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2019年度報告》中指出，截止2019年，中國森林覆蓋面積大約2.12億公頃，森林覆蓋率達22.08%，并且還在持續(xù)推動荒地造林工程。林業(yè)作為我國一項寶貴的資源，—直以來深受重視，隨著信息化發(fā)展，林業(yè)監(jiān)測與維護也逐漸向網(wǎng)絡化、信息化方向發(fā)展。林業(yè)網(wǎng)絡具有以下幾方面的顯著特征：

1)網(wǎng)絡覆蓋面積大。我國林業(yè)覆蓋面積廣闊直接決定了監(jiān)測網(wǎng)絡覆蓋面積大；

2)數(shù)據(jù)傳輸量大。林業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡中包含各類環(huán)境傳感器、植被生態(tài)監(jiān)測設備、音視頻監(jiān)控設備、災害報警設備等，數(shù)據(jù)種類多、信息傳輸量大；

3)實時性要求高。對于火災報警、野生動物監(jiān)測、人員入侵報警等信息，要求網(wǎng)絡具有高的實時性。

4)接入、重組速度塊。應對自然災害、野生動物對于破壞通信設備的損壞，滿足移動巡邏車無線快速接入的需求，要求網(wǎng)絡接入快速、重組能力強。

林業(yè)監(jiān)測網(wǎng)絡大體可分為有線傳輸網(wǎng)絡和無線傳輸網(wǎng)絡。有線傳輸網(wǎng)絡一般釆用光纜傳輸。有線傳輸網(wǎng)絡適用于長距離傳輸，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)測網(wǎng)絡中使用存在線纜鋪設困難、成本高等不足，同時部分地區(qū)地理環(huán)境復雜，人員可達性存在一定的困難，使用上存在一定的限制。隨著無線傳感、通信技術的發(fā)展，無線傳輸設備成本逐漸降低，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)絡中的應用日益廣泛。

SPTN(軟件定義分組傳輸網(wǎng))是將SDN(軟件定義網(wǎng)絡)開放性、智能化、虛擬化的優(yōu)勢與PTN(分組傳輸網(wǎng))可靠性高、業(yè)務質量高的優(yōu)勢相融合[1]，具有標準化的接口、開放性的應用和服務、智能化的網(wǎng)絡調度能力以及高的網(wǎng)絡運維管理效率，網(wǎng)絡應用控制簡單、業(yè)務開通快捷、故障定位迅速、維護周期短等優(yōu)勢。隨著SPTN技術和產(chǎn)品的進一步發(fā)展和應用，面對林業(yè)未來多樣化的應用需求，基于SPTN的林業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡有著較好的市場前景。

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IP化的業(yè)務模式，適合大范圍快速部署、穩(wěn)健傳輸、網(wǎng)絡結構靈活的林業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡應用。本文在SPTN主干傳輸網(wǎng)絡基礎上，提出了基于無線寬帶組網(wǎng)的林業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡架構方案，并結合不同的應用場景，對方案的可行性進行了評估。

1 功能、組成及應用模式

1.1 系統(tǒng)功能

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

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

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

2)為林區(qū)提供備份應急通信網(wǎng)絡。

作為林區(qū)內的無線通信保障手段，自然災害、獸禽造成光纖鏈路損害或出現(xiàn)有線設備故障時，能夠完成應急通信任務，實現(xiàn)固定監(jiān)控點數(shù)據(jù)信息的穩(wěn)定上傳。

3)保障重點區(qū)域的巡邏、巡檢接入。

能夠為林區(qū)內的重要節(jié)點的巡邏分隊提供隨遇接入的寬帶網(wǎng)絡[4]，保障重點區(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。整個林區(qū)設置一個監(jiān)控中心和若干管理站，每個管理站分管一個或多個片區(qū)，監(jiān)控中心和管理站均設置獨立基站；各片區(qū)根據(jù)區(qū)域大小設置若干固定監(jiān)控點，對林區(qū)實施監(jiān)控，片區(qū)內根據(jù)地域及環(huán)境，按需設置基站；固定監(jiān)控點的各類IP業(yè)務通過有線或無線網(wǎng)絡接入SPTN設備。

有線傳輸通過光纖直接接入基站SPTN設備，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IP業(yè)務接入，通過寬帶RRU實現(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設備保證監(jiān)控中心和管理站的信息安全。

1.3 應用模式

無線寬帶基于TD-LTE的技術體制，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，支持無線寬帶設備間的自同步、自組網(wǎng)功能[7]。

無線寬帶系統(tǒng)可適應兩種使用模式。

1)光纖鏈路正常時使用模式。

監(jiān)控網(wǎng)絡正常工作期間，光纖鏈路未損毀，無線寬帶網(wǎng)絡提供固定監(jiān)控點各業(yè)務的信道接入，SPTN設備自動感知光纖鏈路狀態(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量情況，根據(jù)音頻、視頻、數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務需求，建立相互獨立、互不干擾、質量保障的有線、無線端到端服務管道。巡邏車配備無線寬帶車載臺或手持終端，巡邏時通過基站實時接入。

2)光纖鏈路異常時使用模式。

SPTN設備實時探測光纖鏈路狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)光纖鏈路損壞，進行無線寬帶鏈路信息質量探測，結合音頻、視頻、數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務需求及優(yōu)先級，建立相互獨立、互不干擾、質量保障的端到端無線服務管道?；鹃g光纖鏈路損壞，則基站與基站之間通過NTN模式進行自組網(wǎng)。若是基站與固定監(jiān)控點之間光纖鏈路損壞，則無線寬帶終端與基站通過PMP模式接入。

2 典型應用場景分析

考慮林區(qū)的實際應用需求，設定系統(tǒng)設計輸入條件包括：

1)單個固定監(jiān)控點核心監(jiān)控業(yè)務(包括災害報警、入侵報警等)為253 kbps。

2)單個固定監(jiān)控點音頻接入2路。

3)固定監(jiān)控點之間距離為2～3 km。

4)設置1個林區(qū)監(jiān)控中心、6個管理站。

5)林區(qū)監(jiān)控中心配備4個外派小隊，每個管理站配備1個巡邏分隊，共10個移動巡邏用戶。

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，D為巡邏車。設定1個監(jiān)控中心、6個管理站，每個管理站分管10個監(jiān)控點。

在無線備保極限應用工況下，無線寬帶系統(tǒng)需要能夠實現(xiàn)1個A或1個B同時監(jiān)控所有C節(jié)點并發(fā)傳輸需求，核心監(jiān)控業(yè)務帶寬需求為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)點流量需求如表1所示。

表1 C節(jié)點流量需求

D節(jié)點的上行鏈路帶寬按照C節(jié)點的預留帶寬計算。節(jié)點需求如表2所示

表2 D節(jié)點流量需求

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

3 網(wǎng)絡架構設計

3.1 應用模式規(guī)劃

為滿足林區(qū)無線寬帶通信全覆蓋，系統(tǒng)網(wǎng)絡分為無線骨干自組網(wǎng)(簡稱：自組網(wǎng))和無線寬帶接入網(wǎng)(簡稱：接入網(wǎng))。可由多個無線寬帶基站通過自組網(wǎng)(NTN模式)功能構建遠距離寬帶無線骨干自組網(wǎng)。同時，利用無線寬帶基站的接入功能，實現(xiàn)遠距離的寬帶移動終端設備的接入(PMP模式)，構建擴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)點均采用NTN+PMP的模式，A、B節(jié)點間通過NTN通道構建遠距離寬帶無線骨干自組網(wǎng)，片區(qū)中獨立設置的基站也已NTN模式接入骨干網(wǎng)；C、D節(jié)點上部署無線寬帶終端，通過A、B節(jié)點的PMP通道接入，完成C、D節(jié)點的無線寬帶終端接入功能，構建擴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。此時兩個自組網(wǎng)所能承載的鏈路帶寬不應小于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)點采用1NTN+3PMP模式，以B1部署的無線寬帶基站為例，每個基站要求至少承載10個C節(jié)點和1個D節(jié)點的數(shù)據(jù)流量，合計為6.98 Mbps。每個無線寬帶基站存在3個PMP傳輸通道(扇區(qū))，每個扇區(qū)應能滿足終端側不小于2.33 Mbps的上行并發(fā)數(shù)據(jù)流量。

表3 上行業(yè)務流量規(guī)劃作Z節(jié)點部署規(guī)劃

3.3 組網(wǎng)架構設計

形成的組網(wǎng)架構圖如圖3所示。

圖3 組網(wǎng)架構

4 可行性評估

兩個自組網(wǎng)中的7個節(jié)點(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，選取典型寬帶設備開展評估，帶寬20 MHz，兩個自組網(wǎng)節(jié)點間無線寬帶鏈路預算分別為22.2 Mbps，鏈路預算及距離極限如表4。

表4 組網(wǎng)節(jié)點間的鏈路預算匯總表

可知兩個自組網(wǎng)的節(jié)點流量在視距環(huán)境下和準平坦地形下，兩節(jié)點間部署距離在25 km及23.50 km內時，流量為24.07 Mbps，滿足22.21 Mbps的需求。

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

表5 BC節(jié)點間的鏈路預算匯總表

表6 AD或BD節(jié)點間的鏈路預算匯總表

可知，C節(jié)點在兩種天線掛高情況下，在兩種典型環(huán)境下，BC間節(jié)點部署間距只要滿足表中極限距離，上行流量能夠達到2.70 Mbps；D節(jié)點采用全向天線，在上述兩種典型環(huán)境下，AD或BD間節(jié)點部署間距只要滿足上表的極限距離，上行流量就能夠達到2.70 Mbps。均能夠滿足基站每個扇區(qū)終端側不小于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 自適應重傳機制

實時(秒級)監(jiān)控頻譜質量，自適應實施干擾避讓措施，從而增強通信性能。結合干擾扣除技術，當數(shù)據(jù)發(fā)送位置被干擾導致解析錯誤時，通過重傳調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)應用，兩者可以同時工作。一方面增強覆蓋能力，另一方面擴大工作頻段范圍，兩者其中之一被干擾，系統(tǒng)仍能正常工作[8]。

5.1.3 自動頻規(guī)技術

開機后全網(wǎng)靜默，節(jié)點干擾識別匯集后執(zhí)行初始頻率規(guī)劃，節(jié)點間信息交互并進行周期性全網(wǎng)信息搜集，執(zhí)行最優(yōu)決策規(guī)劃動態(tài)更新規(guī)劃結果。在一些固定干擾場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)務均由IP承載，為了保證林場上傳監(jiān)測參數(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)務加密，對全部終端的上下行IP數(shù)據(jù)實施加密保護，通過終端保密卡與基站密鑰分發(fā)設備的協(xié)同工作，形成上下行分段加密應用。

5.3 防雷

系統(tǒng)采用饋線接地、防浪涌保護器接地、RRU接地、BBU接地四處接地措施達到防雷效果。天饋系統(tǒng)安裝位于高點時，可采用在距離天線3米的距離安裝避雷針對天線進行直擊雷保護，避雷針的保護范圍可按保護角不大于45°考慮，防雷設計如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)防雷示意圖

5.4 基站安裝

基站頂端架設定向天線，射頻單元RRU安裝在靠近天線的下方，通過安裝結構件固定，天線與RRU之間采用饋線連接，饋線每隔2米使用線卡進行固定，兩端連接處做好防水措施。室外光纖連接至機房內的BBU上，光纖采用航空插頭設計，連接穩(wěn)固且達到防水要求，安裝設計見圖5所示。

6 結束語

本文基于林業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡的實際應用業(yè)務需求，在SPTN有線傳輸網(wǎng)絡架構基礎上，構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，通過設定典型應用場景，設計形成組網(wǎng)架構，并對節(jié)點間的通信流量和通信距離進行了評估和計算，設計形成的寬帶通信網(wǎng)絡能夠適應林業(yè)監(jiān)控網(wǎng)覆蓋面積廣、數(shù)據(jù)傳輸量大、業(yè)務接入便捷、網(wǎng)絡重組快速的使用需求，對后續(xù)林業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡建設具有先導性意義。

圖5 基站安裝設計