智慧牧區(qū)無線交互網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

吳 波，張 謙

（中國廣電內(nèi)蒙古網(wǎng)絡(luò)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

0 引 言

當(dāng)前，自治區(qū)現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施、群眾公共文化服務(wù)體系建設(shè)、服務(wù)能力與人們的需求還有一定差距，特別在信息化建設(shè)方面制約著自治區(qū)畜牧業(yè)產(chǎn)業(yè)化、現(xiàn)代化的發(fā)展。綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力有待加強(qiáng)，城鄉(xiāng)、區(qū)域、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展不平衡，部分農(nóng)村地區(qū)發(fā)展滯后，基礎(chǔ)設(shè)施和基本公共服務(wù)薄弱。牧區(qū)主要通信問題是網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲點(diǎn)和盲區(qū)多、通信信號差，大部分牧民無法有效使用無線網(wǎng)絡(luò)，不利于牧區(qū)信息化建設(shè)，制約著牧民的生產(chǎn)、生活。

1 無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案分析

偏遠(yuǎn)農(nóng)牧區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋一直是難以解決的問題，用戶規(guī)模小、地形復(fù)雜、建設(shè)成本高，這些都是通信覆蓋率不高的主要原因，阻礙著農(nóng)牧區(qū)的通信發(fā)展。農(nóng)牧區(qū)通信建設(shè)發(fā)展過程中面臨較多的問題，具體如下。一是偏遠(yuǎn)牧區(qū)地形多數(shù)以山地、丘陵為主，高原上存在5級夷平面，具有層狀高原的顯著特征，沙地、草場和林地覆蓋范圍相對較廣，很多地區(qū)無法建立有線傳輸；二是農(nóng)牧區(qū)通信建設(shè)花費(fèi)的成本較高，資金回收相對較慢；三是當(dāng)?shù)赝ㄐ殴芾砗瓦\(yùn)營體制無法滿足電信行業(yè)發(fā)展的要求，導(dǎo)致農(nóng)牧區(qū)電話出現(xiàn)熱裝冷用的現(xiàn)象；四是大部分林場、農(nóng)場、牧場以及礦區(qū)等較為偏遠(yuǎn)，交通不夠便利且居住人員相對分散，電信工作無法順利進(jìn)行[1]。

在有線傳輸無法覆蓋的范圍內(nèi)，可以采用無線交互網(wǎng)絡(luò)技術(shù)手段進(jìn)行覆蓋。以廣電全光網(wǎng)絡(luò)為骨干，以微波傳輸網(wǎng)絡(luò)為延伸，搭建無線網(wǎng)橋。無線網(wǎng)橋就是無線網(wǎng)絡(luò)的橋接，利用無線傳輸方式在兩個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間搭起通信橋梁[2]。無線網(wǎng)橋從通信機(jī)制上分為電路型網(wǎng)橋和數(shù)據(jù)型網(wǎng)橋。無線網(wǎng)橋的工作原理其實(shí)就是將空氣作為介質(zhì)來傳播信號，簡單來說就是一端網(wǎng)橋把網(wǎng)線中的信號轉(zhuǎn)化為無線電磁波信號并定向發(fā)射到空氣中。另一端的網(wǎng)橋作用剛好相反，接收空氣中的無線電磁波信號并將其轉(zhuǎn)化為有線信號。

無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要包括以下特性：一是覆蓋能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)有效半徑15 km以內(nèi)的廣域覆蓋；二是可維護(hù)性強(qiáng)，支持本地管理、遠(yuǎn)程管理以及用戶終端設(shè)備管理；三是易部署和擴(kuò)展，采用混合型組網(wǎng)配置，無線網(wǎng)橋傳輸容量擴(kuò)展及部署簡便，支持同站點(diǎn)直接規(guī)劃建設(shè)；四是安全性較高，支持多種加密算法和雙向安全加密認(rèn)證，能夠?qū)崿F(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)安全傳輸；五是業(yè)務(wù)靈活、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)劃區(qū)域全面覆蓋，業(yè)務(wù)接入靈活。

2 無線網(wǎng)絡(luò)交互技術(shù)分析

無線網(wǎng)絡(luò)交互技術(shù)在較差的環(huán)境和高調(diào)幅模式下優(yōu)化了設(shè)備抗干擾敏感性和低噪聲性能，使設(shè)備具備更高的靈敏度和更強(qiáng)的抗干擾能力。無線寬帶基站可以實(shí)現(xiàn)自動掃描信號源頻率、自動分析終端到基站間的通信距離以及校準(zhǔn)無線信號等功能，保證在有效的信號范圍內(nèi)達(dá)到良好的用戶感知效果。

2.1 MU-MIMO技術(shù)

多用戶多輸入多輸出（Multi User-Multiple Input Multiple Output，MU-MIMO）是最新Wi-Fi技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)802.11ac 2.0的最重要特性之一，可以顯著提高網(wǎng)絡(luò)總吞吐量和總?cè)萘俊Ｒ粋€(gè)接入點(diǎn)（Access Point, AP）可以同時(shí)與多個(gè)支持MU-MIMO的用戶終端通信，這里的同時(shí)是絕對時(shí)間點(diǎn)上的同時(shí)，數(shù)據(jù)并行[3]。簡單來說就是設(shè)備依賴預(yù)先學(xué)習(xí)到的信道狀況信息精確地進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，在同一時(shí)刻通過不同的天線向不同的無線終端并發(fā)地發(fā)送數(shù)據(jù)，各個(gè)接收終端可以有效過濾掉來自其他終端數(shù)據(jù)的干擾，實(shí)現(xiàn)同時(shí)接收。通過MU-MIMO技術(shù)的支持，用戶能夠利用無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)同時(shí)接收。MIMO天線技術(shù)在鏈路的發(fā)送端和接收端都并行傳遞多條空間流，從而可以在相同的信道帶寬條件下獲取更高的通信系統(tǒng)容量和更高的頻譜利用率[4]。此外，MIMO天線的空間流數(shù)必須大于天線數(shù)。

選取僅支持單用戶多輸入多輸出（Single User-Multiple Input Multiple Output，SU-MIMO）技術(shù)的Wi-Fi路由器和支持MU-MIMO技術(shù)的終端設(shè)備，將終端設(shè)備接入路由器，結(jié)果終端設(shè)備的傳輸速率最高只有80 Mb/s左右。而將終端設(shè)備接入到支持MU-MIMO技術(shù)的高端Wi-Fi路由器，終端設(shè)備則能達(dá)到約240 Mb/s的最高傳輸速率，傳輸性能顯著提升[5-8]。

2.2 OFDM調(diào)制及A-MPDU幀聚合技術(shù)

正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）調(diào)制方法的主要思想是將標(biāo)準(zhǔn)帶寬的信道劃分成幾個(gè)相互正交的子信道，用來承載多路并行的低速子數(shù)據(jù)流，每個(gè)低速的子數(shù)據(jù)流對應(yīng)使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制。將分開的低速子數(shù)據(jù)流進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，同時(shí)將并行的低速子數(shù)據(jù)流調(diào)整成高速信息流，信號在接收端再進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，將正交信號分開，這樣可以減少子信道間的干擾。每個(gè)子信道的帶寬是原信道的一小部分，容易實(shí)現(xiàn)信道均衡，并且每個(gè)子信道的帶寬小于相關(guān)帶寬，可以有效避免碼間串?dāng)_。

在802.11ac協(xié)議中選用獨(dú)立的 MAC 協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ Aggregate-Management Protocol Data Unit，A-MPDU）幀聚合技術(shù)，所有的報(bào)文傳輸都通過聚合流程，每個(gè)協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Presentation Protocol Data Unit，PPDU）的傳輸是A-MPDU，即使這個(gè)A-MPDU中只包含了一個(gè)MPDU，這樣就不用再區(qū)分報(bào)文是否聚合，有效簡化了流程。同時(shí)，802.11ac將單個(gè)A-MPDU聚合幀的大小從64 kB提高到1 MB，這樣就能夠更好地配合802.11ac的物理層實(shí)現(xiàn)高速傳輸。802.11ac每次傳輸報(bào)文的長度強(qiáng)制要求為OFDM Symbol攜帶的比特?cái)?shù)，如果不滿足要求，則使用Null Frame填充最后一個(gè)OFDM Symbol。

2.3 信道規(guī)劃

基于802.11ac擴(kuò)展的信道綁定機(jī)制，在使用802.11ac網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要更好地規(guī)劃信道。一個(gè)802.11ac設(shè)備在選擇發(fā)送帶寬時(shí)會先嘗試以高帶寬來發(fā)送數(shù)據(jù)，如果高帶寬的Secondary Channel忙，則用較低帶寬Primary Channel發(fā)送；如果Primary信道忙，則降低寬帶速率或者退避等待。與此同時(shí)，802.11ac協(xié)議提高了80 MHz帶寬情況下的空閑信道評估（Clear Channel Assessment，CCA）閾值，保證了檢測更加嚴(yán)格。例如，兩個(gè)設(shè)備AP工作在80 MHz模式（信道149～161），信道重疊（一個(gè)主信道是149，一個(gè)設(shè)備主信道是157），這樣對于連接在兩個(gè)設(shè)備上的802.11n終端（40 MHz）就可以無影響地傳輸數(shù)據(jù)。而對于802.11ac終端（80 MHz），可以根據(jù)實(shí)際使用情況來選擇合適的帶寬[9-12]。

根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場部署測試來看，無線交互技術(shù)可以讓用戶終端在距離基站天線12 km處達(dá)到高速上網(wǎng)的目的，丟包率控制在1%以下。

3 結(jié) 論

無線交互網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特點(diǎn)是可以在相同的信道帶寬條件下獲取更大的通信系統(tǒng)容量和更高的頻譜利用率，通過融合應(yīng)用相應(yīng)技術(shù)，在相對較差的環(huán)境和高調(diào)幅模式下提升了設(shè)備抗干擾性，使設(shè)備具備更高的靈敏度，確保用戶隨時(shí)都可以接入到通信網(wǎng)絡(luò)。以智慧廣電+公共服務(wù)+政務(wù)服務(wù)+鄉(xiāng)村治理為抓手，建設(shè)橫向到邊、縱向到底的分布式智慧廣電有線無線融合網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)牧區(qū)廣電網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋，從而為推進(jìn)鄉(xiāng)村全面振興做出新的貢獻(xiàn)。