无线网状网传输系统助力智能电网在线监控

　　随着电力行业的快速发展，电力产业的信息化建设变得越来越至关重要，尤其在雪灾等恶劣天气、地震等灾情下，及时了解电力设备运行状况，保障电力设施安全、稳定、可靠的工作，已经成为电力行业紧迫的需求。

 　　目前无线网络的技术发展速度非常的快，本项目建设好之后，如何保障建设的无线网络系统不过时，如何能够跟随技术的发展进行平滑的技术升级是非常重要的。

 
需求与分析

 　　(1)建设无线监控系统，要求采用先进的无线网络技术，要求无线网络安装方便、可靠性、安全性高。

 　　就目前无线网络的发展来看，先进的Mesh网状网技术是无线网络发展的方向。无线Mesh网状网采用“网格”状的组网结构，可以自由扩展，安装非常灵活、方便。无线Mesh网状网是一种智能的网络，网络自身可以自动组网、自动故障隔离、自动网络优化，具有很高的可靠性和稳定性。

 　　(2) 在电力系统的项目中，无线设备要求在光纤资源缺乏的野外的高压线沿线架设，要求无线Mesh网状网设备有良好的多跳性和稳定性，以延伸监控范围。

 　　无线Mesh网状网基站使用模块化的、多频、多信道、多RF的方式展示高级的回程方式，根据现场环境能满足每根电力杆架设一台基站，以便实现更好的现场图像获取和远程监控，并且通过无线Mesh网状网良好的多跳性能延伸监控范围，降低光纤点的数量。

 　　(3)在电力系统无线项目中，要求建设的无线网络系统能够有很好的投资保护，能够进行长期平滑的技术升级。

 　　目前无线网络的技术发展速度非常的快，本项目建设好之后，如何保障建设的无线网络系统不过时，如何能够跟随技术的发展进行平滑的技术升级是非常重要的。这正是先进的Mesh网状网模块化设计的优势，即可以通过简单的替换功能模块就可以实现长期的、平滑的技术升级，这一点是其它无线网络产品难以做到的。

 　　(4)要求在整个高压线沿线区域能够提供无线IP电话服务、无线视频监控服务等，用于工作人员通信和指挥调度等。

 　　Mesh网状网无线网产品的全套无线IP电话解决方案，包括无线视频监控、应急通讯指挥等领域都有完整、成熟的应用案例。

　　无线Mesh网状网技术特点

　　无线M e s h网状网系统支持2.4GHz、5.8GHz和4.9GHz等多种无线网络频段，支持标准的IEEE 802.11A/B/G/J等多种技术，支持大规模组网。单跳支持几公里到十几公里的无线互联，多跳情况下可以扩展到上百公里的无线远距离规模组网。

 　　它采用业界领先的高性能组网技术——为无线回程和汇聚基础架构提供多个802.11a无线模块，确保每跳无线网络的带宽损耗低于10%;完全超越传统无线网桥的点到点、点到多点的拓扑结构无法扩展和大规模远距离使用的问题，解决了野外无人值守的远程多跳传输。

 　　而多扇区提供网络整体性能 ——光纤点位置使用多扇区组网技术(3扇区、6扇区等)，充分地将光纤点的带宽资源注入到无线Mesh网状网。利用Strix OWS设备的智能频点扫描和多频点规划能力，避免了无线Mesh网状网系统内的干扰问题;配合扇区和定向天线，减少了Mesh网状网中继链路和无线回传点处受到外界干扰的机会，抗干扰能力强。

　　不同的频点选择

 　　不同频点的选择主要从下列方面进行考虑。

　　安全性

　　无线Mesh网状网基站设备互联的安全性;

　　系统统一认证无线Mesh网状网设备，管理人员在网络管理系统中可通过一次性操作批量认证和授权Mesh网状网设备;

　　未经认证授权的Mesh网状网节点将自动阻断用户数据，保证网络数据私有性;

 　　AES强制加密方式实现Mesh网状网 AP之间的链路安全性;

　　面向无线用户接入的多种安全机制。

 
管理性

    　管理简单便捷——跨三层网络的统一网管系统，批量配置、统一配置;

　　支持统一SNMP网管，支持事件和告警等多种功能。

　　网络自愈和自动性能调整

　　采用Layer 2 Mesh网状网技术组网，分布式智能快速建立Mesh网状网拓扑和收敛网络;

　　每基站均根据信号强度、链路质量、跳数、性能、时延等多种参数的加权平均值建立具       有多个Mesh网状网链路的路径表，根据网络可达性和链路指标进行自愈和自动链路性能调整;

　　网络自愈或者Mesh网状网链路切换不会造成用户业务中断，不需要手工参与，对用户透明。

　　快速切换

　　支持WiFi手持设备低速移动下的漫游和切换;

　　采用Strix车载节点，可支持240公里时速下的高速移动和切换;

　　车载节点支持高性能和安全性组网，支持多VLAN功能。

　　组网灵活

　　多个射频技术和频段灵活使用;

　　多层次组网——以城市无线组网为例，无线Mesh网状网由三层组网，形成立体的、有层次的分布式无线Mesh网状网架构;

　　无线建筑物楼顶铁塔高度的Mesh网状网汇聚层;

　　街道沿线灯杆高度的Mesh网状网分布层;

　　道路、小区和园区、热点和室内的Mesh网状网接入层;可以满足不同高度下的安装和设备互联;

　　支持配合不同类型的天线——全向天线、板状天线、扇区天线和抛物面天线等实现无线Mesh网状网设备互联和网络覆盖，都可以通过选择相应的外接天线和调整天线垂直角度，以实现最大化的组网灵活度和多层次的组网。

　　无线Mesh网状网的多跳分析

　　多跳分析随着无线Mesh网状网的普及，其规模和复杂程度持续发展。然而多跳的Mesh网状网遇到越来越多的难题，比如带宽降低、无线干扰以及网络时延等。譬如，在网络中的每一跳，吞吐量会下降多达50%，连续多跳情况下吞吐量下降得更迅速，其结果将导致网络性能的严重降低。在语音和视频应用大量运行的极端情况下，时延和RF干扰将达到不可接受的程度，从而导致连接完全中断。

　　传统的Mesh网状网只能提供有限的扩展性，多跳自身的难题使得它对于大规模网络部署还存在诸多疑问。因而需要一种新型结构化的无线Mesh网状网，在其网络中无论跳数多少，都能够提供高性能和高可靠性。

　　为了具有可实施性，无线Mesh网状网必须是低时延的网络，为回程流量提供单独的无线带宽链路(类似于全双工连接)，并自动地使用最高的可用吞吐量。它必须是多频、多信道、多RF的系统，还应该是模块化的，并且具有扩展为未来技术的灵活性。

　　这种低时延的Mesh网状网已经在实验室环境(无噪声)和真实环境(有噪声)中进行了测试。测试跳数逐步从1跳增加到10跳，结果表明即使达到10跳，无噪声情况下网络回程吞吐量只有4%的丢失，而实际噪声环境也仅丢失了40%。时延测试结果也同样令人满意，完全可在语音(VoIP)和视频应用中达到在可接受的范围内。

　　带宽下降测试结果是与为回程流量使用单模块的Mesh网状网的最佳情况进行比较的。单模块Mesh网状网在无噪声情况下经过5跳后带宽就会令人吃惊地丢失了80%。

　　带宽降低

　　当回程被共享的时候，多跳带来的带宽降低的问题尤为严重，比如单模块和双模块方案。在这些情况下，每个从AP到AP“跳越”的流量，其吞吐量都几乎会被削减了一半。对于这类带宽降低模式主要有两个原理。

　　不管选择最佳情景原理的降低为1/n(其中n是跳数)，还是选择最坏情景原理的降低为(1/2)n-1，带宽降低的数量都是现实存在的，参见表1。

　　对于大规模无线网络部署，尤其在语音、视频和数据漫游应用很关键的时候，将需要新型的无线Mesh网状网技术——提供专用的无线链路、802.11a用于回程流量、低时延交换、蜂窝状的客户端覆盖。要想在任何时候都提供最佳的性能，这样的网络必须是模块化的、多频、多信道、多RF 的Mesh网状网。同时具有以下特点：非常灵活，完全可扩展的，而且是面向未来技术的，比如WiMAX、802.11n (MIMO)或者超宽带(UWB)。

 　
   　专用无线链路 

　　在建立一个高级的Mesh网状网时，使用方法一定是与其它类型解决方案所不同的。它将应用模块化的方案，使用专用的带宽链路来完成AP的功能(客户端连接)或回程功能(网络级连)。注意图中理想的无线Mesh网状网节点和有线VLAN交换结构设计上的相似性，它们都为用户接入提供接口，都为回程链路提供了专门的接口——客户端连接的下行方向回程和网络级连的上行方向回程。

　　客户端连接无线模块必须设计为或者与无线客户端连接(用户接入)关联，或者使用分离的模块与其他Mesh网状网节点(回程)关联。网络级连无线模块必须根据到网络流量(有线网络)的最佳可能路径为中继回程流量建立与另一个Mesh网状网节点的链路。对于中继器或者用来扩展网络范围的节点，需要包含3个或更多的无线模块——个用于进程流量，一个用于回程流量，还有一个用于无线终端(用户接入)，图6阐明了这一概念。

　　802.11a无线回程

　　这个新型结构化的无线Mesh网状网需要支持不同类型的无线技术。一些原则决定了针对某一特定的用途，哪一种技术应用更为广泛。正如前面所提到的，802.11b和802.11g仅有三个可能的非重叠信道。然而802.11a没有此限制，并且该频段无线干扰更小(来自于其它笔记本电脑，无绳电话等)，频谱更宽。鉴于以上原因，802.11a非常适合用于回程Mesh网状网架构。

　　可获得的802.11a信道个数依赖于监管区域，比如美国FCC监管区域在5GHz范围内为免许可应用保留了4个频段。这四个频段指定为UNII频段，总共有24个可能的信道。802.11a与802.11b或802.11g相比较的另一个优势就是所有可获得的信道都是非重叠的。因此你可以让无线节点工作在临近信道而不会产生相互干扰。

　　在一些国家，也许不能利用802.11a的频谱。然而在网络中，节点之间的无线连接也可以像使用802.11a一样使用802.11g。这两种技术提供了相似的带宽和吞吐量特性，并都支持高速模式(11g的Super G，11a的Turbo)将连接速度从54 Mbps提高到108 Mbps。802.11a Turbo信道被指定为42、50、58、152和160信道。

       低时延交换

　　理想的Mesh网状网必须支持语音应用和快速漫游切换，这就是为什么网络应该设计为layer 2交换。这将会保持时延和开销最小，并提高多跳的性能。许多现在的Mesh网状网都集中在layer 3路由，这种方案的问题是路由开销最终会限制网络的可扩展性。

　　蜂窝状覆盖

　　Mesh网状网还应该允许使用多个、分离的扇区状天线(非常类似蜂窝网络中无线小区站点天线)同时向不同的方向发射信号，每个方向都使用不同的信道。蜂窝状覆盖可以支持向所有相连的客户端同时进行无冲突的传输——意味着在更大范围内，更多的用户可以与同一个节点进行关联，并且获得更高的吞吐量，这是因为用户之间发生更少的冲撞。

　　概念的验证

　　为了验证新型无线Mesh网状网的有效性，可分别在无噪声环境和真实环境中做一系列测试，跳数从1增加到10。测试的目标是表征流量经过多跳后的降低程度，流量通过了从客户端相连的节点到流量发生服务器这个菊花链上的多个节点。服务器用于测量TCP和UDP带宽性能(比如最大带宽)，并允许调整不同的参数和特征，它还可以报告带宽、时延和丢包率。

　　网络测试场景说明

　　在所有场景中都通过几种类型的测试来对流量进行表征。在理想的Mesh网状网中增加或减少节点的情况下，为了确定流量将受到什么影响的目的，这些测试可以认为是精确的。下图给出了这个测试场景的基本网络架构。

　　第一组测试场景是在无噪声、无干扰环境中进行的，可以认为是最优情况。目的是在没有外部资源和干扰影响下，精确地分析Mesh网状网的行为。第二组测试场景引入了真实环境，也就是网络暴露在充满噪声的环境中。为了表征流量通过Mesh网状网的行为，所有测试都是使用802.11a作为无线回程的情况下完成的。

　    每一跳都要通过有线以太网终端获取测试结果。结果表明，即使在1跳的情况下，这个网络在无噪声环境中只丢失了4%的回程吞吐量，而在真实环境中也仅仅丢失40%回程吞吐量。时延结果也是同样令人振奋的，32 byte的分组包的时延只有15ms，1400 byte的分组包时延为25ms。这两个结果都在VoIP和视频应用可接受的时延限制，即100ms以内。

　　带宽降低测试结果与单模块和双模块Mesh网状网最佳情景相比较，单模块和双模块Mesh网状网在无噪声环境下的结果显示了仅仅5跳带宽就会有80%丢失。

　　多跳大规模无线Mesh网状网对带宽降低，无线干扰和网络时延等问题十分敏感。如果没有使用多频结构化的无线Mesh网状网，每一跳的吞吐量可能会下降多达50%。特别是在更大规模部署情况下，网络时延和漫游也是需要着重考虑的问题。在广域、高利用率环境中，当无线客户端使用的语音和视频应用需要漫游(比如在汽车或火车上)时，时延和带宽问题将变得不可接受。

　　选择单频、双模块甚至某些多频Mesh网状网将会导致网络性能降低、扩展性差、不能支持大范围的应用。显然，需要一种新型的无线Mesh网状网来解决多跳的难题。这一新型网络需要使用模块化的、多频、多信道、多RF的Mesh网状网系统，使用蜂窝状覆盖来展示高级的系统回程。使用该系统可部署高性能、高扩展性的网络，并支持实时的语音、视频和数据应用。

　　当所有无线Mesh网状网基站启动运行后，各个基站将自动决策到有线网络的最优路径，随之产生的Mesh网状网拓扑将基于网络性能进行流量的负载平衡，如图8所示。

　　当电力线沿线任何一个铁路站点的光纤点发生故障，该区间内的固定Mesh网状网基站将自动调整无线链路，重新汇聚到就近的另外一个站点的光纤点，如图9所示。

　　当电力线沿线任何一个固定基站发生故障时，受到影响的固定Mesh网状网基站将自动调整无线链路，按照性能最优的方式重新进行汇聚，如图10所示。
 

　　结束语

　　为了解决长春包家超高压变电站与吉林吉电集团间的直线距离18公里无线传输，项目使用无线Mesh网状网技术，通过无线中继方式，将长春包家超高压变电站和吉林吉电集团通过无线Mesh网状网链路连接在一起。

　　建设无线监控系统，要求采用先进的无线网络技术，要求无线网络安装方便、可靠性高、安全性高。先进的Mesh网状网技术就是无线网络发展的方向。无线Mesh网状网采用“网格”状的组网结构，可以自由扩展，安装非常灵活、方便。无线Mesh网状网是一种智能的网络，网络自身可以自动组网、自动故障隔离、自动网络优化，具有很高的可靠性和稳定性。

　　无线Mesh网状网基站使用模块化的、多频、多信道、多RF的方式展示高级的回程方式，根据现场环境满足每根电力杆架设一台基站，以便实现更好的现场图像获取和远程监控，并且通过无线Mesh网状网良好的多跳性能延伸监控范围，降低光纤点的数量。

　　目前无线网络的技术发展速度非常快，本项目建设好之后，如何保障建设的无线网络系统不过时，如何能够跟随技术的发展进行平滑的技术升级是非常重要的。这正是先进的Mesh网状网模块化设计的优势，可以通过简单的替换功能模块就可以实现长期的、平滑的技术升级，这一点是其它无线网络产品难以做到的。

　　Mesh网状网无线网产品的全套无线IP电话解决方案，包括无线视频监控、应急通讯指挥等领域都有完整、成熟的应用案例。

　　本项目采用Mesh网状网无线组网解决方案，实现了无线网络覆盖，对固定监控、移动监控和应急临时监控及VOIP语音服务提供宽带无线接入。

　　作者单位：Strix Systems公司

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