王龍珍,孫志軍,楊 靜,那 剛,胡海旭,莊生文,沈海博

[1． 敦煌研究院文物數(shù)字化研究所,甘肅酒泉 736200;2． 國(guó)家古代壁畫與土遺址保護(hù)工程技術(shù)研究中心(敦煌研究院),甘肅酒泉 736200;3． 古代壁畫保護(hù)國(guó)家文物局重點(diǎn)科研基地(敦煌研究院),甘肅酒泉 736200;4． 甘肅省古代壁畫與土遺址保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(敦煌研究院),甘肅酒泉 736200;5. 敦煌研究院藝術(shù)研究部,甘肅酒泉 736200]

0 引 言

莫高窟于2011年建成了分布整個(gè)南區(qū)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。由于莫高窟洞窟是以不同規(guī)則分布在凹凸不一的崖面上。因此,在部署AP(無(wú)線訪問接入點(diǎn),Wireless Access Point)無(wú)線覆蓋時(shí)為確保文物安全與整體景觀不受影響,AP均因地制宜安裝在洞窟前綠化區(qū)域的安防燈桿上。盡管AP采用了較大增益的天線,但還是存在較多盲區(qū),尤其分布在一層和最高層的洞窟最為明顯。經(jīng)檢測(cè)目前莫高窟98%的洞窟內(nèi)部都檢測(cè)不到WiFi(無(wú)線保真,Wireless Fidelity)信號(hào),只有70%的洞窟在門口可以檢測(cè)到WiFi信號(hào),但能夠用于通信的卻不到40%。依據(jù)莫高窟無(wú)線網(wǎng)絡(luò)AP安裝與分布數(shù)據(jù)(表1)可知,AP整體距離洞窟較近而且莫高窟崖體高度在10～45 m之間。同時(shí)AP的分布間距大多較遠(yuǎn),部分已超過100 m。以上是實(shí)現(xiàn)莫高窟無(wú)線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋的最大問題[1]。

表1 莫高窟無(wú)線網(wǎng)絡(luò)AP清單及分布間距

(續(xù)表1)

目前,莫高窟在文物保護(hù)利用中需要無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕獦I(yè)務(wù)涉及文物預(yù)防性保護(hù)、文物數(shù)字化、智慧石窟等。如何確保上述業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性與完整性是非常關(guān)鍵的問題。

結(jié)合莫高窟現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,依據(jù)窟形結(jié)構(gòu)與洞窟分布位置選擇具有代表性的洞窟,在不影響文物賦存環(huán)境的前提下,研究選擇一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋技術(shù),實(shí)現(xiàn)縱深較長(zhǎng)存在盲區(qū)的洞窟進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋,滿足文物保護(hù)利用工作中數(shù)據(jù)傳輸對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的需求,確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性與完整性。

構(gòu)建的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái),不僅為莫高窟實(shí)現(xiàn)所有洞窟無(wú)線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋提供理論依據(jù)與實(shí)踐指導(dǎo),同時(shí)能夠?yàn)槠渌咚聼o(wú)線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋提供技術(shù)參考。

1 莫高窟無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸存在的問題

1．1 預(yù)防性保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸

莫高窟預(yù)防性保護(hù)中溫濕度、二氧化碳、位移監(jiān)測(cè)等傳感器采集的數(shù)據(jù)通過433 MHz無(wú)線通信自組網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān),再通過WiFi網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至莫高窟環(huán)境監(jiān)測(cè)云平臺(tái)。433 MHz自組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)是無(wú)線信號(hào)的穿透性強(qiáng)、能夠傳播得更遠(yuǎn),缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)安全可靠性差,環(huán)境干擾大且傳輸速率較低。因此,一些需要WiFi直接傳輸?shù)膫鞲衅髟诙纯邇?nèi)無(wú)法運(yùn)行。另外隨著監(jiān)測(cè)傳感器種類的增多使用WiFi數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鞲衅鲗⒃絹?lái)越多,采用433 MHz的自組網(wǎng)勢(shì)必會(huì)由大帶寬低延時(shí)的WiFi網(wǎng)絡(luò)所取代[2]。

隨著旺季游客數(shù)量的增多,在游覽線路設(shè)置了基于二維碼、微信小程序、APP等模式的莫高窟宣傳信息與互動(dòng)節(jié)目。游客在使用這類服務(wù)或通過移動(dòng)終端沖浪時(shí),不僅游客體驗(yàn)差,而且環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)需要通過WiFi網(wǎng)絡(luò)上傳的預(yù)防性保護(hù)數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)丟包甚至中斷等現(xiàn)象。

1．2 智慧石窟數(shù)據(jù)傳輸

在智慧石窟建設(shè)中,由于洞窟內(nèi)部沒有WiFi網(wǎng)絡(luò),因此在主題直播、AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù),Augmented Reality)、VR(虛擬現(xiàn)實(shí),Virtual Reality)、AI(人工智能,Artificial Intelligence)等技術(shù)應(yīng)用數(shù)據(jù)的傳輸,大多采用臨時(shí)線纜部署無(wú)線AP或采用華為5G CPE(客戶終端設(shè)備,Customer Premise Equipment)將無(wú)線信號(hào)覆蓋至洞內(nèi)部。在AP設(shè)備部署過程中臨時(shí)線纜敷設(shè)與取電都有著一定的難度,而且影響整體景觀;華為5G CPE等設(shè)備雖然方便,但高昂的通信費(fèi)用不適合長(zhǎng)期使用。

1．3 文物數(shù)字化數(shù)據(jù)傳輸

洞窟內(nèi)部數(shù)字化過程中針對(duì)前端圖像采集,需要后期圖像處理工作人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行圖像信息的校對(duì)與檢查。無(wú)法通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)后期工作人員或受邀專家在辦公室或異地進(jìn)行圖像等信息的校對(duì)與檢查工作[3]。

莫高窟保護(hù)利用工作中已出現(xiàn)上述列舉的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸問題。為了更好地解決上述問題,實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的高效無(wú)損傳輸。可以研究應(yīng)用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋技術(shù),確保在不影響文物賦存本體與整體景觀的前提下,解決無(wú)線網(wǎng)絡(luò)無(wú)法全覆蓋的問題。

2 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋技術(shù)選型分析

目前,常見無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋技術(shù)的應(yīng)用,大多采用基于Bridge與WDS(無(wú)線分布式系統(tǒng),Wireless Distribution System)的橋接技術(shù)實(shí)現(xiàn)。其中Bridge是無(wú)線設(shè)備實(shí)現(xiàn)網(wǎng)橋建設(shè)的重要功能,屬于早期無(wú)線設(shè)備常用的無(wú)線網(wǎng)橋組網(wǎng)技術(shù),大多用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)橋接,可以利用無(wú)線設(shè)備實(shí)現(xiàn)兩個(gè)局域網(wǎng)之間的連接[4]。WDS最初用于無(wú)線基站之間的通信,在無(wú)線技術(shù)廣泛應(yīng)用的背景下,應(yīng)用于家庭和企業(yè)無(wú)線設(shè)備的連接,可以將兩個(gè)或多個(gè)無(wú)線設(shè)備連接在一起,擴(kuò)大無(wú)線覆蓋范圍[5]。通過對(duì)兩種橋接功能的分析,Bridge無(wú)線橋接只能實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)對(duì)一個(gè)連接,而WDS可以完成一個(gè)對(duì)多個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。WDS能夠通過其他Radio覆蓋本地區(qū)域,不僅配置簡(jiǎn)單,而且更安全,可以輕松實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)覆蓋范圍的擴(kuò)展與延伸[6]。WDS的橋接特性充分滿足了莫高窟無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋技術(shù)的需要,能夠?qū)崿F(xiàn)莫高窟保護(hù)利用數(shù)據(jù)通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全可靠地傳輸。

3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋技術(shù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3．1 試驗(yàn)場(chǎng)景選擇

莫高窟南區(qū)建筑形制主要分類有覆斗頂窟、中心塔柱窟、殿堂窟、人字披頂窟、平頂窟、盝頂窟、通頂大佛窟、拱形頂窟、穹隆頂窟與橫券頂窟等[7-9]。通過對(duì)窟形建筑結(jié)構(gòu)的分析,滿足大空間、大縱深、無(wú)線覆蓋難度大且具有代表性的窟形為殿堂窟。殿堂窟一般具有較長(zhǎng)的甬道且空間較大,中間設(shè)佛壇,佛壇后有背屏,背屏對(duì)無(wú)線信號(hào)的遮擋與中心塔柱窟的塔柱類似。殿堂窟的建筑特性決定無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋難度相比其他窟形更大,因此選擇殿堂窟作為試驗(yàn)場(chǎng)景。

采用AirCheck無(wú)線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀與無(wú)線智能終端測(cè)試軟件相結(jié)合的方式,對(duì)莫高窟殿堂窟周邊無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況進(jìn)行檢測(cè),根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度、信噪比等參數(shù)的檢測(cè)數(shù)據(jù)分析。試驗(yàn)場(chǎng)景最終選擇了位于莫高窟一層的61號(hào)洞窟。由于61窟所處特殊位置只能接收到斜對(duì)面安防燈桿上部署的AP發(fā)射的微弱WiFi信號(hào),并且在旅游旺季時(shí)61窟又是調(diào)峰與應(yīng)急洞窟。在61窟前游客排隊(duì)等候時(shí),WiFi信號(hào)無(wú)法滿足部署在洞窟門口的介紹洞窟內(nèi)容的二維碼掃描識(shí)別與信息傳輸,同時(shí)會(huì)出現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)據(jù)無(wú)法上傳等現(xiàn)象。61窟擁有莫高窟保護(hù)利用工作中環(huán)境監(jiān)測(cè)、文物數(shù)字化、智慧石窟等各類業(yè)務(wù)對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的需求,具有一定的代表性。因此,課題組選擇了61號(hào)洞窟作為試驗(yàn)場(chǎng)景,61窟地理位置分布示意圖如圖1所示。

圖1 莫高窟61窟地理位置

3．2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與部署

圖2～5為本設(shè)計(jì)的部分部署實(shí)景和示意圖。根據(jù)莫高窟61窟周邊環(huán)境與現(xiàn)有WiFi信號(hào)勘測(cè),課題組研究決定將莫高窟部署在15號(hào)燈桿的無(wú)線AP1作為宿主基站,位于61窟對(duì)面的16號(hào)燈桿部署AP2作為中間節(jié)點(diǎn),61窟防護(hù)門北側(cè)部署AP3作為接入節(jié)點(diǎn),無(wú)線橋接結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。三處AP間均通過5.8 GHz頻段進(jìn)行無(wú)線信號(hào)橋接,同時(shí)三處節(jié)點(diǎn)采用2.4 GHz進(jìn)行本地WiFi覆蓋,滿足AP本地?zé)o線終端用戶的接入需求。

三處節(jié)點(diǎn)只有AP1接入光纖作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì),其他AP2、AP3均未接入光纖等通信線纜。61窟周邊AP部署分布圖如圖5所示。接入節(jié)點(diǎn)與中間節(jié)點(diǎn)AP部署圖如圖2所示,61窟接入節(jié)點(diǎn)AP天線安裝分布圖如圖3所示。為了提高接入節(jié)點(diǎn)AP的WiFi信號(hào)接收效率,在洞窟門框內(nèi)外兩側(cè)部署兩組天線,分別用于橋接中間節(jié)點(diǎn)與洞窟內(nèi)部無(wú)線信號(hào)覆蓋。在門框兩側(cè)部署AP天線,其高度一方面避開接入節(jié)點(diǎn)與中間節(jié)點(diǎn)通信時(shí)障礙物的阻擋。另一方面不僅避免金屬門的屏蔽作用,而且其金屬材質(zhì)對(duì)無(wú)線信號(hào)有增強(qiáng)與放大作用。同時(shí)接入節(jié)點(diǎn)向61窟前及窟內(nèi)輻射WiFi信號(hào)時(shí)不受參觀游客身體對(duì)無(wú)線信號(hào)的阻擋,提高了無(wú)線信號(hào)連接的穩(wěn)定性。

圖2 接入節(jié)點(diǎn)與中間節(jié)點(diǎn)AP部署圖

圖3 接入節(jié)點(diǎn)AP天線安裝分布圖

圖4 無(wú)線橋接結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 安防燈桿分布示意圖

3.3 試驗(yàn)環(huán)境搭建與數(shù)據(jù)傳輸流程分析

本試驗(yàn)環(huán)境應(yīng)用莫高窟現(xiàn)有AC+FIT AP無(wú)線部署結(jié)構(gòu),所有AP配置信息均由無(wú)線控制器AC后端統(tǒng)一下發(fā)。AC中配置AP1為RootAP模式并配置用于橋接的SSID、接入秘鑰、連接頻段(5.8 GHz)、橋接半徑(200 m)等參數(shù),為確保橋接信號(hào)的安全性啟用了SSID(服務(wù)集標(biāo)識(shí)符,也可稱為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)名稱,Service Set Identifier)隱藏功能;配置AP2為RootAP、ClientAP兩種模式,通過RootAP模式與AP1連接,通過ClientAP為AP3發(fā)布橋接信號(hào);配置AP3為ClientAP并指定橋接中繼點(diǎn)為AP2的MAC(媒體訪問控制,Media Access Control)地址,避免橋接到非AP2輻射的相同SSID。3臺(tái)AP的SSID、接入秘鑰、連接頻段、橋接半徑等參數(shù)一致。為無(wú)線橋接5.8 GHz頻段信號(hào)部署專用密碼,確保無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋應(yīng)用的安全性與可控性。

橋接建立完成后AC中可以看到連接成功的運(yùn)行狀態(tài),根據(jù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接需求,通過AC給橋接組AP本地及延伸端制定并下發(fā)SSID、接入秘鑰信息等。本試驗(yàn)環(huán)境在原有1個(gè)無(wú)線AP覆蓋WiFi網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,增加了2個(gè)無(wú)線AP,擴(kuò)大了覆蓋范圍。橋接組AP與其他AP在AC中下發(fā)SSID等信息的操作模式基本一致,對(duì)于無(wú)線終端用戶連接橋接組AP與其他AP沒有任何區(qū)別。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋設(shè)備連接建立流程示意圖如圖6所示。根據(jù)業(yè)務(wù)類別在無(wú)線控制器中配置下發(fā)相應(yīng)的SSID至三處橋接節(jié)點(diǎn)AP,無(wú)線終端經(jīng)過與接入AP的probe request、probe response、Authentication、Association、Dhcp(動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議,Dynamic Host Configuration Protocol)獲取IP(網(wǎng)際互連協(xié)議,Internet Protocol)地址等過程建立連接,從而接入局域網(wǎng)進(jìn)行正常數(shù)據(jù)交互。

圖6 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋設(shè)備連接建立流程示意圖

4 WiFi信號(hào)檢測(cè)參數(shù)及計(jì)算方法

4.1 檢測(cè)點(diǎn)位

莫高窟在砂礫巖上開鑿而成,砂礫巖不僅會(huì)阻擋無(wú)線信號(hào),而且會(huì)吸收無(wú)線信號(hào)。為了更為接近61窟不同位置對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的使用需求,精確地檢測(cè)61窟無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋技術(shù)應(yīng)用前后的各項(xiàng)指標(biāo)。按照61窟建筑結(jié)構(gòu)分別在甬道、佛壇四周、背屏后等多個(gè)區(qū)域劃分檢測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行檢測(cè),如圖7所示。

圖7 61窟無(wú)線信號(hào)檢測(cè)點(diǎn)位分布圖

4.2 檢測(cè)設(shè)備

根據(jù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋檢測(cè)參數(shù)需求與莫高窟現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,選擇AirCheck無(wú)線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀、WiFi魔盒APP、Speedtest APP為檢測(cè)工具。WiFi信號(hào)的檢測(cè)選擇AirCheck無(wú)線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀為本次無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋試驗(yàn)中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)測(cè)試工具,WiFi魔盒APP用于輔助驗(yàn)證AirCheck無(wú)線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀檢測(cè)數(shù)據(jù)。采用SpeedtestAPP對(duì)WiFi信號(hào)的傳輸性能進(jìn)行檢測(cè)。

4.3 檢測(cè)參數(shù)

1) S(SIGNAL):信號(hào)的有效功率,dbm;采用AirCheck無(wú)線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀測(cè)定,WiFi魔盒APP驗(yàn)證。2)N(NOISE):噪聲的有效功率,dbm;采用AirCheck無(wú)線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀測(cè)定,WiFi魔盒APP驗(yàn)證。3)SNR(signal-to-noise ratio):信噪比,dbm;采用AirCheck無(wú)線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀測(cè)定,WiFi魔盒APP驗(yàn)證。4)下載速率,Mbps;采用SpeedtestAPP測(cè)定。5)上傳速率,Mbps;采用Speedtest APP測(cè)定。

4.4 參數(shù)檢測(cè)方法

每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)位分別采用AirCheck無(wú)線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀檢測(cè)設(shè)備與無(wú)線智能終端Speedtest APP相結(jié)合的方式,根據(jù)圖7所示61窟無(wú)線信號(hào)檢測(cè)點(diǎn)位分布圖,對(duì)61窟無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋技術(shù)應(yīng)用前后主要參數(shù)進(jìn)行檢測(cè),三次取平均值作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)記錄。每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)位檢測(cè)內(nèi)容主要包括無(wú)線信號(hào)頻譜、信道、信噪比、信號(hào)強(qiáng)度、上傳速率、下載速率等參數(shù)。Speedtest APP測(cè)試服務(wù)選擇為中國(guó)聯(lián)通蘭州分公司服務(wù)器。由于莫高窟局域網(wǎng)出口部署了電信、聯(lián)通雙鏈路接入,鏈路負(fù)載均衡設(shè)備會(huì)根據(jù)目標(biāo)地址轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò),因此在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)中不會(huì)因跨運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)而產(chǎn)生附加延時(shí)。

5 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋傳輸平臺(tái)性能驗(yàn)證

5.1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋應(yīng)用前后WiFi信號(hào)檢測(cè)分析

在未部署無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋應(yīng)用前,61窟僅在A點(diǎn)有微弱信號(hào)且不能達(dá)到通信標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋應(yīng)用部署后,即使中斷接入點(diǎn)AP,仍會(huì)有部分檢測(cè)點(diǎn)位可以收到中間節(jié)點(diǎn)AP的WiFi信號(hào)。表2所示檢測(cè)數(shù)據(jù)為通過中斷接入節(jié)點(diǎn)AP,并未中斷中間節(jié)點(diǎn)AP進(jìn)行模擬洞窟內(nèi)部無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋應(yīng)用前后信號(hào)狀態(tài)。灰底數(shù)據(jù)為中斷接入節(jié)點(diǎn)AP后對(duì)11處檢測(cè)點(diǎn)位的檢測(cè)數(shù)據(jù),白底數(shù)據(jù)為應(yīng)用接入節(jié)點(diǎn)AP部署洞窟內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋后各點(diǎn)位檢測(cè)數(shù)據(jù)。通過分析檢測(cè)數(shù)據(jù)可知,洞窟內(nèi)部無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋應(yīng)用前11處檢測(cè)點(diǎn)位只有5處能夠檢測(cè)到WiFi信號(hào),信號(hào)強(qiáng)度與信噪比普遍較小且噪聲較大,其他檢測(cè)點(diǎn)位信號(hào)強(qiáng)度過低已超出測(cè)試設(shè)備的識(shí)別范圍。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋應(yīng)用后11處檢測(cè)點(diǎn)位均能夠檢測(cè)到WiFi信號(hào),且信號(hào)質(zhì)量基本呈穩(wěn)定態(tài)勢(shì)。其中檢測(cè)點(diǎn)位A、B、K信噪比SNR均大于30 db,只有H檢測(cè)點(diǎn)位信號(hào)質(zhì)量相對(duì)較差但仍然能夠?qū)崿F(xiàn)12 Mbps下載與10 Mbps上傳,其他檢測(cè)點(diǎn)位信號(hào)質(zhì)量相對(duì)較高。檢測(cè)數(shù)據(jù)均為檢測(cè)工具連接至接入節(jié)點(diǎn)后檢測(cè)所得。

經(jīng)檢測(cè)金屬洞窟門打開,在洞窟沒有應(yīng)用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋時(shí),5處檢測(cè)點(diǎn)位能夠識(shí)別并與中間節(jié)點(diǎn)建立連接,WiFi信號(hào)質(zhì)量勉強(qiáng)能夠?qū)崿F(xiàn)輕量數(shù)據(jù)傳輸。由于金屬對(duì)無(wú)線信號(hào)有屏蔽作用,當(dāng)洞窟金屬門關(guān)閉時(shí)信噪比SNR也會(huì)明顯降低,幾乎檢測(cè)不到信號(hào)強(qiáng)度。因此,不論是在61窟對(duì)面安防燈桿部署有線接入AP或是橋接AP都不能滿足61窟內(nèi)部無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋,只能夠滿足外圍無(wú)線終端的網(wǎng)絡(luò)接入需要。當(dāng)應(yīng)用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋后金屬洞窟門關(guān)閉時(shí),大多檢測(cè)點(diǎn)位SNR不降反增。如表3所示,61窟金屬門關(guān)閉時(shí)各檢測(cè)點(diǎn)位整體檢測(cè)參數(shù)優(yōu)于打開時(shí)的數(shù)據(jù),說(shuō)明金屬材質(zhì)的洞窟門對(duì)無(wú)線信號(hào)有增強(qiáng)與放大作用。因此,無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋技術(shù)的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)洞窟內(nèi)部無(wú)線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋的主要技術(shù)之一。

經(jīng)過對(duì)61窟無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋應(yīng)用前后各檢測(cè)點(diǎn)位數(shù)據(jù)對(duì)比分析。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋應(yīng)用后,各檢測(cè)點(diǎn)位的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)質(zhì)量與上傳速率、下載速率,均滿足保護(hù)利用中各類無(wú)線終端的接入需求。

表2 61窟內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋技術(shù)應(yīng)用前后WiFi信號(hào)檢測(cè)結(jié)果

表3 61窟內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋技術(shù)應(yīng)用后金屬門打開或關(guān)閉WiFi信號(hào)檢測(cè)結(jié)果

5.2 預(yù)防性保護(hù)相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸

預(yù)防性保護(hù)傳感器采集數(shù)據(jù)傳輸是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹饕獞?yīng)用之一,各類傳感器所采集數(shù)據(jù)傳輸模式略有不同。經(jīng)過在61窟試驗(yàn)場(chǎng)景中部署溫濕度、二氧化碳、位移監(jiān)測(cè)等傳感器與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān),連接至AP3輻射的WiFi網(wǎng)絡(luò),各傳感器采集數(shù)據(jù)均能夠無(wú)差錯(cuò)無(wú)超時(shí)上傳至環(huán)境監(jiān)測(cè)云平臺(tái)。視頻監(jiān)控與振動(dòng)監(jiān)測(cè)采集的數(shù)據(jù)也能夠按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。為了更進(jìn)一步確認(rèn)預(yù)防性保護(hù)采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?分別在檢測(cè)點(diǎn)位AKJFH連續(xù)Ping各傳感器數(shù)據(jù)采集服務(wù)器IP,并以32、64、1 024字節(jié)幀長(zhǎng)度發(fā)送200次,丟包率為0,在1 024字節(jié)幀長(zhǎng)度測(cè)試時(shí)H點(diǎn)的延時(shí)最高為160 ms,A點(diǎn)延時(shí)最低為50 ms。

經(jīng)過測(cè)試,可以確定利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)莫高窟預(yù)防性保護(hù)各傳感器采集數(shù)據(jù)的傳輸。而且組網(wǎng)方便,連通性良好,同時(shí)能夠按需求單獨(dú)分配SSID用于其他工作。

由于該試驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建AP采用第5代WiFi技術(shù),在用戶接入與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力上相比Wi-Fi6存在一定的局限。隨著WiFi技術(shù)的發(fā)展,采用新型技術(shù)構(gòu)建的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái),在平臺(tái)構(gòu)建、數(shù)據(jù)傳輸、終端接入中帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)也將越大。其高速率、低延時(shí)、廣連接、可切片、多用戶MU-MIMO等特性也將為洞窟提供優(yōu)質(zhì)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。完全滿足莫高窟保護(hù)利用中大流量多用戶的數(shù)據(jù)傳輸需要,尤其能夠滿足需要大帶寬傳輸?shù)奈奈飻?shù)字化圖像后端檢查校驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5.3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全驗(yàn)證

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋三個(gè)節(jié)點(diǎn)用于橋接的為5.8 GHz頻段,隱藏用于橋接的SSID,配置橋接密碼,同時(shí)Client指定連接relay的MAC,如圖8所示。不同廠商的AP采用的加密算法不同,該平臺(tái)選用的信銳AP在橋接時(shí)采用AES加密算法。通過上述安全措施提高了該平臺(tái)建立過程的安全性與可靠性。

圖8 Client配置信息

莫高窟無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式是AC+FIT集中轉(zhuǎn)發(fā)模式,該模式實(shí)現(xiàn)了AP的集中控制、集中配置、統(tǒng)一升級(jí)、三層漫游等功能。集中轉(zhuǎn)發(fā)模式用戶數(shù)據(jù)會(huì)通過接入AP重新封裝,接入AP與AC之間會(huì)構(gòu)建一個(gè)數(shù)據(jù)通道。重新封裝的數(shù)據(jù)在內(nèi)網(wǎng)傳輸中對(duì)所經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備而言是完全透明的,只能看到AP與AC的通信數(shù)據(jù)包。重新封裝后的用戶數(shù)據(jù)經(jīng)中間網(wǎng)絡(luò)到達(dá)AC,由AC解封用戶數(shù)據(jù)包并按其目標(biāo)地址轉(zhuǎn)發(fā)至下一跳地址。從外部網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給無(wú)線終端的數(shù)據(jù)先到達(dá)AC,經(jīng)AC重新分裝后發(fā)送至前端AP,由AP解封后轉(zhuǎn)發(fā)至目標(biāo)終端[10]。無(wú)線終端接入SSID采用WPA-PSK/WPA2-PSK(WPA:保護(hù)無(wú)線電腦網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng),Wi-Fi Protected Access)(PSK:預(yù)共享密鑰,Preshared Key)認(rèn)證類型與AES(高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn),Advanced Encryption Standard)加密方式,AES加密算法不僅具有更高的安全性能,而且采用了更新的技術(shù),因此在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸速率上比TKIP(臨時(shí)密鑰完整性協(xié)議,Temporal Key Integrity Protocol)更快。兩者安全機(jī)制的結(jié)合保障了接入認(rèn)證安全,杜絕了非法接入。莫高窟局域網(wǎng)還針對(duì)不同業(yè)務(wù)類型單獨(dú)劃分了VLAN匹配至相應(yīng)的SSID,并部署相應(yīng)的ACL(訪問控制列表,Access Control Lists)與上網(wǎng)行為管理策略等不同層級(jí)的安全策略,保障該平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

經(jīng)過對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋平臺(tái)建立過程、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模式、用戶接入認(rèn)證等三方面分析,該平臺(tái)能夠提供安全可靠的傳輸能力。

6 結(jié) 論

隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展,莫高窟保護(hù)利用中各類無(wú)線終端應(yīng)用模式與技術(shù)也會(huì)不斷更新,應(yīng)用范圍也將擴(kuò)大,同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量不同類型的數(shù)據(jù)。對(duì)洞窟無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性與可靠性要求也會(huì)不斷提高。該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋傳輸平臺(tái),是結(jié)合莫高窟建筑結(jié)構(gòu)、地理位置以及莫高窟保護(hù)利用工作流程等特性進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)施的,有著一定的代表性?？梢詰?yīng)用在其他石窟寺保護(hù)利用數(shù)據(jù)的傳輸中。但隨著應(yīng)用模式與范圍的擴(kuò)大,石窟寺對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的需求也會(huì)不斷提升,無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋傳輸平臺(tái)構(gòu)建模式也需要不斷優(yōu)化與改進(jìn)。

今后的研究工作主要有以下兩點(diǎn):1)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋應(yīng)用設(shè)備與莫高窟洞窟新型門完美嵌入式結(jié)合,在滿足無(wú)線信號(hào)覆蓋需求的同時(shí),又能夠美化偽裝,進(jìn)而更好地展現(xiàn)古建筑的風(fēng)格。2)隨著文物預(yù)防性保護(hù)、文物數(shù)字化、旅游開放等業(yè)務(wù)發(fā)展,勢(shì)必會(huì)對(duì)洞窟內(nèi)部無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的速率、延時(shí)、可靠性等參數(shù)提出更高的要求。需結(jié)合上述業(yè)務(wù)發(fā)展,研究無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋前沿技術(shù),為莫高窟大型洞窟內(nèi)部構(gòu)建具備高速率、低延時(shí)、廣連接、可切片、多用戶MU-MIMO(多用戶-多輸入多輸出)等特性的,并且能夠滿足保護(hù)利用等各項(xiàng)工作對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)需求的優(yōu)質(zhì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋技術(shù)將是莫高窟保護(hù)利用數(shù)據(jù)傳輸中今后研究的重點(diǎn),同時(shí)也是莫高窟利用現(xiàn)有線纜管溝等基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋的主要技術(shù)之一。