【doc】无线网桥工程化方法及其在山区通信中的应用

1、无线网桥工程化方法及其在山区通信中的应用现代电子工程2003年第l期1无线网桥工程化方法及其在山区通信中的应用史和生周新周建军(中国电子科技集团公司第二十八研究所南京210007)【摘要】本文讨论了山区通信的难题,提出了应用无线网桥于山区通信的建议及无线网桥工程化方法,并以工程化无线网桥为基础,设计并实现了一整套行之有效的山区宽带通信解决方案.【关键词】宽带通信无线网桥中继站衰落余量多径反射菲涅尔半径abstractthisarticlediscussedthedifficultissuesofthemountainareacommunicationandpresentsasuggestion

2、thatapplieswirelessbridgetothemountainareacommunicationandanengineeringmethodofwirelessbridge.besides,aneffectiveresolutionofwidebandcommunicationinthemountainareaisalsoputforward.【keywords】widebandwirelessbridgerelaystationfadingremainmulti-pathreflectfresnelradius引言对于固定式指挥自动化系统,光缆通信是实现宽带通信一种有效手段,而

3、在山区作战的机动式指挥自动化系统由于它场地不固定性,野外复杂环境下作业等特性决定了它需要一种比光缆通信更灵活,更方便,更有效,可移动并可克服山体遮蔽的宽带通信手段.无线局域网技术的兴起与发展,无线网络产品的成熟和完善,为机动式指挥自动化系统的通信设计提供了新的思路.本文就如何应用无线局域网技术于山区机动式指挥自动化系统的通信展开讨论.1山区通信现状及存在的问题在山区,现有的各类通信手段,均或多或少的存在一些问题,归纳起来,主要有以下几点:a)在地形复杂的山区,预埋有线难度大,成本高,对于机动式系统,临时铺设有线,系统展开时间过长;b)常用的山区无线通信手段主要借助于超短波电台,实现话音和数据通

4、信.由于山体遮蔽和阻挡,点对点通信距离短.组网通信时,数据通信速率低,当组网通信距离延伸后,通信网带宽迅速下降,难以实现大量数据的快速,可靠传递,无法满足现代指挥自动化系统的对数据传输的要求;c)大容量的微波接力机,可以提供1m以上的通信带宽,要求视距通信.但由于设备体积大,适合于车载使用,难以在山坡或山顶上架设中继站.而在山区,没有相对高点的微波中继站,很难保证其通信各点的可视通信;d1卫星通信是解决山中通问题的一种有效手段,可以实现复杂地形和远距离通信.但目前,卫星通信设备还存在价格昂贵,容易受到干扰等因素,限制了卫星通信的发展.2现代电子工程2003年第1期2无线网桥应用于山区通信的优势

5、和不足无线局域网典型产品无线网桥,工作在2.42.485gism民用频段,采用直序扩频技术的ciscobr系列可以提供11m通信带宽,能够传输数据,语音和图像等信息,将此类无线手段应用于山区通信,则可以基本满足目前指挥自动化系统对通信带宽的要求,但其也需要解决微波通信普遍存在难题.根据微波通信理论,扩频微波通信属于视距通信,即通常要求通信的两个地点之间必须有可见视线路径,对于地形复杂的山区通信,必须架设相对制高点的野外中继站,才能保证各点可视通信.由于目前无线网络产品均为民用产品,仅适合于室内或车载使用,其在防水,防晒,供电,电磁兼容性,小巧轻便,可移动等方面未作设计,无法适应于恶劣的气候条件

6、,复杂的地理地形和难以预测的电磁干扰,故需要对现有产品进行改良,才能使其适应于野外使用.3设计无线网桥中继站将无线网桥技术应用于山区通信,关键是工程化现有的无线网桥产品,设计出能够适用于野外使用的无线网桥中继站,解决山区对微波通信的遮蔽及阻挡问题,保障通信质量的可靠和通信距离的延伸.3.1对现有无线网桥产品的改良为了使无线网桥能适应于野外使用,对现有产品的改良措施主要有以下方面.a)研制高集成军用铝电池,智能充电器,集成供电板,解决野外中继站中无线网桥,功放及控制接收板等设备的统一供电:b研制电池开关遥控系统,在无人值守时,可以遥控中断站工作状态,延长电池使用时间:c)无线网桥,功放,智能供电

7、系统一体设计,信息设备与电源设备分层设计安装,集成于密封的机壳内,接插部分采用航空座转接,使其适合野外作业,具备良好的电磁兼容性;d)配备轻型无线网桥天馈系统(包括天线,馈线,支架,支架底座,拉绳和地钉等)和无线网桥背负架,整体可方便移动至地形相对高点,单人可完成中继站的架设;e)配套野战ip电话机,与中断站相连,实现与指挥自动化系统的话音通信.3.2无线网桥中继站组成无线网桥中继站由无线网桥,功放系统,供电系统,天馈系统,背负架和野战ip话机等组成.3.3无线网桥中继站逻辑连接关系无线网桥中继站各部分逻辑连接关系如图1所示.连接关系及功能说明:a)无线网桥射频口与功放相连,网络口与野战ip话

8、机相连,电源口接收系统集成供电板供电;b)无线网桥功放连接低损馈线,避雷器至全向天线;c)系统集成供电板工作在三种状态:开,关和自动,仅在处于自动状态时,可以对系统供电进行遥控,此时,系统集成板对电池遥控接收板供电,电池遥控接收板连接几百兆微波全向小天线,当接收到终端遥控器开机代码时,电池遥控接收板给系统供电板输出一个信号电压,系统供电板开始对网桥,功放及ip电话供电;停止供电的情况与之相反;3.44现代电子工程2003年第1期图4无线网桥中继站山地展开示意图4设计无线网桥山区组网设计无线网桥中继站后,就可以利用无线网桥技术进行山区组网通信.无线局域网技术是新兴的无线通信技术,其组网需要有良好

9、产品及通信理论的支持.4.1主要设备选择a)无线网桥无线网桥产品众多,但具备中继功能的仅有cisco在内的少数几家.cisco公司的br系列采用直序扩频技术调制信号,根据香农(shann0n)信道容量的公式,在增加带宽的前提下可以在较低信噪比的情况下以相同的发射功率来可靠地传输信息,甚至在信号这噪声湮没的情况下,只要增加信号带宽,仍能保持可靠通信.这就是扩频的基本思想和理论依据.采用扩频技术具有抗干扰性强,隐蔽性强,抗多径干扰等优点,可以部分地弥补微波通信的各项弱点.机动式指挥车可以直接选用ciscobr产品用于无线网的构建,无线网桥中继站需要对此产品进行改良后集成.b)功放对于山区通信功放功

10、率理论上越大越好,目前市场上无线局域网功放最大功率为6w,综合考虑性能,价格,供电要求等因素,机动式指挥车可以选用1w或6w的功放,无线网桥中继站选择1w功放.c)天线虽然定向天线一般具备较高的增益,由于微波通信中定向天线的方向校对难度较大,可能影响到整个系统的快速展开,机动式指挥车及无线网络中断站均选用全向高增益天线;史和生周新周建军无线网桥工程化方法及其在山区通信中的应用5d)馈线cisco公司提供的低损无线网桥馈线强度过硬,质量过大,不利于车载和无线网桥中继站使用.国产的syv一509线缆是适用于无线网桥的低损馈线,其各项性能指标符合机动式指挥车及中继站使用要求.4.2系统设计技术分析在

11、进行无线网络设计时,需要着重考虑以下三个因素:a)确定天线安装高度,保证天线间有明显视距通路;b)确定链路功率增益或损耗,判定系统能否获得足够的衰落余量;c)确定是否有足够的衰落余量以产生期望的可用率.4.2.1天线最小高度确定无线扩频通信要求在两个天线间有一个直视传播通路,才能达到路径分析计算所预计的性能.在确定天线最小高度时,必须考虑到菲涅尔区,地表凸起和天线间任一障碍物的高度.a1菲涅尔区任意点的第一菲涅尔区的计算公式是:f1=17.3x(dlxd2)/(fxd)其中:f1=第一菲涅尔区半径(米);d1,d2=该点到第一,第二个天线的距离(公里);d=站距(公里);f=频率(ghz).b

12、1地球曲率这一因素包含了地表曲率和大气折射.通常,传输距离小于16公里时地表的凸起可以忽略(最高点约为4米).地球曲率凸起高度的计算与变量k系数有关,k为等效地球半径,在正常大气条件下k=4/3.h=(dlxd2)/(12.75xk)其中:h以米为单位,d1,d2以公里为单位.c)最小高度计算根据某障碍物的高度,加上0.6菲涅尔区半径与地球曲率,就可求得直线视距的最小天线高度.4.2.2衰落余量计算衰落余量(f)=gs+g一l一lp其中:gs系统增益;g天线总增益;l连接头及电缆总损耗;lp路径损耗.1)系统增益系统增益=发射功率一接收灵敏度2)天线总增益天线增益显示了天线将发射机能量聚成窄束

13、的能力,以dbi来计量.一条链路两端天线的增益相加得到天线总增益.3)路径损耗l(db)-92.45+20lgf+20lgd其中:d以公里计,f为频率(ghz)4)连接头及电缆总损耗一般要求电缆的损耗低于7db/30米4.2.3衰落中断率和有效性u=axbx6x10xfxd.x10一其中:a=气候因子(0.1=干燥;0.25=中等;0.5=热湿)6现代电子工程2003年第l期b=地形因子(0.25=山;1一平均;4=平原)f=频率(ghz)d=站距(公里)f=衰落余量(db)a=(1一u)100%其中:a为有效性,u为无效性.4.2.4实例分析假设两站点之间距离25公里,两端采用无线网桥中继站

14、(选用cisco无线网桥,1w功放和全向天线),假定无线网桥中断站置于山上,天线相对高度为100米.a路由示意图路由示意图如图5所示,由路由示意图可知链路是否为视距传输.乏呈苦出ii|l一一一jl一一一一,.,./_/,_r-一/一一一/一一一1一,j/,.5.,jli土5i5.oij2.22j2upathlengthfk呻图5信道传输路由示意图b)衰落余量计算系统衰落余量计算如表l所示.补充说明:1)cisco无线网桥发射功率为loomw,换算成dbm为20dbm,换算公式为:dbm=lolg(mw);2)clsco无线网桥接收灵敏度与传输速率相关,速率越高,接收灵敏度要求越大;3)外加功放

15、产生增益可由公式dbi=lolg(powerb/powera),(此实例中powera为loomw,powerb为1w):.4)馈线按一端5米计算,两端总长l0米,损耗约3dbm;c)可靠性计算史和生周新周建军无线网桥工程化方法及其在山区通信中的应用7表1系统衰落余量统计链路径馈线衰落路系统总增益天线总增益功放总增益损耗损耗(dbm)余量速(dbm)窒发射接收灵a点b点a点b点距离25馈线接头要求大于(mb功率敏度(dbm)(dbm)(dbm)(dbm)公里15db/s)(dbm)(dbm)20-85l2l2lol032l1128l61052420520-89l2l210l0325.51282

16、010924205209112121010322l2822l112420520-941212101032112825l1424205由上述链路速率为11mb/s时,计算所得衰落余量代入可靠性计算公式:u=ab610一fd.10一f/.=0.251610一2.4525.10.=1.44210一a=(1一u)100%丝99.99%即速率为11mb/s时,每天的中断时间约为8.6秒,可以满足高可靠性应用要求.4.3山区无线网桥组网案例a组网示意图无线网桥组网示意图如图6所示.b图示说明11规模本系统由三辆指挥车和三套中继站组成.21配置各指挥车配备l5米可升降天线支架,满足与山上中继站可视通信要求:

17、各指挥车配备ip语音网关,中继站配备ip电话机,整个系统可实现ip语音通信;各指挥车配备网络保密机,可实现数据的保密通信,解除无线网络传输固有的安全问题;3)选点各无线网桥中断站架设点,车辆停放点选择,需要以微波通信理论为依据,借助gps等定位和测高工具,进行实地勘察;对于特别复杂的地形,可能需要提前试验来获得系统通信的最佳点.4)天线高度根据选定的通信点,可以通过公式计算获得两点通信需要的最小天线高度.5结束语相对于其它通信手段而言,应用无线局域网技术于山区机动式指挥自动化系统的通信,具有廉价性,灵活性,可靠性和宽带宽等优点,部分解决了目前山区通信的难题.随着无线网桥产品的工程化改造,无线网桥中继站的成型,良好组网方案的设计,无线局域网桥技术必将为山区通信提供一种崭新的通信方式.8现代电子工程2003年第l期图6无线网桥山区组网示意图参考文献1陆姚远.计算机网络技术.高等教育出版社.1998年2black,u.datanetworks:concept,th