李健 趙增芳

摘 要：無線網(wǎng)絡(luò)已成為科研園區(qū)開展信息化與數(shù)字化科研業(yè)務(wù)的重要支撐，它不僅為科研人員在國內(nèi)外線上文獻(xiàn)檢索，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸?shù)忍峁┍憬莘?wù)，而且有力保障了物聯(lián)網(wǎng)、智慧化園區(qū)和信息化平臺的建設(shè)。文章旨在研究如何結(jié)合最新的無線WiFi 6技術(shù)，分析不同應(yīng)用場景和科研業(yè)務(wù)需求，充分考慮場景化分布和智分技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全園區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)資源共享服務(wù)。

關(guān)鍵詞：科研院所;WiFi 6技術(shù);場景化分布;信息化建設(shè)

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(yīng)用層出不窮，很多智能化應(yīng)用已在科研、教育、醫(yī)療、工程等領(lǐng)域發(fā)展使用。以科研領(lǐng)域?yàn)槔刑摂M現(xiàn)實(shí)（VR）、云教學(xué)、云會議、數(shù)據(jù)可視化、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)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(diǎn)的無線網(wǎng)絡(luò)支撐科研活動[1]。根據(jù)需求的不斷發(fā)展提高，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也在不斷進(jìn)步，其在高帶寬、高可靠性、高抗干擾、多并發(fā)、低延時(shí)、資源均衡等方面實(shí)現(xiàn)巨大突破，為科研資源共享、遠(yuǎn)程海量數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)字化教學(xué)辦公以及智慧化園區(qū)建設(shè)管理等方面提供重要支撐。

1 無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的解決分析

本文結(jié)合目前主流的無線WiFi 6技術(shù)（802.11ax）分析研究如何保證無線信號全園區(qū)覆蓋，搭建高安全、高可靠的無線網(wǎng)絡(luò)連接控制系統(tǒng)，構(gòu)建有線無線一體化的運(yùn)維管理平臺，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一、安全的無線網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證，服務(wù)科研、教學(xué)、辦公并實(shí)現(xiàn)安全便捷接入的園區(qū)無線網(wǎng)，提升科研人員的網(wǎng)絡(luò)使用體驗(yàn)，促進(jìn)科學(xué)研究、信息化管理和服務(wù)的發(fā)展[2]。

科研園區(qū)根據(jù)使用場景選用不同類型無線AP進(jìn)行部署，需使用具備802.11ax技術(shù)的無線AP，同時(shí)部署在2.4 G及5.8 G赫茲2個(gè)頻段。室內(nèi)無線AP通過六類網(wǎng)線連接樓層配線間內(nèi)的POE交換機(jī)，POE交換機(jī)選用24口全千兆設(shè)備，滿足高速接入的同時(shí)還可以給無線AP提供遠(yuǎn)端供電。各樓宇內(nèi)部，若無線接入交換機(jī)數(shù)量多于5臺，部署一臺盒式匯聚交換機(jī)，匯聚與本校園無線核心之間采用萬兆光纖上聯(lián)。若接入交換機(jī)數(shù)量少于5臺，則在接入交換機(jī)中選擇一臺作為匯聚，與園區(qū)核心之間采用萬兆光纖進(jìn)行互聯(lián)。對于室外AP，優(yōu)先考慮在具備POE交換機(jī)的樓宇旁進(jìn)行部署，借助樓宇POE交換機(jī)進(jìn)行供電以及數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)室外AP的部署位置距離最近的POE交換機(jī)較遠(yuǎn)時(shí)，通過光纖鏈路進(jìn)行互聯(lián)，就近取電，確保AP的正常供電以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)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(shí)現(xiàn)與POE交換機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和供電。

2 ? 無線網(wǎng)建設(shè)架構(gòu)與高性能研究

無線網(wǎng)的建設(shè)架構(gòu)的原則是可靠性高、擴(kuò)展性強(qiáng)、易于管理與維護(hù)，保證無線資源均衡。可部署兩臺無線網(wǎng)核心交換機(jī)，通過虛擬化技術(shù)VSU構(gòu)建穩(wěn)定的無線網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備，配置插卡式無線控制器板卡，無線控制器AC負(fù)責(zé)管理園區(qū)所有無線AP。兩臺無線控制器通過虛擬化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)發(fā)及用戶的正常使用，構(gòu)建健壯的網(wǎng)絡(luò)核心。

考慮到無線WEB認(rèn)證方式下的終端認(rèn)證噪聲，認(rèn)證網(wǎng)關(guān)具備認(rèn)證噪聲過濾功能，減輕PORTA服務(wù)器壓力。認(rèn)證網(wǎng)關(guān)同樣具備大容量ARP及MAC地址表項(xiàng)，滿足園區(qū)后續(xù)扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的需要。

802.11ax是 802.11ac 以后無線局域網(wǎng)協(xié)議本身的進(jìn)一步擴(kuò)展，11ax支持2.4 GHz和5 GHz頻段，向下兼容11a/b/g/n/ac。其目標(biāo)是支持室內(nèi)室外場景、提高頻譜效率和密集用戶環(huán)境下4倍實(shí)際吞吐量提升[3]。802.11ax通過如下技術(shù)提升無線網(wǎng)絡(luò)性能：

2.1 ?提高有效時(shí)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(yīng)地，數(shù)據(jù)信息時(shí)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(shí)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(diào)方式 1024-QAM

802.11ac采用QAM調(diào)制方式。QAM調(diào)制是幅度調(diào)制和相位調(diào)制的結(jié)合。調(diào)制方式越高，每個(gè)符號包含的bit數(shù)越多，效率越高。802.11ac采用256QAM調(diào)制方式，一個(gè)傳輸符號對應(yīng)于256值中的一個(gè)，用8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)表示，每個(gè)傳輸符號攜帶8bit數(shù)據(jù)。為了進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)速率，802.11ax可以引入更高階的1024QAM，每個(gè)符號攜帶10bit數(shù)據(jù)[4]。

現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)中除了802.11ac的高速設(shè)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(wǎng)絡(luò)后對AP整體性能和資源均衡有很大拉低影響。X-speed技術(shù)的另一大功能就是公平調(diào)度，它主要根據(jù)終端流量的實(shí)時(shí)信息，預(yù)測終端流量，然后計(jì)算并調(diào)整AP和終端的空口帶寬，利用令牌桶原理進(jìn)行流量整線來實(shí)現(xiàn)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(shí)間，極大地解決了因終端無線網(wǎng)卡老舊或終端離AP較遠(yuǎn)而導(dǎo)致用戶無線上網(wǎng)延時(shí)大、速度慢、AP整機(jī)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(wǎng)體驗(yàn)[4]。

3 ? 場景化無線覆蓋的研究

針對科研園區(qū)的不同功能區(qū)域，無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋側(cè)重于實(shí)際應(yīng)用，全面覆蓋園區(qū)內(nèi)主要區(qū)域，為科研、辦公、教學(xué)及學(xué)習(xí)、生活、交流提供切實(shí)可用的、穩(wěn)定的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。隨著更多的信息化和數(shù)字化應(yīng)用的展開，人員之間通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行科研、教學(xué)互動，開放性互聯(lián)共享，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與觀測等越來越多，對無線網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求，無線網(wǎng)絡(luò)要具備更高的性能以支撐線上科研業(yè)務(wù)的暢通開展。

總體覆蓋主要考慮幾個(gè)功能區(qū)。包括科研辦公區(qū)域、公共區(qū)域、室外區(qū)域和宿舍區(qū)域，根據(jù)不同功能區(qū)及場景可具體分類：（1）科研辦公區(qū)域。包括科研樓、教學(xué)樓、行政辦公樓、實(shí)驗(yàn)樓、休息室等;（2）公共區(qū)域。包括會議室、報(bào)告廳、圖書館、食堂、活動室、門廳走廊等;（3）室外區(qū)域。校園內(nèi)主干道及室外運(yùn)動場、田徑場等;（4）公寓區(qū)域。專家公寓、人才公寓、學(xué)生公寓等[5]?？舍槍Σ煌膮^(qū)域進(jìn)行針對性的無線網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，并針對上述區(qū)域內(nèi)的不同場景，根據(jù)實(shí)際地勘的情況按照實(shí)際的規(guī)劃進(jìn)行部署，確保無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)全面的覆蓋和良好的使用效果。

3.1 科研辦公區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋

科研院所園區(qū)以科研、實(shí)驗(yàn)、辦公、教學(xué)為主要功能，除特殊功能實(shí)驗(yàn)用房對無線信號有規(guī)避要求外，均需要保證室內(nèi)無線信號全覆蓋。因此，科研區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)必須基于最新的802.11ax協(xié)議的構(gòu)建無線教學(xué)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)不同的樓體結(jié)構(gòu)及使用場景，針對不同的區(qū)域可進(jìn)行區(qū)別化部署。

（1）科研辦公室、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人員較少，需提供不少于 ? 30個(gè)終端的并發(fā)，采用面板AP部署的方式完全滿足正常上網(wǎng)需求。

（2）普通教室根據(jù)具體規(guī)模，可選擇提供不少于60個(gè)終端并發(fā)的普通放裝式AP，支持802.11ax協(xié)議，并根據(jù)教室規(guī)模部署AP位置和數(shù)量，以座位數(shù)為60個(gè)左右的教室為例，教室內(nèi)科部署一臺放裝型AP，將AP直接部署在覆蓋區(qū)域的天花板或墻壁上，單接入點(diǎn)可保證60個(gè)終端同時(shí)上網(wǎng)正常使用。

（3）階梯型教室、大型教學(xué)活動室或大型會議室，考慮到并發(fā)人數(shù)較多，教室面積較大采用高密放裝式AP進(jìn)行部署，支持802.11ax協(xié)議。高密AP直接部署在覆蓋區(qū)域的天花板或墻壁上，單接入點(diǎn)可保證120個(gè)終端并發(fā)使用，根據(jù)每個(gè)階梯教室和會議室的實(shí)際情況，靈活調(diào)整AP的部署數(shù)量，信道的劃分。

3.2 公共區(qū)域無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋

公共區(qū)域主要包括會議室、報(bào)告廳、圖書館、食堂、活動室、門廳走廊等，主要特點(diǎn)有人員集中，并發(fā)數(shù)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(qū)域區(qū)別化部署。

（1）會議室、報(bào)告廳、活動廳、食堂等區(qū)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(jìn)行覆蓋。

（2）圖書館、博物館、門廳走廊等區(qū)域雖然人流量較多，空間區(qū)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(qū)域，需要考慮高并發(fā)的同時(shí)，兼顧部分特殊場景的使用。參考實(shí)際區(qū)域的部署環(huán)境，重點(diǎn)參考AP并發(fā)及信號覆蓋半徑，針對密集區(qū)域，特別是有固定座位及人員常駐區(qū)域，采用高密AP進(jìn)行部屬。高密AP直接部署在覆蓋區(qū)域的天花板或墻壁上，單接入點(diǎn)可保證120個(gè)終端同時(shí)上網(wǎng)正常使用。

3.3 室外區(qū)域無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋

室外環(huán)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(diǎn)進(jìn)行覆蓋。室外智能型大功率802.11ac/802.11ax無線基站接入設(shè)備，能夠覆蓋更大的范圍。

室外無線接入點(diǎn)內(nèi)置天線，要求單射頻最大發(fā)射功率可達(dá)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(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。同時(shí)，通過專業(yè)的一體化室外設(shè)計(jì)，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(diào)試。

室外AP依靠天線向外發(fā)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(qū)域可選擇部署全向天線;在需要遠(yuǎn)距離覆蓋或覆蓋區(qū)域中有對信號產(chǎn)生衰減的物體遮擋時(shí)，選擇定向天線。

3.4 公寓區(qū)域無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋

公寓區(qū)域分為學(xué)生宿舍和人才專家公寓。學(xué)生宿舍人數(shù)多、空間小、終端種類多、并發(fā)終端數(shù)量，干擾較為嚴(yán)重。因此，需要采用目前業(yè)界較為成熟的智分方案進(jìn)行覆蓋。由智能主交換機(jī)和入室面板AP兩部分組成。一個(gè)主交換機(jī)設(shè)備，最多可支持接入24個(gè)面板入室AP。面板AP支持802.11ac WAVE 2，802.11ax標(biāo)準(zhǔn)，上行千兆端口到主交換機(jī)，下行2個(gè)有線端口，能夠給每個(gè)宿舍或區(qū)域提供高速千兆無線網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)提供宿舍內(nèi)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(qū)域劃分明確，類似普通家庭住戶對無線網(wǎng)絡(luò)的需求，其房間內(nèi)有線網(wǎng)口充足，可借助原網(wǎng)口選擇使用具備饋線型多級信號發(fā)送的AP，支持802.11ac WAVE 2、802.11ax標(biāo)準(zhǔn)，直接部署在覆蓋區(qū)域的天花板，通過饋線將發(fā)射器直接安裝在各房間的墻壁上，補(bǔ)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(wǎng)需求。

4 ? 結(jié)語

信息化時(shí)代下的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展日益提高，高質(zhì)量、高度便捷靈活性的無線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋是科研園區(qū)建設(shè)的重要部分，無線網(wǎng)絡(luò)由以往的有線網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充發(fā)展為逐步完整、獨(dú)立的新型接入骨干，伴隨著WiFi 6技術(shù)上的突破，打破了無線網(wǎng)的發(fā)展瓶頸，未來高速、便捷、高并發(fā)、高抗干擾的無線網(wǎng)絡(luò)將成為科研園區(qū)用網(wǎng)主流。因此，在結(jié)合最新WiFi 6技術(shù)的前提下，研究不同功能場景下的無線AP部署，實(shí)現(xiàn)有線與無線統(tǒng)一認(rèn)證管理的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可為園區(qū)信息化應(yīng)用提供強(qiáng)有力保障。

[參考文獻(xiàn)]

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[2]牛霞紅.試析校園無線網(wǎng)絡(luò)的部署和優(yōu)化[J].信息技術(shù)與信息化，2019（6）：114-116.

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

[5]楊朋.校園無線網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用的探討[J].數(shù)字通信世界，2019（1）：66.

[6]侯偉.無線局域網(wǎng)技術(shù)在校園網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用[J].信息與電腦（理論版），2020（22）：174-176.

（編輯 姚 鑫）