1所示。

802.11ax无线AP通过1024-QAM、OFDMA、SR等技术，提升无线AP单用户性能、提升单AP性能、提升整网性能[4]。此外用户最大并发数、频率、频宽、信噪比、吞吐量等，都会影响用户体验，需要一系列无线网优[5]，来增加无线网络容量和覆盖率。Wi-Fi 6是目前最前沿的Wi-Fi技术，强悍的性能满足未来5年的无线业务发展需求。

2.2  以太全光网络

全光以太网的建设与应用可以提升带宽、简化管理、增加安全性，提高整个网络的配置效率，达到智能运维的效果[6]。相比传统以太网，采用全光入室，不仅速率快，且方便扩展，利于覆盖多种业务；相比PON，以太全光网络采用成熟的以太网架构和协议，兼容性强，利旧改造更方便[7]。结合SDN特性，实现全网全流程智能化管理。全新光纤入室+以太网+SDN技术方案，融合了以太网和POL的技术优势，为用户提供高带宽、低延时、高度灵活、极简运维的网络承载[8]。

2.3  无线部署方案设计

此次升级通过部署Wi-Fi 6无线AP，将南海校区的老旧无线设备进行替换，以及部分点位的部分，实现南海校区教学楼A区、综合楼一区、综合楼二区、活动中心、行政楼、信息中心、图书馆等区域的校园无线网络覆盖。采用场景化Wi-Fi 6无线AP进行场景化覆盖：比如大办公室教室场景，无铁门或大开间房间，采用放装覆盖部署方式；而小型办公室和公寓则采用有线无线融合一体的面板AP或智分+AP部署，既有无线覆盖又方便有线网络接入使用。满足用户（学生、老师等）办公、学习、生活、娱乐等无线网络接入需求。搭建实用性、可靠性、高性能、先进性、可扩展性及灵活性的无线校园网络。

2.4  信号覆盖规划

信号覆盖内容包括信道、频宽、频率和信号强度以及网络容量。校园网目前常用的信号频率是2.4 GHz和5 GHz，5 GHz频段又分为5.2 GHz和5.8 GHz。校园无线以微蜂窝覆盖方式进行规划信道[9]，信道需要手动设置，避免AP自动检测更换信道时导致用户离线。整体覆盖区域实现无线信号无盲区覆盖，信号强度≥-70 dBm。部分高密接入区域，如大会议室等能够保障在会议召开时，并发接入数量不小于40个STA。正常办公室、教室等场所并发接入数量不小于120个STA。教职工学生主要应用有：网页浏览、在线精品课程、邮件收发、FTP/迅雷上传下载、在线游戏、QQ、在线视频等。单用户带宽要保障≥3M。采用全室内场所Wi-Fi 6协议无线覆盖以保障高密度接入下的抗干扰。

2.4.1  4G频段规划方案

2.4 GHz频段作为室外无线信号覆盖，由于频率低，在空气或障碍物多的场景衰减小，传输距离远。2.4 GHz频段频率包含2 401～2 483 MHz，总频宽为2 483 MHz～2 401 MHz = 82 MHz，所以可选频宽为20/40/80 MHz，实际应用中，由于2.4 GHz频段干扰大，通常只选择20/40 MHz。20 MHz频宽可划分三个互不重叠的信道，常用的分别为1、6、11，AP部署较密集区域也可以划分为1、5、9、13四个信道来减少同频干扰。而40 MHz频宽速率会得到提升，但只能划分为两个互不重叠的信道，若干扰大信道间互相冲突则效果更差，选择20 MHz频宽作为2.4 GHz信号覆盖室外体验更加稳定，不建议以5 GHz频段信号覆盖，避免终端频率切换过程影响用户体验。

2.4.2  5 GHz频段规划方案

室内采用2.4 GHz和5 GHz双频段覆盖，既满足只支持2.4 GHz频段终端的接入需求，又满足支持5G频段终端用户的高速率体验需求。例如5.2 GHz频段，其频率范围从5 170 MHz到5 330 MHz，其总频宽为

5 330 MHz～5 170 MHz = 160 MHz，可由两个连续或不连续的80 MHz频宽组成，速率可参考表1，802.11ax在160 MHz频宽下最高速率可高达9 600 Mbit/s（8×8空间流）；需要注意，频宽设置越大，则对应可选信道越少，穿透力也越弱，受干扰越大，传输距离越短，整个频段只能划出一个信道，实际应用中极少选择；相反可以根据信道规划进行相应频宽设置。室内可以根据信道选择，干扰少的情况下可设置40～160 MHz的频宽，以满足更高的用户速率需求。

3  方案实施

本次升级改造新增信息点285，根据场景选用无线设备，包括RG高密AP850（AR）、放装AP820-L、面板AP-180以及全光以太网智分+主体AP AM5552和MAP852SF，均支持802.11ax。由于POE供电的特点，网线既提供数据传送，也为设备提供电力，考虑到设备运行的稳定性直接影响用户的网络体验，非常重要，故不建议信息点利旧，全部采用全新布线。另外，由于POE供电有效距离≤100米（双绞线长度），且考虑到供电和数据传输的稳定性直接影响到无线用户的上网体验，应使用质量好的双绞线并确保AP与POE交换机之间的双绞线长度不大于100米。

行政楼为密集型小办公室场景，部署一台全光楼栋交换机，采用光纤直达办公室并部署全光墙面AP，大办公室部署一台极简多速率交换机连接所有IP终端，接入终端可以弹性扩展，避免私接乱拉，减轻运维工作量；光网络设计美观、施工简单，采用集中式供电减小了距离限制影响，并且提供更稳定的设备运行环境；光纤入室，与PON带宽共享不同，以太光网络用户独享带宽，有线无线一体化，体验有保障。行政楼极简全光智分+AP部署示意图如图2所示。

4  无线网测试

项目完成后，校区达成Wi-Fi 6全覆盖，笔者使用手机、手提等不同终端以及Wi-Fi魔盒、HFS搭建内网测速服务器、AC后台等软件平台不同频率频宽下对信号强度、终端协商速率、无线测速等方面进行测试。相关数据如表2，表3所示，实际测试数据来源如图3、4所示。

先说一说测试过程中不同终端的差异性体现，由数据可以看出，手提电脑为支持2×1空间流终端，频宽分别设置20/40/80时，下行速率成倍增长，而上行速率变化不明显。由于空间流的原因，手提电脑在实际测试中速率更稳定。结果说明，802.11ax在体验上有优势，特别是在支持多空间流设备（包括AP和终端，速率协商是向下看齐的）的情况下有明显优势，能更好地滿足互联网+教育时代下的教学需求。

5  结  论

此次通过采用在校园网系统基础上对老旧设备进行升级替换以及补盲的方案，最大程度上复用了原有校园网系统，通过采用最新的Wi-Fi 6产品实现对佛山校区教学楼A区、综合楼一区、综合楼二区、活动中心、行政楼、网络中心、图书馆等区域的校园无线网络覆盖。满足学校师生的无线接入需求，为教学、办公、科研等业务的正常开展提供高效的无线网络接入环境。复用我校原有的认证系统、主干网络，实现项目可快速落地，最低限度的改动实现南海校区整体无线网络的升级。

Wi-Fi 6 AP的应用，通过1024QAM、160 MHz频宽、MU-MIMO更多的空间流、OFDMA等技术且支持2.4 GHz频段和SR等实现使整体网络性能更好。网络容量显著提升，对同时连接多设备的场景支持更好，延迟更低，满足高速率应用需求，信号也更加稳定，抗干扰能力和覆盖范围增强，预计支持Wi-Fi 6的终端普及后，无线网络给用户体验带来的增益更大；此外，为了支持新的技术特性，Wi-Fi 6 AP本身在硬件规格（处理器、内存等）上也会有提升，硬件上的提升也会带来各方面更好的效果，所以对于不支持Wi-Fi 6的设备也有一定增益。

参考文献：

[1] 胡钦太，林南辉，郑凯.华南师范大学 高校智慧校园可持续发展的探索与实践 [J].中国教育网络，2018（7）：51-52.

[2] 胡赟，汪峰，吕德刚.“互联网+义务教育”背景下学校基于全光网络的设计研究 [J].网络安全技术与应用，2020（10）：110-112.

[3] 周勇.高校智慧校园WiFi6无线技术应用研究 [J].互联网周刊，2021（22）：60-61.

[4] 郑磊.WiFi6与5G技术的性能对比与应用分析 [J].科技创新导报，2019，16（16）：144-151.

[5] 刘辉.高校教学场景的无线校园网建设与优化方案 [J].通信电源技术，2022，39（9）：90-92.

[6] 孙海华.智慧教室背景下极简以太全光网的建设与研究 [J].长江信息通信，2022，35（1）：112-114.

[7] 刘家乐，何振华，周兴旺.基于以太全光网技术的高校校园网建设方案设计 [J].信息技术与信息化，2022（9）：214-216+220.

[8] 刘波林.基于SDN的校园网升级改造方案研究与实现 [J].赣南师范大学学报，2022，43（3）：121-124.

[9] 戴情，李扬.高校园区无线网络的建设与实践 [J].现代信息科技，2023，7（10）：80-83+87.

作者简介：刘辉（1980—），男，汉族，广东梅州人，网络工程师，本科，研究方向：互联网技术、无线网络、校园网安全。