共享铁塔模式下的输电线路无线专网组网方法

（国网兰州供电公司，兰州 730070）

0 引言

兰州电网东西狭长，东起榆中，西至红古，距离长达200 多km。国网兰州供电公司肩负着35～330 kV 线路的巡视维护工作。兰州公司从2013 年开始，在通信运营商3G 网络基础上不断探索，组建了基于WiFi+Mesh 的5.8G 专网。但随着视频监控设备的增多，设备供电局限性、网络通道遮挡、视频流通信阻塞、设备稳定性降低等问题日益突出，原有的网络架构已不能满足现有的视频巡视作业。文献[1-6]提出了一些视频监控网络建设方案，但大都无法解决网络架构单一、覆盖范围小、设备电源不稳定等问题。因此，以国网公司与铁塔公司合作为契机，创新性地提出一种在共享铁塔模式下的新型视频专网组网架构方法，该方案与传统组网方案相比，依托铁塔公司现有站点作为5.8G 专网传输装置媒介，可有效扩大网络基站范围，提高基站供电可靠性，改善原有单点对单点或单点对多点的组网方式，优化网络结构，对输电线路可视化发展意义重大。

1 Wifi+Mesh 组网技术原理及改进

1.1 Wifi+Mesh 组网技术

Wifi+Mesh[7-12]组网技术是在不增加任何有线基础设施的情况下，通过多个无线短跳来组网，从而大大延伸无线信号的覆盖范围。网络由一组呈网状分布的无线AP（接入点）构成，AP 均采用点对点或点对多的方式通过无线网桥互联，从而有效扩大网络覆盖范围。无线Mesh 网络中，任何无线节点设备（网桥）都可以发送和接收信号。这种结构的好处在于： 如果附近的AP 由于流量过大而拥堵，数据可以自动重新连接到通信量较小的邻近节点进行传输，直到达到最终传输目的，如图1 所示。对不同传输方式进行统计分析如表1 所示。

表1 多种传输模式技术指标对比

1.2 Wifi+Imax+Mesh 组网技术

Wifi+Imax+Mesh 可理解为增强型无线网。Imax组网机制灵活，可实现长距离、多用户、高效率的Mesh 自组网。实际做法是在无线节点中增加无线网桥，改变网络连接方式，每一个节点既是发送端又是接收端，对无线网络进行了延长和扩大。该技术能有效避免单一Wifi 模式下网络等待、通信排队和传输延迟等问题，提升数据吞吐量和网络资源利用率，适宜开展大规模、复杂性无线网络建设[13-18]。

级联拓扑结构下增加了通信路由，在中继过程中消耗了有限带宽，增加了传输延时。

1.3 Wifi+Imax+Mesh 组网技术优点

Wifi+Imax+Mesh 组网技术相较其他技术，具有以下优点：

（1）快速部署和易于安装。可以很容易增加新的节点来扩大无线网路的覆盖范围和网路容量。Mesh 的设计目标就是将有线设备和有线AP 的数量降至最低，大大降低总拥有成本和安装时间。

（2）NLOS（非视距传输）。利用无线Mesh 技术可以很容易实现配置，因此在室外和办公场所应用前景广泛。

（3）健壮性。实现网络健壮性通常的方法是使用多路由传输数据。Mesh 网络比单跳网络更加健壮，因为其不依赖于某一个单一节点的性能。在单跳网络中，如果某一节点出现故障，整个网络也随之瘫痪。而在Mesh 网络结构中，由于每个节点都有一条或几条传送数据的路径，如果最近的节点出现故障或者受到干扰，数据包将自动路由到备用路径继续进行传输，整个网络的运行不会受到影响。

（4）结构灵活。在单跳网络中，设备必须共享AP。如果几个设备要同时访问网络，就可能产生通信拥塞并导致系统的运行速度降低。而在多跳网络中，设备可以通过不同的节点同时连接网络，因此不会导致系统性能的降低。Mesh 网络还可提供更大的冗余机制和通信负载平衡功能。

图1 网络拓扑图

（5）高带宽。无线通信的物理特性决定了通信传输的距离越短就越容易获得高带宽，因为随着无线传输距离的增加，各种干扰和其他导致数据丢失的因素随之增加。因此，选择经多个短跳来传输数据将是获得更高网络带宽的有效方法。

2 网络架构设计与实现

2.1 基站布点

组网架构如图2 所示。

A 基站点位于兰州西区域，地势较高，周边无高大建筑，网络通道畅通，接入铁塔公司基站市电供电，可预留西固方向、北环路密集线路通道方向。5.8G 专网信号可覆盖兰州西环网。

B 基站位于兰州仁寿山顶，沿北环路方向。山顶无遮挡，网络通道畅通。目前已有专网信号覆盖，可接入铁塔公司基站市电供电，提升基站稳定性。

C 基站位于徐家山顶，周边线路通道密集，信号通道畅通，接入铁塔公司基站市电供电，预留上川变方向、榆中营盘山通道方向。5.8G 专网信号可覆盖和开三回线、川桃三回前段、川开三回等重要输电通道。

2.2 总体方案设计

首先根据线路杆塔分布情况，以光纤+无线站点设备混合模式搭建无线网络通信主通道，再根据可视化或各类在线监测设备建设规划，选择合适位置装设站点，与已建站点形成Mesh 组网布局。在有线路杆塔覆盖区域，选择合适线路杆塔作为专网基站；对于无输电线路杆塔覆盖区域，选择电信运营商基站作为视频专网基站。每个基站设有“S”“AP”模式无线网桥，基站与基站之间通过网桥桥接，一个“AP”网桥可以连接多个“S”模式网桥，从而实现了点对多的网络桥接方式，由单一的串联网络可扩展为多路并联的“星型网”。随着无线站点的不断增加，网络整体的稳定性、可靠性也在不断提高。已建基站热点混合站点S/AP 129 台，其中基站33 台，混合站点S/AP由供电电源（220 V 市电供为优，太阳能电池板加蓄电池模式也可行）、球机、5.8G 网桥与板状高功天线、控制器以及其他附属设备构成，站点之间的传输距离达到25 km。

3 实验验证分析

图2 网络架构

搭建的网络测试架构如图3 所示。对新网络架构网络参数进行现场试验。实验分别选取了A，B，C 3 个基站网桥、球机、控制器的传输速率、信号强度、信号延迟参数并进行统计。实验中3个基站都采用市电供电，选用传输距离8 km 的无线网桥，测试选定相同的时间、相同的气象条件，设定： A 基站为原有传统的自建型5.8G 基站，级联一级传回总基站；B 基站为共享模式下新基站，采用单点对单点模式直传总基站；C 基站为共享模式下新基站，采用单点对多点传输模式。分别对网络传输过程中的3 个核心单元的实时网速、信号强度值、延迟时间每5 min 为1 个时间节点进行了统计，求取1 h 内网桥、球机、控制器的实时参数如表2 所示。

表2 网络状态统计

实验结果表明： 3 个基站的网桥、球机、控制器的传输速率大于350 kb/s，信号强度高于-90 dbm，信号延迟时间小于100 ms，网络传输质量良好。

利用相应的网络传输设备进行现场试验。实验选取多种不同地形，测试了网络稳定性，统计了网桥接收信号临界俯仰角等数据。现场试验数据统计如表3 所示。

实验结果表明： 在不同地形下，因为坡度不同，网桥的传输速率均在350 kb/s，信号强度高于-90 dbm，传输质量良好。

选取16 处不同热点，对网桥传输质量情况进行分析，如图4 所示。图4 中分别显示网桥设备在线时的上、下行数据包，上行时达到55 P/s，下行空载时25 P/s，对应的网络传输吞吐量满足要求。

表3 不同地形下的实验数据

统计分析了视频画面回传延迟时间，结果如表4 所示。

表4 延迟时间统计

实验结果表明，视频画面回传的延迟时间平均值为70.4 ms，满足视频监控作业要求。利用现有视频监控平台与无人机实时回传系统，测试网络传输质量，现场效果如图5 所示。

4 结语

图4 网桥实时参数

图5 现场测试画面

共享铁塔模式下的输电线路视频巡视无线专网组网方案为视频巡视画面高清实时回传奠定了基础，可有效提高输电线路视频巡视工作。

本文在原有的Wifi+Imax+Mesh 专网架构下，探索性地提出了共享铁塔模式下的5.8G 专网组方案，并选取3 个中继基站及16 处视频热点进行网络参数实验，实现了巡视线路网络全覆盖，克服了运营商网络资费高、信号差等缺点，解决了视频巡视画面回传质量不佳问题。本设计可为今后输电线路视频巡视专网组网方式的研究提供参考。