基于EPON技术的校园无线网络规划设计与优化

刘向明

(桐城师范高等专科学校，安徽 桐城 231400)

随着互联网技术的发展，高校纷纷建立了校园网，为学校的数字化管理、多媒体教学、资源共享、教学资源库的建设提供了基础[1]。校园网的成功建设对于推动我国高校教学改革，进一步丰富校园精神文化生活具有非常积极的作用。

校园网络规划对于构建满足各方使用需求并兼具经济性和发展性的高校基础网络架构具有非常重要的意义[2-3]。文献[4-6]研究了采用EPON(Ethernet Passive Optical Network)技术构建校园网络的基础架构，然而EPON对于实现图书馆、教室等场所的网络覆盖存在投入大、成效低等问题。WLAN(Wireless Local Area Networks)技术的发展已经比较成熟，能够应用于不同的场合，具有完整的产业链以及非常丰富的产品[7-9]。目前，我国多数高校已经成功部署了基于802.11b/g的校园无线网络，部分学校甚至已经实现WLAN覆盖，能够为学生提供无线网络接入服务。但是，现在使用的802.11b/g标准存在一些不足。因此高校无线网络建设还需要WLAN网络的支撑[10-11]。

本文采用基于EPON承载WLAN网络的方式构建校园网络，与传统的基于ADSL和LAN承载相比，采用本方案具有网络搭建耗费低，维护简便；具有较高的通信负载和稳定的QoS服务质量保证；兼容性强，EPON采用以太帧作为传输方式，高效的集成了成熟的以太网通讯技术，能够平滑嫁接IP业务，可满足WLAN不同业务的需求；服务覆盖面积广等优势。对校园信息点进行了分析，首先构建以EPON技术为基础的校园无线网络设计模型，在原有的总体结构模型的基础上，重点对图书馆、宿舍楼、教学楼等无线网络覆盖进行了规划设计与优化。

1 基于EPON技术的校园无线网络总体结构设计

如果校园网络接入方式不合理，会增加故障排查难度。一般来说，上联的是重要设备，本地交换机和远端的机房建立直接连接。EPON网的设计坚持独立、实用、简单的基本原则，尽可能避免设备之间因不同的数据处理操作而带来的影响。

图1 基于EPON的网络拓扑结构

在搭建高校移动校园网络的过程中，楼宇位置以及无线网络功能性应该作为首要考虑因素。学校办公楼、服务器位置是固定的，因此更多的采用FE的连接方式。在楼宇内布置ONU，布线方式为综合布线。如果布线距离在100m以内，则选择5类线连接，若用户的接口比较多，那么也可以选择在ONU模式下急需级联交换机。

如果选择上述连接方式，那么一个ONU下连接比较多的用户。建议选择比例为1：4或1：8的分光器。在学校内，用户流动性相对比较强，因此宽带连接方式可以选择为EPON+WLAN，示意图如图2。

图2 校园网拓扑结构

对学校信息点的分析，如表1所示。

表1 学校信息点的分析表

2 图书馆网络覆盖规划优化

2.1 图书馆模型

图3所示为图书馆建筑结构模型示意图。

图3 图书馆结构模型

2.2 校园图书馆宽带覆盖方式的设计

1、选择合适的AP设备：选择型号为P-720的AP双射频室内型设备，RF模块的工作频段为2.4GHz，除此之外其他射频模块频段为5.8GHz。

2、天线：设计采用宽带吸顶天线，波段为800～2500MHz，增益为3DBI，叶角度360° × 55 °。

3、覆盖范围：带吸顶天线，波瓣角360°× 55°，横向实现全覆盖。建筑物到AP的距离为D，信号覆盖的垂直高度为( 11π/36 ) × D。

4、天线安装：吸顶天线安装在库内天花板，实现库的全范围覆盖。

5、水平覆盖距离：将天线安装在图书馆的天花板的位置，在距离天线20米范围内能够实现360°的区域覆盖。

6、垂直罩的高度确定：宽频天线安装在图书馆天花板上。天线的垂直波瓣为55°，垂直罩高度为4.8米，电场强度除了在水平方向上能够满足需要外，还需要满足垂直高度需求。

2.3 网络容量

无线网络覆盖范围的基本要求是24000m2，根据每一个天线和AP的覆盖范围，预估至少安装20个天线及AP。

假设AP支持IEEE802.11a/b/g的网络标准，其中已知有两个射频模块，每个模块数据吞吐量为36MB/s。学校图书馆能够提供最少720MB/s的网络带宽。P-720设备包含两个RF模块，按照每一个RF可以同时接入20个用户来计算，那么如果40个用户同时访问P-720设备，就能够提供20 AP的无线网络设备，以支持800个并发用户。如果选择为1:2的比例枢纽，该库可以有效接入的用户数大约为1600个。

2.4 网络覆盖组网

学校图书馆包括浏览区和图书存放区两个区域。存放区域的用户比较少，可以只设置一个AP，但是在学生学习浏览区域，根据用户数量设置4AP。安装在天花板上的设备，接口的设置标准统一为WLAN1 2.4GHz。天线射频馈线能够实现全范围的覆盖。WLAN2的频段设置为5.8GHz，直接连接鞭状的天线，覆盖局部区域。图4为图书馆中的AP布置示意图，同时可以看出2.4GHz和5.8GHz的频率分配情况。

图4 图书馆覆盖组网示意图

3 教学楼网络覆盖规划设计方案优化

3.1 教学楼模型

图5为该学校的教学楼结构示意图。

图5 教学楼模型

3.2 教学楼网络覆盖方式的设计

1、选择AP设备：“双频模式， 比如可用P-720型,双射频卡均符合IEEE802.11a/b/g标准，工作频率为2.4GHz或5.8GHz两者之一，最大输出功率需达到50mW (17dBm)”。

2、天线：选择宽频率定向吸顶式，频段区间在800～2500MHz之间，可以实现7dBi增益幅度， 90°×80°叶角度，垂直极化。

3、覆盖的距离：假设从建筑物到AP的长度为D，则水平覆盖距离应达到(π/2 )×D,垂直高度需达到(4π/9)×D。

4、天线安装：宽频吸顶天线安装在天花板之下，能够覆盖整改库的范围。

5、水平覆盖：将天线安装在教学楼的天花板的位置，在距离天线20米范围内能够实现360°全覆盖。

6、垂直罩高度：“在教室旁走廊天花板上放置宽频定向吸顶天线，吸顶天线垂直波瓣为80°，在距离天线距离8米的位置1米”。

7、教师的覆盖范围：“在所有走廊顶端位置安装所选天线，每层N条走廊需要N个天线，2 个AP，整个教学楼需要 2N个AP，6N个天线，教学楼总覆盖面积可达到72000m2”。

3.3 网络容量

教学楼区域占地为72000m2，共设置12个AP设备和26个天线。一个802.11g标准的AP设备具有36MB/s的数据吞吐量，因此一个教学楼安装12个AP设备就能够提供400MB /s带宽的网络。一个AP设备能服务40个用户，所以教学楼中的无线网络可以同时支持480个用户访问。如果比例枢纽确定为1:2，那么一共能够为960个用户提供访问服务。

3.4 覆盖组网设计

单层教学楼区域的覆盖组网设计如图6所示。

图6 单层教学楼区域的覆盖组网设计示意图

选择一个频段为2.4GHz和一个频段为5.8GHz的室内型AP设备，将其直接连接到吸顶天线的射频模块中，信号覆盖教室全部范围。通过分离器的装置能够将其分为两个分支。教学楼走廊的天花板上安装另一个定向天线，能够实现两间教室的覆盖。一层楼的六间教室共需要安装2个AP设备和6个天线。天线接口的等效辐射功率应该大于10dBm，选择1、6、11的频率。图7为高校教学楼的4层、5层和6层网络覆盖组网结构示意图。

图7 教学楼4、5、6层楼的覆盖组网

4 宿舍楼网络的覆盖设计优化

4.1 学生宿舍楼建筑模型

学生宿舍楼的内部结构如图8所示。

图8 宿舍楼模型

4.2 学生宿舍楼覆盖方式的设计方案

1、选择合适的AP设备：选择型号为P-720的AP双射频内型设备，RF模块的工作频段为2.4GHz，除此之外其他射频模块频段为5.8GHz。

2、天线：设计采用宽带吸顶天线，波段为800～2500，增益为3DBI，垂直波瓣角。

3、覆盖范围：带吸顶天线，波瓣角360度× 55度，横向实现全覆盖。建筑物到AP的距离为D，信号覆盖的垂直高度为( 11π/36 ) × D。

4、天线安装：吸顶天线安装在宿舍走廊天花板，实现相邻宿舍的无线网络全范围覆盖。

5、水平覆盖距离：在宿舍走廊的天花板上安装天线，能够实现360 °的全覆盖。如果考虑到墙壁带来的衰减，则可以覆盖的水平距离为10米。

6、垂直罩的安装高度：宽频天线安装在走廊天花板上。天线的垂直波瓣为55°，垂直罩高度为4.8米，天花板距离地面的高度为3米，电场强度除了在水平方向上能够满足需要外，还需要满足垂直高度需求。

4.3 网络容量的计算

学校宿舍楼的(6层楼房)面积约9600m2，根据计算需要6个AP、30个吸顶天线，按照每个AP的最大吞吐量维18Mb/s，单栋楼房可接入的带宽大于100Mb/s。假设一个AP设备能够为20个学生提供接入服务，那么无线网络可以同时为120个用户提供接入服务。本文设计的集线比设置为1：2，支持的同时访问数量为240个学生。

4.4 覆盖组网的设计

在弱电井之中设置AP设备，采用耦合器与天线相连。无线信号具有穿墙效果，从网络强度、覆盖面积和经济性的角度考虑，一个天线可以覆盖两间宿舍。保证学生能够顺利使用无线网络，设备楼的网络覆盖组网如图9所示。

图9 宿舍楼房的单层覆盖组网

在宿舍楼每一层的弱电井之中，布置分布式的AP设备，实现网络覆盖范围的扩展。AP设备的选择建议采用500mW室内AP。天线接口的EIRP应该在大于10dBm的范围内，图10为AP信道的分配模式和逻辑网构成。

5 基于EPON技术的校园无线网的优点

本文设计的基于EPON技术的校园无线的具有以下突出优势：

(1)在高校原有的交换式三层结构网络基础之上，实现更加便捷的校园网络优化。石家庄邮电职业技术学院的学生宿舍尚未布置局域网，可以直接构建EPON网络；除此之外，能够在原始的三层结构的局域网的校园网络基础上，将交换机直接接入。

(2)建设成本较低，可扩展性强，维护和升级方便。EPON网络通过POS和光纤等设备就可以实现OLT端到ONU端的连接，对机房、电源等没有需求，也不需要有设备维护人员，极大的降低了建设和维护成本。

(3) 能够提供比较高的带宽。随着以太网技术的快速发展，EPON已经能够实现10Gb/s的带宽。

(4) 较大的服务范围。EPON构建点达到多点网络，覆盖范围为扇形，能够节约资源，为学生和教师提供更好的服务。

6 结论

基于EPON技术的高校网络建设规划方案的提出与优化，不仅能够保留原来校园网主网的设备及资源，还能够有效降低传统局域网建设中存在的安全威胁等问题，确保校园网的安全性，提供更加完善优质的网络资源共享服务。

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