打造高效的无线网络监控系统

该工程关键技术就是网络的建立，网络的可靠运行是整个系统运行的关键。由于处于山区，垂直落差1000m以上，地形地貌多变，控制设备分布较散，各设备之间不易架设光线和网络维护，天气对网络的影响教大。工程对设备工作可靠性要求较高。

3.1　方案比较

厂房内组成局域网，厂房中的4个视频监视点通过网线联入局域网，大坝上的视频点联入局域网通常有两种方式：一种采用有线的方式，用光纤和光纤收发器的方式；另一种采用无线网桥的方式接入。针对工程实际情况我们对采用无线网络和有线网络两种方案进行了比较。

3.1.1　光纤网络

传输速度快，信号受干扰小，技术较为成熟。但施工难度较大，维护工作量大。受天气地质影响较大（该地区为地震多发地区）。主要设备见表1。

表1　主要设备表

3.1.2　与有线网络相比，WLAN的优点

（1）安装便捷。一般在网络建设中，施工周期最长、对周边环境影响最大的，就是网络布线施工工程。在施工过程中，往往需要破墙掘地、穿线架管。而WLAN最大的优势就是免去或减少了网络布线的工作量，一般只要安装若干个接入点（AP）设备，就可建立覆盖整个建筑或地区的局域网络。

（2）通信可靠。抗射频干扰性能强，具有理想的接收灵敏度，宽范围天线能够提供强大的、可靠的无线传输。

（3）成本低。使用无线局域网可以避免安装线缆的高成本费用、租用线路的月租费用以及当设备需要移动而增加的相关费用。

（4）灵活性。由于没有线缆的限制，用户可以随心所欲地增加工作站或重新配置工作站。

（5）移动性。无线局域网设置允许用户在任何时间、任何地点访问网络数据，不需要指定明确的访问地点，因此用户可以在网络中漫游。

（6）高吞吐量。无线局域网也可以实现11Mbit/s的数据传输速率，这个数字高于T1、E1线路的速率。快速安装无线局域网的安装工作非常简单，它无需施工许可证，不需要布线或开挖沟槽，安装时间所需很少。

（7）安全性等同于有线。在无线通信领域，安全性是人们一直关注的一个问题，WLAN通过使用额外的安全机制使其安全性超过了有线系统的安全性。这些安全机制包括：DSSS扩频技术；在单个工作站一级实现访问控制；使用网络标识和一种基于RC4加密技术的可选加密机制等。

（8）保护用户已有投资。无线技术的发展非常迅速，因此用户难以避免需要向未来的无线局域网技术升级。朗讯科技的WavePOINT II采用双重PC卡槽设计，可以使用户将未来的、与IEEE802.11兼容的高速技术与他们已经安装的WLAN基站集成起来，从而保护用户的投资。

（9）WLAN的领先技术。WLAN产品是采用射频（RF）技术和IEEE802.11标准的无线局域网网络产品系列。这些产品包括WavePOINT无线接入节点，用于计算机设备的网络接口卡、天线系统和Wave MANAGER网络控制软件。WLAN可以为终端用户提供高效可靠的网络连接，并可实现与有线系统相同的高性能，同时它又具有无线系统所特有的灵活性、可移动性和成本低等优点。由于WLAN可以与现有的有线网络和无线网络互相兼容，用户可以利用它来构建一个纯粹的无线局域网结构，并将它加入现有的无线网络之中，或者在现有的有线网络中利用它们来实现无线网络的延伸。主要设备见表2。

表2　WLAN机站主要设备表

通过以上比较我们认为该工程采用无线网络比较好。

3.2　无线网络的设计原则

（1）整个无线网络系统设计满足用户的需求为准，并保留一定的冗余能力，以适应未来系统扩展的需求。

（2）方案设计和工程的实施以实际使用环境信号测试结果为最终依据，在开放环境下充分考虑到恶劣天气对天线和通信质量的影响。

（3）方案设计充分考虑到与有线网络的兼容性和互通性。采用无线AP接入技术。

（4）无线局域网具有安全措施，非法和非授权用户无法进入无线网或通过无线网进入整个系统网络。

（5）设计时，应充分考虑工程实施的可行性、安全性，要求安装简单，维护方便，同时具备防雷、防水措施。

（6）立足现在、适度超前，保证系统实用、先进、可靠的前提下，统筹规划、精心设计，尽可能将系统造价成本降至最低水平，提升系统性价比。

3.3　无线网络施工设计依据

3.3.1　符合IEEE802.11b标准

该标准是目前最常用的标准，它使用2.4GHz波段，室外环境下能够提供最大约5Mbit/s。

实际吞吐量，最大有效距离为100m（300英尺）。该标准的理论带宽可以达到11Mbit/s，目前市场上几乎所有的产品均支持该标准。

3.3.2　要符合中华人民共和国无线电管理批文(www.xing528.com)

3.3.3　参考室外型无线网桥用户手册

3.3.4　提供地形拓扑平面图

采用无中心拓扑。无中心拓扑的网络要求网中任意两个站点均可直接通信。采用这种拓扑结构的网络一般使用公用广播信道，个站点都可竞争公用信道，而信道接入控制（MAC）协议大多采用CSMA（载波监测多址接入）类型的多址接入协议。这种结构的优点是网络抗毁性好、建网容易且费用较低。但当网中用户数（站点数）过多时，信道竞争成为限制网络性能的要害。并且为了满足任意两个站点可直接通信，为了中站点布局受环境限制较大。因此这种拓扑结构适用于用户数相对较少的工作群为了规模。从数据链路层接入网络。这种接口方法并不沿用有线局域网的MAC协议，而采用更合适无线传输环境的MAC协议。在实时，MAC层及其以下层对上层是透明的，配置相应的驱动程序来完成与上层的接口，这样可保证现有的有线局域网操作系统或应用软件可在无线局域网上正常运行。

3.3.5　网络设计要符合有关技术规范

3.3.6　提供现场覆盖建筑、地点、电磁环境勘测数据

3.3.7　要依据中华人民共和国卫生部颁发的《环境电磁波卫生标准》

3.3.8　完成微波链路计算规程

3.3.9　该工程采用微波传输，扩频通信方案

3.3.9.1　微波扩频通信技术

用900MHz或2.45GHz（此频段为开放频段，无需申请许可证）微波作为传输媒介，以先进的直序扩展频谱或跳频方式发射信号，为宽带调制发射。所以它具有传输速率高、发射功率小、保密性好、抗干扰能力强的特点。更方便的是易于进行多点通信，很多用户可以使用相同的通信频率，只要设置不同的标识码ID，就可以产生不同的伪随机码来控制扩频调制，即可以进行互不干扰的同时通信。其通信距离和覆盖范围视所选用的天线不同而异：定向传送可达5～40km；室外的全向天线可覆盖10～15km的半径范围；室内全向可覆盖最大半径250m的5000km2范围。可见微波扩频通信技术为无线网提供了良好的通信信道。扩展频谱通信（Spread Spectrum Communication）简称扩频通信。扩频通信的基本特征是使用比发送的信息数据速率高许多倍的伪随机码把载有信息数据的基带信号的频谱进行扩展，形成宽带的低功率频谱密度的信号来发射。增加带宽可以在较低的信噪比情况下以相同的信息传输率来可靠地传输信息，甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应的增加信号带宽，仍然能够保持可靠的通信，也就是可以用扩频方法以宽带传输信息来换取信噪比上的好处。这就是扩频通信的基本思想和理论依据。扩频通信技术在发射端以扩频编码进行扩频调制，在接收端以相关解调技术收取信息，这一过程使其具有许多优良特性，如抗干扰能力强；隐蔽性强，保密性好；多址通信能力强；抗多径干扰能力强；且有较好的安全机制。实现扩频通信的基本工作方式有4种：直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum）工作方式（简称DSSS方式）；跳变频率（Frequency Hopping）工作方式（简称FH方式）；跳变时间（Time Hopping）工作方式（简称TH方式）；线性调频（Chirp Modulation）工作方式（简称Chirp方式）。我们在无线网络的通信中使用的是直扩式（DSSS方式）。

3.3.9.2　扩频通信的传输计算

在扩频通信方案设计中，正确地设计天馈线系统，是确保传输质量的最重要环节。传输计算的目的在于事先掌握站址资料、传输条件、合理地配置天馈线系统，以期用最经济的开销，取得合乎要求的电路传输质量。

（1）正常接收电平P的计算。

式中：Pt为发射机功率；∑GA为二付天线增益之和；Ls为自由空间传输衰耗；LF为二站馈线损耗之和；LJ为二站接头损耗；LC为合路器衰耗。

（2）合路器损耗值。二合一合路器损耗值为3.5d B；三合一合路器损耗值为5.2d B；四合一合路器损耗值为7.0d B。

（3）天线增益：频率大于1GHz的微波通信系统通常采用抛物面天线，它的增益主要取决于天线的口径大小和工作频率。天线增益可按下式计算：

式中：Ga为天线增益，d B；Da为天线口径，m；f为工作频率，GHz；ηA为天线效率，可取50％～70％。

（4）衰落储备的计算。衰落储备=正常接收电平-接收机门限电平。

3.3.9.3　微波的视距传播特性

在微波通信系统中，信号传输主要是利用微波的视距传播。和短波通信、对流层散射通信相比，视距微波通信具有传播较稳定、外界干扰较小等优点，但是，它也会受到大气及地面的影响，产生传播失真。

实际选用天线最佳高度时，要综合考虑路由剖面、地面反射和大气折射等因素，并常常需要通过电波预测确定。

无线电波在自由空间传输时，其单位面积内的能量会因自由扩散而减小，这种减小称为自由空间传输损耗。

若以分贝数表示，则自由空间传输损耗

Ls=92.4+20lg f+20lg d

式中：f为发射频率，GHz；d为站距，km。

在一般的大气条件下，视距传播的地面效应对视距传播损耗的影响主要有以下两个方面。

树林、建筑、山头或地面等障碍物可以阻挡一部分电磁波射线，在自由空间损耗之上以增加一部分阻挡损耗。平滑地面或水面可以把一部分信号反射到接收天线，反射波和直射波矢量相加就可能相互抵消而产生附加的损耗。

如果障碍物的峰顶恰好在视距的连线上，附加损耗为6d B。随着障碍物的峰顶越过视距连线，附加损耗增加得很快。但若障碍物的峰顶在视距连线以下，并使相对余隙大于0.5，则附加损耗很快地降到0dB附近。这时的传播损耗就接近自由空间损耗。为了避免阻挡引入的附加损耗，必须使所有障碍物都处于第一菲涅尔区以外。地面反射对于视距传播有着重要影响，它是产生电平衰落的主要原因之一。另外，合成场强还是站距和天线高度的函数，因此，当工作频率给定时，为使接收点的场强达到最大值，必须选择最佳的天线高度。对于大气吸收衰减来说，50km传播距离下总衰减小于0.75d B，和自由空间传输损耗相比，可以忽略不计。而雨雾中的小水滴会散射电磁波的能量，造成散射衰减。一般说来，在10GHz（3cm）以下的频段，雨雾散射衰减并不显得特别严重，通常只有几分贝。而在10GHz以上频段，中继间隔则主要受到降雨衰减的限制。等效地球半径因子K是视距传播的一个重要参量。一般为4/3左右。由于K因子还和该地区的气象条件有关，可以在较大范围风变动，影响视距传播。例如K＜1时，Re＜R，射线可能被中途障碍物阻挡而造成传播中断。因此在电路设计中必须留有足够的空隙，使得K因子降到最低值时射线仍能不受中途障碍物的阻挡。