智慧課堂內(nèi)移動終端無線互連技術(shù)研究

邱靜怡

摘要：以智慧課堂移動終端互連的特殊要求作為突破口，研究現(xiàn)有移動互連技術(shù)并指出其存在的不足，由此引出構(gòu)建滿足智慧課堂需求的終端無線互連技術(shù)特點，提出智慧課堂內(nèi)移動終端互連的未來設計要點與可行的解決方案。

關(guān)鍵詞：無線互連；移動終端；智慧課堂

DOIDOI：10.11907/rjdk.151399

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A 文章編號文章編號：16727800（2015）008018703

1 智慧教育的涵義、內(nèi)容及其現(xiàn)實意義

教育部于2012年3月發(fā)布的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020）》中指出，我國教育信息化建設正從“起步、應用”階段向“融合、創(chuàng)新”階段邁進，教育信息化之路正在蓬勃發(fā)展且潛力巨大[1]。智慧教育成為信息化教育應用的一個新范式，智慧課堂作為一種典型的智能學習環(huán)境，成為各學校課堂環(huán)境建設的目標。新加坡國立教育學院設立BackPack.Net中心，積極打造“未來教室”，為學生配置電子書包，傳遞“處處是學習場所，不受時間、空間限制”的理念；戴爾“互聯(lián)課堂”、華東師范大學“未來課堂”也在教室環(huán)境中引入學習終端（筆記本電腦或平板電腦，如iPad等）。智慧課堂可以看作是集物聯(lián)網(wǎng)和教育云等新技術(shù)于一體的未來課堂的一種形式，是一種由“課堂教學支撐系統(tǒng)”整合了電腦終端、互動電子白板、實物展臺、即時反饋系統(tǒng)、智能終端等軟、硬件的教與學環(huán)境。在泛在網(wǎng)絡環(huán)境支持下，智慧教室由數(shù)字內(nèi)容資源、各類學科工具、教學管理與評價云服務以及多屏顯示等裝備構(gòu)成，具有智能化、開發(fā)性、混合型、交互性和生態(tài)性等特征，可以滿足或促進人與技術(shù)、資源、環(huán)境之間的良好互動。未來教室的發(fā)展趨勢是智慧課堂，包括電子課本、電子課桌、電子書包、電子白板……在資源方面，由模擬媒體到數(shù)字媒體，再到網(wǎng)絡媒體，資源最終都集中在教育云上，內(nèi)容達到極大豐富，從而滿足個性化的學習[2]。智慧教室中，多媒體互動數(shù)字教材是課堂的靈魂角色，而無線網(wǎng)絡環(huán)境是課堂的基礎建設。因此，研究課堂移動終端互連技術(shù)具有一定的理論價值和現(xiàn)實意義。

2 現(xiàn)有智慧課堂移動終端互連方式及存在的問題

與通用型終端設備相比，智慧課堂內(nèi)的學習終端在網(wǎng)絡互連方面存在特殊要求。本文通過實地調(diào)研某小學智慧課堂無線網(wǎng)絡場景，如圖1所示，智慧教室內(nèi)師生均配備有學習終端，課堂內(nèi)配備具有展示和交互功能的電子白板，所有數(shù)據(jù)信息的交互都通過無線路由器實現(xiàn)。得出當前使用無線AP（Access Point）構(gòu)建的WLAN在智慧教學場景應用中存在以下問題：

（1）密集性用戶接入受限。教師發(fā)出指令要求學生打開學習終端，全班50個學生約2秒內(nèi)同時開啟學習終端連接課堂無線AP時，出現(xiàn)10多臺學習終端網(wǎng)絡連接受限的情況。而且出現(xiàn)這種情況后，往往只能通過重啟學習終端的方式重新連接網(wǎng)絡，說明當前的基礎網(wǎng)絡無法處理一個自然班容量的學生終端并發(fā)接入。

（2）聚集性、并發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸受阻。在教學資源集中分發(fā)或上傳過程中（如分發(fā)試卷或同時上傳作業(yè)），偶爾出現(xiàn)文本試卷漏發(fā)和作業(yè)上交不齊的情況。而多媒體教學資源分發(fā)過程中甚至出現(xiàn)大部分學習終端停止下載或播放，說明現(xiàn)行的基礎網(wǎng)絡不能滿足聚集性、并發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕虒W應用需求。

（3）基礎網(wǎng)絡架構(gòu)繁雜。為滿足大量學生終端的高速穩(wěn)定接入，部分教室甚至在一個教室內(nèi)同時部署2～3臺AP。這種繁雜的基礎網(wǎng)絡架構(gòu)增大了校內(nèi)多AP重疊部署和信道重疊干擾的幾率，增加了布線施工成本和周期，嚴重影響用戶接入感知，甚至導致在校內(nèi)大規(guī)模開展智慧課堂教學完全不可行。

上述調(diào)研結(jié)果說明，固定的容納50～60個學生數(shù)量的課堂教學場景勢必導致密集性終端設備的接入和使用問題十分突出。而教學應用場景中的個性化學習、分組互動等應用無法避免大數(shù)據(jù)并發(fā)傳輸，這些都需要高帶寬網(wǎng)絡的支持。當前課堂使用的WLAN擁有的狹窄帶寬無法承載如此高的應用需求，而構(gòu)建WLAN的核心設備——無線AP（Access Point）更是成為無線傳輸?shù)钠款i。

3 當前主流研究方案分析

為了解決上述難題，國內(nèi)外研究人員對無線互連技術(shù)進行了大量研究，目前具體有以下幾種實施方案：

第一種方案是WLAN增強技術(shù)。WLAN技術(shù)增強方法包括：

（1）利用IEEE 802.11ac標準的新一代超高速WLAN標準代替現(xiàn)有的IEEE 802.11n WLAN協(xié)議。IEEE 802.11ac是目前最新的無線局域網(wǎng)標準之一，其目標是利用5.8GHz頻段制定Gbit/s以上數(shù)據(jù)傳輸速率的超高速WLAN標準，通過更寬的RF帶寬（提升至160MHz）、更多的MIMO空間流（spatial streams）（增加到8）、多用戶的MIMO，以及更高階的調(diào)制（modulation）（達到 256QAM）等技術(shù)的提升，將課堂內(nèi)基礎網(wǎng)絡帶寬提升一個數(shù)量級。表1中的測試結(jié)果顯示，課堂內(nèi)一臺IEEE 802.11ac協(xié)議支持的AP和32個無線終端共同工作時，所有終端都能獲得大于2Mbps的數(shù)據(jù)傳輸量，可完全滿足智慧課堂教學場景的需求。然而，在一個自然班容量的智慧課堂中，要求所有終端都能滿足2Mbps通信帶寬則需要部署兩套802.11ac的AP設備，從而增加了網(wǎng)絡架構(gòu)的復雜性，也限制了智慧課堂在校園范圍內(nèi)的廣泛使用。

（2）智能MIMO多天線技術(shù)。在多天線系統(tǒng)中引入交叉極化和圓極化等多種極化形式的天線單元能有效提升無線通信系統(tǒng)的整體性能，保障教室內(nèi)無線信號均衡覆蓋無死角，而這將會增加終端設備通信設計的復雜性。

另一類解決方案是密集AP部署。為了保證教室內(nèi)的覆蓋和服務質(zhì)量，需要布置多個AP，在整個教學樓同時部署的情況下，將使802.11無線局域網(wǎng)中的AP呈現(xiàn)一種高密度分布。這種AP密集的無線網(wǎng)絡在具有穩(wěn)定的網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域、高通信速率和低能耗等優(yōu)勢的同時，也帶來了不少亟需解決的問題，如強烈的物理干擾、激烈的接入競爭，需要從AP規(guī)劃、信道分配和功率控制等多方面進行協(xié)調(diào)研究。

然而，不論是將網(wǎng)絡基礎協(xié)議從802.11n升級為新一代802.11ac協(xié)議，還是采用智能天線和多AP部署的方式，都是通過提升網(wǎng)絡空口資源的方式來提高網(wǎng)絡性能，這僅是從“量”的層面提升網(wǎng)絡性能，而不能解決智慧教室中WLAN星型網(wǎng)絡架構(gòu)的固有缺陷導致的密集用戶接入受限和聚集性、并發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸受阻問題。

4 Ad Hoc組網(wǎng)解決方案

為此，本文率先提出將Ad Hoc網(wǎng)絡架構(gòu)應用于終端無線互連上的課堂教學場景，如圖2所示。Ad Hoc網(wǎng)絡是由一組任意分布且可隨機移動的節(jié)點以自組織的方式構(gòu)建的無線通信網(wǎng)絡，且不依賴于任何已有的固定和有線網(wǎng)絡基礎設施。它不僅打破了傳統(tǒng)的WiFi星型接入無線基礎網(wǎng)絡架構(gòu)，可利用學習終端之間的Ad Hoc功能，自組織構(gòu)建成網(wǎng)狀架構(gòu)，以降低無線AP瞬時接入壓力，消除網(wǎng)絡傳輸瓶頸，提升整網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性，而且能利用路由協(xié)議，根據(jù)網(wǎng)絡狀態(tài)靈活選擇單播、組播和廣播路由方式，支持高性能的本地通信以滿足智慧教室應用需求。特別是其組播路由機制能在網(wǎng)絡層支持課堂的小組合作學習方式，提高多媒體互動資源的傳輸效率，降低網(wǎng)絡成本，為學習終端的應用推廣提供了保障。

雖然我國《國家中長期科學與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》[3]為信息技術(shù)領(lǐng)域確定了3個前沿技術(shù)，Ad Hoc網(wǎng)絡技術(shù)便是其中之一，部分研究者已開始對Ad Hoc網(wǎng)絡技術(shù)應用于教學環(huán)境進行相關(guān)的嘗試。但是直至今日，Ad Hoc網(wǎng)絡在實際應用中并不普遍，大量研究仍處在仿真和實驗階段（仿真規(guī)模在數(shù)百至數(shù)千節(jié)點，實驗規(guī)模在幾十個節(jié)點左右）。主要原因在于一方面運營商出于商業(yè)目的限制移動自組織網(wǎng)絡的應用，另一方面智能手機、PDA、掌上電腦等終端設備的處理能力和有限的無線鏈路帶寬限制了移動自組織網(wǎng)絡的應用和網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的架設。但Ad Hoc網(wǎng)絡無需基礎通信設施的支持，能在任何時間、地點，隨時搭建使用的突出優(yōu)勢，使其在教育、救災搶險、工商業(yè)以及文化娛樂等領(lǐng)域有著廣泛的應用需求，對Ad Hoc網(wǎng)絡進行深入研究和應用嘗試是移動終端設備的發(fā)展趨勢。

5 結(jié)語

本文通過分析課室內(nèi)智慧終端無線組網(wǎng)存在的固有問題，提出在課室教學場景中的無線終端使用Ad Hoc組網(wǎng)。該方式符合網(wǎng)絡技術(shù)前沿發(fā)展方向，也體現(xiàn)了教育信息化的應用需求。在未來的工作中，將繼續(xù)研究Ad Hoc組網(wǎng)模式下如何構(gòu)造高效的單播、組播路由協(xié)議，以滿足各種課堂教學場景的需求。

參考文獻：

[1] 楊宗凱.教育信息化十年發(fā)展展望——未來教室、未來學校、未來教師、未來教育[J].中國教育信息化，2011（9）：1415.

[2] JOHNSON L，ADAMS BECKER S，CUMMINS M，et al.NMC horizon report 2013 higher education edition[EB/OL].http：//www.nmc.org/pdf/2013horizonreportk12CN.pdf.

[3] 國務院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定[EB/OL].http：//www.gov.cn/zwgk/201010/18/content_1724848.htm.

（責任編輯：黃 ?。?