基于EPON技術的校園無線網絡規劃設計與優化

劉向明

(桐城師范高等專科學校，安徽 桐城 231400)

隨著互聯網技術的發展，高校紛紛建立了校園網，為學校的數字化管理、多媒體教學、資源共享、教學資源庫的建設提供了基礎[1]。校園網的成功建設對于推動我國高校教學改革，進一步豐富校園精神文化生活具有非常積極的作用。

校園網絡規劃對于構建滿足各方使用需求并兼具經濟性和發展性的高校基礎網絡架構具有非常重要的意義[2-3]。文獻[4-6]研究了采用EPON(Ethernet Passive Optical Network)技術構建校園網絡的基礎架構，然而EPON對于實現圖書館、教室等場所的網絡覆蓋存在投入大、成效低等問題。WLAN(Wireless Local Area Networks)技術的發展已經比較成熟，能夠應用于不同的場合，具有完整的產業鏈以及非常豐富的產品[7-9]。目前，我國多數高校已經成功部署了基于802.11b/g的校園無線網絡，部分學校甚至已經實現WLAN覆蓋，能夠為學生提供無線網絡接入服務。但是，現在使用的802.11b/g標準存在一些不足。因此高校無線網絡建設還需要WLAN網絡的支撐[10-11]。

本文采用基于EPON承載WLAN網絡的方式構建校園網絡，與傳統的基于ADSL和LAN承載相比，采用本方案具有網絡搭建耗費低，維護簡便；具有較高的通信負載和穩定的QoS服務質量保證；兼容性強，EPON采用以太幀作為傳輸方式，高效的集成了成熟的以太網通訊技術，能夠平滑嫁接IP業務，可滿足WLAN不同業務的需求；服務覆蓋面積廣等優勢。對校園信息點進行了分析，首先構建以EPON技術為基礎的校園無線網絡設計模型，在原有的總體結構模型的基礎上，重點對圖書館、宿舍樓、教學樓等無線網絡覆蓋進行了規劃設計與優化。

1 基于EPON技術的校園無線網絡總體結構設計

如果校園網絡接入方式不合理，會增加故障排查難度。一般來說，上聯的是重要設備，本地交換機和遠端的機房建立直接連接。EPON網的設計堅持獨立、實用、簡單的基本原則，盡可能避免設備之間因不同的數據處理操作而帶來的影響。

圖1 基于EPON的網絡拓撲結構

在搭建高校移動校園網絡的過程中，樓宇位置以及無線網絡功能性應該作為首要考慮因素。學校辦公樓、服務器位置是固定的，因此更多的采用FE的連接方式。在樓宇內布置ONU，布線方式為綜合布線。如果布線距離在100m以內，則選擇5類線連接，若用戶的接口比較多，那么也可以選擇在ONU模式下急需級聯交換機。

如果選擇上述連接方式，那么一個ONU下連接比較多的用戶。建議選擇比例為1：4或1：8的分光器。在學校內，用戶流動性相對比較強，因此寬帶連接方式可以選擇為EPON+WLAN，示意圖如圖2。

圖2 校園網拓撲結構

對學校信息點的分析，如表1所示。

表1 學校信息點的分析表

2 圖書館網絡覆蓋規劃優化

2.1 圖書館模型

圖3所示為圖書館建筑結構模型示意圖。

圖3 圖書館結構模型

2.2 校園圖書館寬帶覆蓋方式的設計

1、選擇合適的AP設備：選擇型號為P-720的AP雙射頻室內型設備，RF模塊的工作頻段為2.4GHz，除此之外其他射頻模塊頻段為5.8GHz。

2、天線：設計采用寬帶吸頂天線，波段為800～2500MHz，增益為3DBI，葉角度360° × 55 °。

3、覆蓋范圍：帶吸頂天線，波瓣角360°× 55°，橫向實現全覆蓋。建筑物到AP的距離為D，信號覆蓋的垂直高度為( 11π/36 ) × D。

4、天線安裝：吸頂天線安裝在庫內天花板，實現庫的全范圍覆蓋。

5、水平覆蓋距離：將天線安裝在圖書館的天花板的位置，在距離天線20米范圍內能夠實現360°的區域覆蓋。

6、垂直罩的高度確定：寬頻天線安裝在圖書館天花板上。天線的垂直波瓣為55°，垂直罩高度為4.8米，電場強度除了在水平方向上能夠滿足需要外，還需要滿足垂直高度需求。

2.3 網絡容量

無線網絡覆蓋范圍的基本要求是24000m2，根據每一個天線和AP的覆蓋范圍，預估至少安裝20個天線及AP。

假設AP支持IEEE802.11a/b/g的網絡標準，其中已知有兩個射頻模塊，每個模塊數據吞吐量為36MB/s。學校圖書館能夠提供最少720MB/s的網絡帶寬。P-720設備包含兩個RF模塊，按照每一個RF可以同時接入20個用戶來計算，那么如果40個用戶同時訪問P-720設備，就能夠提供20 AP的無線網絡設備，以支持800個并發用戶。如果選擇為1:2的比例樞紐，該庫可以有效接入的用戶數大約為1600個。

2.4 網絡覆蓋組網

學校圖書館包括瀏覽區和圖書存放區兩個區域。存放區域的用戶比較少，可以只設置一個AP，但是在學生學習瀏覽區域，根據用戶數量設置4AP。安裝在天花板上的設備，接口的設置標準統一為WLAN1 2.4GHz。天線射頻饋線能夠實現全范圍的覆蓋。WLAN2的頻段設置為5.8GHz，直接連接鞭狀的天線，覆蓋局部區域。圖4為圖書館中的AP布置示意圖，同時可以看出2.4GHz和5.8GHz的頻率分配情況。

圖4 圖書館覆蓋組網示意圖

3 教學樓網絡覆蓋規劃設計方案優化

3.1 教學樓模型

圖5為該學校的教學樓結構示意圖。

圖5 教學樓模型

3.2 教學樓網絡覆蓋方式的設計

1、選擇AP設備：“雙頻模式， 比如可用P-720型,雙射頻卡均符合IEEE802.11a/b/g標準，工作頻率為2.4GHz或5.8GHz兩者之一，最大輸出功率需達到50mW (17dBm)”。

2、天線：選擇寬頻率定向吸頂式，頻段區間在800～2500MHz之間，可以實現7dBi增益幅度， 90°×80°葉角度，垂直極化。

3、覆蓋的距離：假設從建筑物到AP的長度為D，則水平覆蓋距離應達到(π/2 )×D,垂直高度需達到(4π/9)×D。

4、天線安裝：寬頻吸頂天線安裝在天花板之下，能夠覆蓋整改庫的范圍。

5、水平覆蓋：將天線安裝在教學樓的天花板的位置，在距離天線20米范圍內能夠實現360°全覆蓋。

6、垂直罩高度：“在教室旁走廊天花板上放置寬頻定向吸頂天線，吸頂天線垂直波瓣為80°，在距離天線距離8米的位置1米”。

7、教師的覆蓋范圍：“在所有走廊頂端位置安裝所選天線，每層N條走廊需要N個天線，2 個AP，整個教學樓需要 2N個AP，6N個天線，教學樓總覆蓋面積可達到72000m2”。

3.3 網絡容量

教學樓區域占地為72000m2，共設置12個AP設備和26個天線。一個802.11g標準的AP設備具有36MB/s的數據吞吐量，因此一個教學樓安裝12個AP設備就能夠提供400MB /s帶寬的網絡。一個AP設備能服務40個用戶，所以教學樓中的無線網絡可以同時支持480個用戶訪問。如果比例樞紐確定為1:2，那么一共能夠為960個用戶提供訪問服務。

3.4 覆蓋組網設計

單層教學樓區域的覆蓋組網設計如圖6所示。

圖6 單層教學樓區域的覆蓋組網設計示意圖

選擇一個頻段為2.4GHz和一個頻段為5.8GHz的室內型AP設備，將其直接連接到吸頂天線的射頻模塊中，信號覆蓋教室全部范圍。通過分離器的裝置能夠將其分為兩個分支。教學樓走廊的天花板上安裝另一個定向天線，能夠實現兩間教室的覆蓋。一層樓的六間教室共需要安裝2個AP設備和6個天線。天線接口的等效輻射功率應該大于10dBm，選擇1、6、11的頻率。圖7為高校教學樓的4層、5層和6層網絡覆蓋組網結構示意圖。

圖7 教學樓4、5、6層樓的覆蓋組網

4 宿舍樓網絡的覆蓋設計優化

4.1 學生宿舍樓建筑模型

學生宿舍樓的內部結構如圖8所示。

圖8 宿舍樓模型

4.2 學生宿舍樓覆蓋方式的設計方案

1、選擇合適的AP設備：選擇型號為P-720的AP雙射頻內型設備，RF模塊的工作頻段為2.4GHz，除此之外其他射頻模塊頻段為5.8GHz。

2、天線：設計采用寬帶吸頂天線，波段為800～2500，增益為3DBI，垂直波瓣角。

3、覆蓋范圍：帶吸頂天線，波瓣角360度× 55度，橫向實現全覆蓋。建筑物到AP的距離為D，信號覆蓋的垂直高度為( 11π/36 ) × D。

4、天線安裝：吸頂天線安裝在宿舍走廊天花板，實現相鄰宿舍的無線網絡全范圍覆蓋。

5、水平覆蓋距離：在宿舍走廊的天花板上安裝天線，能夠實現360 °的全覆蓋。如果考慮到墻壁帶來的衰減，則可以覆蓋的水平距離為10米。

6、垂直罩的安裝高度：寬頻天線安裝在走廊天花板上。天線的垂直波瓣為55°，垂直罩高度為4.8米，天花板距離地面的高度為3米，電場強度除了在水平方向上能夠滿足需要外，還需要滿足垂直高度需求。

4.3 網絡容量的計算

學校宿舍樓的(6層樓房)面積約9600m2，根據計算需要6個AP、30個吸頂天線，按照每個AP的最大吞吐量維18Mb/s，單棟樓房可接入的帶寬大于100Mb/s。假設一個AP設備能夠為20個學生提供接入服務，那么無線網絡可以同時為120個用戶提供接入服務。本文設計的集線比設置為1：2，支持的同時訪問數量為240個學生。

4.4 覆蓋組網的設計

在弱電井之中設置AP設備，采用耦合器與天線相連。無線信號具有穿墻效果，從網絡強度、覆蓋面積和經濟性的角度考慮，一個天線可以覆蓋兩間宿舍。保證學生能夠順利使用無線網絡，設備樓的網絡覆蓋組網如圖9所示。

圖9 宿舍樓房的單層覆蓋組網

在宿舍樓每一層的弱電井之中，布置分布式的AP設備，實現網絡覆蓋范圍的擴展。AP設備的選擇建議采用500mW室內AP。天線接口的EIRP應該在大于10dBm的范圍內，圖10為AP信道的分配模式和邏輯網構成。

5 基于EPON技術的校園無線網的優點

本文設計的基于EPON技術的校園無線的具有以下突出優勢：

(1)在高校原有的交換式三層結構網絡基礎之上，實現更加便捷的校園網絡優化。石家莊郵電職業技術學院的學生宿舍尚未布置局域網，可以直接構建EPON網絡；除此之外，能夠在原始的三層結構的局域網的校園網絡基礎上，將交換機直接接入。

(2)建設成本較低，可擴展性強，維護和升級方便。EPON網絡通過POS和光纖等設備就可以實現OLT端到ONU端的連接，對機房、電源等沒有需求，也不需要有設備維護人員，極大的降低了建設和維護成本。

(3) 能夠提供比較高的帶寬。隨著以太網技術的快速發展，EPON已經能夠實現10Gb/s的帶寬。

(4) 較大的服務范圍。EPON構建點達到多點網絡，覆蓋范圍為扇形，能夠節約資源，為學生和教師提供更好的服務。

6 結論

基于EPON技術的高校網絡建設規劃方案的提出與優化，不僅能夠保留原來校園網主網的設備及資源，還能夠有效降低傳統局域網建設中存在的安全威脅等問題，確保校園網的安全性，提供更加完善優質的網絡資源共享服務。

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