獨立無線通信網絡設計研究

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摘要：介紹了一種適用于野外的獨立無線通信網絡系統，利用高通Atheros處理器制成的基于IEEE802．11a／n／ac標準的無線網絡設備實現數據的遠距離通信，于此基礎上搭建了基于該通信網絡的監測系統。經現場測試和分析可知，該系統具有雙向通信、300MHz帶寬和優于30km傳輸距離等功能，可實現對視頻圖像數據、音頻信號和控制信號的可靠傳送。該系統的開發可解決偏遠山區無通信信號的問題，實現無信號偏遠山區作業現場遠距離監控，能對存在事故風險區域做出及時管控，確保作業人員安全作業。

關鍵詞：無線通信；視頻監測技術；電網建設

為了確保電力施工安全，電力施工現場一般通過加設圍欄的方式來確保施工作業的安全性，但仍然存在部分施工人員對自身的施工行為不加約束，有任意翻越安全圍欄的情況。視頻監測技術能直觀地觀測到電力施工現場的作業狀態，還可實現對多個現場的同步管理，在現場管控上已得到了廣泛應用［1－3］。傳統的視頻監測技術都基于4G或5G等通信網，野外因無通信網絡無法實現將野外作業現場狀態實時傳送至項目管理中心，這阻礙了視頻監測技術在野外作業現場監控領域中的應用。因此，設計一種獨立的無線通信網絡已成為野外作業視頻監測所急需解決的問題。基于IEEE802．11a／n／ac通信標準，本文設計一種獨立的無線通信網絡，利用高通Atheros處理器制成無線通信網橋，利用拋物面天線對無線數據實現長距離傳送，并搭建基于該通信網絡的監測系統，分析系統數據傳送的效果。

1無線通信原理

1．1無線通信架構

本文采用微波通信原理實現長距離的無線通信，其結構如圖1所示。無線通信的整個系統由拋物面天線、饋線和無線網橋組成。系統工作原理：首先無線網橋發出通信信息，利用饋線上傳到拋物面天線，通過拋物面天線對信號進行放大后發出；然后另一端利用拋物面天線接收信號，將饋線傳入無線網橋，利用無線網橋對信號進行處理，實現長距離的數據通信［4－5］。

1．2無線網橋設計

微波通信是使用波長在0．1mm～1．0m之間的電磁波進行通信，所對應的頻率范圍是300MHz～3000GHz。與同軸電纜通信、光纖通信和衛星通信等現代通信網傳輸方式不同的是，微波通信是直接使用微波作為介質進行通信，不需要固體介質，當兩點間直線距離內無障礙時就可以使用微波傳送。利用微波進行通信具有容量大、質量好并可遠距離傳輸的特點［6－7］，因此，基于微波通信原理對無線網橋進行了設計。基于IEEE802．11a／n／ac標準，無線網橋采用高通Atheros處理器制成，有接收和發送的雙向功能，帶寬300MHz，傳輸距離優于30km，見圖2。無線網橋由發信機、收信機、天饋線系統、多路復用設備及用戶終端設備等組成。發信機由調制器、上變頻器、高功率放大器組成，收信機由低噪聲放大器、下變頻器，解調器組成。

1．3拋物面天線設計

在信號的傳遞上，采用雙極化拋物面天線實現信號的發送和接收。這個天線涉及到照射器和反射器設計。反射器選用普通拋物面天線，拋物面將照射器投射過來的電磁波沿拋物面軸向方向反射出去，從而獲得很強的方向性。按照設計的拋物面天線安裝要求，選擇小口徑、高曲率的拋物面。為了能抗雨、霧和水汽的腐蝕，照射器還添加了低介電常數的聚四氟乙烯遮雨板。

2太陽能供電系統設計

為了使無線通信系統可靠運行，結合野外作業現場，采用太陽能供電的方式對無線數據通信在供電過程中，控制器實時監測太陽能板的發電狀態、蓄電池的儲能狀態等信息。系統通過對蓄電池電壓、光伏輸出電壓和電流等參數的監測，結合蓄電池電壓和容量之間的關系，對無線通信網絡的供電狀態做出評估。對蓄電池容量設計多級預警，當蓄電池容量下降到一定值時發出報警信息，試運行人員及時掌握蓄電池容量，并采取能量管理措施，確保對通信系統的可靠供電。

3傳輸模式設計

所設計的無線網橋具有中繼功能，根據數據通信過程中的傳輸路徑不同，可分為中繼傳輸和直接傳輸兩種模式。（1）中繼傳輸模式。中繼傳輸模式采用信號傳接的方式進行（見圖4）。該方式具有延長傳輸距離，避開遮擋物的優點，在使用過程中由于后續的傳輸設備需要傳輸前端設備的信息量，隨著節點的增加，數據通信的容量需求變大，成本變大。（2）直接傳輸模式。直接傳輸模式采用點對點直接將監測數據傳送到監控中心（見圖5）。該方式具有數據傳送容量不大，成本低，但傳輸距離受設備影響大，同時不能避開遮擋物，信號穩定性差?，F場測試在獨立無線通信系統購置完畢后，需了解所構建的獨立無線通信網絡是否適用于野外作業現場安全監控。將無線通信網絡和視頻系統相結合，實施對楊房溝水電站500kV線路野外作業現場的視頻監控?；谥苯觽鬏敽椭欣^傳輸的特點，結合楊房溝水電站500kV線路地形復雜等情況，本次現場采用中繼和直接相結合的方式實現數據通信，對存在山體阻擋的地方采用中繼傳輸的方式，避開線路在山林架設過程中山體遮擋物對通信的阻隔，系統的布置如圖6所示。圖6基于無線通信的視頻監控示意圖整個系統實施過程中，在無線網橋之間采用網線連接的方式（也可采用無線通信方式），在中繼傳輸的過程中采用交換機對信號進行橋連。在直接通信方式中，視頻通過網線接入無線通信網橋，利用拋物天線通過無線微波通信直接傳到項目部的無線網橋，通過交換機接入監控平臺。在中繼通信方式中，視頻通過網線接入無線通信網橋，利用拋物天線通過無線微波通信傳到對應的無線網橋，通過交換機傳到中繼網橋，利用中繼網橋傳到項目部的無線網橋，最后通過交換機接入監控平臺。由此可見，本文所設計的基于微波原理的無線通信系統可實現對視頻、控制信號和語音信號的傳遞，可靠解決了野外通信難的問題。

作者：王宏宇 譚志強 許寅 單位：上海華東送變電工程有限公司