智慧牧区无线交互网络技术

吴 波，张 谦

（中国广电内蒙古网络有限公司，内蒙古 呼和浩特 010010）

0 引 言

当前，自治区现代化基础设施、群众公共文化服务体系建设、服务能力与人们的需求还有一定差距，特别在信息化建设方面制约着自治区畜牧业产业化、现代化的发展。综合经济实力有待加强，城乡、区域、经济社会发展不平衡，部分农村地区发展滞后，基础设施和基本公共服务薄弱。牧区主要通信问题是网络覆盖盲点和盲区多、通信信号差，大部分牧民无法有效使用无线网络，不利于牧区信息化建设，制约着牧民的生产、生活。

1 无线网络建设方案分析

偏远农牧区的网络覆盖一直是难以解决的问题，用户规模小、地形复杂、建设成本高，这些都是通信覆盖率不高的主要原因，阻碍着农牧区的通信发展。农牧区通信建设发展过程中面临较多的问题，具体如下。一是偏远牧区地形多数以山地、丘陵为主，高原上存在5级夷平面，具有层状高原的显著特征，沙地、草场和林地覆盖范围相对较广，很多地区无法建立有线传输；二是农牧区通信建设花费的成本较高，资金回收相对较慢；三是当地通信管理和运营体制无法满足电信行业发展的要求，导致农牧区电话出现热装冷用的现象；四是大部分林场、农场、牧场以及矿区等较为偏远，交通不够便利且居住人员相对分散，电信工作无法顺利进行[1]。

在有线传输无法覆盖的范围内，可以采用无线交互网络技术手段进行覆盖。以广电全光网络为骨干，以微波传输网络为延伸，搭建无线网桥。无线网桥就是无线网络的桥接，利用无线传输方式在两个或多个网络之间搭起通信桥梁[2]。无线网桥从通信机制上分为电路型网桥和数据型网桥。无线网桥的工作原理其实就是将空气作为介质来传播信号，简单来说就是一端网桥把网线中的信号转化为无线电磁波信号并定向发射到空气中。另一端的网桥作用刚好相反，接收空气中的无线电磁波信号并将其转化为有线信号。

无线网络系统主要包括以下特性：一是覆盖能力强，可以实现有效半径15 km以内的广域覆盖；二是可维护性强，支持本地管理、远程管理以及用户终端设备管理；三是易部署和扩展，采用混合型组网配置，无线网桥传输容量扩展及部署简便，支持同站点直接规划建设；四是安全性较高，支持多种加密算法和双向安全加密认证，能够实现端到端的数据安全传输；五是业务灵活、实时性强，能够实现规划区域全面覆盖，业务接入灵活。

2 无线网络交互技术分析

无线网络交互技术在较差的环境和高调幅模式下优化了设备抗干扰敏感性和低噪声性能，使设备具备更高的灵敏度和更强的抗干扰能力。无线宽带基站可以实现自动扫描信号源频率、自动分析终端到基站间的通信距离以及校准无线信号等功能，保证在有效的信号范围内达到良好的用户感知效果。

2.1 MU-MIMO技术

多用户多输入多输出（Multi User-Multiple Input Multiple Output，MU-MIMO）是最新Wi-Fi技术标准802.11ac 2.0的最重要特性之一，可以显著提高网络总吞吐量和总容量。一个接入点（Access Point, AP）可以同时与多个支持MU-MIMO的用户终端通信，这里的同时是绝对时间点上的同时，数据并行[3]。简单来说就是设备依赖预先学习到的信道状况信息精确地进行数据发送，在同一时刻通过不同的天线向不同的无线终端并发地发送数据，各个接收终端可以有效过滤掉来自其他终端数据的干扰，实现同时接收。通过MU-MIMO技术的支持，用户能够利用无线网络实现同时接收。MIMO天线技术在链路的发送端和接收端都并行传递多条空间流，从而可以在相同的信道带宽条件下获取更高的通信系统容量和更高的频谱利用率[4]。此外，MIMO天线的空间流数必须大于天线数。

选取仅支持单用户多输入多输出（Single User-Multiple Input Multiple Output，SU-MIMO）技术的Wi-Fi路由器和支持MU-MIMO技术的终端设备，将终端设备接入路由器，结果终端设备的传输速率最高只有80 Mb/s左右。而将终端设备接入到支持MU-MIMO技术的高端Wi-Fi路由器，终端设备则能达到约240 Mb/s的最高传输速率，传输性能显著提升[5-8]。

2.2 OFDM调制及A-MPDU帧聚合技术

正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）调制方法的主要思想是将标准带宽的信道划分成几个相互正交的子信道，用来承载多路并行的低速子数据流，每个低速的子数据流对应使用一个子载波进行调制。将分开的低速子数据流进行串并转换，同时将并行的低速子数据流调整成高速信息流，信号在接收端再进行并串转换，将正交信号分开，这样可以减少子信道间的干扰。每个子信道的带宽是原信道的一小部分，容易实现信道均衡，并且每个子信道的带宽小于相关带宽，可以有效避免码间串扰。

在802.11ac协议中选用独立的 MAC 协议数据单元（ Aggregate-Management Protocol Data Unit，A-MPDU）帧聚合技术，所有的报文传输都通过聚合流程，每个协议数据单元（Presentation Protocol Data Unit，PPDU）的传输是A-MPDU，即使这个A-MPDU中只包含了一个MPDU，这样就不用再区分报文是否聚合，有效简化了流程。同时，802.11ac将单个A-MPDU聚合帧的大小从64 kB提高到1 MB，这样就能够更好地配合802.11ac的物理层实现高速传输。802.11ac每次传输报文的长度强制要求为OFDM Symbol携带的比特数，如果不满足要求，则使用Null Frame填充最后一个OFDM Symbol。

2.3 信道规划

基于802.11ac扩展的信道绑定机制，在使用802.11ac网络时需要更好地规划信道。一个802.11ac设备在选择发送带宽时会先尝试以高带宽来发送数据，如果高带宽的Secondary Channel忙，则用较低带宽Primary Channel发送；如果Primary信道忙，则降低宽带速率或者退避等待。与此同时，802.11ac协议提高了80 MHz带宽情况下的空闲信道评估（Clear Channel Assessment，CCA）阈值，保证了检测更加严格。例如，两个设备AP工作在80 MHz模式（信道149～161），信道重叠（一个主信道是149，一个设备主信道是157），这样对于连接在两个设备上的802.11n终端（40 MHz）就可以无影响地传输数据。而对于802.11ac终端（80 MHz），可以根据实际使用情况来选择合适的带宽[9-12]。

根据实际现场部署测试来看，无线交互技术可以让用户终端在距离基站天线12 km处达到高速上网的目的，丢包率控制在1%以下。

3 结 论

无线交互网络技术的特点是可以在相同的信道带宽条件下获取更大的通信系统容量和更高的频谱利用率，通过融合应用相应技术，在相对较差的环境和高调幅模式下提升了设备抗干扰性，使设备具备更高的灵敏度，确保用户随时都可以接入到通信网络。以智慧广电+公共服务+政务服务+乡村治理为抓手，建设横向到边、纵向到底的分布式智慧广电有线无线融合网络，实现牧区广电网络的全覆盖，从而为推进乡村全面振兴做出新的贡献。