共享鐵塔模式下的輸電線路無線專網組網方法

（國網蘭州供電公司，蘭州 730070）

0 引言

蘭州電網東西狹長，東起榆中，西至紅古，距離長達200 多km。國網蘭州供電公司肩負著35～330 kV 線路的巡視維護工作。蘭州公司從2013 年開始，在通信運營商3G 網絡基礎上不斷探索，組建了基于WiFi+Mesh 的5.8G 專網。但隨著視頻監控設備的增多，設備供電局限性、網絡通道遮擋、視頻流通信阻塞、設備穩定性降低等問題日益突出，原有的網絡架構已不能滿足現有的視頻巡視作業。文獻[1-6]提出了一些視頻監控網絡建設方案，但大都無法解決網絡架構單一、覆蓋范圍小、設備電源不穩定等問題。因此，以國網公司與鐵塔公司合作為契機，創新性地提出一種在共享鐵塔模式下的新型視頻專網組網架構方法，該方案與傳統組網方案相比，依托鐵塔公司現有站點作為5.8G 專網傳輸裝置媒介，可有效擴大網絡基站范圍，提高基站供電可靠性，改善原有單點對單點或單點對多點的組網方式，優化網絡結構，對輸電線路可視化發展意義重大。

1 Wifi+Mesh 組網技術原理及改進

1.1 Wifi+Mesh 組網技術

Wifi+Mesh[7-12]組網技術是在不增加任何有線基礎設施的情況下，通過多個無線短跳來組網，從而大大延伸無線信號的覆蓋范圍。網絡由一組呈網狀分布的無線AP（接入點）構成，AP 均采用點對點或點對多的方式通過無線網橋互聯，從而有效擴大網絡覆蓋范圍。無線Mesh 網絡中，任何無線節點設備（網橋）都可以發送和接收信號。這種結構的好處在于： 如果附近的AP 由于流量過大而擁堵，數據可以自動重新連接到通信量較小的鄰近節點進行傳輸，直到達到最終傳輸目的，如圖1 所示。對不同傳輸方式進行統計分析如表1 所示。

表1 多種傳輸模式技術指標對比

1.2 Wifi+Imax+Mesh 組網技術

Wifi+Imax+Mesh 可理解為增強型無線網。Imax組網機制靈活，可實現長距離、多用戶、高效率的Mesh 自組網。實際做法是在無線節點中增加無線網橋，改變網絡連接方式，每一個節點既是發送端又是接收端，對無線網絡進行了延長和擴大。該技術能有效避免單一Wifi 模式下網絡等待、通信排隊和傳輸延遲等問題，提升數據吞吐量和網絡資源利用率，適宜開展大規模、復雜性無線網絡建設[13-18]。

級聯拓撲結構下增加了通信路由，在中繼過程中消耗了有限帶寬，增加了傳輸延時。

1.3 Wifi+Imax+Mesh 組網技術優點

Wifi+Imax+Mesh 組網技術相較其他技術，具有以下優點：

（1）快速部署和易于安裝?？梢院苋菀自黾有碌墓濣c來擴大無線網路的覆蓋范圍和網路容量。Mesh 的設計目標就是將有線設備和有線AP 的數量降至最低，大大降低總擁有成本和安裝時間。

（2）NLOS（非視距傳輸）。利用無線Mesh 技術可以很容易實現配置，因此在室外和辦公場所應用前景廣泛。

（3）健壯性。實現網絡健壯性通常的方法是使用多路由傳輸數據。Mesh 網絡比單跳網絡更加健壯，因為其不依賴于某一個單一節點的性能。在單跳網絡中，如果某一節點出現故障，整個網絡也隨之癱瘓。而在Mesh 網絡結構中，由于每個節點都有一條或幾條傳送數據的路徑，如果最近的節點出現故障或者受到干擾，數據包將自動路由到備用路徑繼續進行傳輸，整個網絡的運行不會受到影響。

（4）結構靈活。在單跳網絡中，設備必須共享AP。如果幾個設備要同時訪問網絡，就可能產生通信擁塞并導致系統的運行速度降低。而在多跳網絡中，設備可以通過不同的節點同時連接網絡，因此不會導致系統性能的降低。Mesh 網絡還可提供更大的冗余機制和通信負載平衡功能。

圖1 網絡拓撲圖

（5）高帶寬。無線通信的物理特性決定了通信傳輸的距離越短就越容易獲得高帶寬，因為隨著無線傳輸距離的增加，各種干擾和其他導致數據丟失的因素隨之增加。因此，選擇經多個短跳來傳輸數據將是獲得更高網絡帶寬的有效方法。

2 網絡架構設計與實現

2.1 基站布點

組網架構如圖2 所示。

A 基站點位于蘭州西區域，地勢較高，周邊無高大建筑，網絡通道暢通，接入鐵塔公司基站市電供電，可預留西固方向、北環路密集線路通道方向。5.8G 專網信號可覆蓋蘭州西環網。

B 基站位于蘭州仁壽山頂，沿北環路方向。山頂無遮擋，網絡通道暢通。目前已有專網信號覆蓋，可接入鐵塔公司基站市電供電，提升基站穩定性。

C 基站位于徐家山頂，周邊線路通道密集，信號通道暢通，接入鐵塔公司基站市電供電，預留上川變方向、榆中營盤山通道方向。5.8G 專網信號可覆蓋和開三回線、川桃三回前段、川開三回等重要輸電通道。

2.2 總體方案設計

首先根據線路桿塔分布情況，以光纖+無線站點設備混合模式搭建無線網絡通信主通道，再根據可視化或各類在線監測設備建設規劃，選擇合適位置裝設站點，與已建站點形成Mesh 組網布局。在有線路桿塔覆蓋區域，選擇合適線路桿塔作為專網基站；對于無輸電線路桿塔覆蓋區域，選擇電信運營商基站作為視頻專網基站。每個基站設有“S”“AP”模式無線網橋，基站與基站之間通過網橋橋接，一個“AP”網橋可以連接多個“S”模式網橋，從而實現了點對多的網絡橋接方式，由單一的串聯網絡可擴展為多路并聯的“星型網”。隨著無線站點的不斷增加，網絡整體的穩定性、可靠性也在不斷提高。已建基站熱點混合站點S/AP 129 臺，其中基站33 臺，混合站點S/AP由供電電源（220 V 市電供為優，太陽能電池板加蓄電池模式也可行）、球機、5.8G 網橋與板狀高功天線、控制器以及其他附屬設備構成，站點之間的傳輸距離達到25 km。

3 實驗驗證分析

圖2 網絡架構

搭建的網絡測試架構如圖3 所示。對新網絡架構網絡參數進行現場試驗。實驗分別選取了A，B，C 3 個基站網橋、球機、控制器的傳輸速率、信號強度、信號延遲參數并進行統計。實驗中3個基站都采用市電供電，選用傳輸距離8 km 的無線網橋，測試選定相同的時間、相同的氣象條件，設定： A 基站為原有傳統的自建型5.8G 基站，級聯一級傳回總基站；B 基站為共享模式下新基站，采用單點對單點模式直傳總基站；C 基站為共享模式下新基站，采用單點對多點傳輸模式。分別對網絡傳輸過程中的3 個核心單元的實時網速、信號強度值、延遲時間每5 min 為1 個時間節點進行了統計，求取1 h 內網橋、球機、控制器的實時參數如表2 所示。

表2 網絡狀態統計

實驗結果表明： 3 個基站的網橋、球機、控制器的傳輸速率大于350 kb/s，信號強度高于-90 dbm，信號延遲時間小于100 ms，網絡傳輸質量良好。

利用相應的網絡傳輸設備進行現場試驗。實驗選取多種不同地形，測試了網絡穩定性，統計了網橋接收信號臨界俯仰角等數據?，F場試驗數據統計如表3 所示。

實驗結果表明： 在不同地形下，因為坡度不同，網橋的傳輸速率均在350 kb/s，信號強度高于-90 dbm，傳輸質量良好。

選取16 處不同熱點，對網橋傳輸質量情況進行分析，如圖4 所示。圖4 中分別顯示網橋設備在線時的上、下行數據包，上行時達到55 P/s，下行空載時25 P/s，對應的網絡傳輸吞吐量滿足要求。

表3 不同地形下的實驗數據

統計分析了視頻畫面回傳延遲時間，結果如表4 所示。

表4 延遲時間統計

實驗結果表明，視頻畫面回傳的延遲時間平均值為70.4 ms，滿足視頻監控作業要求。利用現有視頻監控平臺與無人機實時回傳系統，測試網絡傳輸質量，現場效果如圖5 所示。

4 結語

圖4 網橋實時參數

圖5 現場測試畫面

共享鐵塔模式下的輸電線路視頻巡視無線專網組網方案為視頻巡視畫面高清實時回傳奠定了基礎，可有效提高輸電線路視頻巡視工作。

本文在原有的Wifi+Imax+Mesh 專網架構下，探索性地提出了共享鐵塔模式下的5.8G 專網組方案，并選取3 個中繼基站及16 處視頻熱點進行網絡參數實驗，實現了巡視線路網絡全覆蓋，克服了運營商網絡資費高、信號差等缺點，解決了視頻巡視畫面回傳質量不佳問題。本設計可為今后輸電線路視頻巡視專網組網方式的研究提供參考。