■李礫

本文闡述了以多個(gè)小功率無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下分布式無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的構(gòu)建，從而利用無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)良好的適應(yīng)性、便利性、實(shí)用性的特點(diǎn)解決了部門(mén)的實(shí)際業(yè)務(wù)需求。

一、前 言

廣西電視臺(tái)新聞中心下轄標(biāo)清演播室、高清演播室、開(kāi)放演播室共三個(gè)新聞演播室，每個(gè)演播室里的日播節(jié)目都需經(jīng)常使用3G 直播服務(wù)器做視頻互動(dòng)或現(xiàn)場(chǎng)直播節(jié)目，系統(tǒng)控制臺(tái)的部署成了大問(wèn)題，安置在任意一個(gè)演播室都不便于另兩個(gè)演播室的使用，導(dǎo)致導(dǎo)播需要跑來(lái)跑去調(diào)度信號(hào)或需要多出一個(gè)工作人員專(zhuān)職在系統(tǒng)控制臺(tái)旁調(diào)度信號(hào)。因此，我們?yōu)榱送瑫r(shí)滿(mǎn)足三個(gè)演播室的業(yè)務(wù)需求，提高系統(tǒng)控制臺(tái)的移動(dòng)性，在新聞中心所轄區(qū)域內(nèi)自主研發(fā)搭建了一個(gè)安全、穩(wěn)定的分布式無(wú)線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)，專(zhuān)門(mén)為系統(tǒng)控制臺(tái)提供安全穩(wěn)定的無(wú)線(xiàn)控制接入服務(wù)。

二、方案設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)利用基于空間多樣性的多徑傳輸技術(shù)在不增加帶寬和天線(xiàn)發(fā)送功率的情況下大幅提升頻譜利用率和無(wú)線(xiàn)信道容量。數(shù)據(jù)報(bào)文通過(guò)128位密鑰的多次迭代對(duì)稱(chēng)加密算法調(diào)制成高強(qiáng)度密文在2.4GHz 頻段進(jìn)行傳輸。為了避免過(guò)高發(fā)射功率對(duì)人體健康造成不良影響，采用多臺(tái)最大發(fā)射功率僅有100mw 的無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備組成分布式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，以正交頻分復(fù)用編碼消除符號(hào)間干擾，優(yōu)化信道均衡；將可用總頻寬73MHz進(jìn)行蜂窩式交錯(cuò)劃分成三段互不干擾的子頻段，以每頻段22MHz 的帶寬實(shí)現(xiàn)分布式覆蓋。

2.無(wú)線(xiàn)信道規(guī)劃

為了避免過(guò)高發(fā)射功率對(duì)周邊無(wú)線(xiàn)設(shè)備造成影響，我們采用多臺(tái)最大發(fā)射功率僅有100mw 的無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備組成分布式接入網(wǎng)絡(luò)。

為了解決設(shè)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(gè)相同頻寬的頻道，相鄰的無(wú)線(xiàn)設(shè)備使用不同的頻道避免干擾，每個(gè)頻道頻寬22Mhz，各頻道間保留3Mhz 保護(hù)間隙。如圖1 所示。

三、功能模塊

1.迭代對(duì)稱(chēng)調(diào)制模塊

系統(tǒng)控制臺(tái)是本系統(tǒng)監(jiān)控、調(diào)度信號(hào)的控制核心，系統(tǒng)安全尤為重要；而無(wú)線(xiàn)信號(hào)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(duì)稱(chēng)調(diào)制模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高強(qiáng)度加密處理，再交由多徑傳輸模塊進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸。

該模塊的工作流程如圖2 所示，在每個(gè)無(wú)線(xiàn)設(shè)備的發(fā)送端所有數(shù)據(jù)都必須經(jīng)過(guò)該模塊加密調(diào)制處理才進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸，接收端收到的數(shù)據(jù)則只有經(jīng)過(guò)該模塊模塊的解密調(diào)制才能還原出明文數(shù)據(jù)。

2.多徑傳輸模塊

多徑傳輸模塊采用直接序列擴(kuò)頻方式對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理，調(diào)整成高速數(shù)據(jù)載波；然后將需要傳輸?shù)母咚贁?shù)據(jù)載波分成若干個(gè)低速載波（52 個(gè)帶寬為300Khz 子數(shù)據(jù)載波，其中48 個(gè)子數(shù)據(jù)載波用于傳輸數(shù)據(jù)，剩下4 個(gè)子數(shù)據(jù)載波用于數(shù)據(jù)糾錯(cuò)），利用無(wú)線(xiàn)信號(hào)的多徑效應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。多徑傳輸模塊能夠提供令人滿(mǎn)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(tái)能夠穩(wěn)定高效地完成對(duì)系統(tǒng)控制臺(tái)的實(shí)時(shí)操控。

3.分布式控制模塊

分布式控制模塊位于分布式無(wú)線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)的中心位置，是控制、協(xié)調(diào)接入網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備的核心模塊，主要完成以下功能：

（1）無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備的注冊(cè)

如圖3 所示，①新入網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備通過(guò)DHCP 服務(wù)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(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)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(fā)送單播發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求；③接收到發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求報(bào)文的分布式控制模塊會(huì)檢查該無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備是否有接入網(wǎng)絡(luò)的權(quán)限，如果有則回應(yīng)發(fā)現(xiàn)相應(yīng)；④無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備從分布式控制模塊下載最新的配置信息；⑤無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備開(kāi)始正常工作，與分布式控制模塊交換用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)文。

（2）遙控臺(tái)與系統(tǒng)控制臺(tái)之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)

如圖4 所示，①遙控臺(tái)發(fā)出的數(shù)據(jù)的源地址為遙控臺(tái)IP 地址，目的地址為系統(tǒng)控制臺(tái)IP 地址；②數(shù)據(jù)到達(dá)無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備后，無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備在原數(shù)據(jù)前加上隧道封裝，新的數(shù)據(jù)報(bào)文中源地址為無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備地址，目的地址為分布式控制模塊地址；③數(shù)據(jù)報(bào)文到達(dá)分布式控制模塊后，分布式控制模塊首先解開(kāi)隧道封裝查看真正的目的地址，真正的目的地址為系統(tǒng)控制臺(tái)IP 地址，分布式控制模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)控制臺(tái)。

（3）無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

如圖5 所示，①無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備A發(fā)出的數(shù)據(jù)的源地址為無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備A 的IP 地址，目的地址為無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備B 的IP 地址；②數(shù)據(jù)到達(dá)無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備C 后，無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備在原數(shù)據(jù)前加上隧道封裝，新的數(shù)據(jù)報(bào)文中源地址為無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備C 的地址，目的地址為分布式控制模塊地址；③數(shù)據(jù)報(bào)文到達(dá)分布式控制模塊后，分布式控制模塊首先解開(kāi)隧道封裝查看真正的目的地址，真正的目的地址為無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備B 的IP 地址，由于無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備B 并未直連分布式控制模塊，所以分布式控制模塊會(huì)再次給原始數(shù)據(jù)加上隧道封裝，此時(shí)新的數(shù)據(jù)報(bào)文中源地址為分布式控制模塊，目的地址為無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備D；④數(shù)據(jù)報(bào)文到達(dá)無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備D 后，由無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備D 解開(kāi)隧道封裝后將數(shù)據(jù)發(fā)送給無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備B。

4.系統(tǒng)控制模塊

系統(tǒng)控制模塊的主要功能是完成遙控系統(tǒng)控制臺(tái)的信號(hào)監(jiān)控和信號(hào)調(diào)度業(yè)務(wù)。該模塊首先在遙控臺(tái)與系統(tǒng)控制臺(tái)之間的建立TCP 連接，然后在這個(gè)連接中創(chuàng)建多層次的若干虛擬通道。這些通道分別負(fù)責(zé)傳輸圖像數(shù)據(jù)、剪貼板數(shù)據(jù)、聲音映射數(shù)據(jù)、其他設(shè)備數(shù)據(jù)等。

虛擬通道內(nèi)各個(gè)層次功能如下：

RDP層：客戶(hù)端任何的用戶(hù)操作，都將形成RDP 數(shù)據(jù)包，并以數(shù)據(jù)包類(lèi)型形成RDP 包頭，然后將數(shù)據(jù)包傳給Secure Connection 層，由Secure Connection 負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)往下傳遞。

Secure Connection 層：該層在收到系統(tǒng)控制層數(shù)據(jù)包后，在系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)包中添加Sec 層的包頭，將對(duì)系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，然后傳給MCS 層。

MCS 層：在收到Sec 層傳來(lái)的數(shù)據(jù)包后，在該數(shù)據(jù)包中添加MCS層數(shù)據(jù)包包頭信息，然后將數(shù)據(jù)包傳給ISO 層。

ISO 層：收到MCS 層的數(shù)據(jù)后，在該數(shù)據(jù)包中添加ISO 包頭，并將數(shù)據(jù)包傳給TCP 層，由TCP 層負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。

TCP 層：這是我們常說(shuō)的傳輸層，在收到ISO層傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)后，將通過(guò)原建立好的SOCK 將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

四、無(wú)線(xiàn)信號(hào)勘測(cè)

在分布式無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)部署前，我們并不能明確地知道無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備的部署數(shù)量和安裝方式。只有在對(duì)覆蓋地點(diǎn)進(jìn)行勘測(cè)和指標(biāo)計(jì)算后，才能確定出無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備、天線(xiàn)及其他器件的型號(hào)和數(shù)量。同時(shí)通過(guò)勘測(cè)和指標(biāo)計(jì)算，才能確定無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備布放的位置、天線(xiàn)的方位角等工程設(shè)計(jì)參數(shù)，作為工程安裝的指導(dǎo)資料。

1.勘測(cè)工具的準(zhǔn)備

無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備：使用與項(xiàng)目部署相同型號(hào)相同功率的無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)。

不同增益的全向、定向天線(xiàn)若干：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，選擇不同增益的全向或定向天線(xiàn)進(jìn)行勘測(cè)，以達(dá)到最好效果。

2.勘測(cè)內(nèi)容

勘測(cè)過(guò)程中測(cè)繪覆蓋區(qū)域的地形圖，尋找無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備和天線(xiàn)合適的安裝位置，計(jì)算所需天線(xiàn)的指標(biāo)并決定型號(hào)，評(píng)估覆蓋效果，匯總設(shè)備型號(hào)和數(shù)量，確定防雷、接地方式、供電方式等。

勘測(cè)輸出結(jié)果主要包括無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備、天線(xiàn)及其他器件（如防雷器、供電設(shè)備、饋線(xiàn)等）的型號(hào)、數(shù)量，這些都是項(xiàng)目成本核算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

在實(shí)際的勘測(cè)中，為了使無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備之間能夠保持穩(wěn)定、高效的傳輸環(huán)境，我們的勘測(cè)設(shè)計(jì)目標(biāo)是目標(biāo)覆蓋區(qū)域內(nèi)95%以上位置的接收信號(hào)強(qiáng)度大于-75dBm，重點(diǎn)覆蓋區(qū)域信號(hào)強(qiáng)度大于-70dBm。無(wú)線(xiàn)信號(hào)穿透各種建筑材質(zhì)后的大致?lián)p耗如表1 所示。

同時(shí)，在衡量各種材質(zhì)對(duì)于無(wú)線(xiàn)信號(hào)的穿透損耗時(shí)，需要考慮無(wú)線(xiàn)信號(hào)的入射角度。例如，一面0.5米厚的墻壁，當(dāng)無(wú)線(xiàn)信號(hào)和覆蓋區(qū)域之間直線(xiàn)連接呈30 度角入射時(shí)，無(wú)線(xiàn)信號(hào)相當(dāng)于穿透1 米厚的墻壁；在2 度角時(shí)相當(dāng)于超過(guò)14 米厚的墻壁，所以要獲取更好的無(wú)線(xiàn)信號(hào)質(zhì)量應(yīng)該盡量使無(wú)線(xiàn)信號(hào)能夠垂直穿過(guò)墻壁。

五、總結(jié)

在項(xiàng)目實(shí)施期間，我們共使用了20 臺(tái)發(fā)射功率為100mw 的無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備對(duì)遙控臺(tái)業(yè)務(wù)工作區(qū)域進(jìn)行全面無(wú)線(xiàn)覆蓋。各個(gè)演播室、控制室都能接收到良好的無(wú)線(xiàn)信號(hào)。

我們的覆蓋方案設(shè)計(jì)充分考慮到由于覆蓋需求區(qū)域的不規(guī)則形狀導(dǎo)致相鄰無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備覆蓋范圍重疊，降低無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)性能；通過(guò)將相鄰無(wú)線(xiàn)設(shè)備設(shè)置到不同頻道，避免信道碰撞，有效保證了整個(gè)無(wú)線(xiàn)覆蓋的穩(wěn)定性和連貫性，確保遙控臺(tái)在有效的無(wú)線(xiàn)覆蓋下安全、高效地工作。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用，我們的無(wú)線(xiàn)遙控臺(tái)獲得了部門(mén)領(lǐng)導(dǎo)和各節(jié)目制作人的好評(píng)，其便利、穩(wěn)定、高效的優(yōu)點(diǎn)得到了大家的肯定。

1.郭梯云、楊家瑋、李建東：《數(shù)字移動(dòng)通信》，重慶大學(xué)出版社，2006年版。

2.李建東：《信息網(wǎng)絡(luò)理論基礎(chǔ)》，西安電子科技大學(xué)出版社，2002年版。

3.鄭娜娥、陳磊：《多用戶(hù)分布式MIMO-OFDM 系統(tǒng)中天線(xiàn)與子載波分配算法研究》[J]，《電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)》2012(01)。

4.甘勇、賀蕾、馮媛：《無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議中RTS/CTS 機(jī)制的研究》[J]，《鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》2008(03)。