共享鐵塔模式下的輸電線路無線專網(wǎng)組網(wǎng)方法

（國網(wǎng)蘭州供電公司，蘭州 730070）

0 引言

蘭州電網(wǎng)東西狹長，東起榆中，西至紅古，距離長達(dá)200 多km。國網(wǎng)蘭州供電公司肩負(fù)著35～330 kV 線路的巡視維護(hù)工作。蘭州公司從2013 年開始，在通信運營商3G 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上不斷探索，組建了基于WiFi+Mesh 的5.8G 專網(wǎng)。但隨著視頻監(jiān)控設(shè)備的增多，設(shè)備供電局限性、網(wǎng)絡(luò)通道遮擋、視頻流通信阻塞、設(shè)備穩(wěn)定性降低等問題日益突出，原有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已不能滿足現(xiàn)有的視頻巡視作業(yè)。文獻(xiàn)[1-6]提出了一些視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案，但大都無法解決網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)單一、覆蓋范圍小、設(shè)備電源不穩(wěn)定等問題。因此，以國網(wǎng)公司與鐵塔公司合作為契機，創(chuàng)新性地提出一種在共享鐵塔模式下的新型視頻專網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)方法，該方案與傳統(tǒng)組網(wǎng)方案相比，依托鐵塔公司現(xiàn)有站點作為5.8G 專網(wǎng)傳輸裝置媒介，可有效擴大網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)方式，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對輸電線路可視化發(fā)展意義重大。

1 Wifi+Mesh 組網(wǎng)技術(shù)原理及改進(jìn)

1.1 Wifi+Mesh 組網(wǎng)技術(shù)

Wifi+Mesh[7-12]組網(wǎng)技術(shù)是在不增加任何有線基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，通過多個無線短跳來組網(wǎng)，從而大大延伸無線信號的覆蓋范圍。網(wǎng)絡(luò)由一組呈網(wǎng)狀分布的無線AP（接入點）構(gòu)成，AP 均采用點對點或點對多的方式通過無線網(wǎng)橋互聯(lián)，從而有效擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)中，任何無線節(jié)點設(shè)備（網(wǎng)橋）都可以發(fā)送和接收信號。這種結(jié)構(gòu)的好處在于： 如果附近的AP 由于流量過大而擁堵，數(shù)據(jù)可以自動重新連接到通信量較小的鄰近節(jié)點進(jìn)行傳輸，直到達(dá)到最終傳輸目的，如圖1 所示。對不同傳輸方式進(jìn)行統(tǒng)計分析如表1 所示。

表1 多種傳輸模式技術(shù)指標(biāo)對比

1.2 Wifi+Imax+Mesh 組網(wǎng)技術(shù)

Wifi+Imax+Mesh 可理解為增強型無線網(wǎng)。Imax組網(wǎng)機制靈活，可實現(xiàn)長距離、多用戶、高效率的Mesh 自組網(wǎng)。實際做法是在無線節(jié)點中增加無線網(wǎng)橋，改變網(wǎng)絡(luò)連接方式，每一個節(jié)點既是發(fā)送端又是接收端，對無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了延長和擴大。該技術(shù)能有效避免單一Wifi 模式下網(wǎng)絡(luò)等待、通信排隊和傳輸延遲等問題，提升數(shù)據(jù)吞吐量和網(wǎng)絡(luò)資源利用率，適宜開展大規(guī)模、復(fù)雜性無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)[13-18]。

級聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(wǎng)技術(shù)優(yōu)點

Wifi+Imax+Mesh 組網(wǎng)技術(shù)相較其他技術(shù)，具有以下優(yōu)點：

（1）快速部署和易于安裝?？梢院苋菀自黾有碌墓?jié)點來擴大無線網(wǎng)路的覆蓋范圍和網(wǎng)路容量。Mesh 的設(shè)計目標(biāo)就是將有線設(shè)備和有線AP 的數(shù)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(shù)可以很容易實現(xiàn)配置，因此在室外和辦公場所應(yīng)用前景廣泛。

（3）健壯性。實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)健壯性通常的方法是使用多路由傳輸數(shù)據(jù)。Mesh 網(wǎng)絡(luò)比單跳網(wǎng)絡(luò)更加健壯，因為其不依賴于某一個單一節(jié)點的性能。在單跳網(wǎng)絡(luò)中，如果某一節(jié)點出現(xiàn)故障，整個網(wǎng)絡(luò)也隨之癱瘓。而在Mesh 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，由于每個節(jié)點都有一條或幾條傳送數(shù)據(jù)的路徑，如果最近的節(jié)點出現(xiàn)故障或者受到干擾，數(shù)據(jù)包將自動路由到備用路徑繼續(xù)進(jìn)行傳輸，整個網(wǎng)絡(luò)的運行不會受到影響。

（4）結(jié)構(gòu)靈活。在單跳網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備必須共享AP。如果幾個設(shè)備要同時訪問網(wǎng)絡(luò)，就可能產(chǎn)生通信擁塞并導(dǎo)致系統(tǒng)的運行速度降低。而在多跳網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備可以通過不同的節(jié)點同時連接網(wǎng)絡(luò)，因此不會導(dǎo)致系統(tǒng)性能的降低。Mesh 網(wǎng)絡(luò)還可提供更大的冗余機制和通信負(fù)載平衡功能。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

（5）高帶寬。無線通信的物理特性決定了通信傳輸?shù)木嚯x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(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的因素隨之增加。因此，選擇經(jīng)多個短跳來傳輸數(shù)據(jù)將是獲得更高網(wǎng)絡(luò)帶寬的有效方法。

2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 基站布點

組網(wǎng)架構(gòu)如圖2 所示。

A 基站點位于蘭州西區(qū)域，地勢較高，周邊無高大建筑，網(wǎng)絡(luò)通道暢通，接入鐵塔公司基站市電供電，可預(yù)留西固方向、北環(huán)路密集線路通道方向。5.8G 專網(wǎng)信號可覆蓋蘭州西環(huán)網(wǎng)。

B 基站位于蘭州仁壽山頂，沿北環(huán)路方向。山頂無遮擋，網(wǎng)絡(luò)通道暢通。目前已有專網(wǎng)信號覆蓋，可接入鐵塔公司基站市電供電，提升基站穩(wěn)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(yù)留上川變方向、榆中營盤山通道方向。5.8G 專網(wǎng)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(shè)計

首先根據(jù)線路桿塔分布情況，以光纖+無線站點設(shè)備混合模式搭建無線網(wǎng)絡(luò)通信主通道，再根據(jù)可視化或各類在線監(jiān)測設(shè)備建設(shè)規(guī)劃，選擇合適位置裝設(shè)站點，與已建站點形成Mesh 組網(wǎng)布局。在有線路桿塔覆蓋區(qū)域，選擇合適線路桿塔作為專網(wǎng)基站；對于無輸電線路桿塔覆蓋區(qū)域，選擇電信運營商基站作為視頻專網(wǎng)基站。每個基站設(shè)有“S”“AP”模式無線網(wǎng)橋，基站與基站之間通過網(wǎng)橋橋接，一個“AP”網(wǎng)橋可以連接多個“S”模式網(wǎng)橋，從而實現(xiàn)了點對多的網(wǎng)絡(luò)橋接方式，由單一的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可擴展為多路并聯(lián)的“星型網(wǎng)”。隨著無線站點的不斷增加，網(wǎng)絡(luò)整體的穩(wěn)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(yōu)，太陽能電池板加蓄電池模式也可行）、球機、5.8G 網(wǎng)橋與板狀高功天線、控制器以及其他附屬設(shè)備構(gòu)成，站點之間的傳輸距離達(dá)到25 km。

3 實驗驗證分析

圖2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

搭建的網(wǎng)絡(luò)測試架構(gòu)如圖3 所示。對新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場試驗。實驗分別選取了A，B，C 3 個基站網(wǎng)橋、球機、控制器的傳輸速率、信號強度、信號延遲參數(shù)并進(jìn)行統(tǒng)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(wǎng)橋，測試選定相同的時間、相同的氣象條件，設(shè)定： A 基站為原有傳統(tǒng)的自建型5.8G 基站，級聯(lián)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(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的3 個核心單元的實時網(wǎng)速、信號強度值、延遲時間每5 min 為1 個時間節(jié)點進(jìn)行了統(tǒng)計，求取1 h 內(nèi)網(wǎng)橋、球機、控制器的實時參數(shù)如表2 所示。

表2 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)統(tǒng)計

實驗結(jié)果表明： 3 個基站的網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量良好。

利用相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場試驗。實驗選取多種不同地形，測試了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，統(tǒng)計了網(wǎng)橋接收信號臨界俯仰角等數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表3 所示。

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

選取16 處不同熱點，對網(wǎng)橋傳輸質(zhì)量情況進(jìn)行分析，如圖4 所示。圖4 中分別顯示網(wǎng)橋設(shè)備在線時的上、下行數(shù)據(jù)包，上行時達(dá)到55 P/s，下行空載時25 P/s，對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸吞吐量滿足要求。

表3 不同地形下的實驗數(shù)據(jù)

統(tǒng)計分析了視頻畫面回傳延遲時間，結(jié)果如表4 所示。

表4 延遲時間統(tǒng)計

實驗結(jié)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(jiān)控作業(yè)要求。利用現(xiàn)有視頻監(jiān)控平臺與無人機實時回傳系統(tǒng)，測試網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量，現(xiàn)場效果如圖5 所示。

4 結(jié)語

圖4 網(wǎng)橋?qū)崟r參數(shù)

圖5 現(xiàn)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(wǎng)組網(wǎng)方案為視頻巡視畫面高清實時回傳奠定了基礎(chǔ)，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(wǎng)架構(gòu)下，探索性地提出了共享鐵塔模式下的5.8G 專網(wǎng)組方案，并選取3 個中繼基站及16 處視頻熱點進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)實驗，實現(xiàn)了巡視線路網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，克服了運營商網(wǎng)絡(luò)資費高、信號差等缺點，解決了視頻巡視畫面回傳質(zhì)量不佳問題。本設(shè)計可為今后輸電線路視頻巡視專網(wǎng)組網(wǎng)方式的研究提供參考。