适用于野外的独立无线通信网络设计

王宏宇，谭志强，许 寅

(上海华东送变电工程有限公司，上海 201803)

为了确保电力施工安全，电力施工现场一般通过加设围栏的方式来确保施工作业的安全性，但仍然存在部分施工人员对自身的施工行为不加约束，有任意翻越安全围栏的情况。视频监测技术能直观地观测到电力施工现场的作业状态，还可实现对多个现场的同步管理，在现场管控上已得到了广泛应用[1-3]。传统的视频监测技术都基于4G或5G等通信网，野外因无通信网络无法实现将野外作业现场状态实时传送至项目管理中心，这阻碍了视频监测技术在野外作业现场监控领域中的应用。因此，设计一种独立的无线通信网络已成为野外作业视频监测所急需解决的问题。

基于IEEE 802.11a/n/ac通信标准，本文设计一种独立的无线通信网络，利用高通Atheros处理器制成无线通信网桥，利用抛物面天线对无线数据实现长距离传送，并搭建基于该通信网络的监测系统，分析系统数据传送的效果。

1 无线通信原理

1.1 无线通信架构

本文采用微波通信原理实现长距离的无线通信，其结构如图1所示。

图1 无线通信的结构示意图

无线通信的整个系统由抛物面天线、馈线和无线网桥组成。系统工作原理：首先无线网桥发出通信信息，利用馈线上传到抛物面天线，通过抛物面天线对信号进行放大后发出；然后另一端利用抛物面天线接收信号，将馈线传入无线网桥，利用无线网桥对信号进行处理，实现长距离的数据通信[4-5]。

1.2 无线网桥设计

微波通信是使用波长在0.1 mm～1.0 m之间的电磁波进行通信，所对应的频率范围是300 MHz～3 000 GHz。与同轴电缆通信、光纤通信和卫星通信等现代通信网传输方式不同的是，微波通信是直接使用微波作为介质进行通信，不需要固体介质，当两点间直线距离内无障碍时就可以使用微波传送。利用微波进行通信具有容量大、质量好并可远距离传输的特点[6-7]，因此，基于微波通信原理对无线网桥进行了设计。

基于IEEE 802.11a/n/ac标准，无线网桥采用高通Atheros处理器制成，有接收和发送的双向功能，带宽300 MHz，传输距离优于30 km，见图2。无线网桥由发信机、收信机、天馈线系统、多路复用设备及用户终端设备等组成。发信机由调制器、上变频器、高功率放大器组成，收信机由低噪声放大器、下变频器，解调器组成。

图2 无线网桥的原理

1.3 抛物面天线设计

在信号的传递上，采用双极化抛物面天线实现信号的发送和接收。这个天线涉及到照射器和反射器设计。

反射器选用普通抛物面天线，抛物面将照射器投射过来的电磁波沿抛物面轴向方向反射出去，从而获得很强的方向性。按照设计的抛物面天线安装要求，选择小口径、高曲率的抛物面。为了能抗雨、雾和水汽的腐蚀，照射器还添加了低介电常数的聚四氟乙烯遮雨板。

2 太阳能供电系统设计

为了使无线通信系统可靠运行，结合野外作业现场，采用太阳能供电的方式对无线数据通信系统进行可靠供电，克服施工现场供电难的问题，便于整个系统的安装和应用。

太阳能供电系统的框架如图3所示。整个光伏供电系统是由太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电控制器、DC-DC变换器等设备组成。系统工作原理：在光照条件下，太阳能电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求；再通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来，同时利用DC-DC转换器转换成相应的供电电压，向无线数据通信系统进行可靠供电。夜晚，蓄电池组为DC-DC变换器供电，通过DC-DC变换器向无线数据通信系统进行可靠供电。

图3 太阳能供电系统框架

在供电过程中，控制器实时监测太阳能板的发电状态、蓄电池的储能状态等信息。系统通过对蓄电池电压、光伏输出电压和电流等参数的监测，结合蓄电池电压和容量之间的关系，对无线通信网络的供电状态做出评估。对蓄电池容量设计多级预警，当蓄电池容量下降到一定值时发出报警信息，试运行人员及时掌握蓄电池容量，并采取能量管理措施，确保对通信系统的可靠供电。

3 传输模式设计

所设计的无线网桥具有中继功能，根据数据通信过程中的传输路径不同，可分为中继传输和直接传输两种模式。

(1)中继传输模式。中继传输模式采用信号传接的方式进行(见图4)。该方式具有延长传输距离，避开遮挡物的优点，在使用过程中由于后续的传输设备需要传输前端设备的信息量，随着节点的增加，数据通信的容量需求变大，成本变大。

图4 利用各点互为中继的传输模式示意图

(2)直接传输模式。直接传输模式采用点对点直接将监测数据传送到监控中心(见图5)。该方式具有数据传送容量不大，成本低，但传输距离受设备影响大，同时不能避开遮挡物，信号稳定性差。

图5 无中继直接传输模式示意图

4 现场测试

在独立无线通信系统购置完毕后，需了解所构建的独立无线通信网络是否适用于野外作业现场安全监控。将无线通信网络和视频系统相结合，实施对杨房沟水电站500 kV线路野外作业现场的视频监控。

基于直接传输和中继传输的特点，结合杨房沟水电站500 kV线路地形复杂等情况，本次现场采用中继和直接相结合的方式实现数据通信，对存在山体阻挡的地方采用中继传输的方式，避开线路在山林架设过程中山体遮挡物对通信的阻隔，系统的布置如图6所示。

图6 基于无线通信的视频监控示意图

整个系统实施过程中，在无线网桥之间采用网线连接的方式(也可采用无线通信方式)，在中继传输的过程中采用交换机对信号进行桥连。在直接通信方式中，视频通过网线接入无线通信网桥，利用抛物天线通过无线微波通信直接传到项目部的无线网桥，通过交换机接入监控平台。在中继通信方式中，视频通过网线接入无线通信网桥，利用抛物天线通过无线微波通信传到对应的无线网桥，通过交换机传到中继网桥，利用中继网桥传到项目部的无线网桥，最后通过交换机接入监控平台。

由此可见，本文所设计的基于微波原理的无线通信系统可实现对视频、控制信号和语音信号的传递，可靠解决了野外通信难的问题。