青草沙水庫水面無線網絡覆蓋及其應用

黃晨，萬力

（上海城投原水有限公司青草沙水庫管理分公司，上海 201913）

青草沙水庫（以下簡稱“水庫”）作為我國最大的河口江心型水庫，是上海重要的水源地之一。環庫大堤一圈為48.41 km，形態狹長猶如江鱘。水庫主要設備分布在取水泵閘、下游水閘、輸水管理區三個區域。地域廣而設備分散同時水庫內設立多處水質監測浮筒，隨著設備增多對于網絡寬帶、網絡安全、網絡穩定性要求增加，因此，使用2.4 G無線技術實現水庫水面設備的無線局域網絡覆蓋。

1 水面無線網絡覆蓋方案

水庫形態狹長，水面設備有較高速率的網絡需求。為滿足水庫水面高清視頻監控、在線水質數據傳輸等網絡需求，需對無線網絡覆蓋進行設計優化，并對各項網絡數據實現本地存儲。同時，考慮水庫現有網絡資源，提出了分布式核心網絡方案，實現分布式集中管理調度。水庫無線網絡結構如圖1所示。

1.1 網絡特征分析

1.1.1 網絡模型

水面設備基本都安裝在浮筒上，通信主要有水面高清視頻傳輸和水面在線數據傳輸，對上行傳輸需求很高，而水質在線數據傳輸對網絡傳輸穩定性要求又很高。一般情況下，一個高清視頻傳輸上行速率不超過5 Mbps，下行速率不超過1 Mbps，單個天線覆蓋范圍內不超過4個視頻高清攝像機。每個浮筒數據上行速率傳輸不超過200 kbps，下行速率不超過100 kbps，單個天線覆蓋范圍內不超過4個浮筒。

1.1.2 網絡特征

水庫形態狹長猶如江鱘，三個管理區域進行分區域管理，各個區域間相對比較獨立。在各個區域間內具有獨立自主的網絡管理，而大量的視頻存儲業務和在線數據集中在輸水管理區域進行集中統一管理。

網絡特征為：網絡分管區域獨立管理，高清視頻監控、數據傳輸到各分管區域后通過已有本地網絡集中至輸水管理區；水質在線數據傳輸，需要保持網絡的連續性；各區域間的網絡數據能夠集中在輸水管理區進行集中管理。

1.2 無線網絡方案

1.2.1 以3個生產區域網絡為核心

基于網絡需求，一個區域暫時不超過覆蓋4個浮筒時需滿足20 Mbps的視頻數據上行和800 kbps的水質數據上行。同時，滿足4 Mbps的視頻下行和400 kbps的水質數據下行要求。考慮到浮筒緊貼水面，水面信號傳輸的波導效應影響，水面信號傳播性能差異較大。充分利用水庫岸邊的高層建筑，使用UBNT airMAΧ的無線傳輸系統并架設24DB定向天線，擴大信號覆蓋范圍。

水面設備安裝在浮筒上，并在一定范圍內移動，浮筒移動會影響網絡通信。浮筒使用UBNT airMAΧ的無線傳輸系統并架設15DB全向天線盡量降低浮筒移動時的影響。

1.2.2 有線網絡方案

有線網絡方案依賴水庫內3個管理區域已有網絡資源，采用無線網絡轉有線網絡的傳輸方式和管理方式。

網絡數據主要發生在水面浮筒AP上傳至水庫3個管理區域機房AP，無線網絡再轉至有線網絡通過水庫核心網絡統一至輸水管理區集中管理。

1.2.3 水面設備風光互補供電系統

太陽能和風能在時間和地域上都有很強的互補性，陽光最強時一般風很小，而在晚上沒有陽光時，由于溫差比較大，空氣流動導致風的形成。然而，在晴天太陽能比較充足、風能相對較小；在陰雨天氣時，陽光會很弱，但陰雨天氣會伴隨著大風，風能相對較大。風光互補供電系統結構見圖2.

圖2 風光互補供電系統結構

在水面上持續穩定供電是個難題，原本水面設備供電只依靠太陽能供電，一般天氣設備供電正常。當遇到持續惡劣天氣時，水面設備供電就會暴露出問題，太陽能板所產生電能不能滿足設備耗電，開始使用蓄電池儲備能源，而當蓄電池多次過放電后電池失去活性，必須更換電池。水面設備新增設備時都需要考慮供電耗電問題。太陽能和風能在時間和地域上都有很強的互補性，根據風光的互補特性使用風光互補系統可以很好地解決供電問題，實現連續、穩定的供電。青草沙水庫位于長江口，江心擁有豐富的風能可以利用，浮筒上安裝風光互補發電系統可以充分利用水面風能和太陽能，滿足水面視頻監控設備、水面在線數據設備、無線網絡通信設備的供電需求。同時，增加蓄電池容量，以防遇到持續迷霧、無風陰雨天的極端情況，確保水面設備的持續供電。

2 結論

經測試，3個區域使用2.4G無線網絡覆蓋速率平均在50 Mbps。水庫水面無線網絡覆蓋具有較好的覆蓋性。由于沒有成熟的水面傳播模型，水面信號傳輸受波導效應的影響，且水面無線通信設備安裝在浮筒上，而浮筒會在水面移動，不利于無線網絡覆蓋。使用2.4G無線網絡覆蓋方案可以較好地滿足水面設備通信要求，有明顯的富余網絡帶寬。