智慧牧區無線交互網絡技術

吳 波，張 謙

（中國廣電內蒙古網絡有限公司，內蒙古 呼和浩特 010010）

0 引 言

當前，自治區現代化基礎設施、群眾公共文化服務體系建設、服務能力與人們的需求還有一定差距，特別在信息化建設方面制約著自治區畜牧業產業化、現代化的發展。綜合經濟實力有待加強，城鄉、區域、經濟社會發展不平衡，部分農村地區發展滯后，基礎設施和基本公共服務薄弱。牧區主要通信問題是網絡覆蓋盲點和盲區多、通信信號差，大部分牧民無法有效使用無線網絡，不利于牧區信息化建設，制約著牧民的生產、生活。

1 無線網絡建設方案分析

偏遠農牧區的網絡覆蓋一直是難以解決的問題，用戶規模小、地形復雜、建設成本高，這些都是通信覆蓋率不高的主要原因，阻礙著農牧區的通信發展。農牧區通信建設發展過程中面臨較多的問題，具體如下。一是偏遠牧區地形多數以山地、丘陵為主，高原上存在5級夷平面，具有層狀高原的顯著特征，沙地、草場和林地覆蓋范圍相對較廣，很多地區無法建立有線傳輸；二是農牧區通信建設花費的成本較高，資金回收相對較慢；三是當地通信管理和運營體制無法滿足電信行業發展的要求，導致農牧區電話出現熱裝冷用的現象；四是大部分林場、農場、牧場以及礦區等較為偏遠，交通不夠便利且居住人員相對分散，電信工作無法順利進行[1]。

在有線傳輸無法覆蓋的范圍內，可以采用無線交互網絡技術手段進行覆蓋。以廣電全光網絡為骨干，以微波傳輸網絡為延伸，搭建無線網橋。無線網橋就是無線網絡的橋接，利用無線傳輸方式在兩個或多個網絡之間搭起通信橋梁[2]。無線網橋從通信機制上分為電路型網橋和數據型網橋。無線網橋的工作原理其實就是將空氣作為介質來傳播信號，簡單來說就是一端網橋把網線中的信號轉化為無線電磁波信號并定向發射到空氣中。另一端的網橋作用剛好相反，接收空氣中的無線電磁波信號并將其轉化為有線信號。

無線網絡系統主要包括以下特性：一是覆蓋能力強，可以實現有效半徑15 km以內的廣域覆蓋；二是可維護性強，支持本地管理、遠程管理以及用戶終端設備管理；三是易部署和擴展，采用混合型組網配置，無線網橋傳輸容量擴展及部署簡便，支持同站點直接規劃建設；四是安全性較高，支持多種加密算法和雙向安全加密認證，能夠實現端到端的數據安全傳輸；五是業務靈活、實時性強，能夠實現規劃區域全面覆蓋，業務接入靈活。

2 無線網絡交互技術分析

無線網絡交互技術在較差的環境和高調幅模式下優化了設備抗干擾敏感性和低噪聲性能，使設備具備更高的靈敏度和更強的抗干擾能力。無線寬帶基站可以實現自動掃描信號源頻率、自動分析終端到基站間的通信距離以及校準無線信號等功能，保證在有效的信號范圍內達到良好的用戶感知效果。

2.1 MU-MIMO技術

多用戶多輸入多輸出（Multi User-Multiple Input Multiple Output，MU-MIMO）是最新Wi-Fi技術標準802.11ac 2.0的最重要特性之一，可以顯著提高網絡總吞吐量和總容量。一個接入點（Access Point, AP）可以同時與多個支持MU-MIMO的用戶終端通信，這里的同時是絕對時間點上的同時，數據并行[3]。簡單來說就是設備依賴預先學習到的信道狀況信息精確地進行數據發送，在同一時刻通過不同的天線向不同的無線終端并發地發送數據，各個接收終端可以有效過濾掉來自其他終端數據的干擾，實現同時接收。通過MU-MIMO技術的支持，用戶能夠利用無線網絡實現同時接收。MIMO天線技術在鏈路的發送端和接收端都并行傳遞多條空間流，從而可以在相同的信道帶寬條件下獲取更高的通信系統容量和更高的頻譜利用率[4]。此外，MIMO天線的空間流數必須大于天線數。

選取僅支持單用戶多輸入多輸出（Single User-Multiple Input Multiple Output，SU-MIMO）技術的Wi-Fi路由器和支持MU-MIMO技術的終端設備，將終端設備接入路由器，結果終端設備的傳輸速率最高只有80 Mb/s左右。而將終端設備接入到支持MU-MIMO技術的高端Wi-Fi路由器，終端設備則能達到約240 Mb/s的最高傳輸速率，傳輸性能顯著提升[5-8]。

2.2 OFDM調制及A-MPDU幀聚合技術

正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）調制方法的主要思想是將標準帶寬的信道劃分成幾個相互正交的子信道，用來承載多路并行的低速子數據流，每個低速的子數據流對應使用一個子載波進行調制。將分開的低速子數據流進行串并轉換，同時將并行的低速子數據流調整成高速信息流，信號在接收端再進行并串轉換，將正交信號分開，這樣可以減少子信道間的干擾。每個子信道的帶寬是原信道的一小部分，容易實現信道均衡，并且每個子信道的帶寬小于相關帶寬，可以有效避免碼間串擾。

在802.11ac協議中選用獨立的 MAC 協議數據單元（ Aggregate-Management Protocol Data Unit，A-MPDU）幀聚合技術，所有的報文傳輸都通過聚合流程，每個協議數據單元（Presentation Protocol Data Unit，PPDU）的傳輸是A-MPDU，即使這個A-MPDU中只包含了一個MPDU，這樣就不用再區分報文是否聚合，有效簡化了流程。同時，802.11ac將單個A-MPDU聚合幀的大小從64 kB提高到1 MB，這樣就能夠更好地配合802.11ac的物理層實現高速傳輸。802.11ac每次傳輸報文的長度強制要求為OFDM Symbol攜帶的比特數，如果不滿足要求，則使用Null Frame填充最后一個OFDM Symbol。

2.3 信道規劃

基于802.11ac擴展的信道綁定機制，在使用802.11ac網絡時需要更好地規劃信道。一個802.11ac設備在選擇發送帶寬時會先嘗試以高帶寬來發送數據，如果高帶寬的Secondary Channel忙，則用較低帶寬Primary Channel發送；如果Primary信道忙，則降低寬帶速率或者退避等待。與此同時，802.11ac協議提高了80 MHz帶寬情況下的空閑信道評估（Clear Channel Assessment，CCA）閾值，保證了檢測更加嚴格。例如，兩個設備AP工作在80 MHz模式（信道149～161），信道重疊（一個主信道是149，一個設備主信道是157），這樣對于連接在兩個設備上的802.11n終端（40 MHz）就可以無影響地傳輸數據。而對于802.11ac終端（80 MHz），可以根據實際使用情況來選擇合適的帶寬[9-12]。

根據實際現場部署測試來看，無線交互技術可以讓用戶終端在距離基站天線12 km處達到高速上網的目的，丟包率控制在1%以下。

3 結 論

無線交互網絡技術的特點是可以在相同的信道帶寬條件下獲取更大的通信系統容量和更高的頻譜利用率，通過融合應用相應技術，在相對較差的環境和高調幅模式下提升了設備抗干擾性，使設備具備更高的靈敏度，確保用戶隨時都可以接入到通信網絡。以智慧廣電+公共服務+政務服務+鄉村治理為抓手，建設橫向到邊、縱向到底的分布式智慧廣電有線無線融合網絡，實現牧區廣電網絡的全覆蓋，從而為推進鄉村全面振興做出新的貢獻。