高校智慧校园WiFi6无线技术应用研究

　　摘要：信息化和通信技术的快速发展对高校的教学管理和生活方式产生了深刻的影响。一方面，手机、笔记本电脑等移动终端的普及对接入网络的需求日益增长；另一方面，智慧校园的应用场景要求网络可以便捷覆盖和满足用户高密度接入需求。基于WiFi6技术的无线网络因组网方式灵活、网络覆盖宽广、终端接入便捷以及多用户场景下的良好接入体验在高校实现了快速推广。

　　1. WiFi技术发展历程

　　WiFi是一项基于IEEE 802.11协议标准的无线局域网技术，它的第一个标准化的版本于1997年正式发布，但是由于其昂贵的硬件成本和仅仅2 Mbps的传输速度，没有立即得到广泛采用，但为后续WiFi技术的发展奠定了基础。1999年发布的802.11b是第一个被广泛接收的协议标准，历代广泛接收的标准依次为802.11a、802.11g、802.11n（WiFi4）、802.11ac（WiFi5）和802.11ax（WiFi6），每一代协议标准均可向下兼容前一代协议版本。

　　2018年10月，WiFi联盟宣布确立802.11ax协议标准，命名为WiFi6，并于2019年正式启用WiFi6协议标准。相比于WiFi5只支持5GHz频段，WiFi6同时支持2.4GHz和5GHz频段，在兼容低频终端设备的同时，增加了信号穿墙能力；最高调制从256QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅调制）提升到1024QAM，在保持数据传输稳定的同时增加单次传输的数据量；单流带宽从867Mbps提升至1200Mbps，并同时支持上行和下行的MU-MIMO（Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，多用户多输入多输出），最大传输速率从6.9Gbps提升到了9.6Gbps，理论最大速率提升了近三分之一。此外，WiFi6对 WiFi5所采用的OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）技术进行了改进，将OFDM和FDMA（Frequency Division Multiple Access，频分多址）技术进行结合，形成了新的OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址）技术。OFDMA技术支持多个终端同时并行传输数据，可以有效提升网络传输效率并大幅改善网络拥堵的情况，在允许更多设备同时连接的情况下，保持用户拥有良好的接入体验[1]。

　　2. WiFi6在智慧校园中的优势

　　2.1网络传输速率的提升

　　智慧校园的应用场景依赖于WiFi6的高效率的网络传输速率。WiFi6的单流传输速率可达1.2Gbps，理论最大传输速率可达9.6Gbps，这得益于其最大调制可以达到1024QAM。WiFi5使用的是256QAM调制，其每次只可以传递8bit的数据，而WiFi6的1024QAM每次可以传输10bit的数据，理论传输速率提升25%。增大每次传递的数据量的同时为了保持数据传输的可靠性，WiFi6首先使用1024QAM进行调制，一旦数据传输失败，重新以较低256QAM的调制方式再传输一次，保证数据每次可靠传输。此外，WiFi6使用OFDMA技术，可承载多个接入设备同时传递数据，相较于WiFi5在高密度用户场景下需排队传输数据，WiFi6可显著提高多终端场景下的网络传输速率。

　　2.2多终端并发性能的提升

　　WiFi6多终端性能的提升得益于OFDMA技术和MU-MIMO技术的使用。一方面，OFDMA技术将无线信道划分为多个互不重叠的子信道，并将每个子信道分配给不同的终端设备进行并发通信，从而实现多址接入的目标；而WiFi5使用的OFDM技术每一个用户都会独自占据整个信道频率，同时接入的多个终端不得不排队进行数据传输，导致用户网络通信拥堵。OFDMA技术的优势在于可以在带宽上对频段进行分割，最大限度地提高频谱的利用率，在容纳更多用户的同时保证传输速率。OFDMA通过灵活的系统资源分配策略，大幅度改善了多用户条件下的网络数据传输情况。另一方面，WiFi6引入了同时支持上行和下行的MU-MIMO技术。在实际应用中，AP和终端的收发天线数量是不对等的，AP的天线数量往往比终端的数量多得多，这就造成了AP空间资源的极大浪费。而MU-MIMO技术使AP同一时间和多个终端并行通信，大大提高空间资源的利用率，同时减少客户端之间的干扰，提高整体吞吐量，降低时延。

　　3. 无线安全性能的提升

　　智慧校园的场景下，接入无线网络的终端设备更多、覆盖范围更广、涉及的业务系统范围更大，对无线安全也提出了更高的要求。前几代802.11协议大多使用WEP/WPA/WPA2的加密方式，这些加密方式先后被证明存在漏洞或被破解的可能。比如，WEP/WPA加密方式可以通过无线嗅探结合密码字典进行暴力破解；WPA2也被证明存在密钥重装攻击漏洞[2]（也叫Krack攻击漏洞）。密钥重装攻击漏洞利用WPA2预共享密钥机制，在WiFi连接对端合法性校验时，通过重放握手信息和多次重复安装相同的加密密钥进行比对来破解密码。 WiFi联盟要求所有的WiFi6认证设备必须使用WPA3加密方式，这种新的安全协议比之前的加密方式在安全性能上更好。比如，在WPA3协议中，一旦发现终端登录失败多次，便会通过屏蔽WiFi身份验证过程来防止暴力攻击。此外，WPA3将WPA2预共享密钥机制替换为对等实体同时验证方式进行身份验证，以避免WPA2协议的密钥重装攻击。

　　4. WiFi6技术智慧校园应用场景

　　4.1 WiFi6为智慧教室提供网络支撑条件

　　智慧教室是智慧校园的典型应用场景，它以“互联网+”、云计算、物联网等新技术为基础，并融合大数据分析、人工智能和多媒体技术，实现人性化和智能化的开放互动学习，助力高效、科学、精准教学和教研。如上课前教师根据接入教室内局域网的终端设备及认证用户名进行自动考勤点名，可以大幅减少点名签到时间；或者借助于智能数据采集终端，可自动采集教学数据并安全稳定传输到云端，可用于教学大数据分析提高教学水平。人员考勤和教学大数据分析等教学场景都依赖于WiFi6网络的高速率传输数据和高密度用户接入。WiFi6的上行/下行MU-MIMO技术可确保多用户终端高并发接入，解决无线网络在多用户接入场景下网络卡顿的痛点需求。此外，WiFi6理论最高速率可达9.6Gbps,即使受限于终端设备的天线数量，依然可以实现最高1.2Gbps的协商速率，可满足智慧教室的各个应用场景的带宽需求。

　　4.2 WiFi6助力于VR/AR教学

　　信息化技术越来越多地应用于高校教学实践中，有力地促进了高校教学模式转变、丰富了课堂教学内容。如利用VR/AR技术，将现实世界和虚拟环境交织融合，创造和现实几乎完全一样的虚拟环境[3]，让学生感受身临其境的情景，可以激发学生的学习兴趣，催生学习动力，提高学习效率。教师利用VR/AR改进教学模式，帮助学生将课堂理论知识和现实实践有机结合，提高教学育人能力和水平。VR/AR技术对于网络的延时要求很高，否则无法创造逼真的环境，并且容易造成用户头晕目眩。WiFi6无线技术在便捷用户接入的同时可以大大降低网络的延时，为VR/AR用户带来更逼真流畅的使用体验。

　　4.3 WiFi6与物联网融合组网

　　物联网技术在智慧校园有广泛的应用，校园一卡通是高校物联网建设最广泛的应用场景，可满足全校师生就餐吃饭、图书借阅、门禁出入、班车乘坐、游泳办卡、健身房出入等学习和生活信息化服务，并在智慧校园建设的背景下融入了人脸识别、指纹识别等新技术的应用。当前，校园一卡通系统主要以有线网的方式接入读卡器或自助终端，可有效满足新技术对于网络速率和时延的要求。但针对校园信息化移动场景或有线网无法到达的区域，WiFi6无线网络是一个更好的解决方案。比如，校内班车一般要求师生通过校园一卡通进行身份鉴别，这种方式对于忘记携带校园一卡通的师生很不友好。通过“刷脸”方式进行身份鉴别可解决忘记带证的问题，这衍生出了移动联网的需求，并且人脸识别技术对于网络的速率和时延要求很高。通过覆盖全校的WiFi6无线网络，校内班车可通过漫游方式接入校园网，WiFi6无线网络的高速率、大容量、低延时等特性可满足智慧校园的移动应用场景下的联网需求。

　　5. 结语

　　WiFi6无线接入设备商用正在大规模地普及，目前大多数移动终端设备芯片还不支持WiFi6协议，但由于WiFi6可以向下兼容WiFi5，因此，WiFi6依然可以表现出比WiFi5更优异的性能。可以预见，在未来WiFi6无线终端逐步普及后，WiFi6将会为高校智慧校园提供更好的网络支撑环境。

　　参考文献：

　　[1]黄宇,李雨汝.WiFi6技术现状综述[J].中国无线电,2021(5):2.

　　[2]Vanhoef M,Piessens F.Release the Kraken:New KRACKs in the 802.11 Standard[C]//The 2018 ACM SIGSAC Conference.ACM,2018.

　　[3]涂启泮,周毅勇,李荣彬.AR技术在高校教学中的应用研究[J].福建电脑,2018, 34(10):107-107.