林 海,沈敦亮,汪東洋,邵 超,張子劍

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

《全球生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)2019年度報(bào)告》中指出，截止2019年，中國(guó)森林覆蓋面積大約2.12億公頃，森林覆蓋率達(dá)22.08%，并且還在持續(xù)推動(dòng)荒地造林工程。林業(yè)作為我國(guó)一項(xiàng)寶貴的資源，—直以來深受重視，隨著信息化發(fā)展，林業(yè)監(jiān)測(cè)與維護(hù)也逐漸向網(wǎng)絡(luò)化、信息化方向發(fā)展。林業(yè)網(wǎng)絡(luò)具有以下幾方面的顯著特征：

1)網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積大。我國(guó)林業(yè)覆蓋面積廣闊直接決定了監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積大；

2)數(shù)據(jù)傳輸量大。林業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中包含各類環(huán)境傳感器、植被生態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備、音視頻監(jiān)控設(shè)備、災(zāi)害報(bào)警設(shè)備等，數(shù)據(jù)種類多、信息傳輸量大；

3)實(shí)時(shí)性要求高。對(duì)于火災(zāi)報(bào)警、野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)、人員入侵報(bào)警等信息，要求網(wǎng)絡(luò)具有高的實(shí)時(shí)性。

4)接入、重組速度塊。應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害、野生動(dòng)物對(duì)于破壞通信設(shè)備的損壞，滿足移動(dòng)巡邏車無線快速接入的需求，要求網(wǎng)絡(luò)接入快速、重組能力強(qiáng)。

林業(yè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)大體可分為有線傳輸網(wǎng)絡(luò)和無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。有線傳輸網(wǎng)絡(luò)一般釆用光纜傳輸。有線傳輸網(wǎng)絡(luò)適用于長(zhǎng)距離傳輸，無電磁兼容和射頻干擾等問題，傳輸速度快、穩(wěn)定性好、可靠性高，但是在廣闊的林業(yè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中使用存在線纜鋪設(shè)困難、成本高等不足，同時(shí)部分地區(qū)地理環(huán)境復(fù)雜，人員可達(dá)性存在一定的困難，使用上存在一定的限制。隨著無線傳感、通信技術(shù)的發(fā)展，無線傳輸設(shè)備成本逐漸降低，系統(tǒng)功能逐漸完善，安裝快速便捷，因此在林業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用日益廣泛。

SPTN(軟件定義分組傳輸網(wǎng))是將SDN(軟件定義網(wǎng)絡(luò))開放性、智能化、虛擬化的優(yōu)勢(shì)與PTN(分組傳輸網(wǎng))可靠性高、業(yè)務(wù)質(zhì)量高的優(yōu)勢(shì)相融合[1]，具有標(biāo)準(zhǔn)化的接口、開放性的應(yīng)用和服務(wù)、智能化的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度能力以及高的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理效率，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用控制簡(jiǎn)單、業(yè)務(wù)開通快捷、故障定位迅速、維護(hù)周期短等優(yōu)勢(shì)。隨著SPTN技術(shù)和產(chǎn)品的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，面對(duì)林業(yè)未來多樣化的應(yīng)用需求，基于SPTN的林業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)有著較好的市場(chǎng)前景。

無線寬帶因其系統(tǒng)資源利用率高、信道容量大、傳輸速率快[2]以及全I(xiàn)P化的業(yè)務(wù)模式，適合大范圍快速部署、穩(wěn)健傳輸、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活的林業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。本文在SPTN主干傳輸網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，提出了基于無線寬帶組網(wǎng)的林業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案，并結(jié)合不同的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)方案的可行性進(jìn)行了評(píng)估。

1 功能、組成及應(yīng)用模式

1.1 系統(tǒng)功能

無線寬帶在林業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮的功能包括如下。

1)為林區(qū)固定監(jiān)控點(diǎn)提供多樣化IP業(yè)務(wù)服務(wù)[3]。

為大規(guī)模林區(qū)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的音視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等固定監(jiān)控點(diǎn)提供基于IP體制的多樣化的無線寬帶數(shù)據(jù)及音視頻業(yè)務(wù)。

2)為林區(qū)提供備份應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)。

作為林區(qū)內(nèi)的無線通信保障手段，自然災(zāi)害、獸禽造成光纖鏈路損害或出現(xiàn)有線設(shè)備故障時(shí)，能夠完成應(yīng)急通信任務(wù)，實(shí)現(xiàn)固定監(jiān)控點(diǎn)數(shù)據(jù)信息的穩(wěn)定上傳。

3)保障重點(diǎn)區(qū)域的巡邏、巡檢接入。

能夠?yàn)榱謪^(qū)內(nèi)的重要節(jié)點(diǎn)的巡邏分隊(duì)提供隨遇接入的寬帶網(wǎng)絡(luò)[4]，保障重點(diǎn)區(qū)域的巡邏通聯(lián)性。

1.2 系統(tǒng)組成

圖1 林區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖

無線寬帶接入林區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)示意圖如圖1所示。整個(gè)林區(qū)設(shè)置一個(gè)監(jiān)控中心和若干管理站，每個(gè)管理站分管一個(gè)或多個(gè)片區(qū)，監(jiān)控中心和管理站均設(shè)置獨(dú)立基站；各片區(qū)根據(jù)區(qū)域大小設(shè)置若干固定監(jiān)控點(diǎn)，對(duì)林區(qū)實(shí)施監(jiān)控，片區(qū)內(nèi)根據(jù)地域及環(huán)境，按需設(shè)置基站；固定監(jiān)控點(diǎn)的各類IP業(yè)務(wù)通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)接入SPTN設(shè)備。

有線傳輸通過光纖直接接入基站SPTN設(shè)備，無線傳輸先通過光纖網(wǎng)連接本地區(qū)寬帶BBU完成固定監(jiān)控點(diǎn)IP業(yè)務(wù)接入，通過寬帶RRU實(shí)現(xiàn)與基站的無線連通與數(shù)據(jù)交換[5]。各基站間通過SPTN或無線寬帶實(shí)現(xiàn)片區(qū)之間的數(shù)據(jù)通信，監(jiān)控中心和管理站通過相同的方式與基站連接，并通過加裝安全防護(hù)設(shè)備保證監(jiān)控中心和管理站的信息安全。

1.3 應(yīng)用模式

無線寬帶基于TD-LTE的技術(shù)體制，支持接入功能，能夠完成入網(wǎng)和基本的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸功能[6]；具備二層傳輸功能，無線寬帶基站和無線寬帶終端之間能夠建立二層傳輸通道。同時(shí)，支持無線寬帶設(shè)備間的自同步、自組網(wǎng)功能[7]。

無線寬帶系統(tǒng)可適應(yīng)兩種使用模式。

1)光纖鏈路正常時(shí)使用模式。

監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)正常工作期間，光纖鏈路未損毀，無線寬帶網(wǎng)絡(luò)提供固定監(jiān)控點(diǎn)各業(yè)務(wù)的信道接入，SPTN設(shè)備自動(dòng)感知光纖鏈路狀態(tài)和無線寬帶鏈路狀態(tài)，綜合SPTN光纖鏈路、無線寬帶鏈路傳輸質(zhì)量情況，根據(jù)音頻、視頻、數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)需求，建立相互獨(dú)立、互不干擾、質(zhì)量保障的有線、無線端到端服務(wù)管道。巡邏車配備無線寬帶車載臺(tái)或手持終端，巡邏時(shí)通過基站實(shí)時(shí)接入。

2)光纖鏈路異常時(shí)使用模式。

SPTN設(shè)備實(shí)時(shí)探測(cè)光纖鏈路狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)光纖鏈路損壞，進(jìn)行無線寬帶鏈路信息質(zhì)量探測(cè)，結(jié)合音頻、視頻、數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)需求及優(yōu)先級(jí)，建立相互獨(dú)立、互不干擾、質(zhì)量保障的端到端無線服務(wù)管道?；鹃g光纖鏈路損壞，則基站與基站之間通過NTN模式進(jìn)行自組網(wǎng)。若是基站與固定監(jiān)控點(diǎn)之間光纖鏈路損壞，則無線寬帶終端與基站通過PMP模式接入。

2 典型應(yīng)用場(chǎng)景分析

考慮林區(qū)的實(shí)際應(yīng)用需求，設(shè)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入條件包括：

1)單個(gè)固定監(jiān)控點(diǎn)核心監(jiān)控業(yè)務(wù)(包括災(zāi)害報(bào)警、入侵報(bào)警等)為253 kbps。

2)單個(gè)固定監(jiān)控點(diǎn)音頻接入2路。

3)固定監(jiān)控點(diǎn)之間距離為2～3 km。

4)設(shè)置1個(gè)林區(qū)監(jiān)控中心、6個(gè)管理站。

5)林區(qū)監(jiān)控中心配備4個(gè)外派小隊(duì)，每個(gè)管理站配備1個(gè)巡邏分隊(duì)，共10個(gè)移動(dòng)巡邏用戶。

為了方便闡述，下文中A為林區(qū)監(jiān)控中心，B為管理站，C為固定監(jiān)控點(diǎn)，D為巡邏車。設(shè)定1個(gè)監(jiān)控中心、6個(gè)管理站，每個(gè)管理站分管10個(gè)監(jiān)控點(diǎn)。

在無線備保極限應(yīng)用工況下，無線寬帶系統(tǒng)需要能夠?qū)崿F(xiàn)1個(gè)A或1個(gè)B同時(shí)監(jiān)控所有C節(jié)點(diǎn)并發(fā)傳輸需求，核心監(jiān)控業(yè)務(wù)帶寬需求為253 kbps，一路語音采用的編解碼所占用的鏈路帶寬一般最大為90 kbps，以太網(wǎng)等傳輸協(xié)議的包頭所占的鏈路帶寬按照54 kbps計(jì)算，一路語音需要144 kbps的鏈路帶寬，兩路語音則需要288 kbps。綜上所述，C節(jié)點(diǎn)流量需求如表1所示。

表1 C節(jié)點(diǎn)流量需求

D節(jié)點(diǎn)的上行鏈路帶寬按照C節(jié)點(diǎn)的預(yù)留帶寬計(jì)算。節(jié)點(diǎn)需求如表2所示

表2 D節(jié)點(diǎn)流量需求

根據(jù)計(jì)算，在能保證60個(gè)C節(jié)點(diǎn)并發(fā)253 kbps數(shù)據(jù)流量+兩路語音以及10個(gè)D節(jié)點(diǎn)的情況下，整個(gè)無線寬帶通信系統(tǒng)所需的流量為44.4 Mbps。

3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 應(yīng)用模式規(guī)劃

為滿足林區(qū)無線寬帶通信全覆蓋，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分為無線骨干自組網(wǎng)(簡(jiǎn)稱：自組網(wǎng))和無線寬帶接入網(wǎng)(簡(jiǎn)稱：接入網(wǎng))?？捎啥鄠€(gè)無線寬帶基站通過自組網(wǎng)(NTN模式)功能構(gòu)建遠(yuǎn)距離寬帶無線骨干自組網(wǎng)。同時(shí)，利用無線寬帶基站的接入功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的寬帶移動(dòng)終端設(shè)備的接入(PMP模式)，構(gòu)建擴(kuò)大化的無線寬帶接入網(wǎng)。通過兩層組網(wǎng)，能夠有效延伸通信覆蓋距離，更好地為林區(qū)提供通信保障。

組網(wǎng)規(guī)劃如圖2所示。A、B節(jié)點(diǎn)均采用NTN+PMP的模式，A、B節(jié)點(diǎn)間通過NTN通道構(gòu)建遠(yuǎn)距離寬帶無線骨干自組網(wǎng)，片區(qū)中獨(dú)立設(shè)置的基站也已NTN模式接入骨干網(wǎng)；C、D節(jié)點(diǎn)上部署無線寬帶終端，通過A、B節(jié)點(diǎn)的PMP通道接入，完成C、D節(jié)點(diǎn)的無線寬帶終端接入功能，構(gòu)建擴(kuò)大化的無線寬帶接入網(wǎng)。

圖2 組網(wǎng)規(guī)劃

3.2 通信帶寬分配

A節(jié)點(diǎn)的無線寬帶基站采用2NTN+2PMP模式，A及B1-B3組成自組網(wǎng)1，A及B4-B6組成自組網(wǎng)2。此時(shí)兩個(gè)自組網(wǎng)所能承載的鏈路帶寬不應(yīng)小于22.2 Mbps。通過雙自組網(wǎng)的模式可以有效通過降低自組網(wǎng)鏈路承載能力從而增大監(jiān)控區(qū)域面積.

B1-B6節(jié)點(diǎn)采用1NTN+3PMP模式，以B1部署的無線寬帶基站為例，每個(gè)基站要求至少承載10個(gè)C節(jié)點(diǎn)和1個(gè)D節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流量，合計(jì)為6.98 Mbps。每個(gè)無線寬帶基站存在3個(gè)PMP傳輸通道(扇區(qū))，每個(gè)扇區(qū)應(yīng)能滿足終端側(cè)不小于2.33 Mbps的上行并發(fā)數(shù)據(jù)流量。

表3 上行業(yè)務(wù)流量規(guī)劃作Z節(jié)點(diǎn)部署規(guī)劃

3.3 組網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

形成的組網(wǎng)架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 組網(wǎng)架構(gòu)

4 可行性評(píng)估

兩個(gè)自組網(wǎng)中的7個(gè)節(jié)點(diǎn)(A、B1-B6)部署無線寬帶基站，采用定向天線部署于15米基站上，選取典型寬帶設(shè)備開展評(píng)估，帶寬20 MHz，兩個(gè)自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間無線寬帶鏈路預(yù)算分別為22.2 Mbps，鏈路預(yù)算及距離極限如表4。

表4 組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間的鏈路預(yù)算匯總表

可知兩個(gè)自組網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)流量在視距環(huán)境下和準(zhǔn)平坦地形下，兩節(jié)點(diǎn)間部署距離在25 km及23.50 km內(nèi)時(shí)，流量為24.07 Mbps，滿足22.21 Mbps的需求。

C節(jié)點(diǎn)采用定向天線或全向天線，架高15米。D節(jié)點(diǎn)采用全向天線，架高3.5米。選取典型寬帶設(shè)備開展評(píng)估，帶寬20 MHz，接入網(wǎng)每個(gè)扇區(qū)在能滿足終端側(cè)不小于2.33 Mbps的上行并發(fā)數(shù)據(jù)流量時(shí)，鏈路預(yù)算及極限距離如表5、表6。

表5 BC節(jié)點(diǎn)間的鏈路預(yù)算匯總表

表6 AD或BD節(jié)點(diǎn)間的鏈路預(yù)算匯總表

可知，C節(jié)點(diǎn)在兩種天線掛高情況下，在兩種典型環(huán)境下，BC間節(jié)點(diǎn)部署間距只要滿足表中極限距離，上行流量能夠達(dá)到2.70 Mbps；D節(jié)點(diǎn)采用全向天線，在上述兩種典型環(huán)境下，AD或BD間節(jié)點(diǎn)部署間距只要滿足上表的極限距離，上行流量就能夠達(dá)到2.70 Mbps。均能夠滿足基站每個(gè)扇區(qū)終端側(cè)不小于2.33 Mbps的上行并發(fā)數(shù)據(jù)流量需求。

5 使用性分析

5.1 抗干擾分析

5.1.1 自適應(yīng)重傳機(jī)制

實(shí)時(shí)(秒級(jí))監(jiān)控頻譜質(zhì)量，自適應(yīng)實(shí)施干擾避讓措施，從而增強(qiáng)通信性能。結(jié)合干擾扣除技術(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送位置被干擾導(dǎo)致解析錯(cuò)誤時(shí)，通過重傳調(diào)度在非干擾的位置保證解析能力，降低丟包率。

5.1.2 混合組網(wǎng)抗干擾

自組網(wǎng)與無線接入網(wǎng)混合組網(wǎng)應(yīng)用，兩者可以同時(shí)工作。一方面增強(qiáng)覆蓋能力，另一方面擴(kuò)大工作頻段范圍，兩者其中之一被干擾，系統(tǒng)仍能正常工作[8]。

5.1.3 自動(dòng)頻規(guī)技術(shù)

開機(jī)后全網(wǎng)靜默，節(jié)點(diǎn)干擾識(shí)別匯集后執(zhí)行初始頻率規(guī)劃，節(jié)點(diǎn)間信息交互并進(jìn)行周期性全網(wǎng)信息搜集，執(zhí)行最優(yōu)決策規(guī)劃動(dòng)態(tài)更新規(guī)劃結(jié)果。在一些固定干擾場(chǎng)景下能夠最大化使用可用頻段，保證通信性能。

5.2 安全保密

無線寬帶通信系統(tǒng)全部通信業(yè)務(wù)均由IP承載，為了保證林場(chǎng)上傳監(jiān)測(cè)參數(shù)不泄露、下傳控制指令不誤發(fā)，系統(tǒng)可采用IP層加密的方式完成系統(tǒng)業(yè)務(wù)加密，對(duì)全部終端的上下行IP數(shù)據(jù)實(shí)施加密保護(hù)，通過終端保密卡與基站密鑰分發(fā)設(shè)備的協(xié)同工作，形成上下行分段加密應(yīng)用。

5.3 防雷

系統(tǒng)采用饋線接地、防浪涌保護(hù)器接地、RRU接地、BBU接地四處接地措施達(dá)到防雷效果。天饋系統(tǒng)安裝位于高點(diǎn)時(shí)，可采用在距離天線3米的距離安裝避雷針對(duì)天線進(jìn)行直擊雷保護(hù)，避雷針的保護(hù)范圍可按保護(hù)角不大于45°考慮，防雷設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)防雷示意圖

5.4 基站安裝

基站頂端架設(shè)定向天線，射頻單元RRU安裝在靠近天線的下方，通過安裝結(jié)構(gòu)件固定，天線與RRU之間采用饋線連接，饋線每隔2米使用線卡進(jìn)行固定，兩端連接處做好防水措施。室外光纖連接至機(jī)房?jī)?nèi)的BBU上，光纖采用航空插頭設(shè)計(jì)，連接穩(wěn)固且達(dá)到防水要求，安裝設(shè)計(jì)見圖5所示。

6 結(jié)束語

本文基于林業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用業(yè)務(wù)需求，在SPTN有線傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上，構(gòu)建了由上層骨干自組網(wǎng)和下層接入網(wǎng)組成的寬帶通信網(wǎng)絡(luò)，通過設(shè)定典型應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)形成組網(wǎng)架構(gòu)，并對(duì)節(jié)點(diǎn)間的通信流量和通信距離進(jìn)行了評(píng)估和計(jì)算，設(shè)計(jì)形成的寬帶通信網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)林業(yè)監(jiān)控網(wǎng)覆蓋面積廣、數(shù)據(jù)傳輸量大、業(yè)務(wù)接入便捷、網(wǎng)絡(luò)重組快速的使用需求，對(duì)后續(xù)林業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)建設(shè)具有先導(dǎo)性意義。

圖5 基站安裝設(shè)計(jì)