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摘 要：随着5G网络技术的发展，以有线网络为主的高校校园网面临转型，校园无线局域网伴随众多移动智能设备的普及，成为校园网的重要组成及发展趋势。为探究5G网络背景下高校校园网无线局域网设计实施情况，结合校园网建设实际，提出整体设计方案，并分析方案实施的可行性，最后结合技术要求，对校园无线局域网实施方案进行深入分析，提出针对性建议。
关键词：5G 数字校园 校园网 无线局域网
中图分类号：TP311 文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）04（b）-0143-03
Research on the Implementation of Wireless Local Area Network in University Campus Based on 5G Network
XU Xuehui
（College of Technology and Engineering， Lanzhou University of Technology， Lanzhou， Gansu Province， 730300 China）
Abstract： With the development of 5G network technology， college campus networks based on wired networks are facing transformation， and campus wireless local area networks have become an important component and development trend of campus networks along with the popularization of many mobile smart devices. In order to explore the design and implementation of campus wireless local area network in colleges and universities under the background of 5G network， combine the actual construction of campus network， put forward an overall design plan， and analyze the feasibility of the implementation of the plan， and finally combine the technical requirements， conduct an in-depth analysis of the campus wireless local area network implementation plan， and propose targeted recommendations.
Key Words： 5G; Digital campus; Campus network; Wireless local area network
數字化校园是信息互联时代高校信息化建设水平的重要指标，校园网是高校教学、科研、现代化管理的重要平台，不仅为校内教科研即管理工作提供了极大的便利，而且也极大拓展了高校间交流发展的时间与空间维度。随着5G移动互联的快速发展，智慧校园建设成为发展趋势，教学信息化也由1.0向2.0时代转变，依托5G网络与Wi-fi技术的无线校园网络，能够为学校师生提供更为优质、便捷的服务。比如5G通信技术与无线校园网能够促进线上线下课程无缝融合，能够促进多种教学模式的开展。
1 校园无线局域网的设计方案与可行性分析
1.1 需求分析
以某高校无线校园网建设出发，根据目前有线校园网建设情况，以及无线校园网建设现状与发展规划，从实际出发，进行无线校园局域网的需求分析，结合最新技术，以5G应用为契机，规划该校无线局域网建设方案。从校园网的内涵来看，以校园为界限，校外为广域网，而校内则为校园网，实际上校园无线局域网非以地理概念进行界定，而是以使用校园网内部提供的服务资源相关范围进行界定。正因此，基于5G网络的高效校园局域网方案，应从需求侧进行需求分析，结合服务需求合理设计。
在传统校园网的基础上，基于5G网络的无线校园局域网覆盖侧重实际应用，包括教学、科研、管理等。无线校园局域网的应用对象主要是在校师生，以教学、科研内容为主，应用群体具有一定的集中性，而且提出高效、安全、便利的要求，因此在使用时段分布、使用区域分布的基础上，合理规划无线网络的组网方式，在全校范围内进行有效覆盖。总体来看，学生宿舍、教学楼等是使用较为集中的区域，使用业务主要设计网络浏览、文献下载、在线学习、在线教学、影音及学习资料下载与共享、在线娱乐、在线视频交流等对数据处理要求较高的内容，这要求校园无线局域网对数据处理的能力较强。无线校园局域网整体上设计三层机构，及接入层、汇聚层与核心层，其中接入层负责数据接收与设备统一管理;汇聚层负责汇聚接入层接受的数据，具备源地址或目的地址过滤、路由管理等功能;核心层应满足容错性、高效性、可靠性、冗余性、低延迟、适应性等要求，采用双冗余负载均衡设计。无线校园局域网需具备移动、联通、电信等多服务提供商接口，使用户能够通过多路径访问互联网资源。
性能需求方面，考虑到无线校园网对数据处理的要求，核心网络平台的核心层采用双核心设计，着力做到高效。考虑到无线网络信号的开放性特征，对信号干扰因素进行分析，根据AP信号有效范围合理规划，做到数据传输的安全性与高质量。在技术标准的确定上，选择兼容性很强的IEEE 802.11n技术标准，以满足无线校园网适用范围广、适用人群规模大的要求。 1.2 整体设计方案
基于以上需求分析，无线校园网的网络架构技术选择WLAN Fit AP+AC集中转发方式组网的形式，此外，考虑到高校校园范围较大，且无线校园网络的主要使用区域是教学楼、宿舍楼、办公楼、图书馆等，对于其他空旷地区，则可使用WLAN无线信号与5G信号灵活、快速切换的方式，为师生提供更快捷的无线信号[1]。整体设计方案的具体描述如下。
（1）接入技术选取瘦AP（Fit AP）接入，无线网络与有线网络的外部互联网接入统一采用BRAS，无线校园网采用动态DHCP接入方式，使用两台BRAS认证网关，3个SSID，满足移动、联通、电信等多服务商提供多业务边缘MSE设备，同时使该无线校园网核心设备满足扩容发展需求。
（2）无线网络核心交换机选择需满足可靠性设计、硬件自保护、模块化结构等要求，采用H3P S10510交换机，满足分布性强、可靠性高的要求，同时支持IPv4与IPv6。
（3）无线接入设备供电方式采用POE供电，确保传输数据信号正常的同时，最大限度降低高校校园网建设成本，并实现无线校园网建设要求。所有无线接入点AP的接入均由POE交换机负责，并提供AP供电，同时POE交换机还应具备ARP检测功能。POE交换机功能的选取，需结合宿舍区、教学区、办公区等区域要求合理选择。
（4）无线校园网频率采用2.4GHz与5.8GHz混合使用的方式，使用IEEE 802.11AC标准技术，实现校园内全覆盖[2]。
（5）考虑到无线校园网的主要使用群体为学生，宿舍区与教学区为重点使用区域，且使用规模较大，因此在IP地址规划时采用DHCP动态分配的方法，并且校园网内采用私网IP地址，经过出口网关时通过NAT转换为公网IP地址。此外在宿舍区、教学区与办公区科学设置IP地址分区，宿舍区与教学区的外网接入由移动、联通、电信等服务商提供，私网IP地址采用A类地址，子网掩码为8位，办公区域则采用C类私网地址，子网掩码为20位。
（6）高校无线校园网的设计是在原有校园网的基础上进行优化设计，在使用方面也追求便捷性，因此无线校园网认证系统设计，在综合分析了802.1X、WEB Portal、PPPoE等技术认证之后，在本方案中使用wx6112E中IAG插卡结合IMCUAM组件的方式，使用两块IAG插卡通过VRRP，提供Portal服务。
（7）无线校园网为师生提供服务的一个典型特点是移动性，即为师生的移动智能终端提供服务，且保证网络信息号的稳定性，用户在移动使用過程中网络服务不间断，因此需要对无线网络进行漫游设计。网络接入认证过程：发出物理层请求→MAC层发出并完成认证→通过认证协议并调用加密资源→完成数据业务处理。漫游时认证处理：认证网络并将STA中PMK存储于Cache内→从STA发给New AP一个认证达到利用PMK Cache目的→STA使用PMK与新的AP协商并认证→完成协商并由STA进行数据传输。
（8）无线校园网的网络管理软件需具备以下功能：零配置安装、防盗防入侵、支持灵活的拓扑结构、自动设置发射功率和分配射频信道、基于身份的组网、辅助网归。师生使用无线校园网时需使用分配的用户名与密码登录[3]。
1.3 可行性分析
从工程施工来看，无线校园网建设不需要过多的管线埋设，只需要在楼宇合适位置设置一个或多个接入点信号AP即可实现无线信号全覆盖。从网络安全性来看，无线网络有限避免网线损坏与故障，提升了网络安全性，且无线信号具有较高的安全性，信号窃取困难，在网络隔离与认证技术的支持下，网络安全性较高。从建设成本来看，由于不需要太多的埋线，使其建设、保养、维护费用大幅降低。从易扩展性来看，无线校园网不需要独立的线路，且无线设备有较高的易扩展特征，这使得后期升级扩容较为容易。从覆盖区域来看，无线校园网基本可以覆盖整个校园，并且可以与5G信号良好切换。因此基于5G网络的无线校园网建设方案具有较强的可行性[4]。
2 校园无线局域网实施分析
2.1 校园无线局域网项目
以某高校为例，对无线校园网络进行优化设计，先将其视为一个整体项目，项目的实施首先要充分调查分析用户实际情况，然后明确无线校园网的实际用途，再确定具体实施方案[5]。高校无线校园网侧重实际应用，以师生为主要用户，使用内容主要是教学、科研与学习，用户多集中于宿舍、教学楼、办公楼、图书馆等区域，结合这些实际情况合理规划组网方式。项目方案实施中，无线校园网采用FiT AP架构，无线控制器+无线AP模式，总体原则上重视实际应用，便于师生接入网络，采用先进、适合高校实际情况的无线网络协议标准，满足兼容要求，提供稳定的无线网络通信。此外，对无线校园网使用认证系统进行管理，使用统一的用户名与账号登录。
2.2 无线局域网技术分析
无线校园网既要满足师生使用中的信号强度，同时又要符合国家相关标准，合理设计输出信号强度[6]。采用2.4GHz与5.8GHz两个频道来满足网络接入，便于后期扩容，以及5G网络的要求。无线网络信号接入与无线传输既要保持前瞻性，同时还需满足亦有的无线网卡使用，通过IEEE 802.11a、IEEE 802.11b/g、IEEE 802.11n、IEEE 802.11ac等无线传输协议来实现高速接入。为避免统一接入点的用户信息泄露，采用无线接入用户隔离的方式，确保安全。考虑到移动使用的特点，无线校园网无线接入设备自动对数据进行分流处理，并在5G网络的配合下，实现信号使用稳定。
2.3 校园无线局域网实施方案
在方案具体实施时，宿舍区要考虑宿舍房间数量、宿舍内学生使用的移动终端数量，以802.11ac技术的分布式AP实现双拼覆盖，5G频段最高速率达1Gbps。为实现网络兼容，主体AP支持IPv4/IPv6双协议栈，分体AP支持802.11ac千兆无线接入。室外AP采用全向天线，汇聚交换机支持IPv4/IPv6双协议栈，支持平滑扩容。教学区、办公区以及室外其他区域，在用户相对集中的地方，采用“放装”模式部署AP，室外AP实现移动云接入服务，交换机采用性价比高的H3H S5110系列产品。
3 结语
在无线校园网设计方案实施之前，先对方案进行性能测试，采用笔记本运行专用测试软件“Wireless Mon”进行测试。测试结果显示，校园内主要使用区域信号强度符合要求，且信号稳定，传输速率较高。采用“Network Stumbler”软件测试无线校园网系统信噪比，结果所测试区域用户端无线网卡接收到的信噪比均符合要求。
通过调查与测试可知，该无线校园网方案具有较高的可行性，测试效果良好，能够稳定地为师生教学、科研与学习提供优质无线信号服务。无线校园网是今后高校数字校园与智慧校园发展的趋势，在无线校园网设计时，需要结合高校实际情况，设计科学合理的方案，并着眼未来更多、更先进的无线网络技术，在无线校园网设计方案中保持可扩展性与兼容性，以便后期扩容与升级。
参考文献
[1] 赵子昂.校园无线局域网络支持下智能监控系统设计[J].电子制作，2019（4）：3-47.
[2] 郑化浦.高校无线校园网方案设计与实现[D].郑州：郑州大学，2016.
[3] 王明远.基于5G的物联网技术在智慧校园建设中的应用分析[J].大众标准化，2020（1）：63-64.
[4] 杨彬.基于5G技术高校智慧校园的应用研究[J].产业科技创新，2019（10）：21-22.
[5] 冯科.智慧校园平台设计与实现——以济宁学院为例[D].青岛：青岛科技大学，2018.
[6] 覃德泽，李立信.高校智慧校园网中物联网、5G、云计算及IPv6的融合问题探讨[J].网络安全技术与应用，2019（12）：104-106.
关键词：5G 数字校园 校园网 无线局域网
中图分类号：TP311 文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）04（b）-0143-03
Research on the Implementation of Wireless Local Area Network in University Campus Based on 5G Network
XU Xuehui
（College of Technology and Engineering， Lanzhou University of Technology， Lanzhou， Gansu Province， 730300 China）
Abstract： With the development of 5G network technology， college campus networks based on wired networks are facing transformation， and campus wireless local area networks have become an important component and development trend of campus networks along with the popularization of many mobile smart devices. In order to explore the design and implementation of campus wireless local area network in colleges and universities under the background of 5G network， combine the actual construction of campus network， put forward an overall design plan， and analyze the feasibility of the implementation of the plan， and finally combine the technical requirements， conduct an in-depth analysis of the campus wireless local area network implementation plan， and propose targeted recommendations.
Key Words： 5G; Digital campus; Campus network; Wireless local area network
數字化校园是信息互联时代高校信息化建设水平的重要指标，校园网是高校教学、科研、现代化管理的重要平台，不仅为校内教科研即管理工作提供了极大的便利，而且也极大拓展了高校间交流发展的时间与空间维度。随着5G移动互联的快速发展，智慧校园建设成为发展趋势，教学信息化也由1.0向2.0时代转变，依托5G网络与Wi-fi技术的无线校园网络，能够为学校师生提供更为优质、便捷的服务。比如5G通信技术与无线校园网能够促进线上线下课程无缝融合，能够促进多种教学模式的开展。
1 校园无线局域网的设计方案与可行性分析
1.1 需求分析
以某高校无线校园网建设出发，根据目前有线校园网建设情况，以及无线校园网建设现状与发展规划，从实际出发，进行无线校园局域网的需求分析，结合最新技术，以5G应用为契机，规划该校无线局域网建设方案。从校园网的内涵来看，以校园为界限，校外为广域网，而校内则为校园网，实际上校园无线局域网非以地理概念进行界定，而是以使用校园网内部提供的服务资源相关范围进行界定。正因此，基于5G网络的高效校园局域网方案，应从需求侧进行需求分析，结合服务需求合理设计。
在传统校园网的基础上，基于5G网络的无线校园局域网覆盖侧重实际应用，包括教学、科研、管理等。无线校园局域网的应用对象主要是在校师生，以教学、科研内容为主，应用群体具有一定的集中性，而且提出高效、安全、便利的要求，因此在使用时段分布、使用区域分布的基础上，合理规划无线网络的组网方式，在全校范围内进行有效覆盖。总体来看，学生宿舍、教学楼等是使用较为集中的区域，使用业务主要设计网络浏览、文献下载、在线学习、在线教学、影音及学习资料下载与共享、在线娱乐、在线视频交流等对数据处理要求较高的内容，这要求校园无线局域网对数据处理的能力较强。无线校园局域网整体上设计三层机构，及接入层、汇聚层与核心层，其中接入层负责数据接收与设备统一管理;汇聚层负责汇聚接入层接受的数据，具备源地址或目的地址过滤、路由管理等功能;核心层应满足容错性、高效性、可靠性、冗余性、低延迟、适应性等要求，采用双冗余负载均衡设计。无线校园局域网需具备移动、联通、电信等多服务提供商接口，使用户能够通过多路径访问互联网资源。
性能需求方面，考虑到无线校园网对数据处理的要求，核心网络平台的核心层采用双核心设计，着力做到高效。考虑到无线网络信号的开放性特征，对信号干扰因素进行分析，根据AP信号有效范围合理规划，做到数据传输的安全性与高质量。在技术标准的确定上，选择兼容性很强的IEEE 802.11n技术标准，以满足无线校园网适用范围广、适用人群规模大的要求。 1.2 整体设计方案
基于以上需求分析，无线校园网的网络架构技术选择WLAN Fit AP+AC集中转发方式组网的形式，此外，考虑到高校校园范围较大，且无线校园网络的主要使用区域是教学楼、宿舍楼、办公楼、图书馆等，对于其他空旷地区，则可使用WLAN无线信号与5G信号灵活、快速切换的方式，为师生提供更快捷的无线信号[1]。整体设计方案的具体描述如下。
（1）接入技术选取瘦AP（Fit AP）接入，无线网络与有线网络的外部互联网接入统一采用BRAS，无线校园网采用动态DHCP接入方式，使用两台BRAS认证网关，3个SSID，满足移动、联通、电信等多服务商提供多业务边缘MSE设备，同时使该无线校园网核心设备满足扩容发展需求。
（2）无线网络核心交换机选择需满足可靠性设计、硬件自保护、模块化结构等要求，采用H3P S10510交换机，满足分布性强、可靠性高的要求，同时支持IPv4与IPv6。
（3）无线接入设备供电方式采用POE供电，确保传输数据信号正常的同时，最大限度降低高校校园网建设成本，并实现无线校园网建设要求。所有无线接入点AP的接入均由POE交换机负责，并提供AP供电，同时POE交换机还应具备ARP检测功能。POE交换机功能的选取，需结合宿舍区、教学区、办公区等区域要求合理选择。
（4）无线校园网频率采用2.4GHz与5.8GHz混合使用的方式，使用IEEE 802.11AC标准技术，实现校园内全覆盖[2]。
（5）考虑到无线校园网的主要使用群体为学生，宿舍区与教学区为重点使用区域，且使用规模较大，因此在IP地址规划时采用DHCP动态分配的方法，并且校园网内采用私网IP地址，经过出口网关时通过NAT转换为公网IP地址。此外在宿舍区、教学区与办公区科学设置IP地址分区，宿舍区与教学区的外网接入由移动、联通、电信等服务商提供，私网IP地址采用A类地址，子网掩码为8位，办公区域则采用C类私网地址，子网掩码为20位。
（6）高校无线校园网的设计是在原有校园网的基础上进行优化设计，在使用方面也追求便捷性，因此无线校园网认证系统设计，在综合分析了802.1X、WEB Portal、PPPoE等技术认证之后，在本方案中使用wx6112E中IAG插卡结合IMCUAM组件的方式，使用两块IAG插卡通过VRRP，提供Portal服务。
（7）无线校园网为师生提供服务的一个典型特点是移动性，即为师生的移动智能终端提供服务，且保证网络信息号的稳定性，用户在移动使用過程中网络服务不间断，因此需要对无线网络进行漫游设计。网络接入认证过程：发出物理层请求→MAC层发出并完成认证→通过认证协议并调用加密资源→完成数据业务处理。漫游时认证处理：认证网络并将STA中PMK存储于Cache内→从STA发给New AP一个认证达到利用PMK Cache目的→STA使用PMK与新的AP协商并认证→完成协商并由STA进行数据传输。
（8）无线校园网的网络管理软件需具备以下功能：零配置安装、防盗防入侵、支持灵活的拓扑结构、自动设置发射功率和分配射频信道、基于身份的组网、辅助网归。师生使用无线校园网时需使用分配的用户名与密码登录[3]。
1.3 可行性分析
从工程施工来看，无线校园网建设不需要过多的管线埋设，只需要在楼宇合适位置设置一个或多个接入点信号AP即可实现无线信号全覆盖。从网络安全性来看，无线网络有限避免网线损坏与故障，提升了网络安全性，且无线信号具有较高的安全性，信号窃取困难，在网络隔离与认证技术的支持下，网络安全性较高。从建设成本来看，由于不需要太多的埋线，使其建设、保养、维护费用大幅降低。从易扩展性来看，无线校园网不需要独立的线路，且无线设备有较高的易扩展特征，这使得后期升级扩容较为容易。从覆盖区域来看，无线校园网基本可以覆盖整个校园，并且可以与5G信号良好切换。因此基于5G网络的无线校园网建设方案具有较强的可行性[4]。
2 校园无线局域网实施分析
2.1 校园无线局域网项目
以某高校为例，对无线校园网络进行优化设计，先将其视为一个整体项目，项目的实施首先要充分调查分析用户实际情况，然后明确无线校园网的实际用途，再确定具体实施方案[5]。高校无线校园网侧重实际应用，以师生为主要用户，使用内容主要是教学、科研与学习，用户多集中于宿舍、教学楼、办公楼、图书馆等区域，结合这些实际情况合理规划组网方式。项目方案实施中，无线校园网采用FiT AP架构，无线控制器+无线AP模式，总体原则上重视实际应用，便于师生接入网络，采用先进、适合高校实际情况的无线网络协议标准，满足兼容要求，提供稳定的无线网络通信。此外，对无线校园网使用认证系统进行管理，使用统一的用户名与账号登录。
2.2 无线局域网技术分析
无线校园网既要满足师生使用中的信号强度，同时又要符合国家相关标准，合理设计输出信号强度[6]。采用2.4GHz与5.8GHz两个频道来满足网络接入，便于后期扩容，以及5G网络的要求。无线网络信号接入与无线传输既要保持前瞻性，同时还需满足亦有的无线网卡使用，通过IEEE 802.11a、IEEE 802.11b/g、IEEE 802.11n、IEEE 802.11ac等无线传输协议来实现高速接入。为避免统一接入点的用户信息泄露，采用无线接入用户隔离的方式，确保安全。考虑到移动使用的特点，无线校园网无线接入设备自动对数据进行分流处理，并在5G网络的配合下，实现信号使用稳定。
2.3 校园无线局域网实施方案
在方案具体实施时，宿舍区要考虑宿舍房间数量、宿舍内学生使用的移动终端数量，以802.11ac技术的分布式AP实现双拼覆盖，5G频段最高速率达1Gbps。为实现网络兼容，主体AP支持IPv4/IPv6双协议栈，分体AP支持802.11ac千兆无线接入。室外AP采用全向天线，汇聚交换机支持IPv4/IPv6双协议栈，支持平滑扩容。教学区、办公区以及室外其他区域，在用户相对集中的地方，采用“放装”模式部署AP，室外AP实现移动云接入服务，交换机采用性价比高的H3H S5110系列产品。
3 结语
在无线校园网设计方案实施之前，先对方案进行性能测试，采用笔记本运行专用测试软件“Wireless Mon”进行测试。测试结果显示，校园内主要使用区域信号强度符合要求，且信号稳定，传输速率较高。采用“Network Stumbler”软件测试无线校园网系统信噪比，结果所测试区域用户端无线网卡接收到的信噪比均符合要求。
通过调查与测试可知，该无线校园网方案具有较高的可行性，测试效果良好，能够稳定地为师生教学、科研与学习提供优质无线信号服务。无线校园网是今后高校数字校园与智慧校园发展的趋势，在无线校园网设计时，需要结合高校实际情况，设计科学合理的方案，并着眼未来更多、更先进的无线网络技术，在无线校园网设计方案中保持可扩展性与兼容性，以便后期扩容与升级。
参考文献
[1] 赵子昂.校园无线局域网络支持下智能监控系统设计[J].电子制作，2019（4）：3-47.
[2] 郑化浦.高校无线校园网方案设计与实现[D].郑州：郑州大学，2016.
[3] 王明远.基于5G的物联网技术在智慧校园建设中的应用分析[J].大众标准化，2020（1）：63-64.
[4] 杨彬.基于5G技术高校智慧校园的应用研究[J].产业科技创新，2019（10）：21-22.
[5] 冯科.智慧校园平台设计与实现——以济宁学院为例[D].青岛：青岛科技大学，2018.
[6] 覃德泽，李立信.高校智慧校园网中物联网、5G、云计算及IPv6的融合问题探讨[J].网络安全技术与应用，2019（12）：104-106.