劉向明

(桐城師范高等?？茖W(xué)校，安徽 桐城 231400)

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，高校紛紛建立了校園網(wǎng)，為學(xué)校的數(shù)字化管理、多媒體教學(xué)、資源共享、教學(xué)資源庫(kù)的建設(shè)提供了基礎(chǔ)[1]。校園網(wǎng)的成功建設(shè)對(duì)于推動(dòng)我國(guó)高校教學(xué)改革，進(jìn)一步豐富校園精神文化生活具有非常積極的作用。

校園網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃對(duì)于構(gòu)建滿足各方使用需求并兼具經(jīng)濟(jì)性和發(fā)展性的高?；A(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有非常重要的意義[2-3]。文獻(xiàn)[4-6]研究了采用EPON(Ethernet Passive Optical Network)技術(shù)構(gòu)建校園網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)架構(gòu)，然而EPON對(duì)于實(shí)現(xiàn)圖書館、教室等場(chǎng)所的網(wǎng)絡(luò)覆蓋存在投入大、成效低等問題。WLAN(Wireless Local Area Networks)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，能夠應(yīng)用于不同的場(chǎng)合，具有完整的產(chǎn)業(yè)鏈以及非常豐富的產(chǎn)品[7-9]。目前，我國(guó)多數(shù)高校已經(jīng)成功部署了基于802.11b/g的校園無線網(wǎng)絡(luò)，部分學(xué)校甚至已經(jīng)實(shí)現(xiàn)WLAN覆蓋，能夠?yàn)閷W(xué)生提供無線網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。但是，現(xiàn)在使用的802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)存在一些不足。因此高校無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)還需要WLAN網(wǎng)絡(luò)的支撐[10-11]。

本文采用基于EPON承載WLAN網(wǎng)絡(luò)的方式構(gòu)建校園網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)的基于ADSL和LAN承載相比，采用本方案具有網(wǎng)絡(luò)搭建耗費(fèi)低，維護(hù)簡(jiǎn)便；具有較高的通信負(fù)載和穩(wěn)定的QoS服務(wù)質(zhì)量保證；兼容性強(qiáng)，EPON采用以太幀作為傳輸方式，高效的集成了成熟的以太網(wǎng)通訊技術(shù)，能夠平滑嫁接IP業(yè)務(wù)，可滿足WLAN不同業(yè)務(wù)的需求；服務(wù)覆蓋面積廣等優(yōu)勢(shì)。對(duì)校園信息點(diǎn)進(jìn)行了分析，首先構(gòu)建以EPON技術(shù)為基礎(chǔ)的校園無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型，在原有的總體結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)圖書館、宿舍樓、教學(xué)樓等無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋進(jìn)行了規(guī)劃設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

1 基于EPON技術(shù)的校園無線網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如果校園網(wǎng)絡(luò)接入方式不合理，會(huì)增加故障排查難度。一般來說，上聯(lián)的是重要設(shè)備，本地交換機(jī)和遠(yuǎn)端的機(jī)房建立直接連接。EPON網(wǎng)的設(shè)計(jì)堅(jiān)持獨(dú)立、實(shí)用、簡(jiǎn)單的基本原則，盡可能避免設(shè)備之間因不同的數(shù)據(jù)處理操作而帶來的影響。

圖1 基于EPON的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在搭建高校移動(dòng)校園網(wǎng)絡(luò)的過程中，樓宇位置以及無線網(wǎng)絡(luò)功能性應(yīng)該作為首要考慮因素。學(xué)校辦公樓、服務(wù)器位置是固定的，因此更多的采用FE的連接方式。在樓宇內(nèi)布置ONU，布線方式為綜合布線。如果布線距離在100m以內(nèi)，則選擇5類線連接，若用戶的接口比較多，那么也可以選擇在ONU模式下急需級(jí)聯(lián)交換機(jī)。

如果選擇上述連接方式，那么一個(gè)ONU下連接比較多的用戶。建議選擇比例為1：4或1：8的分光器。在學(xué)校內(nèi)，用戶流動(dòng)性相對(duì)比較強(qiáng)，因此寬帶連接方式可以選擇為EPON+WLAN，示意圖如圖2。

圖2 校園網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

對(duì)學(xué)校信息點(diǎn)的分析，如表1所示。

表1 學(xué)校信息點(diǎn)的分析表

2 圖書館網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃優(yōu)化

2.1 圖書館模型

圖3所示為圖書館建筑結(jié)構(gòu)模型示意圖。

圖3 圖書館結(jié)構(gòu)模型

2.2 校園圖書館寬帶覆蓋方式的設(shè)計(jì)

1、選擇合適的AP設(shè)備：選擇型號(hào)為P-720的AP雙射頻室內(nèi)型設(shè)備，RF模塊的工作頻段為2.4GHz，除此之外其他射頻模塊頻段為5.8GHz。

2、天線：設(shè)計(jì)采用寬帶吸頂天線，波段為800～2500MHz，增益為3DBI，葉角度360° × 55 °。

3、覆蓋范圍：帶吸頂天線，波瓣角360°× 55°，橫向?qū)崿F(xiàn)全覆蓋。建筑物到AP的距離為D，信號(hào)覆蓋的垂直高度為( 11π/36 ) × D。

4、天線安裝：吸頂天線安裝在庫(kù)內(nèi)天花板，實(shí)現(xiàn)庫(kù)的全范圍覆蓋。

5、水平覆蓋距離：將天線安裝在圖書館的天花板的位置，在距離天線20米范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)360°的區(qū)域覆蓋。

6、垂直罩的高度確定：寬頻天線安裝在圖書館天花板上。天線的垂直波瓣為55°，垂直罩高度為4.8米，電場(chǎng)強(qiáng)度除了在水平方向上能夠滿足需要外，還需要滿足垂直高度需求。

2.3 網(wǎng)絡(luò)容量

無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的基本要求是24000m2，根據(jù)每一個(gè)天線和AP的覆蓋范圍，預(yù)估至少安裝20個(gè)天線及AP。

假設(shè)AP支持IEEE802.11a/b/g的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，其中已知有兩個(gè)射頻模塊，每個(gè)模塊數(shù)據(jù)吞吐量為36MB/s。學(xué)校圖書館能夠提供最少720MB/s的網(wǎng)絡(luò)帶寬。P-720設(shè)備包含兩個(gè)RF模塊，按照每一個(gè)RF可以同時(shí)接入20個(gè)用戶來計(jì)算，那么如果40個(gè)用戶同時(shí)訪問P-720設(shè)備，就能夠提供20 AP的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，以支持800個(gè)并發(fā)用戶。如果選擇為1:2的比例樞紐，該庫(kù)可以有效接入的用戶數(shù)大約為1600個(gè)。

2.4 網(wǎng)絡(luò)覆蓋組網(wǎng)

學(xué)校圖書館包括瀏覽區(qū)和圖書存放區(qū)兩個(gè)區(qū)域。存放區(qū)域的用戶比較少，可以只設(shè)置一個(gè)AP，但是在學(xué)生學(xué)習(xí)瀏覽區(qū)域，根據(jù)用戶數(shù)量設(shè)置4AP。安裝在天花板上的設(shè)備，接口的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一為WLAN1 2.4GHz。天線射頻饋線能夠?qū)崿F(xiàn)全范圍的覆蓋。WLAN2的頻段設(shè)置為5.8GHz，直接連接鞭狀的天線，覆蓋局部區(qū)域。圖4為圖書館中的AP布置示意圖，同時(shí)可以看出2.4GHz和5.8GHz的頻率分配情況。

圖4 圖書館覆蓋組網(wǎng)示意圖

3 教學(xué)樓網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

3.1 教學(xué)樓模型

圖5為該學(xué)校的教學(xué)樓結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 教學(xué)樓模型

3.2 教學(xué)樓網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式的設(shè)計(jì)

1、選擇AP設(shè)備：“雙頻模式， 比如可用P-720型,雙射頻卡均符合IEEE802.11a/b/g標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率為2.4GHz或5.8GHz兩者之一，最大輸出功率需達(dá)到50mW (17dBm)”。

2、天線：選擇寬頻率定向吸頂式，頻段區(qū)間在800～2500MHz之間，可以實(shí)現(xiàn)7dBi增益幅度， 90°×80°葉角度，垂直極化。

3、覆蓋的距離：假設(shè)從建筑物到AP的長(zhǎng)度為D，則水平覆蓋距離應(yīng)達(dá)到(π/2 )×D,垂直高度需達(dá)到(4π/9)×D。

4、天線安裝：寬頻吸頂天線安裝在天花板之下，能夠覆蓋整改庫(kù)的范圍。

5、水平覆蓋：將天線安裝在教學(xué)樓的天花板的位置，在距離天線20米范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)360°全覆蓋。

6、垂直罩高度：“在教室旁走廊天花板上放置寬頻定向吸頂天線，吸頂天線垂直波瓣為80°，在距離天線距離8米的位置1米”。

7、教師的覆蓋范圍：“在所有走廊頂端位置安裝所選天線，每層N條走廊需要N個(gè)天線，2 個(gè)AP，整個(gè)教學(xué)樓需要 2N個(gè)AP，6N個(gè)天線，教學(xué)樓總覆蓋面積可達(dá)到72000m2”。

3.3 網(wǎng)絡(luò)容量

教學(xué)樓區(qū)域占地為72000m2，共設(shè)置12個(gè)AP設(shè)備和26個(gè)天線。一個(gè)802.11g標(biāo)準(zhǔn)的AP設(shè)備具有36MB/s的數(shù)據(jù)吞吐量，因此一個(gè)教學(xué)樓安裝12個(gè)AP設(shè)備就能夠提供400MB /s帶寬的網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)AP設(shè)備能服務(wù)40個(gè)用戶，所以教學(xué)樓中的無線網(wǎng)絡(luò)可以同時(shí)支持480個(gè)用戶訪問。如果比例樞紐確定為1:2，那么一共能夠?yàn)?60個(gè)用戶提供訪問服務(wù)。

3.4 覆蓋組網(wǎng)設(shè)計(jì)

單層教學(xué)樓區(qū)域的覆蓋組網(wǎng)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 單層教學(xué)樓區(qū)域的覆蓋組網(wǎng)設(shè)計(jì)示意圖

選擇一個(gè)頻段為2.4GHz和一個(gè)頻段為5.8GHz的室內(nèi)型AP設(shè)備，將其直接連接到吸頂天線的射頻模塊中，信號(hào)覆蓋教室全部范圍。通過分離器的裝置能夠?qū)⑵浞譃閮蓚€(gè)分支。教學(xué)樓走廊的天花板上安裝另一個(gè)定向天線，能夠?qū)崿F(xiàn)兩間教室的覆蓋。一層樓的六間教室共需要安裝2個(gè)AP設(shè)備和6個(gè)天線。天線接口的等效輻射功率應(yīng)該大于10dBm，選擇1、6、11的頻率。圖7為高校教學(xué)樓的4層、5層和6層網(wǎng)絡(luò)覆蓋組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7 教學(xué)樓4、5、6層樓的覆蓋組網(wǎng)

4 宿舍樓網(wǎng)絡(luò)的覆蓋設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.1 學(xué)生宿舍樓建筑模型

學(xué)生宿舍樓的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 宿舍樓模型

4.2 學(xué)生宿舍樓覆蓋方式的設(shè)計(jì)方案

1、選擇合適的AP設(shè)備：選擇型號(hào)為P-720的AP雙射頻內(nèi)型設(shè)備，RF模塊的工作頻段為2.4GHz，除此之外其他射頻模塊頻段為5.8GHz。

2、天線：設(shè)計(jì)采用寬帶吸頂天線，波段為800～2500，增益為3DBI，垂直波瓣角。

3、覆蓋范圍：帶吸頂天線，波瓣角360度× 55度，橫向?qū)崿F(xiàn)全覆蓋。建筑物到AP的距離為D，信號(hào)覆蓋的垂直高度為( 11π/36 ) × D。

4、天線安裝：吸頂天線安裝在宿舍走廊天花板，實(shí)現(xiàn)相鄰宿舍的無線網(wǎng)絡(luò)全范圍覆蓋。

5、水平覆蓋距離：在宿舍走廊的天花板上安裝天線，能夠?qū)崿F(xiàn)360 °的全覆蓋。如果考慮到墻壁帶來的衰減，則可以覆蓋的水平距離為10米。

6、垂直罩的安裝高度：寬頻天線安裝在走廊天花板上。天線的垂直波瓣為55°，垂直罩高度為4.8米，天花板距離地面的高度為3米，電場(chǎng)強(qiáng)度除了在水平方向上能夠滿足需要外，還需要滿足垂直高度需求。

4.3 網(wǎng)絡(luò)容量的計(jì)算

學(xué)校宿舍樓的(6層樓房)面積約9600m2，根據(jù)計(jì)算需要6個(gè)AP、30個(gè)吸頂天線，按照每個(gè)AP的最大吞吐量維18Mb/s，單棟樓房可接入的帶寬大于100Mb/s。假設(shè)一個(gè)AP設(shè)備能夠?yàn)?0個(gè)學(xué)生提供接入服務(wù)，那么無線網(wǎng)絡(luò)可以同時(shí)為120個(gè)用戶提供接入服務(wù)。本文設(shè)計(jì)的集線比設(shè)置為1：2，支持的同時(shí)訪問數(shù)量為240個(gè)學(xué)生。

4.4 覆蓋組網(wǎng)的設(shè)計(jì)

在弱電井之中設(shè)置AP設(shè)備，采用耦合器與天線相連。無線信號(hào)具有穿墻效果，從網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度、覆蓋面積和經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，一個(gè)天線可以覆蓋兩間宿舍。保證學(xué)生能夠順利使用無線網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備樓的網(wǎng)絡(luò)覆蓋組網(wǎng)如圖9所示。

圖9 宿舍樓房的單層覆蓋組網(wǎng)

在宿舍樓每一層的弱電井之中，布置分布式的AP設(shè)備，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的擴(kuò)展。AP設(shè)備的選擇建議采用500mW室內(nèi)AP。天線接口的EIRP應(yīng)該在大于10dBm的范圍內(nèi)，圖10為AP信道的分配模式和邏輯網(wǎng)構(gòu)成。

5 基于EPON技術(shù)的校園無線網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)

本文設(shè)計(jì)的基于EPON技術(shù)的校園無線的具有以下突出優(yōu)勢(shì)：

(1)在高校原有的交換式三層結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)更加便捷的校園網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院的學(xué)生宿舍尚未布置局域網(wǎng)，可以直接構(gòu)建EPON網(wǎng)絡(luò)；除此之外，能夠在原始的三層結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)的校園網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，將交換機(jī)直接接入。

(2)建設(shè)成本較低，可擴(kuò)展性強(qiáng)，維護(hù)和升級(jí)方便。EPON網(wǎng)絡(luò)通過POS和光纖等設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)OLT端到ONU端的連接，對(duì)機(jī)房、電源等沒有需求，也不需要有設(shè)備維護(hù)人員，極大的降低了建設(shè)和維護(hù)成本。

(3) 能夠提供比較高的帶寬。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，EPON已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)10Gb/s的帶寬。

(4) 較大的服務(wù)范圍。EPON構(gòu)建點(diǎn)達(dá)到多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，覆蓋范圍為扇形，能夠節(jié)約資源，為學(xué)生和教師提供更好的服務(wù)。

6 結(jié)論

基于EPON技術(shù)的高校網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)劃方案的提出與優(yōu)化，不僅能夠保留原來校園網(wǎng)主網(wǎng)的設(shè)備及資源，還能夠有效降低傳統(tǒng)局域網(wǎng)建設(shè)中存在的安全威脅等問題，確保校園網(wǎng)的安全性，提供更加完善優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)資源共享服務(wù)。

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