無線局域網技術在學校教育中的應用研究

撒志宏

隴南師范高等專科學校 甘肅成縣 742500

無線局域網技術在學校教育中的應用研究

撒志宏

隴南師范高等專科學校 甘肅成縣 742500

無線局域網同傳統的有線局域網相比，有著組網靈活、擴容和移動上網方便等優勢。但它先天存在的通信信息安全性相對較差和信號易受干擾等問題，始終是困擾它發展的難題。討論無線局域網在學校教育教學活動中發揮的作用及其應用前景。

無線局域網；校園；教學活動

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

近年來，以IEEE（電氣與電子工程師協會）802.11系列標準為代表的無線局域網技術日趨走向成熟，并在一些企業和高校得到成功的運用。組網靈活、擴容方便、移動上網等特點是它最大的市場賣點。但同時，系統穩定性差、信號易受天氣等多種環境因素的干擾，以及安全性問題難以從根本上解決，所有這些，又始終阻礙著它的快速發展。針對無線局域網技術的這些是是非非，本文通過對無線局域網技術發展的脈絡及技術實質進行分析，并結合具體案例歸納校園無線局域網的構架模式，探討它在學校教育教學活動中的應用。

1 一波三折，無線局域網發展的幾個階段

循著無線局域網的發展軌跡，可以劃分為萌芽、起步、標準化和快速發展等幾個階段。

1.1 萌芽階段

早在第二次世界大戰的硝煙戰火中，盟軍為了克服數據通信架設線路速度慢，易被敵人破壞的缺陷，就嘗試使用特定頻率的無線電波進行數據通信。這是現行無線局域網的雛形。

1.2 起步階段

20世紀70年代，人們開始對無線局域網技術進行系統的研究。在整個20世紀80年代，伴隨著以太局域網的迅猛發展，以具有不用架線、靈活性強等優點的無線局域網以己之長補有線局域網所短，贏得特定市場的認可。但也正是因為當時的無線局域網是作為有線以太網的一種補充，遵循了IEEE 802.3標準，使直接架構于IEEE 802.3標準上的無線網產品存在易受其他微波噪聲干擾，性能不穩定，傳輸速率低且不易升級等弱點。不同廠商的產品相互也不兼容，這一切都限制了無線網的進一步應用。

1.3 成熟和標準化階段

1997年，IEEE 802.11無線局域網標準的制定是無線網絡技術發展的一個里程碑。IEEE 802.11標準除了提升無線局域網的各種不同性能外，還使得各不同廠商的無線產品得以互聯。

到1998年，無線局域網技術的研究得到長足發展。但受技術因素的制約，如帶寬窄（只有2 M甚至更低）、安全性不高以及架設成本過高等因素，未能大規模實施。

1999年，IEEE 802.11b標準出臺，使傳輸速率達到11 Mbps。安全上可以實現128位加密，采用MAC地址過濾等新技術。國內一些大學在圖書館等熱點地方進行了小規模的嘗試。

2001年，IEEE 802.11a標準出臺，帶寬達到54 M，抗干擾能力大幅度提高。但由于其成本較高，在無線局域網市場里并沒有得到廣泛應用。

1.4 快速發展階段

2003年，IEEE 802.11g標準出臺，向下兼容IEEE 802.11b標準。54 M帶寬使得用戶不僅可以傳輸普通數據包，也可以傳輸視頻和音頻等多媒體文件，為無線局域網的高級應用奠定基礎。同時，WPA（Wi-Fi保護訪問）安全技術進一步發展，提供了開放性網絡的安全保證。低廉的價格，突出的性價比等優勢，IEEE 802.11g標準的制定使無線局域網技術最終迎來快速發展的春天。

2 無線局域網技術分析

2.1 技術標準

1）標準的形成。無線局域網技術包括藍牙（Bluetooth）、IEEE 802.11系列、HiperLAN、HomeRF等。而目前應用最廣泛的技術是IEEE 802.11系列。IEEE 802.11系列以其出眾的吞吐量和覆蓋范圍，在企業、學校以至家庭無線市場獲得越來越大的份額。

IEEE 802.11b可支持11 Mbps共享接入速度，采用2.4 GHz ISM頻段（工業、科學、醫學專用頻段）；IEEE 802.11a技術，采用5 GHz頻段，其傳輸速率高達54 Mbps；IEEE 802.11g其實是一種混合標準，它既能適應IEEE 802.11b標準，又符合IEEE 802.11a標準。

IEEE最近又制定出臺IEEE 802.11h和IEEE802.11n標準，無論在傳輸速率還是網絡安全性方面更加成熟。形成IEEE 802.11系列標準。

2）組網環境基本要求及主要技術參數。IEEE802.11委員會對局域網的業務及應用環境、功能條件等設置了基本要求：由無線媒體提供含分組語音在內的1～20 Mbps無線接MAC（媒介訪問控制層）業務；WLAN（無線局域網）中的站為局部區域內固定或可移動站；應用環境為辦公室、建筑群、工廠、機場等；任意兩站間可自由通信；滿足802.11、802.2的功能條件；分組丟失率≤4×10-5。

下面是IEEE 802.11系列標準的主要技術參數：

頻 帶 基本無需許可

適用范圍 50～150米

帶 寬 11～54 Mbps

業務能力 主要為數據（IEEE 802.11g標準已經具備視音頻傳輸能力）

頻率技術 FH跳頻/DSSS

直序擴頻

2.2 基礎架構

無線局域網的組成，主要包括無線網卡和無線接入點（Access Point，簡稱AP）。而要建立室外網，還需增加室外天線、網橋、信號放大器等。

無線局域網的組建往往是基于常規的有線局域網（如10/100/1 000 M以太網）及其互聯設備（路由器、交換機）構成骨干支撐網。利用AP來支持移動終端（MT）的移動和漫游。配有無線網卡的臺式機、筆記本電腦或其他設備就可以與無線網絡連接起來，如圖1所示。

圖1 無線局域網基礎架構

對于客戶端，無線網卡作為無線網絡的接口實現與無線網絡的連接。無線網卡根據接口類型的不同，主要分3種：PCMCIA無線網卡（適用于筆記本電腦，支持熱插拔）、PCI無線網卡（適用于臺式機）和USB無線網卡（適用于筆記本電腦和臺式機，支持熱插拔）。

無線接入點的主要作用是完成WLAN和LAN之間的橋接，也可以充當無線局域網內部的交換設備。

WLAN工作站也可漫游（Roaming）在不同的AP之間。若不加外接天線，AP的覆蓋理論上在視野所及之處約250 m。但若在半開放性空間，或有間隔的區域，則30～50 m。由于微波是直線傳播，所以微波都是小角度穿透幾面墻體，墻體將減弱信號；如果墻體為鋼筋混凝土，信號則會更弱。所以，在實際情況下（通常在室外），還需要加上外接增益天線，使距離到達更遠、信號更強。

2.3 數據的安全性

無線局域網的數據保密性采取多重保護的方式。首先，每臺計算機無線網卡均有一個全球唯一識別號ESSID（全球唯一標識符），網絡通過此號碼識別是否為本網絡成員，如未經系統管理員的認可，外來計算機無法登錄無線網絡。其次，無線網絡采用的直接序列展頻技術將完整的數據分段，即使遭截獲，也只是其中的一小段。最后，傳輸的數據都經過加密（WEP，有線等同保密性，40 bit的加密），非法用戶得到的只是亂碼。

3 校園無線局域網的架構模式

3.1 校園無線網絡的一般架構

校園網網絡系統一般由網絡中心、教學子網、辦公子網、圖書館子網、宿舍區子網及后勤子網等組成。

無線局域網在整個校園網絡中可以有如下幾種架構模式。

1）室內的無線連接。

①原先沒有安裝有線網絡的教室、會議室、臨時移動辦公室等房間的連接。在室內部署WLAN的第一步是要確定AP的數量和位置。也就是要將多個AP形成的各自的無線信號覆蓋區域進行交叉覆蓋，各覆蓋區域之間無縫連接。所有AP通過雙絞線與有線骨干網絡相連，形成以有線網絡為基礎，無線覆蓋為延伸的大面積服務區域。所有無線終端通過就近的AP接入網絡，訪問整個網絡資源。

覆蓋區的間隙會導致在這些區域內無法連通。安裝人員可以通過地點調查來確定AP的位置和數量。地點調查可以權衡實際環境（如教室的面積等）和用戶需求，考慮到教學環境對網絡帶寬、網絡速度的要求，這包括覆蓋頻率、信道使用和吞吐量需求等。多個AP通過線纜連接在有線網絡上，使無線終端能夠訪問網絡的各個部分。

通常情況下，一個AP最多可以支持多達80臺計算機的接入，當然，數量為20～30臺時工作站的工作狀態最佳。AP的典型室內覆蓋范圍是30～100 m。根據教室和會議廳的大小，可配置1個或多個無線接入點。例如，可在教室中放置4臺AP（參見圖2），使這個教室最多可容納80～120個無線網絡用戶。

圖2 教室內部拓撲圖

②樓層之間的無線連接。對于樓層之間的無線連接，可以采用有線到樓層的方案，這樣可以保證最大的傳輸速率，增大網絡的抗干擾能力。其拓撲圖如圖3所示。

圖3 樓層之間的無線連接

為最大限度地發揮無線網絡的移動上網和自由度，可以在每層樓的樓道里，根據樓道的實際長度布置若干個AP。

2）室外無線連接。室外無線連接，主要指校園操場及其他校內公共場所的連接。

圖4

①設備的選擇：AP、無線全向天線、無線定向天線。全向天線：在所有水平方位上信號的發射和接收都相等。定向天線：在一個規定角度的方向上發射和接收大部分的信號。

②室外考慮因素。與教室、會議室不同的是，在校園區室外配置無線接入點要復雜一些，要把各自成一個局域網而又有一定距離的各棟樓房連接起來。在網絡的每一端接入AP，并在距離遠或信號弱的地方同時外接高增益天線，這樣就可以實現幾公里以內的兩個網段之間的互聯。

圖4是校園內部樓宇之間的無線連接示意圖。

在實施方案中，可以在中心機房架設一個全向室外天線和幾個室外定向天線。全向天線覆蓋校園各教學樓和操場。而樓宇之間的信號傳遞，可通過架設的定向天線，將信號分別傳遞給教學樓、實驗樓、圖書館、學生宿舍以及教工家屬區等建筑。對于相距較遠的建筑，還可以采取接力傳遞的方式。例如，在教學樓A上分別架設兩個室外定向天線，除接收中心機房傳遞來的信號，滿足本樓用戶的使用外，還可以將接收到的信號同時轉發給教學樓B；教學樓B除滿足本樓內部的用戶使用外，還可架設全向天線以覆蓋附近的草坪，同時也可以將信號傳遞給教學樓C。其他樓群依此類推。

具體操作時，要根據實際情況（如各棟樓之間的實際距離以及障礙物等）來考慮選擇設備（如設備型號、是否要加用全向、定向天線，以及增減設備數量等）。當然，在樓房上架設無線網絡設備還需加裝避雷器、防潮箱等設備，以防止無線網絡設備的損壞。

3）少量移動終端臨時組網方案。同有線網絡一樣，無線終端也可以組成一個很小范圍的局域網絡。不同的是，它比有線網絡的組建更加方便，更能彰顯無線網絡組網的自由性。

無線局域網的連接可以劃分為Ad-Hoc（無線終端直接構建網絡，無需接入點）和Infrastructure（基地式構建方式，需要接入點）2種模式。當需與接入點連接時，應選“Infrastructure”模式。而在只有幾個無線終端，且在同一空間，彼此距離不太遠（30米左右），需要組網的情況下，可以建立Ad-Hoc結構網絡。Ad-Hoc結構網絡的組建過程相當簡單，只需要在每個終端上進行相應的設置，分配固定的IP地址，并設置在同一個網段，就可以互相通信。其結構如圖5所示。

Ad-Hoc結構是一種對等網絡結構，只要安裝了無線網卡，彼此即可實現無線互聯，而無需AP。雖同為對等結構，但無線局域網卻具備有線局域網所不可比擬的優勢。只要一臺電腦建立點對點連接（相當于虛擬AP），其他多臺電腦就可以直接通過這個點對點連接進行網絡互聯與共享，即無線互聯并不局限于2臺電腦。這樣當聯網用戶增加時，仍可使用無線局域網。由于省去無線AP，Ad-Hoc無線局域網的網絡架設過程十分簡單，非常適合小范圍內的無線互聯應用。因此，對于一些簡單甚至是臨時性的無線互聯需求，Ad-Hoc是最經濟且最方便的解決辦法。

圖5 AD-HOC組網模式

3.2 具體案例

目前，清華大學、成都電子科技大學、北京第二外國語學院、上海同濟大學、西安交通大學、武漢大學、華中科技大學、東北大學東軟信息學院等國內著名高校已經相繼構建校園無線網絡。下面簡單介紹一下Above Cable承建的上海財經大學無線局域網。

上海財經大學迫切需要穩定、高效的網絡來保證各種信息快速安全的傳輸和管理，另一方面學生也希望通過各種終端從教室、宿舍和公共場所訪問因特網和學校網絡。在這種情況下，上海財經大學采用Above Cable無線網絡方案，既節省了建設成本和運行成本，實現內部的快速訪問，又擁有傳統網絡所不能比擬的易擴容性和自由移動性，很好地解決了傳統接入方式在資金和建設周期方面的困難。

1）系統構建。Above Cable考慮到校園用戶的實際需求，在網絡設計方面重點考慮網絡的高速、穩定、安全、可靠等特性。針對校園實際情況，上海財經大學直接在教室內安裝Above Cable AP（ACAP2010-11/H），用于滿足一個教室內教師以及學生在課堂教學研究時的網絡使用需求。這樣每個教室的任何座位都可以直接連接校園網絡，同時教師到教室授課，也可以毫不費力地與校園網絡連接。針對宿舍內上網的需求情況，項目采用每個樓面懸掛2～3個AP的方案，以滿足每個樓層10多個房間的使用。另外每個樓面布置1～2個無線寬頻交換機，以實現整個樓層的無線網絡覆蓋。每個無線寬頻交換機通過樓層走廊上預留的有線網絡接口和本樓的節點交換機相連，實現無線網絡到有線網絡的無縫連接。

在項目設計上，Above Cable無線網絡系統將保證樓宇和樓宇之間的網絡帶寬在10 M之上，同時樓宇和樓宇之間的網絡連接也盡量不出現干擾。無線橋接在其中發揮重要的應用。Above Cable無線橋接設備（ACAP2020-11/B），可以為兩個或者多個獨立的局域網絡建立帶寬高達11 Mbps的空中連接。Above Cable對于無線鏈路具有很強大的管理功能，不僅具有鏈路質量檢測、數據安全加密、帶寬控制等功能，而且Above Cable無線網橋具有非常成功的應用經驗，橋接距離從幾百米到幾十公里均有不同的全套方案以及配套設備。

2）管理維護。Above Cable無線網絡為構建校園無線網絡提供了多種有效的管理手段，包括Telnet、SNMP、Web等管理界面，網絡管理員可以隨時隨地對無線網絡進行配置、監測、控制，大大提高工作效率，使無線網絡的運行更加有效可靠。

4 無線局域網在學校教學中的作用

無線局域網在學校的大范圍推廣使用，結合教學資源庫的進一步完善，必將充分地展現出它固有的優勢。

4.1 無線網絡有利于靈活組織課堂教學

當前，比較普遍的信息化教學模式是，首先把學生帶到一個網絡教室。由于布設網線的原因，這個網絡教室的一切都是固定的。而且，使用網絡教室，一般必須事先聯系，如果臨時調整授課計劃，往往容易與別的班級發生時間上的沖突。另外，當參加學習的人數超過網絡教室中電腦的數量時，一般很難臨時擴容，因為臨時布線和拆除都是一件比較麻煩的事情。

對無線網絡來說，上述問題就會迎刃而解。突出的組網的靈活性，加上理論上的無限擴容性，可以根據需要，隨時組建一個新的網絡環境，或者增加新的網絡終端。需要的僅僅是每個教室有一個有線接口，即可隨時組建一個無線局域網并接入校園網。而且，整個組網過程相當簡單，臨時擴容就更加方便，幾乎不對正常的教學活動產生任何影響。

結合藍牙、Home RF等無線局域網技術的應用，像PDA一類的數字化學習工具，都可以很方便地穿梭于無線局域網，可以同其他網絡終端交換數據，傳遞信息，從而在課堂中發揮作用。

4.2 無線校園網消除了網絡死角，從而使學校圖書館等可數字化教學資源實現真正意義上的共享

由于無線終端可以在Network ID設置相同的接入點間無縫漫游，無論處于何時何地（校園內部），也無論是坐著學習，還是走著瀏覽，都可以隨意地查閱學校圖書館和教學課件資源庫的資料，從而讓學生的學習和教師的備課活動不受上學放學、上課下課的影響。

4.3 無線網絡的使用實現時間和地點上的無限自由性，從而更好地支持信息技術與課程的整合

信息技術與課程的整合是指信息技術與指導學生學習的教學過程的結合，在課程教學過程中把信息技術、信息資源、信息方法、人力資源和課程內容有機結合，共同完成課程教學任務的一種新型的教學方式。信息技術與課程整合，除了觀念、信息技術素養等因素外，信息技術的硬件環境是實現的第一前提。信息技術資源庫的內容再豐富，如果只能在特定的場合、特定的時間才能獲取，信息技術與課程的整合也就只能是一句空話。沒有達到如同使用粉筆和鋼筆一樣的便捷性、隨意性，信息技術與課程的完全整合就不能說是真正達到。

無線網絡的無線連接，不單單是割掉了網線這條小尾巴，而且將信號無縫地分布于有需求的各個角落。

教育教學活動，除了大多數在教室內進行外，還有相當一部分活動是在操場、廣場、實驗實習基地進行的。而這些場所大多恰恰是有線網絡很難覆蓋的地方。無線網絡就可以很輕松地填補這個空白。

教師和學生使用網絡，調用資源就像從口袋中掏出鋼筆一樣方便、自然，查找資料甚至比翻開字典還要簡便。到這個時候，才能算是真正實現了信息技術與課程的整合。

5 結束語

近年來，相對技術已經相當成熟的有線局域網而言，無線局域網技術所具備的先天優勢是有目共睹的。但“金無足赤，人無完人”，無線局域網在展現它的移動使用、組網靈活、擴容方便等特性的同時，也不無例外地存在諸如易受地形、陰云、建筑和其他無線設備干擾等難以克服的諸多缺陷。雖然無線網絡依然存在這樣那樣的缺陷，但這并不妨礙它優勢的發揮。應該把握時機，適時而動，讓無線局域網技術在學校教育教學活動中充分發揮作用，而不應該縮手縮腳，因為它固有的缺陷而因噎廢食，不敢使用。在教育信息化的進程中，要防止盲目投資，避免浪費。但同時，對新技術的漠視，同樣是對事業的不負責任。

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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，畢業于西北師范大學電化教育系，大學學歷，講師，從事學校教育信息化建設和教育技術等相關課程的教學工作。