高校教學場景的無線校園網(wǎng)建設(shè)與優(yōu)化方案

劉 輝

（華南師范大學 網(wǎng)絡(luò)中心，廣東 佛山 528225）

0 引 言

高校校園的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工作不僅要滿足師生的基本要求，也是推動教學、管理與科研等各項工作開展的基礎(chǔ)[1]。無線網(wǎng)絡(luò)相比有線網(wǎng)絡(luò)具有靈活性、移動性以及易運營等優(yōu)點。現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)普遍采用802.11系列標準，針對網(wǎng)絡(luò)安全問題也提出了相應(yīng)的防范措施及安全部署[2]。隨著智慧校園建設(shè)完善，無線校園網(wǎng)應(yīng)用迅猛發(fā)展。隨著新教學方式轉(zhuǎn)變和業(yè)務(wù)規(guī)模擴大，手機、筆記本電腦等智能移動終端日益普及并廣泛應(yīng)用，教學、科研、校園管理以及信息資源的共享、遠程教學等多方面融合，無論教學還是生活，都對無線網(wǎng)絡(luò)的需求日益增強，對使用要求也越來越高[3,4]。基于此，為校園網(wǎng)用戶提供高質(zhì)量、人性化、便捷的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是需要盡快提上日程的一個重要課題。

1 教學場景無線網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計

1.1 場景特點

根據(jù)不同場景部署室內(nèi)訪問接入點（Access Point，AP）、室內(nèi)墻面AP、室內(nèi)高密AP、室外定向AP以及宿舍入室面板AP等[5]。智慧教室、會議室等場景的特點為空間寬敞，用戶密集，作為學校教育教學中最重要的場景之一，終端應(yīng)用廣泛，承載觀看在線視頻、課堂直播、遠程教學、互動教學、網(wǎng)上學術(shù)交流、即時查閱資料、上傳下載等重要的教學業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量好壞直接影響到教學質(zhì)量，對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量要求較高，因此對無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和設(shè)備性能要求高。

1.2 Wi-Fi6無線技術(shù)

最新的Wi-Fi6技術(shù)即802.11ax引入了一系列新技術(shù)，主要特點在于大帶寬、低延遲、高并發(fā)、低功耗以及抗干擾等，可顯著提高多終端場景下的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率[6-8]。

（1）速率提升。大幅提升物理層的協(xié)商速率，160 MHz頻寬下，單流可達1 201 Mb/s,單射頻芯片最大支持8條空間流超過9.6 Gb/s。

（2）多用戶傳輸。支持上下行多用戶多入多出（Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，MUMIMO）與上下行正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）兩種多用戶傳輸技術(shù)，減少多用戶并行傳輸時的信道開銷，提升多用戶場景下的空間信道利用率。

（3）抗干擾。利用BSS Color快速識別并提升數(shù)據(jù)同步、接收以及解調(diào)的效率，利用動態(tài)調(diào)整公用通信適配器（Common Communication Adapter，CCA）的門限減少數(shù)據(jù)發(fā)送時對信號的干擾。

1.3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)主體架構(gòu)采用“主干有線+接入無線”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，有線網(wǎng)絡(luò)為無線網(wǎng)絡(luò)提供網(wǎng)絡(luò)接口擴展。接入層采用級聯(lián)方式進行連接，上聯(lián)匯聚采用端口聚合雙鏈路連接，實現(xiàn)鏈路冗余和帶寬擴容；無線采用訪問控制器（Access Controller，AC）+瘦AP的組網(wǎng)方式。核心層由核心交換機、無線控制器組成，AC旁掛接入核心交換機。核心設(shè)備承載著整個校園網(wǎng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，配備雙核心雙鏈路冗余，從而增強了校園無線網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性以及可用性[9]。無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的拓撲如圖1所示。

圖1 無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的拓撲

1.4 設(shè)備選型

選擇適合場景的高性能設(shè)備進行組網(wǎng)，將是打造高效網(wǎng)絡(luò)的先決條件。結(jié)合場景信息，應(yīng)當選擇適合高密場景、多路多頻設(shè)計且應(yīng)用新無線技術(shù)的放裝型AP，如RG-Ap850（AR）。它是一款支持4路雙頻802.11ax無線接入點，適用于室內(nèi)高密場景的放裝型AP，而且支持802.11ax、802.11ac Wave2、802.11ac Wave1和802.11n等協(xié)議。此外，采用硬件獨立的4射頻設(shè)計，整機最大可提供4.134 Gb/s的無線速率，讓無線性能不再成為瓶頸。

1.5 AP部署

AP部署需要滿足信號覆蓋和用戶接入最大數(shù)。根據(jù)場景容納人數(shù)，考慮到智能終端的普及廣泛應(yīng)用，用戶可能有多個終端（筆記本電腦+手機）的連接，另外AP參數(shù)應(yīng)以最佳用戶數(shù)為依據(jù)，再考慮一些造成設(shè)備性能損耗因素的影響，AP數(shù)量規(guī)劃應(yīng)有冗余，最佳AP的并發(fā)數(shù)應(yīng)為場景容納人數(shù)的2倍以上。例如，若場景容納人數(shù)為100個，AP選型所推薦的并發(fā)數(shù)為100，那么該場景應(yīng)合理部署2個AP，同時要考慮安裝位置和信道功率的優(yōu)化，以達到最佳使用效果。

2 無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案

無線是以射頻收發(fā)電磁波的形式在空口中以半雙工通道進行傳播，傳輸過程容易被干擾、衰減等因素影響而造成數(shù)據(jù)延遲丟包。無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化即管理射頻資源，使終端能有更好的網(wǎng)絡(luò)體驗。行內(nèi)常說無線三分建設(shè)七分優(yōu)化，可見網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的重要性。

2.1 無線射頻管理優(yōu)化

2.1.1 信道規(guī)劃

為避免同頻干擾，網(wǎng)規(guī)需采取空間交錯分配信道，增加網(wǎng)絡(luò)容量[10]。2.4G模式下，Channel可選1～13，信道相隔5時不會產(chǎn)生信道干擾，也就是只有3個不重疊的通信信道，2.4G信道在非高密部署場景推薦采用1、6、11共3個不重疊的信道進行規(guī)劃，若為高密部署場景則推薦采用1、5、9、13共4個信道進行規(guī)劃。2.4G頻段信號可選信道少，但傳播距離遠，穿透力較強，可以在比較密集的AP點位部署區(qū)域適當關(guān)閉2.4G信號，減少臨頻同頻信號干擾。

5G頻段容量更高，干擾更少，Channel可選149、153、157、161、165、36、40、44、48、52、56、60以及64共13個不重疊的信道進行規(guī)劃。使用5G頻道可以有效提高用戶體驗，通過調(diào)整5G功率比2.4G稍高或者配置頻譜導(dǎo)航進行優(yōu)化，使用戶終端優(yōu)先接入5G頻段。多用戶高并發(fā)場景使用5G頻段可以有更好的網(wǎng)絡(luò)體驗。

2.1.2 功率優(yōu)化

AP功率分為Coverage功率和Powerlocal功率。通過Wi-Fi魔盒進行測試，收集終端相關(guān)數(shù)據(jù)信息，調(diào)整Coverage功率和Powerlocal功率，控制AP覆蓋范圍及覆蓋邊界的信號強度在-65 dBm左右，可以減少對周邊AP的干擾，同時優(yōu)化終端的接入和漫游效果。AP點位、間距、覆蓋范圍部署均勻的區(qū)域場景，通過管理平臺進行區(qū)域批量優(yōu)化即可，而復(fù)雜場景的AP部署差異較大，則需要逐個精細調(diào)整。

為了使得雙頻終端主動接入到信道資源充足的5G頻段，也可以將2.4G的信道Coverage功率配置的比5G低，這樣方可確保終端接收到同一AP的5G信號比2.4G信號強，終端會優(yōu)先接入到5G信號。

2.2 上網(wǎng)接入優(yōu)化

2.2.1 認證優(yōu)化

為了使所有的Web認證用戶一直在線，實現(xiàn)無感知的接入網(wǎng)絡(luò)，在用戶首次Web認證之后，獲取無感知接入網(wǎng)絡(luò)的體驗，不需要煩瑣的Web認證登錄。

通過MAC綁定用戶進行快捷認證，進行首次認證后開啟無感認證，采用終端MAC地址的RADIUS認證，只要在SMP服務(wù)器記錄了該終端的MAC地址，該終端即可接入網(wǎng)絡(luò)，提高用戶斷線重連和再次接入的效率。

2.2.2 基于STA智能隱藏SSID

限制用戶sta-limit結(jié)合hide-ssid sta-reach-limit命令配置智能隱藏AP單Radio的服務(wù)集標識（Service Set Identifier，SSID）起到分擔負載的作用，且避免新單線程單元（Single-Threaded Apartment，STA）嘗試關(guān)聯(lián)又關(guān)聯(lián)不上而發(fā)送的管理幀報文占用空口帶寬，影響網(wǎng)絡(luò)波動。例如，配置限制單個Radio用戶數(shù)為30，其狀態(tài)如圖2所示。

圖2 單個Radio狀態(tài)

2.2.3 低速率集

禁止STA和AP之間使用低速發(fā)送報文，提升性能。通過禁用掉11M以下的速率集，來避免低速率終端拉低空口性能。

通過{802.11a| 802.11b } network rate命令配置802.11a，802.11b網(wǎng)絡(luò)的射頻支持速率表，即：

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

例1：配置802.11a網(wǎng)絡(luò)不支持54M射頻速率

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

例2：配置802.11b網(wǎng)絡(luò)支持54M射頻速率

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

2.2.4 限制低功率終端接入

低功率終端不僅自身體驗差，還影響接入性能，占用接入數(shù)和帶寬。通過配置Response-rssi值，控制終端接入；通過配置Assoc-rssi值，則可以在用戶上行接收的信號強度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）小于該值時踢用戶下線，從而減少設(shè)備對管理幀和丟包重傳的資源損耗。

2.2.5 用戶限速

可以通過配置WLAN-Base或AP-Base，基于無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks，WLAN）或者基于AP進行用戶限速，避免個別用戶獨占大量帶寬，也可減少隱藏節(jié)點造成的影響，保障網(wǎng)絡(luò)通暢。

2.3 其他優(yōu)化

其他網(wǎng)絡(luò)管理優(yōu)化，如AP分組、AP管理、有線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、虛擬局域網(wǎng)（Virtual Local Area Network，VLAN）規(guī)劃、無線子網(wǎng)規(guī)劃、用戶隔離以及帶寬擴容等，可視具體情況進行合理優(yōu)化，有效增強可管理性、安全性、穩(wěn)定性，減少廣播域、地址解析協(xié)議（Address Resolution Protocol，ARP）欺騙等風險。

3 結(jié) 論

該套方案應(yīng)用在本校區(qū)智慧課室的無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，并投入使用，經(jīng)過ping、測速、在線視頻、網(wǎng)頁下載的測試，無線網(wǎng)絡(luò)使用穩(wěn)定、流暢，用戶實際應(yīng)用中亦反饋良好。

通過合理的組網(wǎng)、設(shè)備選型以及優(yōu)化管理方案實施，打造出高效的多用戶教學場景無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，提升了用戶體驗，推動新模式教學發(fā)展。該方案主要得益以新無線技術(shù)的應(yīng)用，WiFi6技術(shù)很大程度上改善了多用戶場景的無線網(wǎng)絡(luò)體驗。