邱靜怡

摘要：以智慧課堂移動終端互連的特殊要求作為突破口，研究現(xiàn)有移動互連技術(shù)并指出其存在的不足，由此引出構(gòu)建滿足智慧課堂需求的終端無線互連技術(shù)特點(diǎn)，提出智慧課堂內(nèi)移動終端互連的未來設(shè)計要點(diǎn)與可行的解決方案。

關(guān)鍵詞：無線互連；移動終端；智慧課堂

DOIDOI：10.11907/rjdk.151399

中圖分類號：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號文章編號：16727800（2015）008018703

1 智慧教育的涵義、內(nèi)容及其現(xiàn)實(shí)意義

教育部于2012年3月發(fā)布的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020）》中指出，我國教育信息化建設(shè)正從“起步、應(yīng)用”階段向“融合、創(chuàng)新”階段邁進(jìn)，教育信息化之路正在蓬勃發(fā)展且潛力巨大[1]。智慧教育成為信息化教育應(yīng)用的一個新范式，智慧課堂作為一種典型的智能學(xué)習(xí)環(huán)境，成為各學(xué)校課堂環(huán)境建設(shè)的目標(biāo)。新加坡國立教育學(xué)院設(shè)立BackPack.Net中心，積極打造“未來教室”，為學(xué)生配置電子書包，傳遞“處處是學(xué)習(xí)場所，不受時間、空間限制”的理念；戴爾“互聯(lián)課堂”、華東師范大學(xué)“未來課堂”也在教室環(huán)境中引入學(xué)習(xí)終端（筆記本電腦或平板電腦，如iPad等）。智慧課堂可以看作是集物聯(lián)網(wǎng)和教育云等新技術(shù)于一體的未來課堂的一種形式，是一種由“課堂教學(xué)支撐系統(tǒng)”整合了電腦終端、互動電子白板、實(shí)物展臺、即時反饋系統(tǒng)、智能終端等軟、硬件的教與學(xué)環(huán)境。在泛在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境支持下，智慧教室由數(shù)字內(nèi)容資源、各類學(xué)科工具、教學(xué)管理與評價云服務(wù)以及多屏顯示等裝備構(gòu)成，具有智能化、開發(fā)性、混合型、交互性和生態(tài)性等特征，可以滿足或促進(jìn)人與技術(shù)、資源、環(huán)境之間的良好互動。未來教室的發(fā)展趨勢是智慧課堂，包括電子課本、電子課桌、電子書包、電子白板……在資源方面，由模擬媒體到數(shù)字媒體，再到網(wǎng)絡(luò)媒體，資源最終都集中在教育云上，內(nèi)容達(dá)到極大豐富，從而滿足個性化的學(xué)習(xí)[2]。智慧教室中，多媒體互動數(shù)字教材是課堂的靈魂角色，而無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是課堂的基礎(chǔ)建設(shè)。因此，研究課堂移動終端互連技術(shù)具有一定的理論價值和現(xiàn)實(shí)意義。

2 現(xiàn)有智慧課堂移動終端互連方式及存在的問題

與通用型終端設(shè)備相比，智慧課堂內(nèi)的學(xué)習(xí)終端在網(wǎng)絡(luò)互連方面存在特殊要求。本文通過實(shí)地調(diào)研某小學(xué)智慧課堂無線網(wǎng)絡(luò)場景，如圖1所示，智慧教室內(nèi)師生均配備有學(xué)習(xí)終端，課堂內(nèi)配備具有展示和交互功能的電子白板，所有數(shù)據(jù)信息的交互都通過無線路由器實(shí)現(xiàn)。得出當(dāng)前使用無線AP（Access Point）構(gòu)建的WLAN在智慧教學(xué)場景應(yīng)用中存在以下問題：

（1）密集性用戶接入受限。教師發(fā)出指令要求學(xué)生打開學(xué)習(xí)終端，全班50個學(xué)生約2秒內(nèi)同時開啟學(xué)習(xí)終端連接課堂無線AP時，出現(xiàn)10多臺學(xué)習(xí)終端網(wǎng)絡(luò)連接受限的情況。而且出現(xiàn)這種情況后，往往只能通過重啟學(xué)習(xí)終端的方式重新連接網(wǎng)絡(luò)，說明當(dāng)前的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)無法處理一個自然班容量的學(xué)生終端并發(fā)接入。

（2）聚集性、并發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸受阻。在教學(xué)資源集中分發(fā)或上傳過程中（如分發(fā)試卷或同時上傳作業(yè)），偶爾出現(xiàn)文本試卷漏發(fā)和作業(yè)上交不齊的情況。而多媒體教學(xué)資源分發(fā)過程中甚至出現(xiàn)大部分學(xué)習(xí)終端停止下載或播放，說明現(xiàn)行的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)不能滿足聚集性、并發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕虒W(xué)應(yīng)用需求。

（3）基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)繁雜。為滿足大量學(xué)生終端的高速穩(wěn)定接入，部分教室甚至在一個教室內(nèi)同時部署2～3臺AP。這種繁雜的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)增大了校內(nèi)多AP重疊部署和信道重疊干擾的幾率，增加了布線施工成本和周期，嚴(yán)重影響用戶接入感知，甚至導(dǎo)致在校內(nèi)大規(guī)模開展智慧課堂教學(xué)完全不可行。

上述調(diào)研結(jié)果說明，固定的容納50～60個學(xué)生數(shù)量的課堂教學(xué)場景勢必導(dǎo)致密集性終端設(shè)備的接入和使用問題十分突出。而教學(xué)應(yīng)用場景中的個性化學(xué)習(xí)、分組互動等應(yīng)用無法避免大數(shù)據(jù)并發(fā)傳輸，這些都需要高帶寬網(wǎng)絡(luò)的支持。當(dāng)前課堂使用的WLAN擁有的狹窄帶寬無法承載如此高的應(yīng)用需求，而構(gòu)建WLAN的核心設(shè)備——無線AP（Access Point）更是成為無線傳輸?shù)钠款i。

3 當(dāng)前主流研究方案分析

為了解決上述難題，國內(nèi)外研究人員對無線互連技術(shù)進(jìn)行了大量研究，目前具體有以下幾種實(shí)施方案：

第一種方案是WLAN增強(qiáng)技術(shù)。WLAN技術(shù)增強(qiáng)方法包括：

（1）利用IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的新一代超高速WLAN標(biāo)準(zhǔn)代替現(xiàn)有的IEEE 802.11n WLAN協(xié)議。IEEE 802.11ac是目前最新的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)之一，其目標(biāo)是利用5.8GHz頻段制定Gbit/s以上數(shù)據(jù)傳輸速率的超高速WLAN標(biāo)準(zhǔn)，通過更寬的RF帶寬（提升至160MHz）、更多的MIMO空間流（spatial streams）（增加到8）、多用戶的MIMO，以及更高階的調(diào)制（modulation）（達(dá)到 256QAM）等技術(shù)的提升，將課堂內(nèi)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)帶寬提升一個數(shù)量級。表1中的測試結(jié)果顯示，課堂內(nèi)一臺IEEE 802.11ac協(xié)議支持的AP和32個無線終端共同工作時，所有終端都能獲得大于2Mbps的數(shù)據(jù)傳輸量，可完全滿足智慧課堂教學(xué)場景的需求。然而，在一個自然班容量的智慧課堂中，要求所有終端都能滿足2Mbps通信帶寬則需要部署兩套802.11ac的AP設(shè)備，從而增加了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的復(fù)雜性，也限制了智慧課堂在校園范圍內(nèi)的廣泛使用。

（2）智能MIMO多天線技術(shù)。在多天線系統(tǒng)中引入交叉極化和圓極化等多種極化形式的天線單元能有效提升無線通信系統(tǒng)的整體性能，保障教室內(nèi)無線信號均衡覆蓋無死角，而這將會增加終端設(shè)備通信設(shè)計的復(fù)雜性。

另一類解決方案是密集AP部署。為了保證教室內(nèi)的覆蓋和服務(wù)質(zhì)量，需要布置多個AP，在整個教學(xué)樓同時部署的情況下，將使802.11無線局域網(wǎng)中的AP呈現(xiàn)一種高密度分布。這種AP密集的無線網(wǎng)絡(luò)在具有穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域、高通信速率和低能耗等優(yōu)勢的同時，也帶來了不少亟需解決的問題，如強(qiáng)烈的物理干擾、激烈的接入競爭，需要從AP規(guī)劃、信道分配和功率控制等多方面進(jìn)行協(xié)調(diào)研究。

然而，不論是將網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)協(xié)議從802.11n升級為新一代802.11ac協(xié)議，還是采用智能天線和多AP部署的方式，都是通過提升網(wǎng)絡(luò)空口資源的方式來提高網(wǎng)絡(luò)性能，這僅是從“量”的層面提升網(wǎng)絡(luò)性能，而不能解決智慧教室中WLAN星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的固有缺陷導(dǎo)致的密集用戶接入受限和聚集性、并發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸受阻問題。

4 Ad Hoc組網(wǎng)解決方案

為此，本文率先提出將Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)用于終端無線互連上的課堂教學(xué)場景，如圖2所示。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是由一組任意分布且可隨機(jī)移動的節(jié)點(diǎn)以自組織的方式構(gòu)建的無線通信網(wǎng)絡(luò)，且不依賴于任何已有的固定和有線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。它不僅打破了傳統(tǒng)的WiFi星型接入無線基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可利用學(xué)習(xí)終端之間的Ad Hoc功能，自組織構(gòu)建成網(wǎng)狀架構(gòu)，以降低無線AP瞬時接入壓力，消除網(wǎng)絡(luò)傳輸瓶頸，提升整網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性，而且能利用路由協(xié)議，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)靈活選擇單播、組播和廣播路由方式，支持高性能的本地通信以滿足智慧教室應(yīng)用需求。特別是其組播路由機(jī)制能在網(wǎng)絡(luò)層支持課堂的小組合作學(xué)習(xí)方式，提高多媒體互動資源的傳輸效率，降低網(wǎng)絡(luò)成本，為學(xué)習(xí)終端的應(yīng)用推廣提供了保障。

雖然我國《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》[3]為信息技術(shù)領(lǐng)域確定了3個前沿技術(shù)，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)便是其中之一，部分研究者已開始對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)環(huán)境進(jìn)行相關(guān)的嘗試。但是直至今日，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中并不普遍，大量研究仍處在仿真和實(shí)驗(yàn)階段（仿真規(guī)模在數(shù)百至數(shù)千節(jié)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)規(guī)模在幾十個節(jié)點(diǎn)左右）。主要原因在于一方面運(yùn)營商出于商業(yè)目的限制移動自組織網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，另一方面智能手機(jī)、PDA、掌上電腦等終端設(shè)備的處理能力和有限的無線鏈路帶寬限制了移動自組織網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的架設(shè)。但Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)無需基礎(chǔ)通信設(shè)施的支持，能在任何時間、地點(diǎn)，隨時搭建使用的突出優(yōu)勢，使其在教育、救災(zāi)搶險、工商業(yè)以及文化娛樂等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用需求，對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行深入研究和應(yīng)用嘗試是移動終端設(shè)備的發(fā)展趨勢。

5 結(jié)語

本文通過分析課室內(nèi)智慧終端無線組網(wǎng)存在的固有問題，提出在課室教學(xué)場景中的無線終端使用Ad Hoc組網(wǎng)。該方式符合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)前沿發(fā)展方向，也體現(xiàn)了教育信息化的應(yīng)用需求。在未來的工作中，將繼續(xù)研究Ad Hoc組網(wǎng)模式下如何構(gòu)造高效的單播、組播路由協(xié)議，以滿足各種課堂教學(xué)場景的需求。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 國務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定[EB/OL].http：//www.gov.cn/zwgk/201010/18/content_1724848.htm.

（責(zé)任編輯：黃 ?。?