科研院所場景化無線網絡建設研究

李健 趙增芳

摘 要：無線網絡已成為科研園區開展信息化與數字化科研業務的重要支撐，它不僅為科研人員在國內外線上文獻檢索，實驗數據采集、處理與傳輸等提供便捷服務，而且有力保障了物聯網、智慧化園區和信息化平臺的建設。文章旨在研究如何結合最新的無線WiFi 6技術，分析不同應用場景和科研業務需求，充分考慮場景化分布和智分技術，實現全園區無線網絡覆蓋，提出總體部署方案，為用戶提供更方便靈活、高性能、高抗干擾性的網絡資源共享服務。

關鍵詞：科研院所;WiFi 6技術;場景化分布;信息化建設

0 ? 引言

隨著信息化與智能化水平的提高，各種要求高帶寬、高靈活性應用層出不窮，很多智能化應用已在科研、教育、醫療、工程等領域發展使用。以科研領域為例，有虛擬現實（VR）、云教學、云會議、數據可視化、遠程數據采集與觀測等，科研工作者迫切需要具有信息無損傳輸、開放式共享、便捷互訪、高速傳遞等特點的無線網絡支撐科研活動[1]。根據需求的不斷發展提高，無線網絡技術也在不斷進步，其在高帶寬、高可靠性、高抗干擾、多并發、低延時、資源均衡等方面實現巨大突破，為科研資源共享、遠程海量數據傳輸、數字化教學辦公以及智慧化園區建設管理等方面提供重要支撐。

1 無線網絡覆蓋的解決分析

本文結合目前主流的無線WiFi 6技術（802.11ax）分析研究如何保證無線信號全園區覆蓋，搭建高安全、高可靠的無線網絡連接控制系統，構建有線無線一體化的運維管理平臺，實現統一、安全的無線網絡認證，服務科研、教學、辦公并實現安全便捷接入的園區無線網，提升科研人員的網絡使用體驗，促進科學研究、信息化管理和服務的發展[2]。

科研園區根據使用場景選用不同類型無線AP進行部署，需使用具備802.11ax技術的無線AP，同時部署在2.4 G及5.8 G赫茲2個頻段。室內無線AP通過六類網線連接樓層配線間內的POE交換機，POE交換機選用24口全千兆設備，滿足高速接入的同時還可以給無線AP提供遠端供電。各樓宇內部，若無線接入交換機數量多于5臺，部署一臺盒式匯聚交換機，匯聚與本校園無線核心之間采用萬兆光纖上聯。若接入交換機數量少于5臺，則在接入交換機中選擇一臺作為匯聚，與園區核心之間采用萬兆光纖進行互聯。對于室外AP，優先考慮在具備POE交換機的樓宇旁進行部署，借助樓宇POE交換機進行供電以及數據傳輸，當室外AP的部署位置距離最近的POE交換機較遠時，通過光纖鏈路進行互聯，就近取電，確保AP的正常供電以及數據轉發或采用具備光電混合供電傳輸功能的AP，通過光電混合纜實現與POE交換機數據轉發和供電。

2 ? 無線網建設架構與高性能研究

無線網的建設架構的原則是可靠性高、擴展性強、易于管理與維護，保證無線資源均衡?？刹渴饍膳_無線網核心交換機，通過虛擬化技術VSU構建穩定的無線網絡核心設備，配置插卡式無線控制器板卡，無線控制器AC負責管理園區所有無線AP。兩臺無線控制器通過虛擬化技術，實現相互之間冗余和備份，確保任意一臺控制器的故障，均不會影響無線AP的正常轉發及用戶的正常使用，構建健壯的網絡核心。

考慮到無線WEB認證方式下的終端認證噪聲，認證網關具備認證噪聲過濾功能，減輕PORTA服務器壓力。認證網關同樣具備大容量ARP及MAC地址表項，滿足園區后續扁平化網絡架構的需要。

802.11ax是 802.11ac 以后無線局域網協議本身的進一步擴展，11ax支持2.4 GHz和5 GHz頻段，向下兼容11a/b/g/n/ac。其目標是支持室內室外場景、提高頻譜效率和密集用戶環境下4倍實際吞吐量提升[3]。802.11ax通過如下技術提升無線網絡性能：

2.1 ?提高有效時間占比

802.11ax修改了子載波間隔，最小子載波間隔 ? ? ? ? ? ?（78.125 KHz）減小為802.11ac（312.5 KHz）的1/4;相應地，數據信息時間（12.8 us）也延長為802.11ac（3.2 us）的4倍，不過，802.11ax的幀間隔時間最短為0.8 us，長于802.11ac 的0.4 us。綜合起來，GI開銷從11.11%降到了5.88%，效率提升5.88%。

2.2 ?更高階調方式 1024-QAM

802.11ac采用QAM調制方式。QAM調制是幅度調制和相位調制的結合。調制方式越高，每個符號包含的bit數越多，效率越高。802.11ac采用256QAM調制方式，一個傳輸符號對應于256值中的一個，用8位二進制數據表示，每個傳輸符號攜帶8bit數據。為了進一步提升數據速率，802.11ax可以引入更高階的1024QAM，每個符號攜帶10bit數據[4]。

現實網絡中除了802.11ac的高速設備外，還有大量只支持802.11b/g/n和802.11a/n的低速率終端，此類終端接入網絡后對AP整體性能和資源均衡有很大拉低影響。X-speed技術的另一大功能就是公平調度，它主要根據終端流量的實時信息，預測終端流量，然后計算并調整AP和終端的空口帶寬，利用令牌桶原理進行流量整線來實現無線空口資源的公平占用。這就為802.11g，802.11n，802.11ac等不同類型的終端提供相同的訪問時間，極大地解決了因終端無線網卡老舊或終端離AP較遠而導致用戶無線上網延時大、速度慢、AP整機性能低下的問題，有效地提升了低速終端的性能，保證用戶無論使用何種類型的終端，都將在相同的位置上獲得同樣良好的無線上網體驗[4]。

3 ? 場景化無線覆蓋的研究

針對科研園區的不同功能區域，無線網絡覆蓋側重于實際應用，全面覆蓋園區內主要區域，為科研、辦公、教學及學習、生活、交流提供切實可用的、穩定的無線網絡環境。隨著更多的信息化和數字化應用的展開，人員之間通過無線網絡進行科研、教學互動，開放性互聯共享，遠程數據實時采集與觀測等越來越多，對無線網絡提出了更高的要求，無線網絡要具備更高的性能以支撐線上科研業務的暢通開展。

總體覆蓋主要考慮幾個功能區。包括科研辦公區域、公共區域、室外區域和宿舍區域，根據不同功能區及場景可具體分類：（1）科研辦公區域。包括科研樓、教學樓、行政辦公樓、實驗樓、休息室等;（2）公共區域。包括會議室、報告廳、圖書館、食堂、活動室、門廳走廊等;（3）室外區域。校園內主干道及室外運動場、田徑場等;（4）公寓區域。專家公寓、人才公寓、學生公寓等[5]?？舍槍Σ煌膮^域進行針對性的無線網網絡設計，并針對上述區域內的不同場景，根據實際地勘的情況按照實際的規劃進行部署，確保無線網絡建設全面的覆蓋和良好的使用效果。

3.1 科研辦公區無線網絡覆蓋

科研院所園區以科研、實驗、辦公、教學為主要功能，除特殊功能實驗用房對無線信號有規避要求外，均需要保證室內無線信號全覆蓋。因此，科研區無線網絡必須基于最新的802.11ax協議的構建無線教學網絡，根據不同的樓體結構及使用場景，針對不同的區域可進行區別化部署。

（1）科研辦公室、實驗室內人員較少，需提供不少于 ? 30個終端的并發，采用面板AP部署的方式完全滿足正常上網需求。

（2）普通教室根據具體規模，可選擇提供不少于60個終端并發的普通放裝式AP，支持802.11ax協議，并根據教室規模部署AP位置和數量，以座位數為60個左右的教室為例，教室內科部署一臺放裝型AP，將AP直接部署在覆蓋區域的天花板或墻壁上，單接入點可保證60個終端同時上網正常使用。

（3）階梯型教室、大型教學活動室或大型會議室，考慮到并發人數較多，教室面積較大采用高密放裝式AP進行部署，支持802.11ax協議。高密AP直接部署在覆蓋區域的天花板或墻壁上，單接入點可保證120個終端并發使用，根據每個階梯教室和會議室的實際情況，靈活調整AP的部署數量，信道的劃分。

3.2 公共區域無線網絡覆蓋

公共區域主要包括會議室、報告廳、圖書館、食堂、活動室、門廳走廊等，主要特點有人員集中，并發數較多，但由于功能不同無線部署又突出場景差異，因此需對不同區域區別化部署。

（1）會議室、報告廳、活動廳、食堂等區域人流量大，空間開放，為典型的高密度覆蓋場景，使用高密AP進行覆蓋。

（2）圖書館、博物館、門廳走廊等區域雖然人流量較多，空間區域相對來說較為開放，但同樣具備一定的辦公及功能隔斷，針對此類區域，需要考慮高并發的同時，兼顧部分特殊場景的使用。參考實際區域的部署環境，重點參考AP并發及信號覆蓋半徑，針對密集區域，特別是有固定座位及人員常駐區域，采用高密AP進行部屬。高密AP直接部署在覆蓋區域的天花板或墻壁上，單接入點可保證120個終端同時上網正常使用。

3.3 室外區域無線網絡覆蓋

室外環境需要考慮溫度、濕度、防雷等多方面因素，因此需要專門的室外無線接入點進行覆蓋。室外智能型大功率802.11ac/802.11ax無線基站接入設備，能夠覆蓋更大的范圍。

室外無線接入點內置天線，要求單射頻最大發射功率可達500 mW，能夠針對性地有效解決室外WLAN覆蓋各種問題，提高WLAN室外覆蓋準確性和穩定性。同時，通過專業的一體化室外設計，至少具備IP68防水防塵等級和大范圍寬溫工作能力，方便室外的安裝和調試。

室外AP依靠天線向外發射信號，天線有兩種：全向天線和定向天線。在路口、小廣場等較開闊區域可選擇部署全向天線;在需要遠距離覆蓋或覆蓋區域中有對信號產生衰減的物體遮擋時，選擇定向天線。

3.4 公寓區域無線網絡覆蓋

公寓區域分為學生宿舍和人才專家公寓。學生宿舍人數多、空間小、終端種類多、并發終端數量，干擾較為嚴重。因此，需要采用目前業界較為成熟的智分方案進行覆蓋。由智能主交換機和入室面板AP兩部分組成。一個主交換機設備，最多可支持接入24個面板入室AP。面板AP支持802.11ac WAVE 2，802.11ax標準，上行千兆端口到主交換機，下行2個有線端口，能夠給每個宿舍或區域提供高速千兆無線網絡，同時提供宿舍內部有線臺式電腦的接入[6]。

人才和專家公寓多為套間式空間，功能區域劃分明確，類似普通家庭住戶對無線網絡的需求，其房間內有線網口充足，可借助原網口選擇使用具備饋線型多級信號發送的AP，支持802.11ac WAVE 2、802.11ax標準，直接部署在覆蓋區域的天花板，通過饋線將發射器直接安裝在各房間的墻壁上，補充因間隔隔斷造成的信號衰減，滿足不同房間對電視、智能家居、便攜式終端的用網需求。

4 ? 結語

信息化時代下的網絡技術發展日益提高，高質量、高度便捷靈活性的無線網絡全覆蓋是科研園區建設的重要部分，無線網絡由以往的有線網絡的補充發展為逐步完整、獨立的新型接入骨干，伴隨著WiFi 6技術上的突破，打破了無線網的發展瓶頸，未來高速、便捷、高并發、高抗干擾的無線網絡將成為科研園區用網主流。因此，在結合最新WiFi 6技術的前提下，研究不同功能場景下的無線AP部署，實現有線與無線統一認證管理的獨立網絡結構，可為園區信息化應用提供強有力保障。

[參考文獻]

[1]侯偉.無線局域網技術在校園網建設中的應用[J].信息與電腦（理論版），2020（22）：174-176.

[2]牛霞紅.試析校園無線網絡的部署和優化[J].信息技術與信息化，2019（6）：114-116.

[3]白娟，李鵬.WI-FI 6技術助力校園無線網絡建設[J].電腦知識與技術，2020（25）：59-61，63.

[4]陳發堂，張志豪，李賀賓，等.802.11ax系統中基于OFDMA調度接入的公平性資源分配算法[J].系統工程與電子技術，2021（5）：1-10.

[5]楊朋.校園無線網組網技術及應用的探討[J].數字通信世界，2019（1）：66.

[6]侯偉.無線局域網技術在校園網建設中的應用[J].信息與電腦（理論版），2020（22）：174-176.

（編輯 姚 鑫）