基于无线宽带的林业监控网络架构设计

林 海,沈敦亮,汪东洋,邵 超,张子剑

(北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

0 引言

《全球生态环境遥感监测2019年度报告》中指出，截止2019年，中国森林覆盖面积大约2.12亿公顷，森林覆盖率达22.08%，并且还在持续推动荒地造林工程。林业作为我国一项宝贵的资源，—直以来深受重视，随着信息化发展，林业监测与维护也逐渐向网络化、信息化方向发展。林业网络具有以下几方面的显著特征：

1)网络覆盖面积大。我国林业覆盖面积广阔直接决定了监测网络覆盖面积大；

2)数据传输量大。林业监控网络中包含各类环境传感器、植被生态监测设备、音视频监控设备、灾害报警设备等，数据种类多、信息传输量大；

3)实时性要求高。对于火灾报警、野生动物监测、人员入侵报警等信息，要求网络具有高的实时性。

4)接入、重组速度块。应对自然灾害、野生动物对于破坏通信设备的损坏，满足移动巡逻车无线快速接入的需求，要求网络接入快速、重组能力强。

林业监测网络大体可分为有线传输网络和无线传输网络。有线传输网络一般釆用光缆传输。有线传输网络适用于长距离传输，无电磁兼容和射频干扰等问题，传输速度快、稳定性好、可靠性高，但是在广阔的林业监测网络中使用存在线缆铺设困难、成本高等不足，同时部分地区地理环境复杂，人员可达性存在一定的困难，使用上存在一定的限制。随着无线传感、通信技术的发展，无线传输设备成本逐渐降低，系统功能逐渐完善，安装快速便捷，因此在林业监控网络中的应用日益广泛。

SPTN(软件定义分组传输网)是将SDN(软件定义网络)开放性、智能化、虚拟化的优势与PTN(分组传输网)可靠性高、业务质量高的优势相融合[1]，具有标准化的接口、开放性的应用和服务、智能化的网络调度能力以及高的网络运维管理效率，网络应用控制简单、业务开通快捷、故障定位迅速、维护周期短等优势。随着SPTN技术和产品的进一步发展和应用，面对林业未来多样化的应用需求，基于SPTN的林业监控网络有着较好的市场前景。

无线宽带因其系统资源利用率高、信道容量大、传输速率快[2]以及全IP化的业务模式，适合大范围快速部署、稳健传输、网络结构灵活的林业监控网络应用。本文在SPTN主干传输网络基础上，提出了基于无线宽带组网的林业监控网络架构方案，并结合不同的应用场景，对方案的可行性进行了评估。

1 功能、组成及应用模式

1.1 系统功能

无线宽带在林业监控网络中发挥的功能包括如下。

1)为林区固定监控点提供多样化IP业务服务[3]。

为大规模林区监控区域内的音视频监控、环境监测、灾害监测等固定监控点提供基于IP体制的多样化的无线宽带数据及音视频业务。

2)为林区提供备份应急通信网络。

作为林区内的无线通信保障手段，自然灾害、兽禽造成光纤链路损害或出现有线设备故障时，能够完成应急通信任务，实现固定监控点数据信息的稳定上传。

3)保障重点区域的巡逻、巡检接入。

能够为林区内的重要节点的巡逻分队提供随遇接入的宽带网络[4]，保障重点区域的巡逻通联性。

1.2 系统组成

图1 林区监控系统组网示意图

无线宽带接入林区监控系统的组网示意图如图1所示。整个林区设置一个监控中心和若干管理站，每个管理站分管一个或多个片区，监控中心和管理站均设置独立基站；各片区根据区域大小设置若干固定监控点，对林区实施监控，片区内根据地域及环境，按需设置基站；固定监控点的各类IP业务通过有线或无线网络接入SPTN设备。

有线传输通过光纤直接接入基站SPTN设备，无线传输先通过光纤网连接本地区宽带BBU完成固定监控点IP业务接入，通过宽带RRU实现与基站的无线连通与数据交换[5]。各基站间通过SPTN或无线宽带实现片区之间的数据通信，监控中心和管理站通过相同的方式与基站连接，并通过加装安全防护设备保证监控中心和管理站的信息安全。

1.3 应用模式

无线宽带基于TD-LTE的技术体制，支持接入功能，能够完成入网和基本的数据业务传输功能[6]；具备二层传输功能，无线宽带基站和无线宽带终端之间能够建立二层传输通道。同时，支持无线宽带设备间的自同步、自组网功能[7]。

无线宽带系统可适应两种使用模式。

1)光纤链路正常时使用模式。

监控网络正常工作期间，光纤链路未损毁，无线宽带网络提供固定监控点各业务的信道接入，SPTN设备自动感知光纤链路状态和无线宽带链路状态，综合SPTN光纤链路、无线宽带链路传输质量情况，根据音频、视频、数据传输业务需求，建立相互独立、互不干扰、质量保障的有线、无线端到端服务管道。巡逻车配备无线宽带车载台或手持终端，巡逻时通过基站实时接入。

2)光纤链路异常时使用模式。

SPTN设备实时探测光纤链路状态，一旦发现光纤链路损坏，进行无线宽带链路信息质量探测，结合音频、视频、数据传输业务需求及优先级，建立相互独立、互不干扰、质量保障的端到端无线服务管道。基站间光纤链路损坏，则基站与基站之间通过NTN模式进行自组网。若是基站与固定监控点之间光纤链路损坏，则无线宽带终端与基站通过PMP模式接入。

2 典型应用场景分析

考虑林区的实际应用需求，设定系统设计输入条件包括：

1)单个固定监控点核心监控业务(包括灾害报警、入侵报警等)为253 kbps。

2)单个固定监控点音频接入2路。

3)固定监控点之间距离为2～3 km。

4)设置1个林区监控中心、6个管理站。

5)林区监控中心配备4个外派小队，每个管理站配备1个巡逻分队，共10个移动巡逻用户。

为了方便阐述，下文中A为林区监控中心，B为管理站，C为固定监控点，D为巡逻车。设定1个监控中心、6个管理站，每个管理站分管10个监控点。

在无线备保极限应用工况下，无线宽带系统需要能够实现1个A或1个B同时监控所有C节点并发传输需求，核心监控业务带宽需求为253 kbps，一路语音采用的编解码所占用的链路带宽一般最大为90 kbps，以太网等传输协议的包头所占的链路带宽按照54 kbps计算，一路语音需要144 kbps的链路带宽，两路语音则需要288 kbps。综上所述，C节点流量需求如表1所示。

表1 C节点流量需求

D节点的上行链路带宽按照C节点的预留带宽计算。节点需求如表2所示

表2 D节点流量需求

根据计算，在能保证60个C节点并发253 kbps数据流量+两路语音以及10个D节点的情况下，整个无线宽带通信系统所需的流量为44.4 Mbps。

3 网络架构设计

3.1 应用模式规划

为满足林区无线宽带通信全覆盖，系统网络分为无线骨干自组网(简称：自组网)和无线宽带接入网(简称：接入网)。可由多个无线宽带基站通过自组网(NTN模式)功能构建远距离宽带无线骨干自组网。同时，利用无线宽带基站的接入功能，实现远距离的宽带移动终端设备的接入(PMP模式)，构建扩大化的无线宽带接入网。通过两层组网，能够有效延伸通信覆盖距离，更好地为林区提供通信保障。

组网规划如图2所示。A、B节点均采用NTN+PMP的模式，A、B节点间通过NTN通道构建远距离宽带无线骨干自组网，片区中独立设置的基站也已NTN模式接入骨干网；C、D节点上部署无线宽带终端，通过A、B节点的PMP通道接入，完成C、D节点的无线宽带终端接入功能，构建扩大化的无线宽带接入网。

图2 组网规划

3.2 通信带宽分配

A节点的无线宽带基站采用2NTN+2PMP模式，A及B1-B3组成自组网1，A及B4-B6组成自组网2。此时两个自组网所能承载的链路带宽不应小于22.2 Mbps。通过双自组网的模式可以有效通过降低自组网链路承载能力从而增大监控区域面积.

B1-B6节点采用1NTN+3PMP模式，以B1部署的无线宽带基站为例，每个基站要求至少承载10个C节点和1个D节点的数据流量，合计为6.98 Mbps。每个无线宽带基站存在3个PMP传输通道(扇区)，每个扇区应能满足终端侧不小于2.33 Mbps的上行并发数据流量。

表3 上行业务流量规划作Z节点部署规划

3.3 组网架构设计

形成的组网架构图如图3所示。

图3 组网架构

4 可行性评估

两个自组网中的7个节点(A、B1-B6)部署无线宽带基站，采用定向天线部署于15米基站上，选取典型宽带设备开展评估，带宽20 MHz，两个自组网节点间无线宽带链路预算分别为22.2 Mbps，链路预算及距离极限如表4。

表4 组网节点间的链路预算汇总表

可知两个自组网的节点流量在视距环境下和准平坦地形下，两节点间部署距离在25 km及23.50 km内时，流量为24.07 Mbps，满足22.21 Mbps的需求。

C节点采用定向天线或全向天线，架高15米。D节点采用全向天线，架高3.5米。选取典型宽带设备开展评估，带宽20 MHz，接入网每个扇区在能满足终端侧不小于2.33 Mbps的上行并发数据流量时，链路预算及极限距离如表5、表6。

表5 BC节点间的链路预算汇总表

表6 AD或BD节点间的链路预算汇总表

可知，C节点在两种天线挂高情况下，在两种典型环境下，BC间节点部署间距只要满足表中极限距离，上行流量能够达到2.70 Mbps；D节点采用全向天线，在上述两种典型环境下，AD或BD间节点部署间距只要满足上表的极限距离，上行流量就能够达到2.70 Mbps。均能够满足基站每个扇区终端侧不小于2.33 Mbps的上行并发数据流量需求。

5 使用性分析

5.1 抗干扰分析

5.1.1 自适应重传机制

实时(秒级)监控频谱质量，自适应实施干扰避让措施，从而增强通信性能。结合干扰扣除技术，当数据发送位置被干扰导致解析错误时，通过重传调度在非干扰的位置保证解析能力，降低丢包率。

5.1.2 混合组网抗干扰

自组网与无线接入网混合组网应用，两者可以同时工作。一方面增强覆盖能力，另一方面扩大工作频段范围，两者其中之一被干扰，系统仍能正常工作[8]。

5.1.3 自动频规技术

开机后全网静默，节点干扰识别汇集后执行初始频率规划，节点间信息交互并进行周期性全网信息搜集，执行最优决策规划动态更新规划结果。在一些固定干扰场景下能够最大化使用可用频段，保证通信性能。

5.2 安全保密

无线宽带通信系统全部通信业务均由IP承载，为了保证林场上传监测参数不泄露、下传控制指令不误发，系统可采用IP层加密的方式完成系统业务加密，对全部终端的上下行IP数据实施加密保护，通过终端保密卡与基站密钥分发设备的协同工作，形成上下行分段加密应用。

5.3 防雷

系统采用馈线接地、防浪涌保护器接地、RRU接地、BBU接地四处接地措施达到防雷效果。天馈系统安装位于高点时，可采用在距离天线3米的距离安装避雷针对天线进行直击雷保护，避雷针的保护范围可按保护角不大于45°考虑，防雷设计如图4所示。

图4 系统防雷示意图

5.4 基站安装

基站顶端架设定向天线，射频单元RRU安装在靠近天线的下方，通过安装结构件固定，天线与RRU之间采用馈线连接，馈线每隔2米使用线卡进行固定，两端连接处做好防水措施。室外光纤连接至机房内的BBU上，光纤采用航空插头设计，连接稳固且达到防水要求，安装设计见图5所示。

6 结束语

本文基于林业监控网络的实际应用业务需求，在SPTN有线传输网络架构基础上，构建了由上层骨干自组网和下层接入网组成的宽带通信网络，通过设定典型应用场景，设计形成组网架构，并对节点间的通信流量和通信距离进行了评估和计算，设计形成的宽带通信网络能够适应林业监控网覆盖面积广、数据传输量大、业务接入便捷、网络重组快速的使用需求，对后续林业监控网络建设具有先导性意义。

图5 基站安装设计