廣州商學(xué)院 謝新就

2020年被譽(yù)為WiFi 6普及的元年，智能互聯(lián)開啟了新一代智慧校園建設(shè)。本文介紹了WiFi 6的技術(shù)特點(diǎn)，著重探討了在高校智慧校園如何組建無線局域網(wǎng)絡(luò)，目的是希望促進(jìn)智慧校園體系框架與新一代通訊技術(shù)的智慧融合。

以5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等為代表的智能技術(shù)開創(chuàng)了一個(gè)全新智能時(shí)代，為智慧校園的發(fā)展建設(shè)帶來了全新動(dòng)力。在智慧校園的建設(shè)范疇中，校園網(wǎng)是連接各種業(yè)務(wù)平臺(tái)和教學(xué)設(shè)備的重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，為師生提供教學(xué)、生活、科研等一體化信息服務(wù)的重要載體。2020年的《政府工作報(bào)告》也明確要加強(qiáng)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，發(fā)展新一代信息網(wǎng)絡(luò)[1]。隨著802.11ax標(biāo)準(zhǔn)的到來，解決了傳統(tǒng)的WLAN組網(wǎng)有數(shù)據(jù)傳輸慢、信號(hào)差及網(wǎng)絡(luò)卡頓等問題，WiFi 6的目標(biāo)是提高頻譜效率、提升密集用戶實(shí)際吞吐量和支持室內(nèi)室外場(chǎng)景。如何利用新一代的業(yè)務(wù)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，組建滿足面向智能時(shí)代的校園網(wǎng)，促進(jìn)“智能+教育”的融合創(chuàng)新，成為一個(gè)重要的研究課題。

1 智慧校園網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求

隨著新的教學(xué)方式轉(zhuǎn)變和業(yè)務(wù)規(guī)模的擴(kuò)大，為了更好地提升學(xué)校辦公管理和日常教學(xué)的效率，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施已無法滿足校園信息化的發(fā)展需要，改造校園網(wǎng)也是當(dāng)務(wù)之急的。在未來，智慧校園將不斷深入發(fā)展和建設(shè)，逐步完善的智慧教學(xué)平臺(tái)、科研管理系統(tǒng)、OA系統(tǒng)、學(xué)工系統(tǒng)和校園安防系統(tǒng)等。另外，隨著平板和手機(jī)等智能終端數(shù)量的大幅提升和應(yīng)用，師生擁有一部或多部智能終端成為常態(tài)，對(duì)無線接入并發(fā)數(shù)量、帶寬、時(shí)延等提出了更高要求。目前無線網(wǎng)（WiFi）已經(jīng)從補(bǔ)充作用轉(zhuǎn)變?yōu)樾@網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，無線化已成為學(xué)校網(wǎng)絡(luò)的一種普遍訴求。通過此次全校范圍網(wǎng)絡(luò)的一體化建設(shè)，針對(duì)校園進(jìn)行無線（WiFi 6）全覆蓋，改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)無法滿足智慧校園建設(shè)步伐的現(xiàn)狀，為全校師生提供更加便利、穩(wěn)定和快速的無線校園網(wǎng)接入方式，同時(shí)實(shí)現(xiàn)校園網(wǎng)絡(luò)自主分權(quán)限、分時(shí)段、分區(qū)域的可控可管。

2 WiFi 6技術(shù)特性

WiFi 6即802.11ax，是當(dāng)前最新的第六代WiFi，支持5GHz和2.4GHz頻段，向下兼容11a/b/g/n/ac。WiFi 6引入了一系列新技術(shù)，相比WiFi 5，對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體性能進(jìn)行了優(yōu)化，主要特點(diǎn)在于大帶寬、低延遲、高并發(fā)、低功耗等。

2.1 OFDMA

OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交頻分多址技術(shù)），把帶寬分成正交互不重疊的子載波集。OFDMA可以針對(duì)用戶的需求，根據(jù)不同的流量擴(kuò)展資源（如流媒體和即時(shí)消息）,分配不同大小的資源單元，最大程度地優(yōu)化了系統(tǒng)資源[2]。這明顯提高了WiFi頻譜的復(fù)雜度，對(duì)物理層的時(shí)序同步、頻率對(duì)齊以及功率控制等提出了更高的要求[3]。

2.2 MU-MIMO

MU-MIMO（Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，多用戶多輸入多輸出）技術(shù)，分為上行技術(shù)和下行技術(shù)，802.11ax規(guī)定了下行和上行分別采用8×8的MU-MIMO。相比WiFi 5的MU-MIMO技術(shù)，WiFi 6引入了上行技術(shù)，并將上行和下行鏈路擴(kuò)展到8×8，上行和下行可同時(shí)連接用戶數(shù)增加到8個(gè)，提高了系統(tǒng)容量[4]。

2.3 1024-QAM

QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅調(diào)制），是一種將兩種條幅信號(hào)匯聚到一個(gè)信道的方法，對(duì)數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)使用星座圖來進(jìn)行。WiFi 6改進(jìn)了原有的調(diào)制編碼策略，將前一代的256-QAM優(yōu)化成1024-QAM，使星座圖中原來一個(gè)點(diǎn)可以帶動(dòng)的數(shù)據(jù)量從8個(gè)Bit提高到10個(gè)Bit[5]，其峰值速率達(dá)到9.6 Gbps。

2.4 休眠機(jī)制

為了適應(yīng)電池供電的終端設(shè)備，WiFi 6引入了TWT（TARget Wake Time，目標(biāo)喚醒時(shí)間）技術(shù)，無業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時(shí)自動(dòng)休眠，在業(yè)務(wù)需要時(shí)自動(dòng)喚醒，減少了傳輸沖突和信道競(jìng)爭(zhēng)，節(jié)儉了電量。休眠機(jī)制結(jié)合OFDMA的多用戶傳輸，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)奏相互一致的數(shù)據(jù)傳輸，縮短用戶傳輸?shù)捻憫?yīng)時(shí)間，一定程度上減少了電量消耗，從而提升設(shè)備續(xù)航時(shí)間。 從上述技術(shù)分析，WiFi 6的最重要改進(jìn)是允許更多設(shè)備接入到網(wǎng)絡(luò)且減少擁塞，并擁有一致的高速連接體驗(yàn)。WiFi 6不但能應(yīng)用于智慧園區(qū)、智能樓宇和智慧教室等聯(lián)網(wǎng)設(shè)備高密的場(chǎng)景，還可滿足體育場(chǎng)館、會(huì)議室、餐廳、圖書館等密集場(chǎng)所用戶無線上網(wǎng)需求。另外，WiFi 6使用了安全協(xié)議WPA 3，提高了安全性，對(duì)高校面臨的越來越嚴(yán)峻的網(wǎng)絡(luò)安全挑戰(zhàn)提供了技術(shù)保障[6]。

3 WiFi 6與5G的異同

WiFi 6與5G都實(shí)現(xiàn)了極高的峰值速率，在空口傳輸技術(shù)上有很多的共同點(diǎn)，但在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)組織、運(yùn)營(yíng)模式和應(yīng)用場(chǎng)景是很不同的。5G是面向大區(qū)域連接的公網(wǎng)，而WiFi 6是學(xué)校自建網(wǎng)的內(nèi)部局域網(wǎng)。在新基建時(shí)代，始于業(yè)務(wù)融合的需求，海量連接的挑戰(zhàn)，如智能互聯(lián)帶來的極高速率的需求、AR+VR技術(shù)等新興領(lǐng)域?qū)τ诘脱訒r(shí)的需求等。學(xué)校作為園區(qū)，在大數(shù)據(jù)技術(shù)、云服務(wù)與物聯(lián)融合及AI創(chuàng)新運(yùn)維的趨勢(shì)下，WiFi 6帶來的價(jià)值集中體現(xiàn)在提升效率、極致體驗(yàn)、廣泛連接和創(chuàng)新業(yè)務(wù)等方面上，通過融合連接 助推信息化轉(zhuǎn)型，打造出支持連接萬億設(shè)備、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云服務(wù)和AI技術(shù)等的智慧校園。

4 無線校園網(wǎng)的總體設(shè)計(jì)

為優(yōu)化校園網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，滿足廣大學(xué)生對(duì)無線校園網(wǎng)的需求，此次網(wǎng)絡(luò)改造對(duì)全校光纖主干網(wǎng)進(jìn)行重新鋪設(shè)，采用萬兆網(wǎng)絡(luò)接入樓宇。全校范圍共架設(shè)華為高質(zhì)量AP無線接入點(diǎn)5000多個(gè)，包括所有教學(xué)樓、圖書館、辦公樓、學(xué)生公寓、體育館和其他戶外區(qū)域，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)無線網(wǎng)絡(luò)（WiFi 6）校園全覆蓋。本系統(tǒng)主要包括網(wǎng)絡(luò)支撐與無線等設(shè)備，系統(tǒng)規(guī)劃拓?fù)鋱D如圖1所示。全網(wǎng)采用扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，架構(gòu)穩(wěn)定，各功能模塊分區(qū)清晰，易于維護(hù)和擴(kuò)展。采用雙核心進(jìn)行CSS2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)集群，保證設(shè)備冗余的同時(shí)，還能在網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)快速切換，保證全網(wǎng)穩(wěn)定性。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.1 Network topology

(1)路由節(jié)點(diǎn)：對(duì)接城市熱點(diǎn)認(rèn)證及計(jì)費(fèi)，用戶網(wǎng)關(guān)在ME60側(cè)，控制由ME60完成。負(fù)責(zé)所有用戶地址下發(fā)，學(xué)生及教師訪問Internet時(shí)通過此節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)；

(2)代撥節(jié)點(diǎn)：城市熱點(diǎn)代撥設(shè)備，所有學(xué)生用戶流量均通過此代撥設(shè)備認(rèn)證上網(wǎng)；

(3)防火墻：安全節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)對(duì)接原校園網(wǎng)絡(luò)及教師訪問Internet流量做NAT轉(zhuǎn)換；

(4)邊界網(wǎng)關(guān)：因網(wǎng)關(guān)設(shè)置ME60 Bras設(shè)備上，VxLAN網(wǎng)絡(luò)只做報(bào)文透?jìng)?，后續(xù)的互訪需要到網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行，用于Fabric網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)關(guān)間三層轉(zhuǎn)發(fā)；

(5)邊緣設(shè)備：用戶的VxLAN二下層網(wǎng)關(guān)，接入用戶的流量從這里進(jìn)入VxLAN網(wǎng)絡(luò)；

(6)接入設(shè)備（Wired）：校園有線接入節(jié)點(diǎn)，用戶從這里接入有線網(wǎng)并最終接入Fabric網(wǎng)絡(luò)，可以和Edge Node合一；

(7)接入設(shè)備（Wireless）：校園無線接入節(jié)點(diǎn)，用戶從這里接入無線網(wǎng)并最終接入Fabric網(wǎng)絡(luò)。

5 無線校園網(wǎng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)

隨著園區(qū)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模日益擴(kuò)大、方案日益復(fù)雜、變更更加頻繁、運(yùn)維更具有挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的園區(qū)網(wǎng)絡(luò)方案面臨巨大的挑戰(zhàn)，對(duì)運(yùn)維人員的要求越來越高、維護(hù)成本持續(xù)上升。在這些背景下，部署的自動(dòng)化越來越收到關(guān)注。

5.1 SDN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

核心匯聚網(wǎng)絡(luò)使用SDN+OverLay技術(shù)推出了解決方案，提供以網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)配置界面化、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維智能化為特點(diǎn)的端到端中大型網(wǎng)絡(luò)解決方案。SDN（Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡(luò)），其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的核心是在網(wǎng)絡(luò)中引入一個(gè)SDN控制器，是面向應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化部署，一般分為三層：應(yīng)用層、控制層和轉(zhuǎn)發(fā)層，如圖2所示。采用SDN技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)配置的界面化、自動(dòng)化，減小了網(wǎng)絡(luò)管理員對(duì)數(shù)通知識(shí)的依賴，并大大提升了部署效率。另外，SDN集中精細(xì)化運(yùn)維和管理，簡(jiǎn)化了管理，減少了工作量，節(jié)約了運(yùn)維費(fèi)用。

圖2 SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.2 SDN architecture

5.2 VxLAN 方案

VxLAN（Virtual eXtensible Local Area Network，虛擬擴(kuò)展局域網(wǎng)）是一種隧道技術(shù)，使用MAC in UDP的封裝方式，可以在三層網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上創(chuàng)建二層以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)隧道，從而完成跨區(qū)域的二層互連，根據(jù)業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)部署的位置可分為集中式VxLAN方案和分布式VxLAN方案。園區(qū)VxLAN通過Overlay虛擬化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)靈活部署業(yè)務(wù)并承載多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)。集中式VxLAN方案將用戶網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)集中設(shè)置在核心節(jié)點(diǎn)，子網(wǎng)間的流量都需要經(jīng)過核心設(shè)備，考慮到我校園區(qū)業(yè)務(wù)特點(diǎn)主要為南北向流量，集中式VxLAN東西向流量必須繞行核心的問題影響很小。分布式VxLAN方案將用戶網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)就近設(shè)置在掛載的匯聚節(jié)點(diǎn)，無需繞行至核心節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。另外，同一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)既可做VxLAN三層網(wǎng)關(guān)，也可做VxLAN二層網(wǎng)關(guān)，隨著園區(qū)規(guī)模不多增加，可以橫向擴(kuò)展匯聚節(jié)點(diǎn)增加網(wǎng)絡(luò)容量。

圖3 VxLAN方案Fig.3 VxLAN scheme

5.3 安全設(shè)計(jì)

隨著不斷升級(jí)的網(wǎng)絡(luò)安全挑戰(zhàn)，安全模型也需要轉(zhuǎn)變，構(gòu)建“事前發(fā)現(xiàn)、事中控制、事后追蹤”的主動(dòng)防控模式。從入口至終端，保障園區(qū)整個(gè)鏈路的信息安全。對(duì)于校園網(wǎng)，如圖1所示，在核心交換機(jī)與網(wǎng)絡(luò)路由器之間部署兩防火墻，雙防火墻的方式工作為主備或負(fù)載均衡方式連接。防火墻設(shè)備通過下聯(lián)核心交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同鏈路的統(tǒng)一管理與分配，包括支持多鏈路的流量和鏈路負(fù)載均衡和流量控 制以及安全防護(hù)功能，對(duì)內(nèi)外網(wǎng)訪問進(jìn)行控制管理。校園網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)和無線網(wǎng)通過萬兆鏈路互聯(lián)，通過動(dòng)態(tài) 路由協(xié)議互聯(lián)實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)可訪問，以及相關(guān)控制策略控制網(wǎng)絡(luò)隔離，保證鏈路的可靠性。

5.4 上網(wǎng)行為管理設(shè)計(jì)

隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，高強(qiáng)度IM技術(shù)、加密技術(shù)及P2P技術(shù)的結(jié)合，各類網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層出不窮，給電信網(wǎng)絡(luò)、校園網(wǎng)絡(luò)和最終用戶帶來多方面的安全威脅。部署華為Esight網(wǎng)管以及Campusinsight網(wǎng)絡(luò)分析器，實(shí)現(xiàn)對(duì)全校網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一管理與維護(hù)，全網(wǎng)無線體驗(yàn)以及運(yùn)維效果一覽無余，毫秒級(jí)數(shù)據(jù)采集以及故障分析告警。iMaster NCE-Campus是基于Web的集中式管理控制系統(tǒng)，支持用戶準(zhǔn)入管理、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分析、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析、網(wǎng)絡(luò)安全管理、告警和報(bào)表等特性，具備大數(shù)據(jù) 分析的能力。通過對(duì)用戶網(wǎng)絡(luò)訪問行為進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析流入本地IP網(wǎng)絡(luò)流量，判斷用戶的業(yè)務(wù)流量，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)和用戶興趣，根據(jù)制定好的策略對(duì)用戶的P2P數(shù)據(jù)流進(jìn)行控制，發(fā)掘業(yè)務(wù)增長(zhǎng)空間，為個(gè)性化運(yùn)營(yíng)提供依據(jù)，保證本地網(wǎng)安全。

6 無線場(chǎng)景規(guī)劃

在未來的數(shù)字化校園建設(shè)中，WiFi 6可提供廣泛的應(yīng)用，根據(jù)各類場(chǎng)景下不同智能終端接入性能需求、覆蓋、時(shí)延以及建網(wǎng)成本與運(yùn)維要求，建設(shè)一張高質(zhì)量的無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)泛在無線接入。

6.1 教室場(chǎng)景

教室是學(xué)校教育教學(xué)中最重要的場(chǎng)景之一，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量要求較高。教室的特點(diǎn)是用戶密度大，其 無線網(wǎng)絡(luò)（WiFi）接入用戶密度大約為2用戶/平米，在平時(shí)上課和自習(xí)等高峰時(shí)間段，承載觀看在線視頻、網(wǎng)上學(xué)術(shù)交流和即時(shí)查閱資料等重要的教學(xué)業(yè)務(wù)，且對(duì)視頻業(yè)務(wù)的KQI（關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)）和Web級(jí)別要求較高。智慧教室可用有線交換機(jī)與無線路由器構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層，一同覆蓋智慧教室。WiFi 6完全可與有線一起組成雙千兆，理論速度可達(dá)1.2Gbps，不僅如此，在延時(shí)和吞吐量上的顯著優(yōu)勢(shì)，能夠解決“海量”設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)的堵塞問題[7]。

6.2 辦公室、會(huì)議室等辦公場(chǎng)景

現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)辦公已成常態(tài)，基本可以通過無線網(wǎng)絡(luò)完成視頻電話、遠(yuǎn)程會(huì)議、線上交易等，這就對(duì)辦公無線網(wǎng)絡(luò)提出了更高要求。辦公室場(chǎng)景是無線網(wǎng)絡(luò)（WiFi）使用率比較高的區(qū)域，而會(huì)議室屬于流量突發(fā)型場(chǎng)景，平均2用戶/平米甚至更高，當(dāng)遇到大型學(xué)術(shù)報(bào)告或會(huì)議等活動(dòng)，用戶數(shù)會(huì)達(dá)到高峰。在做辦公類場(chǎng)景無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時(shí)，要使無線網(wǎng)絡(luò)在高密情況下依舊能提供良好的接入體驗(yàn)，需要充分考慮信道規(guī)劃、AP 容量及干擾抑制等方面。此類場(chǎng)景對(duì)Web、視頻、語音、IM、桌面共享及E-Mail等業(yè)務(wù)的KQI要求均較高，且隨著辦公區(qū)域內(nèi)的智能終端變多、帶寬提速等原因，因此需要擴(kuò)展新的網(wǎng)路設(shè)備，WiFi 6能讓多達(dá)256臺(tái)設(shè)備同一時(shí)間共享信道，即可實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)微信語音、視頻會(huì)議等業(yè)務(wù)流暢不卡頓。

6.3 安防系統(tǒng)

校園智慧安防系統(tǒng)將以預(yù)防和打擊違法犯罪為目的，在學(xué)校室內(nèi)的出入口和電梯間、樓梯轉(zhuǎn)角、主要走廊等處和學(xué)校室外的主要主干道、校園大門、周界、師生活動(dòng)場(chǎng)所、停車場(chǎng)等室外區(qū)域設(shè)立視頻監(jiān)控點(diǎn)（包含人臉門禁、人臉識(shí)別、車輛識(shí)別、行為分析等)。這也對(duì)校園的信息化建設(shè)提出了更高的要求，WiFi 6在OFDMA和上下行MU-MIMO技術(shù)的加持下，可優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源的分配和管理，從而實(shí)現(xiàn)海量接入、超高速、低時(shí)延等。在這種情況下，借助WiFi 6的優(yōu)勢(shì)，最終打造成一個(gè)高效率的信息化管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)突發(fā)事件的處置、車輛的智慧管控和人員的智能管理，構(gòu)建成智慧校園綜合安防新高度。

7 結(jié)語

隨著我校WiFi 6的部署和應(yīng)用，全校范圍高品質(zhì)無線WiFi 6網(wǎng)絡(luò)全覆蓋、暢通，辦公區(qū)域與學(xué)生宿舍區(qū)域網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一認(rèn)證，大幅提升了出口網(wǎng)絡(luò)帶寬，打造大量的智能感知環(huán)境，有效減少物力、人力的消耗，實(shí)現(xiàn)校園里和校園外的無障礙互聯(lián)和協(xié)助。在《構(gòu)筑先進(jìn)安全的國(guó)家高等教育和科技創(chuàng)新信息化基礎(chǔ)設(shè)施》的主題發(fā)言，中國(guó)工程院院士、清華大學(xué)教授吳建平指出：智慧校園的核心支撐平臺(tái)一定是互聯(lián)網(wǎng)。WiFi 6剛發(fā)布不久，需要設(shè)備支持，也需要技術(shù)積累和時(shí)間普及，在智慧校園建設(shè)中還有很大的想象空間和應(yīng)用潛力。