分布式无线系统的设计与实践

李荣玮 李砾 黄崧

（广西电视台）

摘要

无线传输技术自诞生之日起就在各个领域发挥出巨大的作用，从最简单的电视机遥控器，手机、笔记本的WiFi、蓝牙传输，到地铁、高铁的控制信号通信系统都是无线技术应用的成功范例。本文阐述了以多个小功率无线收发设备来实现复杂室内环境下分布式无线系统的构建，利用无线系统良好的适应性、便利性、实用性的特点解决了部门的实际业务需求。

关键词 分布式 无线 系统

1 前言

广西电视台新闻中心下辖标清演播室、高清演播室、开放演播室共三个新闻演播室，每个演播室里的日播节目都需经常使用3G直播服务器做视频互动或现场直播节目，系统控制台的部署成了大问题，安置在任意一个演播室都不便于另两个演播室的使用，导致导播需要跑来跑去调度信号或需要多出一个工作人员专职在系统控制台旁调度信号。因此，我们为了同时满足三个演播室的业务需求，提高系统控制台的移动性，在新闻中心所辖区域内自主研发搭建了一个安全、稳定的分布式无线控制网络，专门为系统控制台提供安全稳定的无线控制接入服务。

2 方案设计 2.1 系统架构 本系统利用基于空间多样性的多径传输技术在不增加带宽和天线发送功率的情况下大幅提升频谱利用率和无线信道容量。数据报文通过128位密钥的多次迭代对称加密算法调制成高强度密文在2.4GHz频段进行传输。为了避免过高发射功率对人体健康造成不良影响，采用多台最大发射功率仅有100mw的无线收发设备组成分布式无线网络，以正交频分复用编码消除符号间干扰，优化信道均衡；将可用总频宽73MHz进行蜂窝式交错划分成三段互不干扰的子频段，以每频段22MHz的带宽实现分布式覆盖。 2.2 无线信道规划 为了避免过高发射功率对周边无线设备造成影响，我们采用多台最大发射功率仅有100mw的无线收发设备组成分布式接入网络。 为了解决设备相互之间的干扰，最大程度地利用频段资源，我们把2401~2473Mhz之间的72Mhz频宽划分为三个相同频宽的频道，相邻的无线设备使用不同的频道避免干扰，每个频道频宽22Mhz，各频道间保留3Mhz保护间隙。如图1所示。

3 功能模块

3.1 迭代对称调制模块 系统控制台是本系统监控、调度信号的控制核心，系统安全尤为重要；而无线信号以广播形式在空间中传输，这又是极不安全的。我们采用迭代对称调制模块对数据进行高强度加密处理，再交由多径传输模块进行无线传输。 该模块的工作流程如图2所示，在每个无线设备的发送端所有数据都必须经过该模块加密调制处理才进行无线传输，接收端收到的数据则只有经过该模块模块的解密调制才能还原出明文数据。

3.2多径传输模块 多径传输模块采用直接序列扩频方式对数据流进行处理，调整成高速数据载波；然后将需要传输的高速数据载波分成若干个低速载波（52个带宽为300Khz子数据载波，其中48个子数据载波用于传输数据，剩下4个子数据载波用于数据纠错），利用无线信号的多径效应进行数据传输。多径传输模块能够提供令人满意的抗噪声干扰性能以及较高的传输带宽，充分确保遥控台能够稳定高效地完成对系统控制台的实时操控。

3.3分布式控制模块 分布式控制模块位于分布式无线控制网络的中心位置，是控制、协调接入网络的各个无线收发设备的核心模块，主要完成以下功能：

3.3.1无线收发设备的注册 如图3所示，①新入网的无线收发设备通过DHCP服务获取IP地址、option43属性（该属性包含分布式控制模块目的地址）；②无线收发设备从option43中获取分布式控制模块目的地址，然后向分布式控制模块发送单播发现请求；③接收到发现请求报文的分布式控制模块会检查该无线收发设备是否有接入网络的权限，如果有则回应发现相应；④无线收发设备从分布式控制模块下载最新的配置信息；⑤无线收发设备开始正常工作，与分布式控制模块交换用户数据报文。

3.3.2.遥控台与系统控制台之间数据的转发 如图4所示，①遥控台发出的数据的源地址为遥控台IP地址，目的地址为系统控制台IP地址；②数据到达无线收发设备后，无线收发设备在原数据前加上隧道封装，新的数据报文中源地址为无线收发设备地址，目的地址为分布式控制模块地址；③数据报文到达分布式控制模块后，分布式控制模块首先解开隧道封装查看真正的目的地址，真正的目的地址为系统控制台IP地址，分布式控制模块将数据发送给系统控制台。

3.3.3无线收发设备之间的数据转发 如图5所示，①无线收发设备A发出的数据的源地址为无线收发设备A的IP地址，目的地址为无线收发设备B的IP地址；②数据到达无线收发设备C后，无线收发设备在原数据前加上隧道封装，新的数据报文中源地址为无线收发设备C的地址，目的地址为分布式控制模块地址；③数据报文到达分布式控制模块后，分布式控制模块首先解开隧道封装查看真正的目的地址，真正的目的地址为无线收发设备B的IP地址，由于无线收发设备B并未直连分布式控制模块，所以分布式控制模块会再次给原始数据加上隧道封装，此时新的数据报文中源地址为分布式控制模块，目的地址为无线收发设备D；④数据报文到达无线收发设备D后，由无线收发设备D解开隧道封装后将数据发送给无线收发设备B。

3.4 系统控制模块 系统控制模块的主要功能是完成遥控系统控制台的信号监控和信号调度业务。该模块首先在遥控台与系统控制台之间的建立TCP连接，然后在这个连接中创建多层次的若干虚拟通道。这些通道分别负责传输图像数据、剪贴板数据、声音映射数据、其他设备数据等。 虚拟通道内各个层次功能如下： RDP层：客户端任何的用户操作，都将形成RDP数据包，并以数据包类型形成RDP包头，然后将数据包传给Secure Connection层，由Secure Connection负责将数据往下传递。 Secure Connection层：该层在收到系统控制层数据包后，在系统控制数据包中添加Sec层的包头，将对系统控制数据进行加密，然后传给MCS层。 MCS层：在收到Sec层传来的数据包后，在该数据包中添加MCS层数据包包头信息，然后将数据包传给ISO层。 ISO层：收到MCS层的数据后，在该数据包中添加ISO包头，并将数据包传给TCP层，由TCP层负责将数据通过网络发送出去。 TCP层：这是我们常说的传输层，在收到ISO层传输过来的数据后，将通过原建立好的SOCK将数据发送出去。

4 无线信号勘测 在分布式无线系统部署前，我们并不能明确地知道无线收发设备的部署数量和安装方式。只有在对覆盖地点进行勘测和指标计算后，才能确定出无线收发设备、天线及其他器件的型号和数量。同时通过勘测和指标计算，才能确定无线收发设备布放的位置、天线的方位角等工程设计参数，作为工程安装的指导资料。

4.1 勘测工具的准备 无线收发设备：使用与项目部署相同型号相同功率的无线收发设备进行现场勘测。 不同增益的全向、定向天线若干：根据现场环境，选择不同增益的全向或定向天线进行勘测，以达到最好效果。

4.2 勘测内容 勘测过程中测绘覆盖区域的地形图，寻找无线收发设备和天线合适的安装位置，计算所需天线的指标并决定型号，评估覆盖效果，汇总设备型号和数量，确定防雷、接地方式、供电方式等。 勘测输出结果主要包括无线收发设备、天线及其他器件（如防雷器、供电设备、馈线等）的型号、数量，这些都是项目成本核算的基础数据。 在实际的勘测中，为了使无线收发设备之间能够保持稳定、高效的传输环境，我们的勘测设计目标是目标覆盖区域内95%以上位置的接收信号强度大于-75dBm，重点覆盖区域信号强度大于-70dBm。无线信号穿透各种建筑材质后的大致损耗如表1所示：

表1

同时，在衡量各种材质对于无线信号的穿透损耗时，需要考虑无线信号的入射角度。例如，一面0.5米厚的墙壁，当无线信号和覆盖区域之间直线连接呈30度角入射时，无线信号相当于穿透1米厚的墙壁；在2度角时相当于超过14米厚的墙壁，所以要获取更好的无线信号质量应该尽量使无线信号能够垂直穿过墙壁。

5 总结 在项目实施期间，我们共使用了20台发射功率为100mw的无线收发设备对遥控台业务工作区域进行全面无线覆盖。各个演播室、控制室都能接收到良好的无线信号。 我们的覆盖方案设计充分考虑到由于覆盖需求区域的不规则形状导致相邻无线收发设备覆盖范围重叠，降低无线系统性能；通过将相邻无线设备设置到不同频道，避免信道碰撞，有效保证了整个无线覆盖的稳定性和连贯性，确保遥控台在有效的无线覆盖下安全、高效的工作。 经过一段时间的使用，我们的无线遥控台获得了部门领导和各节目制作人的好评，其便利、稳定、高效的优点得到了大家的肯定。

参考文献 1 郭梯云 杨家玮 李建东.数字移动通信.重庆大学出版社;2006 2 李建东.信息网络理论基础.西安电子科技大学出版社;2002 3 郑娜娥 陈磊.多用户分布式MIMO-OFDM系统中天线与子载波分配算法研究.电路与系统学报,2012;01 4 甘勇 贺蕾 冯媛.无线网络MAC协议中RTS/CTS机制的研究.郑州轻工业学院学报(自然科学版),2008;03