分布式無線系統設計

■李礫

本文闡述了以多個小功率無線收發設備來實現復雜室內環境下分布式無線系統的構建，從而利用無線系統良好的適應性、便利性、實用性的特點解決了部門的實際業務需求。

一、前 言

廣西電視臺新聞中心下轄標清演播室、高清演播室、開放演播室共三個新聞演播室，每個演播室里的日播節目都需經常使用3G 直播服務器做視頻互動或現場直播節目，系統控制臺的部署成了大問題，安置在任意一個演播室都不便于另兩個演播室的使用，導致導播需要跑來跑去調度信號或需要多出一個工作人員專職在系統控制臺旁調度信號。因此，我們為了同時滿足三個演播室的業務需求，提高系統控制臺的移動性，在新聞中心所轄區域內自主研發搭建了一個安全、穩定的分布式無線控制網絡，專門為系統控制臺提供安全穩定的無線控制接入服務。

二、方案設計

1.系統架構

本系統利用基于空間多樣性的多徑傳輸技術在不增加帶寬和天線發送功率的情況下大幅提升頻譜利用率和無線信道容量。數據報文通過128位密鑰的多次迭代對稱加密算法調制成高強度密文在2.4GHz 頻段進行傳輸。為了避免過高發射功率對人體健康造成不良影響，采用多臺最大發射功率僅有100mw 的無線收發設備組成分布式無線網絡，以正交頻分復用編碼消除符號間干擾，優化信道均衡；將可用總頻寬73MHz進行蜂窩式交錯劃分成三段互不干擾的子頻段，以每頻段22MHz 的帶寬實現分布式覆蓋。

2.無線信道規劃

為了避免過高發射功率對周邊無線設備造成影響，我們采用多臺最大發射功率僅有100mw 的無線收發設備組成分布式接入網絡。

為了解決設備相互之間的干擾，最大程度地利用頻段資源，我們把2401～2473Mhz 之間的72Mhz 頻寬劃分為三個相同頻寬的頻道，相鄰的無線設備使用不同的頻道避免干擾，每個頻道頻寬22Mhz，各頻道間保留3Mhz 保護間隙。如圖1 所示。

三、功能模塊

1.迭代對稱調制模塊

系統控制臺是本系統監控、調度信號的控制核心，系統安全尤為重要；而無線信號以廣播形式在空間中傳輸，這又是極不安全的。我們采用迭代對稱調制模塊對數據進行高強度加密處理，再交由多徑傳輸模塊進行無線傳輸。

該模塊的工作流程如圖2 所示，在每個無線設備的發送端所有數據都必須經過該模塊加密調制處理才進行無線傳輸，接收端收到的數據則只有經過該模塊模塊的解密調制才能還原出明文數據。

2.多徑傳輸模塊

多徑傳輸模塊采用直接序列擴頻方式對數據流進行處理，調整成高速數據載波；然后將需要傳輸的高速數據載波分成若干個低速載波（52 個帶寬為300Khz 子數據載波，其中48 個子數據載波用于傳輸數據，剩下4 個子數據載波用于數據糾錯），利用無線信號的多徑效應進行數據傳輸。多徑傳輸模塊能夠提供令人滿意的抗噪聲干擾性能以及較高的傳輸帶寬，充分確保遙控臺能夠穩定高效地完成對系統控制臺的實時操控。

3.分布式控制模塊

分布式控制模塊位于分布式無線控制網絡的中心位置，是控制、協調接入網絡的各個無線收發設備的核心模塊，主要完成以下功能：

（1）無線收發設備的注冊

如圖3 所示，①新入網的無線收發設備通過DHCP 服務獲取IP 地址、option43 屬性（該屬性包含分布式控制模塊目的地址）；②無線收發設備從option43 中獲取分布式控制模塊目的地址，然后向分布式控制模塊發送單播發現請求；③接收到發現請求報文的分布式控制模塊會檢查該無線收發設備是否有接入網絡的權限，如果有則回應發現相應；④無線收發設備從分布式控制模塊下載最新的配置信息；⑤無線收發設備開始正常工作，與分布式控制模塊交換用戶數據報文。

（2）遙控臺與系統控制臺之間數據的轉發

如圖4 所示，①遙控臺發出的數據的源地址為遙控臺IP 地址，目的地址為系統控制臺IP 地址；②數據到達無線收發設備后，無線收發設備在原數據前加上隧道封裝，新的數據報文中源地址為無線收發設備地址，目的地址為分布式控制模塊地址；③數據報文到達分布式控制模塊后，分布式控制模塊首先解開隧道封裝查看真正的目的地址，真正的目的地址為系統控制臺IP 地址，分布式控制模塊將數據發送給系統控制臺。

（3）無線收發設備之間的數據轉發

如圖5 所示，①無線收發設備A發出的數據的源地址為無線收發設備A 的IP 地址，目的地址為無線收發設備B 的IP 地址；②數據到達無線收發設備C 后，無線收發設備在原數據前加上隧道封裝，新的數據報文中源地址為無線收發設備C 的地址，目的地址為分布式控制模塊地址；③數據報文到達分布式控制模塊后，分布式控制模塊首先解開隧道封裝查看真正的目的地址，真正的目的地址為無線收發設備B 的IP 地址，由于無線收發設備B 并未直連分布式控制模塊，所以分布式控制模塊會再次給原始數據加上隧道封裝，此時新的數據報文中源地址為分布式控制模塊，目的地址為無線收發設備D；④數據報文到達無線收發設備D 后，由無線收發設備D 解開隧道封裝后將數據發送給無線收發設備B。

4.系統控制模塊

系統控制模塊的主要功能是完成遙控系統控制臺的信號監控和信號調度業務。該模塊首先在遙控臺與系統控制臺之間的建立TCP 連接，然后在這個連接中創建多層次的若干虛擬通道。這些通道分別負責傳輸圖像數據、剪貼板數據、聲音映射數據、其他設備數據等。

虛擬通道內各個層次功能如下：

RDP層：客戶端任何的用戶操作，都將形成RDP 數據包，并以數據包類型形成RDP 包頭，然后將數據包傳給Secure Connection 層，由Secure Connection 負責將數據往下傳遞。

Secure Connection 層：該層在收到系統控制層數據包后，在系統控制數據包中添加Sec 層的包頭，將對系統控制數據進行加密，然后傳給MCS 層。

MCS 層：在收到Sec 層傳來的數據包后，在該數據包中添加MCS層數據包包頭信息，然后將數據包傳給ISO 層。

ISO 層：收到MCS 層的數據后，在該數據包中添加ISO 包頭，并將數據包傳給TCP 層，由TCP 層負責將數據通過網絡發送出去。

TCP 層：這是我們常說的傳輸層，在收到ISO層傳輸過來的數據后，將通過原建立好的SOCK 將數據發送出去。

四、無線信號勘測

在分布式無線系統部署前，我們并不能明確地知道無線收發設備的部署數量和安裝方式。只有在對覆蓋地點進行勘測和指標計算后，才能確定出無線收發設備、天線及其他器件的型號和數量。同時通過勘測和指標計算，才能確定無線收發設備布放的位置、天線的方位角等工程設計參數，作為工程安裝的指導資料。

1.勘測工具的準備

無線收發設備：使用與項目部署相同型號相同功率的無線收發設備進行現場勘測。

不同增益的全向、定向天線若干：根據現場環境，選擇不同增益的全向或定向天線進行勘測，以達到最好效果。

2.勘測內容

勘測過程中測繪覆蓋區域的地形圖，尋找無線收發設備和天線合適的安裝位置，計算所需天線的指標并決定型號，評估覆蓋效果，匯總設備型號和數量，確定防雷、接地方式、供電方式等。

勘測輸出結果主要包括無線收發設備、天線及其他器件（如防雷器、供電設備、饋線等）的型號、數量，這些都是項目成本核算的基礎數據。

在實際的勘測中，為了使無線收發設備之間能夠保持穩定、高效的傳輸環境，我們的勘測設計目標是目標覆蓋區域內95%以上位置的接收信號強度大于-75dBm，重點覆蓋區域信號強度大于-70dBm。無線信號穿透各種建筑材質后的大致損耗如表1 所示。

同時，在衡量各種材質對于無線信號的穿透損耗時，需要考慮無線信號的入射角度。例如，一面0.5米厚的墻壁，當無線信號和覆蓋區域之間直線連接呈30 度角入射時，無線信號相當于穿透1 米厚的墻壁；在2 度角時相當于超過14 米厚的墻壁，所以要獲取更好的無線信號質量應該盡量使無線信號能夠垂直穿過墻壁。

五、總結

在項目實施期間，我們共使用了20 臺發射功率為100mw 的無線收發設備對遙控臺業務工作區域進行全面無線覆蓋。各個演播室、控制室都能接收到良好的無線信號。

我們的覆蓋方案設計充分考慮到由于覆蓋需求區域的不規則形狀導致相鄰無線收發設備覆蓋范圍重疊，降低無線系統性能；通過將相鄰無線設備設置到不同頻道，避免信道碰撞，有效保證了整個無線覆蓋的穩定性和連貫性，確保遙控臺在有效的無線覆蓋下安全、高效地工作。

經過一段時間的使用，我們的無線遙控臺獲得了部門領導和各節目制作人的好評，其便利、穩定、高效的優點得到了大家的肯定。

1.郭梯云、楊家瑋、李建東：《數字移動通信》，重慶大學出版社，2006年版。

2.李建東：《信息網絡理論基礎》，西安電子科技大學出版社，2002年版。

3.鄭娜娥、陳磊：《多用戶分布式MIMO-OFDM 系統中天線與子載波分配算法研究》[J]，《電路與系統學報》2012(01)。

4.甘勇、賀蕾、馮媛：《無線網絡MAC 協議中RTS/CTS 機制的研究》[J]，《鄭州輕工業學院學報(自然科學版)》2008(03)。