■李礫

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

一、前 言

廣西電視臺新聞中心下轄標(biāo)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(jié)目都需經(jīng)常使用3G 直播服務(wù)器做視頻互動或現(xiàn)場直播節(jié)目，系統(tǒng)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(dǎo)致導(dǎo)播需要跑來跑去調(diào)度信號或需要多出一個工作人員專職在系統(tǒng)控制臺旁調(diào)度信號。因此，我們?yōu)榱送瑫r滿足三個演播室的業(yè)務(wù)需求，提高系統(tǒng)控制臺的移動性，在新聞中心所轄區(qū)域內(nèi)自主研發(fā)搭建了一個安全、穩(wěn)定的分布式無線控制網(wǎng)絡(luò)，專門為系統(tǒng)控制臺提供安全穩(wěn)定的無線控制接入服務(wù)。

二、方案設(shè)計

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發(fā)送功率的情況下大幅提升頻譜利用率和無線信道容量。數(shù)據(jù)報文通過128位密鑰的多次迭代對稱加密算法調(diào)制成高強(qiáng)度密文在2.4GHz 頻段進(jìn)行傳輸。為了避免過高發(fā)射功率對人體健康造成不良影響，采用多臺最大發(fā)射功率僅有100mw 的無線收發(fā)設(shè)備組成分布式無線網(wǎng)絡(luò)，以正交頻分復(fù)用編碼消除符號間干擾，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.無線信道規(guī)劃

為了避免過高發(fā)射功率對周邊無線設(shè)備造成影響，我們采用多臺最大發(fā)射功率僅有100mw 的無線收發(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 頻寬劃分為三個相同頻寬的頻道，相鄰的無線設(shè)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(hù)間隙。如圖1 所示。

三、功能模塊

1.迭代對稱調(diào)制模塊

系統(tǒng)控制臺是本系統(tǒng)監(jiān)控、調(diào)度信號的控制核心，系統(tǒng)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(diào)制模塊對數(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)行無線傳輸。

該模塊的工作流程如圖2 所示，在每個無線設(shè)備的發(fā)送端所有數(shù)據(jù)都必須經(jīng)過該模塊加密調(diào)制處理才進(jìn)行無線傳輸，接收端收到的數(shù)據(jù)則只有經(jīng)過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)載波分成若干個低速載波（52 個帶寬為300Khz 子數(shù)據(jù)載波，其中48 個子數(shù)據(jù)載波用于傳輸數(shù)據(jù)，剩下4 個子數(shù)據(jù)載波用于數(shù)據(jù)糾錯），利用無線信號的多徑效應(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(wěn)定高效地完成對系統(tǒng)控制臺的實(shí)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(wǎng)絡(luò)的中心位置，是控制、協(xié)調(diào)接入網(wǎng)絡(luò)的各個無線收發(fā)設(shè)備的核心模塊，主要完成以下功能：

（1）無線收發(fā)設(shè)備的注冊

如圖3 所示，①新入網(wǎng)的無線收發(fā)設(shè)備通過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無線收發(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)請求；③接收到發(fā)現(xiàn)請求報文的分布式控制模塊會檢查該無線收發(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無線收發(fā)設(shè)備從分布式控制模塊下載最新的配置信息；⑤無線收發(fā)設(shè)備開始正常工作，與分布式控制模塊交換用戶數(shù)據(jù)報文。

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

如圖4 所示，①遙控臺發(fā)出的數(shù)據(jù)的源地址為遙控臺IP 地址，目的地址為系統(tǒng)控制臺IP 地址；②數(shù)據(jù)到達(dá)無線收發(fā)設(shè)備后，無線收發(fā)設(shè)備在原數(shù)據(jù)前加上隧道封裝，新的數(shù)據(jù)報文中源地址為無線收發(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)報文到達(dá)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(tǒng)控制臺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。

（3）無線收發(fā)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

如圖5 所示，①無線收發(fā)設(shè)備A發(fā)出的數(shù)據(jù)的源地址為無線收發(fā)設(shè)備A 的IP 地址，目的地址為無線收發(fā)設(shè)備B 的IP 地址；②數(shù)據(jù)到達(dá)無線收發(fā)設(shè)備C 后，無線收發(fā)設(shè)備在原數(shù)據(jù)前加上隧道封裝，新的數(shù)據(jù)報文中源地址為無線收發(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)報文到達(dá)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(fā)設(shè)備B 的IP 地址，由于無線收發(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再次給原始數(shù)據(jù)加上隧道封裝，此時新的數(shù)據(jù)報文中源地址為分布式控制模塊，目的地址為無線收發(fā)設(shè)備D；④數(shù)據(jù)報文到達(dá)無線收發(fā)設(shè)備D 后，由無線收發(fā)設(shè)備D 解開隧道封裝后將數(shù)據(jù)發(fā)送給無線收發(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)控制臺的信號監(jiān)控和信號調(diào)度業(yè)務(wù)。該模塊首先在遙控臺與系統(tǒng)控制臺之間的建立TCP 連接，然后在這個連接中創(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)各個層次功能如下：

RDP層：客戶端任何的用戶操作，都將形成RDP 數(shù)據(jù)包，并以數(shù)據(jù)包類型形成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)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)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(shù)據(jù)后，將通過原建立好的SOCK 將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

四、無線信號勘測

在分布式無線系統(tǒng)部署前，我們并不能明確地知道無線收發(fā)設(shè)備的部署數(shù)量和安裝方式。只有在對覆蓋地點(diǎn)進(jìn)行勘測和指標(biāo)計算后，才能確定出無線收發(fā)設(shè)備、天線及其他器件的型號和數(shù)量。同時通過勘測和指標(biāo)計算，才能確定無線收發(fā)設(shè)備布放的位置、天線的方位角等工程設(shè)計參數(shù)，作為工程安裝的指導(dǎo)資料。

1.勘測工具的準(zhǔn)備

無線收發(fā)設(shè)備：使用與項目部署相同型號相同功率的無線收發(fā)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場勘測。

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

2.勘測內(nèi)容

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

勘測輸出結(jié)果主要包括無線收發(fā)設(shè)備、天線及其他器件（如防雷器、供電設(shè)備、饋線等）的型號、數(shù)量，這些都是項目成本核算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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

同時，在衡量各種材質(zhì)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(dāng)無線信號和覆蓋區(qū)域之間直線連接呈30 度角入射時，無線信號相當(dāng)于穿透1 米厚的墻壁；在2 度角時相當(dāng)于超過14 米厚的墻壁，所以要獲取更好的無線信號質(zhì)量應(yīng)該盡量使無線信號能夠垂直穿過墻壁。

五、總結(jié)

在項目實(shí)施期間，我們共使用了20 臺發(fā)射功率為100mw 的無線收發(fā)設(shè)備對遙控臺業(yè)務(wù)工作區(qū)域進(jìn)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(shè)計充分考慮到由于覆蓋需求區(qū)域的不規(guī)則形狀導(dǎo)致相鄰無線收發(fā)設(shè)備覆蓋范圍重疊，降低無線系統(tǒng)性能；通過將相鄰無線設(shè)備設(shè)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(wěn)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(jīng)過一段時間的使用，我們的無線遙控臺獲得了部門領(lǐng)導(dǎo)和各節(jié)目制作人的好評，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：《多用戶分布式MIMO-OFDM 系統(tǒng)中天線與子載波分配算法研究》[J]，《電路與系統(tǒng)學(xué)報》2012(01)。

4.甘勇、賀蕾、馮媛：《無線網(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(自然科學(xué)版)》2008(03)。