科研院所场景化无线网络建设研究

李健 赵增芳

摘 要：无线网络已成为科研园区开展信息化与数字化科研业务的重要支撑，它不仅为科研人员在国内外线上文献检索，实验数据采集、处理与传输等提供便捷服务，而且有力保障了物联网、智慧化园区和信息化平台的建设。文章旨在研究如何结合最新的无线WiFi 6技术，分析不同应用场景和科研业务需求，充分考虑场景化分布和智分技术，实现全园区无线网络覆盖，提出总体部署方案，为用户提供更方便灵活、高性能、高抗干扰性的网络资源共享服务。

关键词：科研院所;WiFi 6技术;场景化分布;信息化建设

0   引言

随着信息化与智能化水平的提高，各种要求高带宽、高灵活性应用层出不穷，很多智能化应用已在科研、教育、医疗、工程等领域发展使用。以科研领域为例，有虚拟现实（VR）、云教学、云会议、数据可视化、远程数据采集与观测等，科研工作者迫切需要具有信息无损传输、开放式共享、便捷互访、高速传递等特点的无线网络支撑科研活动[1]。根据需求的不断发展提高，无线网络技术也在不断进步，其在高带宽、高可靠性、高抗干扰、多并发、低延时、资源均衡等方面实现巨大突破，为科研资源共享、远程海量数据传输、数字化教学办公以及智慧化园区建设管理等方面提供重要支撑。

1 无线网络覆盖的解决分析

本文结合目前主流的无线WiFi 6技术（802.11ax）分析研究如何保证无线信号全园区覆盖，搭建高安全、高可靠的无线网络连接控制系统，构建有线无线一体化的运维管理平台，实现统一、安全的无线网络认证，服务科研、教学、办公并实现安全便捷接入的园区无线网，提升科研人员的网络使用体验，促进科学研究、信息化管理和服务的发展[2]。

科研园区根据使用场景选用不同类型无线AP进行部署，需使用具备802.11ax技术的无线AP，同时部署在2.4 G及5.8 G赫兹2个频段。室内无线AP通过六类网线连接楼层配线间内的POE交换机，POE交换机选用24口全千兆设备，满足高速接入的同时还可以给无线AP提供远端供电。各楼宇内部，若无线接入交换机数量多于5台，部署一台盒式汇聚交换机，汇聚与本校园无线核心之间采用万兆光纤上联。若接入交换机数量少于5台，则在接入交换机中选择一台作为汇聚，与园区核心之间采用万兆光纤进行互联。对于室外AP，优先考虑在具备POE交换机的楼宇旁进行部署，借助楼宇POE交换机进行供电以及数据传输，当室外AP的部署位置距离最近的POE交换机较远时，通过光纤链路进行互联，就近取电，确保AP的正常供电以及数据转发或采用具备光电混合供电传输功能的AP，通过光电混合缆实现与POE交换机数据转发和供电。

2   无线网建设架构与高性能研究

无线网的建设架构的原则是可靠性高、扩展性强、易于管理与维护，保证无线资源均衡。可部署两台无线网核心交换机，通过虚拟化技术VSU构建稳定的无线网络核心设备，配置插卡式无线控制器板卡，无线控制器AC负责管理园区所有无线AP。两台无线控制器通过虚拟化技术，实现相互之间冗余和备份，确保任意一台控制器的故障，均不会影响无线AP的正常转发及用户的正常使用，构建健壮的网络核心。

考虑到无线WEB认证方式下的终端认证噪声，认证网关具备认证噪声过滤功能，减轻PORTA服务器压力。认证网关同样具备大容量ARP及MAC地址表项，满足园区后续扁平化网络架构的需要。

802.11ax是 802.11ac 以后无线局域网协议本身的进一步扩展，11ax支持2.4 GHz和5 GHz频段，向下兼容11a/b/g/n/ac。其目标是支持室内室外场景、提高频谱效率和密集用户环境下4倍实际吞吐量提升[3]。802.11ax通过如下技术提升无线网络性能：

2.1  提高有效时间占比

802.11ax修改了子载波间隔，最小子载波间隔            （78.125 KHz）减小为802.11ac（312.5 KHz）的1/4;相应地，数据信息时间（12.8 us）也延长为802.11ac（3.2 us）的4倍，不过，802.11ax的帧间隔时间最短为0.8 us，长于802.11ac 的0.4 us。综合起来，GI开销从11.11%降到了5.88%，效率提升5.88%。

2.2  更高階调方式 1024-QAM

802.11ac采用QAM调制方式。QAM调制是幅度调制和相位调制的结合。调制方式越高，每个符号包含的bit数越多，效率越高。802.11ac采用256QAM调制方式，一个传输符号对应于256值中的一个，用8位二进制数据表示，每个传输符号携带8bit数据。为了进一步提升数据速率，802.11ax可以引入更高阶的1024QAM，每个符号携带10bit数据[4]。

现实网络中除了802.11ac的高速设备外，还有大量只支持802.11b/g/n和802.11a/n的低速率终端，此类终端接入网络后对AP整体性能和资源均衡有很大拉低影响。X-speed技术的另一大功能就是公平调度，它主要根据终端流量的实时信息，预测终端流量，然后计算并调整AP和终端的空口带宽，利用令牌桶原理进行流量整线来实现无线空口资源的公平占用。这就为802.11g，802.11n，802.11ac等不同类型的终端提供相同的访问时间，极大地解决了因终端无线网卡老旧或终端离AP较远而导致用户无线上网延时大、速度慢、AP整机性能低下的问题，有效地提升了低速终端的性能，保证用户无论使用何种类型的终端，都将在相同的位置上获得同样良好的无线上网体验[4]。

3   场景化无线覆盖的研究

针对科研园区的不同功能区域，无线网络覆盖侧重于实际应用，全面覆盖园区内主要区域，为科研、办公、教学及学习、生活、交流提供切实可用的、稳定的无线网络环境。随着更多的信息化和数字化应用的展开，人员之间通过无线网络进行科研、教学互动，开放性互联共享，远程数据实时采集与观测等越来越多，对无线网络提出了更高的要求，无线网络要具备更高的性能以支撑线上科研业务的畅通开展。

总体覆盖主要考虑几个功能区。包括科研办公区域、公共区域、室外区域和宿舍区域，根据不同功能区及场景可具体分类：（1）科研办公区域。包括科研楼、教学楼、行政办公楼、实验楼、休息室等;（2）公共区域。包括会议室、报告厅、图书馆、食堂、活动室、门厅走廊等;（3）室外区域。校园内主干道及室外运动场、田径场等;（4）公寓区域。专家公寓、人才公寓、学生公寓等[5]。可针对不同的区域进行针对性的无线网网络设计，并针对上述区域内的不同场景，根据实际地勘的情况按照实际的规划进行部署，确保无线网络建设全面的覆盖和良好的使用效果。

3.1 科研办公区无线网络覆盖

科研院所园区以科研、实验、办公、教学为主要功能，除特殊功能实验用房对无线信号有规避要求外，均需要保证室内无线信号全覆盖。因此，科研区无线网络必须基于最新的802.11ax协议的构建无线教学网络，根据不同的楼体結构及使用场景，针对不同的区域可进行区别化部署。

（1）科研办公室、实验室内人员较少，需提供不少于   30个终端的并发，采用面板AP部署的方式完全满足正常上网需求。

（2）普通教室根据具体规模，可选择提供不少于60个终端并发的普通放装式AP，支持802.11ax协议，并根据教室规模部署AP位置和数量，以座位数为60个左右的教室为例，教室内科部署一台放装型AP，将AP直接部署在覆盖区域的天花板或墙壁上，单接入点可保证60个终端同时上网正常使用。

（3）阶梯型教室、大型教学活动室或大型会议室，考虑到并发人数较多，教室面积较大采用高密放装式AP进行部署，支持802.11ax协议。高密AP直接部署在覆盖区域的天花板或墙壁上，单接入点可保证120个终端并发使用，根据每个阶梯教室和会议室的实际情况，灵活调整AP的部署数量，信道的划分。

3.2 公共区域无线网络覆盖

公共区域主要包括会议室、报告厅、图书馆、食堂、活动室、门厅走廊等，主要特点有人员集中，并发数较多，但由于功能不同无线部署又突出场景差异，因此需对不同区域区别化部署。

（1）会议室、报告厅、活动厅、食堂等区域人流量大，空间开放，为典型的高密度覆盖场景，使用高密AP进行覆盖。

（2）图书馆、博物馆、门厅走廊等区域虽然人流量较多，空间区域相对来说较为开放，但同样具备一定的办公及功能隔断，针对此类区域，需要考虑高并发的同时，兼顾部分特殊场景的使用。参考实际区域的部署环境，重点参考AP并发及信号覆盖半径，针对密集区域，特别是有固定座位及人员常驻区域，采用高密AP进行部属。高密AP直接部署在覆盖区域的天花板或墙壁上，单接入点可保证120个终端同时上网正常使用。

3.3 室外区域无线网络覆盖

室外环境需要考虑温度、湿度、防雷等多方面因素，因此需要专门的室外无线接入点进行覆盖。室外智能型大功率802.11ac/802.11ax无线基站接入设备，能够覆盖更大的范围。

室外无线接入点内置天线，要求单射频最大发射功率可达500 mW，能够针对性地有效解决室外WLAN覆盖各种问题，提高WLAN室外覆盖准确性和稳定性。同时，通过专业的一体化室外设计，至少具备IP68防水防尘等级和大范围宽温工作能力，方便室外的安装和调试。

室外AP依靠天线向外发射信号，天线有两种：全向天线和定向天线。在路口、小广场等较开阔区域可选择部署全向天线;在需要远距离覆盖或覆盖区域中有对信号产生衰减的物体遮挡时，选择定向天线。

3.4 公寓区域无线网络覆盖

公寓区域分为学生宿舍和人才专家公寓。学生宿舍人数多、空间小、终端种类多、并发终端数量，干扰较为严重。因此，需要采用目前业界较为成熟的智分方案进行覆盖。由智能主交换机和入室面板AP两部分组成。一个主交换机设备，最多可支持接入24个面板入室AP。面板AP支持802.11ac WAVE 2，802.11ax标准，上行千兆端口到主交换机，下行2个有线端口，能够给每个宿舍或区域提供高速千兆无线网络，同时提供宿舍内部有线台式电脑的接入[6]。

人才和专家公寓多为套间式空间，功能区域划分明确，类似普通家庭住户对无线网络的需求，其房间内有线网口充足，可借助原网口选择使用具备馈线型多级信号发送的AP，支持802.11ac WAVE 2、802.11ax标准，直接部署在覆盖区域的天花板，通过馈线将发射器直接安装在各房间的墙壁上，补充因间隔隔断造成的信号衰减，满足不同房间对电视、智能家居、便携式终端的用网需求。

4   结语

信息化时代下的网络技术发展日益提高，高质量、高度便捷灵活性的无线网络全覆盖是科研园区建设的重要部分，无线网络由以往的有线网络的补充发展为逐步完整、独立的新型接入骨干，伴随着WiFi 6技术上的突破，打破了无线网的发展瓶颈，未来高速、便捷、高并发、高抗干扰的无线网络将成为科研园区用网主流。因此，在结合最新WiFi 6技术的前提下，研究不同功能场景下的无线AP部署，实现有线与无线统一认证管理的独立网络结构，可为园区信息化应用提供强有力保障。

[参考文献]

[1]侯伟.无线局域网技术在校园网建设中的应用[J].信息与电脑（理论版），2020（22）：174-176.

[2]牛霞红.试析校园无线网络的部署和优化[J].信息技术与信息化，2019（6）：114-116.

[3]白娟，李鹏.WI-FI 6技术助力校园无线网络建设[J].电脑知识与技术，2020（25）：59-61，63.

[4]陈发堂，张志豪，李贺宾，等.802.11ax系统中基于OFDMA调度接入的公平性资源分配算法[J].系统工程与电子技术，2021（5）：1-10.

[5]杨朋.校园无线网组网技术及应用的探讨[J].数字通信世界，2019（1）：66.

[6]侯伟.无线局域网技术在校园网建设中的应用[J].信息与电脑（理论版），2020（22）：174-176.

（编辑 姚 鑫）