基于全光网络的高职智慧学生公寓设计与实现

杨勇 郑定成

（德宏职业学院 云南省德宏傣族景颇族自治州 678400）

近年来，随着网络技术的不断发展，高职院校学生公寓由过去的提供居住空间逐渐演变为集学习、生活和娱乐一体的学生生活社区。而网络是这一切的基础，为了向学生提供更加方便快速的上网环境，过去的校园网建设成本高，施工周期长制约了学生公寓网络的发展。随着光缆技术的发展，网络覆盖成本不断下降，校园网的覆盖范围已经从办公区和教学区逐步向学生公寓进行覆盖。学生公寓网络成为高职院校校园网的重要组成部分，也是集教学、科研和行政管理的重要基础设施之一。学生享受网络带来便捷的同时，也为学校的管理带来更多的挑战，为了既满足学生的需求，又方便学校管理，于是智慧公寓概念也孕育而出。先进的技术需要配合完善的设计是智慧学生公寓建设的成败关键，接下来将从以下几个方面进行设计，尽可能的完善基于全光网络的智慧学生公寓功能设计实现。

1 现有公寓网络的挑战

随着云教育、远程教育的普及应用，越来越多的高职院校的学生对自身知识储备不断提高和对国内外优质教学资源的渴望，现有传统的线下教育已经难以满足其需求。各类名校的微课、网课等越来越受到高职学生的青睐。学生公寓成为学生线上学习的主要地点，但传统的学生公寓网络存在以下几个问题。

1.1 信息点数量少，接入方式单一

学生公寓传统设计的网络存在信息点数量少，大部分为有线接入，需要学生加装无线路由器等设备，给学生造成经济负担，也加大了学校对网络的管理难度。

1.2 带宽小、速率低

云教育、远程教育大部分为视频教学资源，某些教学资源需要开启虚拟设备实训，占用大量带宽，学生公寓内上课的学生数量多时，会造成学生公寓的网络阻塞甚至瘫痪，难以适应海量信息传输需求。

1.3 可扩展性问题

互联网发展迅速，各类流量越来越多，路由表呈指数级增长路由器性能对网络产生制约。学生公寓网络设计时仅作为数据接入业务，对于新型的智慧校园建设难以满足其智慧场景的扩展。若需要建设智慧学生公寓，传统的网络难以支持有线数据接入、无线数据接入、视频接入、语音接入等功能，需要另外投资建设。

1.4 施工难度大、成本高

传统金属线缆传输距离短，在局域网中交换机到信息点的传输距离仅为0.1 千米，交换机需要独立供电。布线施工难度大，成本高。

随着学生公寓的信息量获取越来越大，带宽要求也越来越高。传统以太网难以满足学生在公寓内上网学习和学校对学生公寓的管理需求。对学生公寓的网络改造必须采用高带宽、高速率、多业务原则进行设计。

2 全光网络的优势

全光网络目前主要采用GPON 标准，GPON 是一种点到多点结构的无源光网络，采用WDM 技术，实现单纤双向传输，一个典型的GPON 系统由OLT、ONT、ODN 组成。 OLT 放在中心机房，ONT 为用户端设备。ODN 是光配线网，主要由一个或数个分光器来连接OLT 和ONT，它的功能是分发下行数据并集中上行数据。OLT 替代以太网中的汇聚交换机，提供面向无源光纤网络的光纤接口。OLT 提供网络集中和接入的功能外，还可以进行网络管理配置。分光器是一个简单设备，它不需要电源，一个分光器的分线率为2、4、8、16 和32，并可以多级连接。ONT 替代以太网的接入交换机，实现成本低廉的以太网交换功能，在GPON 中，OLT 到ONT 间的距离最大可达20 千米。

2.1 抗干扰性

光纤具有极好的抗干扰性能，而且可在极细的光纤导管内通过很宽的带宽。而金属线极易受外界电磁脉冲干扰，而且通过带宽非常狭窄，光信号传输回损耗比电信号损耗低，特别是畸变小。

2.2 保密性

光纤重量比金属线轻，材料成本也不高。光纤信息对外界的辐射也非常小，光纤电缆埋入地下不容易被探测与窃听，保密性能好。

2.3 可扩展性

多端口ONT（ONT 是一种光网络终端设备，能够通过光信号接收语音、数据和视频并以相应的格式传输给相应的用户，还附带无线功能模块）、PoE 等功能满足学生公寓等区域的多终端接入。每间宿舍仅需要一根光纤即可，节省布线，管理简便。全光网络同时提供数据、语音、视频接口，实现三网融合。利用虚波长通道技术，在加入新的节点时，可不影响原有网络和设备，直接实现网络的扩展，节约了网络资源，降低了网络成本。扩容也很方便，如一条带宽为 2M 的标准光纤专线很容易就可以升级到 4M、 10M、 20M，最大可达 100M，并且无需更换任何设备。

2.4 无源性

光缆具有传输距离长，速率快等优点。其分光节点不依靠电源就能进行传播，因此比传统以太网信号传输上免去了强电布线降低了施工成本和后期的使用成本。使用单芯光纤，采用波分复用（WDM）技术进行复用，通过无源分光器逐级分光扩展，可以节省光纤和光模块成本。分光器到ONT 之间全部是无源的，能耗低，安静，故障率低 。

2.5 灵活性

体积小、重量轻、便于施工维护，设备按需配置、进一步节省初期成本。可以仅仅安装少数的ONT 设备，随着用户数的增多，才会逐步增加ONT 设备的数量。如果是传统以太网LAN 部署方式，需要满配交换机端口来支持“即开即用”模式。无源分光器可以灵活部署在任何环境，满足远距离学生公寓的覆盖，上电后可以自动发现和添加ONT，完成ONT 设备部署、远程软调，大大提高部署效率，运维效率。

2.6 寿命长

图1：全光网络学生宿舍拓扑图

光纤的寿命平均为30年，金属网线普遍寿命不足10年，而且光纤比较细，穿孔小，对房屋结构破坏少，一次性投资，30年不需要重复布线。

随着“光进铜退”趋势的进一步发展，光纤将逐步取代传统的铜缆。目前全光网络也是各大运营商为家庭提供高速宽带链接的主要方式，该接入方式仅由一根细细的光缆就能为家庭提供了电视、电话、有线数据接入、无线数据接入和家庭监控业务。运营商的广泛使用也证明全光网络是非常适合终端用户高速、便捷的接入。

3 智慧学生公寓的模块设计

智慧学生公寓的模块设计因遵循先进性、可扩展性和安全性的原则。学生公寓的网络需求大致为高带宽、高速率、无缝漫游、多业务扩展等。

3.1 全面覆盖的高速上网模块

采取光纤入房间的设计思路，每个房间用合适的ONT 可以实现有线无线的网络覆盖，同时光缆能够提供千兆以上的传输速率，为学生公寓的每个房间提供了有线和无线的高速网络接入，同时也为学生公寓的智慧业务提供基础网络的接入口。

3.2 实名上网认证模块

传统的学生公寓网络通常只提供用户网络的接入需要，忽略了学校对学生公寓网络的管理控制。实名上网认证模块的加入，可以基于学生上网账号对学生的上网行为进行管理控制。

3.3 缓存服务器模块

在校园网内设置缓存服务器模块。缓存指的是将需要频繁访问的网络内容存放在离用户较近、访问速度更快的系统中，以提高内容访问速度的一种技术。缓存服务器就是存放频繁访问内容的服务器。这样能够为学生提高了再次访问线上资源的速度。

3.4 人脸识别模块

在学生公寓楼栋主要出入口处，通过安装人脸识别功能的前端智能摄像机，设定各种考勤规则。当学生人脸出现时，摄像机能够自动识别人脸信息通过与人脸数据库进行对比，识别画面中的人员。极大的方便学校对学生公寓的日常管理。

3.5 防拥挤和防翻越识别模块

在学生公寓的主要过道和公寓的围墙边安装具有流量分析功能和防止翻阅围墙功能的前端智能摄像机，当主要学生通道出现人员拥挤或学生翻阅围墙的情况，摄像机将通过设定的拥挤和翻越规则发出报警，并能在学校监控中心快速切换拥挤或翻越视频画面，防止学生出现踩踏事件。

3.6 快速报警模块

在学生公寓区域设置报警路灯杆，日常做路灯使用，在紧急情况时可以通过路灯杆上的报警按钮快速向学校安全保卫部门进行报警。

3.7 智能水电表

房间内应安装智能水电表，通过水电系统自动结算，方便管理，同时能快速检测故障，也方便学生自助充值。

3.8 各种自助和扩展模块

如自动售货机、自助洗衣、自助充水电、自助厨房、自助电吹风等各种各样的无人自助场景。

4 全光网络智慧学生公寓的设计与实现

全光网络的特点结合智慧学生公寓的设计模块要求。其总体设计原则应易管理、易部署、易维护、高性能、高可靠的网络，其总体设计借鉴网络运营商的家庭宽带接入网络建设思路，采用扁平化架构，扁平化的网络架构是将网络划分为业务控制层和宽带接入层的二层网络结构。采用全光网络的学生公寓网络拓扑如图1 所示。

4.1 工作区子系统设计实现

光纤直接进入学生公寓的每个房间，在每个房间内安装ONT设备，这样ONT 设备能够为该宿舍提供有线数据连接、无线数据连接。在工作区信息点的扩展上还能够为学生宿舍提供了语音接口和视频接口，为未来智慧校园功能扩展提供了如人脸识别考勤查寝、独立宿舍广播以及其他物联网控制等丰富应用场景。

4.2 干线子系统设计实现

全光网采用了二层网络结构，光纤传输距离长，不需要强电配套，同时免去了汇聚层设备，能够使干线子系统的敷设变的简单方便。干线的敷设在设计初应考虑使用多芯数光缆，以备学生公寓的未来扩展需要。从建筑群子系统到学生公寓区域，在学生公寓区域设置光纤分纤箱，可以取消各栋公寓的设备间子系统，在楼层区域的配线设备替换为光纤分光器。

4.3 中心机房设计实现

中心机房的采用OLT 设备（OLT 是全光网的局端设备，相当于传统以太网的核心交换机或路由器支持IP 业务为ONT 分配带宽，）作为全光网络的核心路由设备与互联网连接。可加装防火墙及上网行为管理等设备方便对学生公寓网络进行管理。

5 结论

综上所述，基于全光网络的技术成熟度高、维护方便、干扰小、布线距离长、寿命长、价格比铜缆低优势，在高职智慧学生公寓的构建工作中可以起到很好的支撑作用，保证了学生对高带宽的网络信息需求，其易于扩展的优势也为未来更加丰富的智慧学生公寓的智慧场景提供了各项基础支撑，给学校和广大师生带来更好的网络使用体验和管理模式。学生公寓作为学生课外生活和线上学习的重要场所，全光网络技术是学校对学生公寓网络新建和改造的重要选择之一。