信锐广西职业技术学院智慧校园技术方案.docx
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信锐广西职业技术学院智慧校园技术方案
广西职业技术学院
智慧校园技术方案
2018年07月
第一章需求分析及技术选型
一.1项目背景
当前，以数字化校园为特征的教育信息化发展迅速，各种信息化应用正改变着老师和学生们的工作、学习、生活以及思维方式，引发了教育行业一场新的革命。
广西职业技术学院基本的教学教务管理、科研管理、后勤管理、数字图书馆、视频服务系统、办公自动化系统和校园社区服务等应用系统的建设有了初步的规模，“一卡通”业务在学校也已经应用。
在校师生的认识水平和技术水平上了一个台阶，对于信息化工具的使用已变成为一种自觉和自愿的行为。
近几年来，随着计算机网络技术的快速发展，无线网络业务层出不穷，人们越来越多地需要时时刻刻地能够接入无线网络，于是笔记本电脑用户日渐增多，手机、PDA不断普及，更多的便携式网络接入设备进入人们的视线，而无线网络以其施工简单、接入方便逐渐被人们所喜爱。
同时随着物联网技术的发展，从国家层面到公司层面，从学术界到产业界，都在极力推广物联网技术。
一个万物互联的时代已经到来，2017年工信部发布的《物联网“十三五”规划》明确了物联网产业“十三五”的发展目标。
这种情况下，传统的有线网络连接形式已经无法应付新的工作学习以及生活方式所带来的挑战，“孤岛式”物体也越来越难以适应大数据时代。
为进一步完善校园网络基础设施建设，实现随时随地的上网和智慧的管理学校，加快工作效率，本次项目针对整个校区进行无线网覆盖，并实现全校水电表数据的统一采集，同时选定某些区域作为物联网的试点，为后续的全面升级打下基础。
一.2无线建设需求分析
●采用802.11acwave2（支持MU-MIMO）无线产品的需求
802.11n协议在2009年5月发布，为近几年的主流无线协议，随着2012年IEEE发布的802.11ac，可以使无线访问的理论速率达到1.3Gbps，目前支持802.11ac的终端产品逐年倍增，支持802.11ac的AP产品已经在业界大规模取代802.11n的产品成为无线建设主流，考虑到广西职业技术学院无线网络建设先进性的要求，为满足广西职业技术学院未来5年能够提供高品质无线的能力，本次无线产品全部采用802.11acwave2的部署方案。
●无线漫游需求
师生在校园中的工作、学习、生活的位置不是固定的，移动性是无线网络的优势特点，师生在移动过程中，会切换信号最好的AP提供无线网络接入，如何实现无感知的漫游切换，不使用户频繁登录认证的接入无线网，满足用户日常使用习惯不变的需求，是本次无线项目的建设重点。
●高速率接入需求分析
为保证全校师生的良好业务体验，须无线能够提供较高带宽的接入速率，本次方案全部采用支持802.11acwave2的无线接入点，5GHZ的信道能够减小同AP之间的干扰，更加适合在人员密集的场所部署，最大可提供大于1G的单房间实测吞吐量。
●高密场景高并发需求分析
本次项目建设区域中的各会议室及报告厅，师生使用无线特点为终端数量多，人员密集，上网时间集中等，这些地点在同一时间会有大量人员接入无线网络，针对这一场景，传统802.11n的AP并发接入能力将会产生瓶颈，同时要求满足日益增长的5GHZ终端集中接入支持。
需要采用支持802.11acwave2的产品，同时结合实际情况选择三射频卡的产品，实现师生良好无线体验。
●可靠性需求分析
无线网络建设中，针对于瘦AP+AC模式部署，随着业务量和用户量逐渐增加，核心AC控制器的可靠性要求越来越高。
一旦AC出现故障将影响整网的AP转发，为保证广西职业技术学院无线网络运行稳定，本次项目需要考虑可靠性设计。
●移动化运维需求
传统的运维平台部署在本地私网环境中，对网络的监控与运维只能在办公室用PC进行查看，出现问题需要运维人员前往办公室或者机房进行定位排查问题。
遇到周末或者节假日，学校IT运维人员休息了，但是网络仍然在运行状态中，保持对网络的监控与管理变得尤为重要。
因此需要一套移动化运维系统可以让IT运维人员在随时随地对校园无线网络进行监控和管理。
●移动智慧校园应用对无线系统开放性需求
随着无线网络的大规模建设，基于定位的各类特色应用逐渐给用户的学习生活带来极大的便利，本次新建无线系统，需要能够提供开放的接口，并具有一定的本地定制开发的能力，满足广西职业技术学院结合无线基础设施、定位功能的应用创新。
●IPv6需求分析
IPv6作为未来网络的发展方向，已经在高校开始局部使用，本次无线网络的建设，也要充分考虑IPv6的支持。
●大数据分析
数据是信息化时代的“石油”，通过对数据的各种加工分析，可以总结出一些看似没有关联却具有统计价值的结果，并对行为的预见具有科学的指导意义。
通过大数据分析学生和老师的上网数据，可以帮助学校更好的决策。
如对学生的上网分析,了解学生网络沉迷情况，学生区域驻留情况和学生热门应用情况，进而更加人性化的引导学生；也可以对教师的上网数据进行大数据分析，可分析出广职院教师的游戏娱乐偏好，学术研究偏好和影音媒体偏好等，也可分析出老师们到岗率和准点率的排行；更进一步，结合天气环境情况，可以分析出不同天气对学生和老师在校生活的影响。
一.3物联网建设需求分析
●统一的物联网基础开放平台
平台输入方面应满足学校不同协议的传感器终端接入，通过平台的数据处理、分析和加工，应该具有开放接口给其他应用，以满足后续师生利用该物联网平台进行实践学习和科研创新。
同时平台应该具有设备管理，数据分析处理，数据可视化以及数据备份的能力。
●水电数据采集
利用物联网基础开放平台，完成对广职院水表电表数据采集，并能呈现出每个水电表的数据。
●智慧节能办公
智慧的办公环境是物联网时代到来的基本特征，根据预先设置的策略，让办公室用电设备实现智能化的运行，是办公环境更加适合广职院老师的办公习惯，同时实现绿色节能的用电方式。
一.4WLAN技术选型
从1999年的802.11b协议开始，WiFi已经经历了三次“提速”：
第一次是2003年从802.11b协议的11Mbps提升至802.11g协议的54Mbps，第二次是2009年从54Mbps提升至802.11n协议的300Mbps。
第三次是2013年从300Mbps提升至80211ac协议的1000Mbsp。
802.11ac的速率在8条流、256QAM（QuadratureAmplitudeModulation，相正交振幅调制）、160MHz情况下最高可达6.9Gbps。
8条流MIMO需要的芯片设计会很复杂，160MHz的频宽资源在我国也是可望而不可及。
目前主流的802.11ac产品在2-4条流、256QAM、80MHz情况下可达867Mbps-1.7Gbps。
802.11acWave2MU-MIMO通信机制
MU-MIMO实际就是多用户（multi-user）MIMO。
802.11n技术支持的MIMO只能是单用户MIMO，即无论是3条流还是2条流，AP和所有STA之间都只能用3条流或者2条流通信。
而如果支持了MU-MIMO，那么意味着一个3条流AP可以同时和3个STA分别以1条流的方式通信，而且彼此不会有干扰。
这将大幅提高多用户同时接入AP时的吞吐性能。
MU-MIMO是802.11acWave2最重要的技术，在4条空间流的基础上，通过MU-MIIMO最多可以并行向4个单条流Wave2终端发送数据报文，同时对于多条流的终端也可以对并行发送终端个数灵活调整，充分保证Wave2终端的用户体验。
本次针对广西职业技术学院无线校园网项目采用最新一代的802.11acwave2技术。
一.5物联网技术选型
Lora是一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案，主要在全球免费频段运行。
Lora网络主要由终端，网关，Server和云四部分组成，应用数据可以双向传输。
Lora网络架构时一个典型的星型拓扑结构，在这个网络架构中，lora网关是一个透明传输的中继，连接终端设备和后端中央服务器，网关与服务器间通过标准IP连接，终端设备采用单跳与一个或多个网关通信，所有节点与网关间的通信均是双向的，同时也支持云端升级等操作以减少云端通讯时间。
为了便于自建基站，且将数据保存在本地，本次物联网部署采用基于Lora协议的通信方式。
该协议工作在470MHz到510MHz,故居于较强的穿透力，在空旷的传输距离可达到10km，室内可达到1到2km，消耗的带宽在500kHz以内，属于典型的低功耗广域网技
第二章智慧广职整体网络拓扑
本次广职院智慧校园的整体网络拓扑图如下所示：
本次的智慧校园建设包括无线wifi建设和物联网建设，无线WiFi主要覆盖文体馆，实训室和办公室等地方，满足师生们的移动上网的需求；物联网部分主要实现对全校水电数据的采集、以及院领导办公室和图书信息大楼试点的智慧办公实现。
在接入层中，无线终端通通过定向AP,放装AP或者面板AP接入网络，同时AP接在POE交换机上，完成数据转发的同时也能给AP提供电源；物联网终端分两类，一类是水表和电表等传感器终端，这类终端与数据采集器进行对接，数据采集器通过Lora无线方式与Lora网关对接，网关挂在POE交换机上，第二类传感器终端内置了Lora无线模块，如智能插座，红外人体感应，红外遥控以及温湿度传感器等，直接与Lora网关进行通信，Lora网关也是直接挂在POE交换机上。
核心汇聚交换机主要是汇聚接入层中的POE交换机，无线控制器和物联网平台旁挂在该核心汇聚交换机上，实现对下面所有无线AP以及物联网设备的统一管理，统一认证。
核心汇聚交换机往上接入整个广职院的核心交换区，数据中心旁挂在核心交换机上；所有访问外网数据通过出口设备，进入互联网。
第三章无线网络整体方案设计
三.1无线网络总体架构图
本次设计新建一套无线专网承载广西职业技术学院的移动智慧校园业务。
在核心交换机上旁挂部署一台无线控制器作为无线AP的统一管理平台。
在无线控制器上可实现对目前全网多台无线AP的统一配置与管理。
放装式AP与面板式均采用PoE交换机进行远程供电，它既能实现无线AP的数据连接，又能对该楼层无线AP实现远程供电。
PoE交换机均采用千兆实现对无线AP的数据接入及远程供电。
文体馆部署的室外AP由于功率较大，单独使用POE注入器进行供电，其上行通过千兆电路与接入交换机相连，使用定向天线对文体馆广大区域进行覆盖。
针对无线网络的管理，控制器平台内置了友好的管理平台实现对于网络中的AC、FATAP、FITAP、移动终端等无线设备与有线设备进行一体化、可视化地集中管理。
同时移动化运维平台，利用手机终端去随时处理网络的问题，例如：
监控到网络运行状态，并且远程做出配置的变更。
如果解决不了的问题还可以远程求助专业人员，申请上门服务。
三.2无线网络详细部署设计
三.2.1教学区AP部署
三.2.1.1艺术设计系
序号
区域
楼层数
会议室
大教室
一般教室
办公室
面板AP
普通放装AP
高密AP
POE交换机（8）
POE交换机（24）
备注
艺术设计系
1
0
0
6
0
0
7
2
0
1
艺术设计系
2
0
0
6
0
0
2
4
0
0
艺术设计系
3
0
0
6
0
0
4
3
0
1
合计
0
13
9
0
2
三.2.2实训楼AP部署
三.2.2.1第一实训楼
序号
勘测区域
楼层数
大教室
一般教室
办公室
面板AP
普通放装AP
高密AP
POE交换机（8）
POE交换机（24）
备注
1
第一实训楼
1
0
8
0
0
8
0
0
0
第一实训楼
2
0
8
0
0
7
0
0
1
第一实训楼
3
0
8
0
0
10
0
0
0
第一实训楼
4
0
8
0
0
9
0
0
1
第一实训楼
5
0
8
0
0
8
0
0
0
第一实训楼
6
0
8
0
0
10
0
0
1
合计
0
52
0
0
3
三.2.2.2第二实训楼
序号
勘测区域
楼层数
大教室
一般教室
办公室
面板AP
普通放装AP
高密AP
POE交换机（8）
POE交换机（24）
备注
2
第二实训楼
1
0
7
0
7
3
0
0
第二实训楼
2
0
8
1
10
1
0
1
第二实训楼
3
1
7
1
6
3
0
0
第二实训楼
4
2
6
1
7
3
0
1
第二实训楼
5
1
7
1
7
3
0
0
第二实训楼
6
0
8
1
7
4
0
1
第二实训楼
7
1
1
合计
45
18
0
3
三.2.2.3茶叶实训室
楼栋
楼层
放装AP
室内AP（高密）
8口POE交换机
24口POE交换机
备注
茶叶实训中心（左间）
1
1
1
共用1台POE交换机
2
1
茶叶实训中心（中间）
1
4
共用1台POE交换机
2
3
1
3
3
茶叶实训中心（右间）
1
2
1
共用1台POE交换机
2
3
4
三.2.3实训中心AP部署
三.2.3.1机械汽车实训中心
序号
勘测区域
楼层数
大教室
一般教室
办公室
面板AP
普通放装AP
高密AP
POE交换机（8）
POE交换机（24）
备注
1
机械汽车实训中心
1
0
8
0
0
11
0
0
1
机械汽车实训中心
2
0
8
0
0
10
0
0
0
机械汽车实训中心
3
0
8
0
0
9
0
0
1
机械汽车实训中心
4
0
8
0
0
8
0
0
0
2
机械汽车系实训中心
1
0
6
0
0
3
5
0
1
合计
0
41
5
0
3
三.2.3.2计电系实训中心
序号
勘测区域
楼层数
大教室
一般教室
办公室
面板AP
普通放装AP
高密AP
POE交换机（8）
POE交换机（16）
POE交换机（24）
备注
3
计电系实训中心
1
0
8
0
0
6
4
0
0
0
计电系实训中心
2
0
5
0
0
6
3
0
0
1
合计
0
12
7
0
0
1
三.2.3.3食品生物实训中心
序号
勘测区域
楼层数
大教室
一般教室
办公室
面板AP
普通放装AP
高密AP
POE交换机（8）
POE交换机（16）
POE交换机（24）
备注
6
食品生物实训中心
1
0
0
0
0
6
0
0
0
1
食品生物实训中心
2
0
0
0
0
5
5
0
0
0
食品生物实训中心
3
0
0
0
0
8
4
0
0
1
合计
0
19
15
0
0
2
三.2.3.4物流实训中心
序号
勘测区域
楼层数
大教室
一般教室
办公室
面板AP
普通放装AP
高密AP
POE交换机（8）
POE交换机（16）
POE交换机（24）
备注
4
物流实训中心
1
0
8
0
0
8
0
0
0
1
物流实训中心
2
0
0
0
0
3
0
0
0
0
合计
0
11
0
0
0
1
三.2.3.5花卉实训中心
序号
勘测区域
楼层数
大教室
一般教室
办公室
面板AP
普通放装AP
高密AP
POE交换机（8）
POE交换机（16）
POE交换机（24）
备注
5
花卉实训中心
1
0
1
0
0
2
0
1
0
0
合计
0
2
0
0
0
0
三.2.4其他区域AP部署
三.2.4.1院领导办公室
楼栋
楼层
面板AP
8口POE交换机
24口POE交换机
备注
院领导办公室
1
16
1
1
合计
16
1
1
三.2.4.2工会、大学生活动中心
楼栋
楼层
放装AP
室内AP（高密）
8口POE交换机
24口POE交换机
备注
工会、大学生活动中心
1
3
三层共用1台POE交换机
2
4
1
3
3
三.2.4.3卫生所
楼栋
楼层
放装AP
室内AP（高密）
8口POE交换机
24口POE交换机
备注
卫生所
7
1
三.2.4.4后勤处
楼栋
楼层
放装AP
室内AP（高密）
8口POE交换机
24口POE交换机
备注
后勤处
1
4
1
三.2.4.5文体馆
楼栋
楼层
室外AP（高密）
备注
文体馆
1
48
文体馆设计说明：
1.场馆场地长87米、宽35米、高13米，一层结构；
2
2.安装方式：
默认吸顶；采用定向天线的AP。
3
合计
48
三.3无线价值点设计
三.3.1高密覆盖设计
对于广职院文体馆这类用户高密场景，传统的无线部署方案往往同频干扰严重，从而导致设备多用户处理能力和传输带宽大大降低，同时，像广职院每栋实训室的一楼，几乎是所有来上课的学生都要经过的地方，如果没有做好无线的优化，就容易造成师生通过一楼时无线掉线的现象。
本次广职院无线部署尤其注重WiFi的覆盖和使用效果，将从三个方面保证优秀的无线体验。
第一方面是硬件上，本次采用支持802.11acwave2的高吞吐型AP设备，单台AP提供更高吞吐、更快接入的无线网络，无线信号覆盖以5G为主，2.4G为辅，充分利用5G频谱资源。
第二方面是在部署上，前期使用专业的工具进行工勘后，根据工勘结果，合理规划网络频谱，减少同频干扰，结合AP内置定型天线，上覆盖效果达到最佳。
第三方面是在软件优化上，对无线的软件优化，对无线使用效果尤其重要。
目前我们根据广职院实际情况做了如下高密场景的优化
（1）智能负载均衡
使支持2.4G/5G双频的移动终端优先接入5GHz频段，平衡2.4G/5G网络利用率。
另外，根据AP当前的负载情况及其他条件（如：
接入人数、信道利用率等）控制终端的接入，达到AP间负载均衡，提高网络吞吐量和服务质量。
另外，还支持根据不同场景、不同的区域灵活的设置不同的负载均衡参数，以实现漫游、无线体验的最佳效果。
终端请求接入某个AP，NAC根据该AP与邻居AP的负载情况，决定是否允许新的客户端接入，终端可自动连接其他空闲AP，达到负载分担的效果。
启用动态负载引导，因为广职院师生在去上课或者下课期间，学生终端在不同区域间移动，为了让终端接收到信号最佳的无线接入点，通过设置切换阈值，当接入点识别出终端的信号强度小于设定的信号强度阈值，并且该终端的无线流量小于流量阈值时，接点将主动让终端漫游。
（2）高密优化
在文体馆，学生多的同时，上网的流浪也大，同时学生基本是移动的，对于这类场景，我们设置AP启用高密优化功能，此时AP将不会响应终端广播的proberequest（探测请求），降低由于低速率发送proberesponse（探测帧响应）消耗的性能空间，进行无线网络性能优化，从而提升高密度场景用户的无线上网体验。
（3）防终端托滞
由于所有终端抢到的空口机会差不多相等，高速率终端每次快速发完自己的数据后都要等待低速终端慢腾腾的发完它的数据，所以，高速率终端的性能基本上与低速率终端的性能是一样的，显然，整体的性能也被大幅拉了下来。
通过防终端拖滞（时间公平算法，也叫用户间平均分配带宽），有效的解决了某些终端接入速率过低导致整个网络性能下降的问题，让每个终端占用相等的无线信道时间，有效提高无线网络总吞吐率。
（4）多播优化
广职院本次无线覆盖，包括多座实训中心，考虑到未来可能使用到电子书包的情景，本次无线部署可进行多播报文发送速率优化，多播通道带宽权重的设置，从而提升上网效果。
采用11ACWAVE2室内定向天线AP，再通过以上优化，可保证文体馆这样人流高度密集区域，单台AP接入人数在100-120，满足5千人同时接入。
三.3.2大数据挖掘与分析
（1）学生在校行为分析
利用无线控制器平台对学生上网数据的大分析，可统计出某个学生日均网络使用时长情况，网络沉迷情况，区域滞留情况以及热门应用的分布情况。
如下图所示，为大数据分析出来小明同学的在校行为：
大数据分析后也可以了解到整个学校学生的上网行为情况，如下图所示：
（2）教师上网大数据分析
同样对教师上网行为的分析，可以知道老师的在岗情况，准点情况，同时结合人工智能算法和天气情况，可以统计不同气候老师在岗情况，不同气候老师在岗准点情况，老师外访统计清理，老师热门驻留区域以及老师应用分布。
如下图为王五老师的数据（左图）和一个月老师的数据分析（右图）。
同样能分析出学校老师的整体应用偏好、出勤对比、以及驻留时长对比等数据，如下所示：
（3）校园人流分析
（1）学生移动轨迹
无线控制器具有轨迹分析功能，在控制器后台能够看到学生的移动轨迹，同时也支持学生移动时光轴的生成。
（2）学生人流密度
对于学校来说，了解学生的分布情况，对于管理学生、分析学生行为趋势有积极的意义。
管理者只需上传学校地图，并根据实际地理位置新建建筑、添加楼层，并设定好比例尺，无线控制器即会自动统计人流密度情况。
几个小时后，就能看到学校各区域的人流密度分布。
人员越多的区域，颜色越红；反之，颜色越蓝。
人流密度分析必须配置比例尺，必须导入蓝图。
人流密度分析功能可对区域、楼层节点进行客流密度分析，允许对最近24小时、最近一周、最近一月、最近一季、自定义时间段做客流密度分析并生成热图，同时支持导出客流密度分析图。
人流密度分析可以得出到校人数总计，累计进校人数，未进校人数，进效率等数据，如下图所
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