无线校园网组网

无线校园网组网（精选7篇）

无线校园网组网 篇1

摘要：本文介绍一个校园网的总体方案,并讨论分析实现校园网的一些关键技术。主要就WLAN的技术特点、网络拓扑结构、AP的相关建设、安全性做了详细的论述。

关键词：校园网,无线局域网,802.11X标准,接入点

一、引言

大多数中学现已部署了高速互连和非常完善的校园有线网络,实现校内外信息的高度共享、传递。但是传统的有线网络存在着密集度低、铺设不全面,移动困难、施工周期长等缺点。这些严重地限制了网络部署和扩展的灵活性,WLAN技术的出现及IEEE802.11标准的出台帮助我们摆脱了有线传输介质的束缚,拥有传统网络所不能比拟的扩容性和移动性。

二、无线校园网络解决的问题

(1)解决了难以布线的问题

在实验室、体育馆、礼堂、宿舍区、草坪等地方不可能布设太多的信息点,采用了WLAN,学生可以在这些具有无线覆盖的场所方便快捷地接入校园网,任意参加课程在线测试,下载课件,进行VOD视频点播等;

(2)降低了网络建设的成本

无线接入点AP可以由一个信息点同时接入几十甚至几百个用户设备,布线的投资以及维护明显降低。

(3)提高了教与学的效率

拥有笔记本电脑的学生只需加装一块无线网卡后,利用现有的无线网络与教师互动,学生作实验前还可以通过点播网上实时多媒体课件,仔细观看试验的细节及注意事项;

三、设计目标、标准及安全认证

在整体规划过程中,始终以高效、稳定、安全为总体设计目标。同时保证易于安装和维护、运行质量高;开放性好,易于扩展和推广;为用户提供一个灵活的教学和办公平台,对用户和无线网络进行有效的管理,构建一个稳定的无线校园网环境。本网络采用了目前比较成熟的IEEE802.11X的标准,其均工作在ISM2.4GHz频段,最大连接速率可达到54Mbps。支持64 bit和128 bit WEP加密,提供安全的AP管理机制和设置机制,支持AP间的简单切换。

四、无线校园局域网的实现

校园已有LDAP服务器和管理系统,AP对所有无线用户给予接入。用户认证在AC上进行,认证成功后AC对用户进行授权并计费。以RADIUS协议作为认证和计费的标准协议,AC具有RADIUS_Proxy用来支持EAP_SIM认证,虚拟SIM认证和多ISP的情况。在AP上装有网络摄像头,通过AC上的视频监控服务器可对AP覆盖的区域进行视频监控。图1是校园WLAN实现方案。

五、技术特点

5.1无线覆盖

针对学校办公室房间错落不规范,且楼面墙壁多,信号容易衰减的现状,使用AP、放大器、以及多个天线馈线的方式实现在办公室之间实现无线信号无缝覆盖。针对室外空间广阔、办公楼之间距离远等特点,采用室外AP产品与全向天线相结合的解决方案来实现室外无线覆盖。此外,各无线覆盖区域的AP就近接到楼层交换机上,并通过在AP所接交换机相应端口上划分VLAN的方法将所有AP纳入一个VLAN,以达到所有无线网用户均由AC接入控制器进行统一控制的目的。

5.2与有线网络结合

作为有线网络的一种补充和延伸手段的技术手段,无线网络必须承载于现有的有线网络上,因此只有实现与有线网络的无缝集成才能更好的让用户来认可和接受无线网络。所有的无线用户通过AP进行接入,经过AC接入有线网中,AC实现与现有校园有线网络系统的无缝集成。

5.3多种认证方式和多ISP支持

AP对用户的数据进行透传,所有的认证是在AC上进行的。AC接受来自用户的认证数据,包括Web认证、802.1X认证和PPPoE等认证方式。用户通过认证后,AC对用户实现授权和计费。Web认证和802.1X认证用户的IP地址分配方式是DHCP,PPPoE的IP地址是有服务器配置而来的。另外,AC也可以支持VIP用户和地址绑定的功能,有效的防止用户帐户的盗用。

5.4安全保证

保障用户的安全,通过支持用户隔离、支持M S-CHAPv2、EAP身份验证以及用户与AP端的加密技术来保证合法用户可以顺利的接入热点,用户的数据在WLAN环境中不被窃听。保障校园网络的安全,通过ACL/UCL的访问控制及与有线防火墙等同的安全功能以外还可以通过功能强大的网络管理功能来充分保障网络的正常运营。

5.5用户区分

通过角色的方式实现不同类型用户的权限分配问题,在与现有的校园网系统融合后,往往原有的用户开户管理系统不能对WLAN用户进行权限分配。AC在系统中定义一些可以配置的角色信息,通过用户的特性来匹配角色,实现不同角色的权限分配。

六、结束语

本文分析了连云港市职教中心WLAN建设的实际需求,给出了与有线校园网络相结合的WLAN设计思路,提出了整体实现方案。随着校园网建设的普及应用,学校最终将迎来科学管理与教学的新时代。

参考文献

[1]方汗.无线局域网组建与应用完全手册.[M].重庆:西南师范大学出版社,2005.

[2]岳经伟.网络综合布线技术.[M].北京:中国水利水电出版社,2004,80-91.

[3]胡道元,计算机网络(中级)[M].北京:清华大学出版社,1999.

无线自组网和无线传感器网络研究 篇2

Ad Hoc网络是一种移动通信和计算机网络相结合的自组织网络, 网络中的节点由移动主机构成。Ad Ho网络最初应用于军事领域, 是20世纪70年代美国国防部高级研究计划局 (DARPA) 资助研究的采用分组无线网 (PRNET) 进行数据通信项目中产生的一种新型网络构架技术[1]。无线传感器网络是Ad Hoc网络应用在传感器技术中的一种具有动态拓扑结构的组织网络它是由大量散布在某区域的微小传感器节点组成, 这些节点可以通过飞机撒播、人工布置或者火箭弹射的方式完成。与蜂窝移动通信系统、蓝牙技术、无线局域网等无线通信网络相比, 无线传感器网络和传统Ad Hoc网络都没有基站设备支持, 所有节点分布式运行能够向相邻节点发送和接收数据, 具有发现和维护到其他节点路由的功能, 是自创造、自组织和自管理的多跳网络。

无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络, 其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息, 并报告给用户。它的英文是Wireles Sensor Network, 简称WSN。大量的传感器节点将探测数据, 通过汇聚节点经其它网络发送给了用户。传感器网络实现了数据采集、处理和传输的三种功能, 而这正对应着现代信息技术的三大基础技术, 即传感器技术、计算机技术和通信技术。

1、无线自组网

1.1 无线自组网概述

Ad hoc网是一种多跳的、无中心的、自组织无线网络, 又称为多跳网 (Multi-hop Network) 、无基础设施网 (Infrastructure less Network) 或自组织网 (Self organizing Network) 。整个网络没有固定的基础设施, 每个节点都是移动的, 并且都能以任意方式动态地保持与其它节点的联系。在这种网络中, 由于终端无线覆盖取值范围的有限性, 两个无法直接进行通信的用户终端可以借助其它节点进行分组转发。每一个节点同时是一个路由器, 它们能完成发现以及维持到其它节点路由的功能。

Ad Hoc网络是一种没有有线基础设施支持的移动网络, 网络中的节点均由移动主机构成。Ad Hoc网络最初应用于军事领域, 它的研究起源于战场环境下分组无线网数据通信项目, 该项目由DARPA资助, 其后, 又在1983年和1994年进行了抗毁可适应网络SURAN (Survivable Adaptive Network) 和全球移动信息系统Glo Mo (Global Information System) 项目的研究。由于无线通信和终端技术的不断发展, Ad Hoc网络在民用环境下也得到了发展, 如需要在没有有线基础设施的地区进行临时通信时, 可以很方便地通过搭建Ad Hoc网络实现。

1.2 无线自组网的特点

Ad Hoc网络作为一种新的组网方式, 具有以下特点:

1.2.1 网络的独立性

Ad Hoc网络相对常规通信网络而言, 最大的区别就是可以在任何时刻、任何地点不需要硬件基础网络设施的支持, 快速构建起一个移动通信网络。它的建立不依赖于现有的网络通信设施, 具有一定的独立性。Ad Hoc网络的这种特点很适合灾难救助、偏远地区通信等应用。

1.2.2 动态变化的网络拓扑结构

在Ad Hoc网络中, 移动主机可以在网中随意移动。主机的移动会导致主机之间的链路增加或消失, 主机之间的关系不断发生变化。在自组网中, 主机可能同时还是路由器, 因此, 移动会使网络拓扑结构不断发生变化, 而且变化的方式和速度都是不可预测的。对于常规网络而言, 网络拓扑结构则相对较为稳定。

1.2.3 有限的无线通信带宽

在Ad Hoc网络中没有有线基础设施的支持, 因此, 主机之间的通信均通过无线传输来完成。由于无线信道本身的物理特性, 它提供的网络带宽相对有线信道要低得多。除此以外, 考虑到竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰等多种因素, 移动终端可得到的实际带宽远远小于理论中的最大带宽值。

无线自组网络还具有有限的主机能源、网络的分布式特性、生存周期短、有限的物理安全等特点。

1.3 无线自组网应用领域

Ad Hoc网络的应用范围很广, 总体上来说, 它可以用于以下场合:a) 没有有线通信设施的地方, 如没有建立硬件通信设施或有线通信设施遭受破坏。b) 需要分布式特性的网络通信环境。c) 现有有线通信设施不足, 需要临时快速建立一个通信网络的环境。d) 作为生存性较强的后备网络。

Ad Hoc网络技术的研究最初是为了满足军事应用的需要, 军队通信系统需要具有抗毁性、自组性和机动性。具有较强的自组性, 很适合战场的恶劣通信环境。Ad Hoc网络建立简单、具有很高的机动性。目前, 一些发达国家为作战人员配备了尖端的个人通信系统, 在恶劣的战场环境中, 很难通过有线通信机制或移动IP机制来完成通信任务, 但可以通过Ad Hoc网络来实现。因此, 研究Ad Hoc网络对军队通信系统的发展具有重要的应用价值和长远意义。

Ad Hoc网络的研究在民用和商业领域也受到了重视。在民用领域, Ad Hoc网络可以用于灾难救助。在发生洪水、地震后, 有线通信设施很可能因遭受破坏而无法正常通信, 通过Ad Hoc网络可以快速地建立应急通信网络, 保证救援工作的顺利进行, 完成紧急通信需求任务。Ad Hoc网络可以用于偏远或不发达地区通信。

Ad Hoc网络在研究领域也很受关注, 近几年的网络国际会议基本都有Ad Hoc网络专题, 随着移动技术的不断发展和人们日益增长的自由通信需求, Ad Hoc网络会受到更多的关注, 得到更快速的发展和普及。

2、无线传感器网络

2.1 无线传感器网络的体系结构

典型的无线传感器网络系统主要由传感器节点、接收发送器、互联网或通信卫星、任务管理节点等组成。图1为一个无线传感器网络的体系结构图。

传感器节点是一种微型嵌入式设备, 由部署在感知对象附近大量的廉价微型传感器模块组成, 可以借助于节点中内置的各式传感器来测量所在周边环境中的各种信号, 从而探测其相关的各种物理量, 也可以通过人工放置、飞机撒播或炮弹发射等方式, 将传感器节点散布在监控区域内, 以采集检测区域内的相关信息, 并发送到汇聚节点。各模块通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统, 从而把传感器节点采集到的数据沿着其他节点逐跳传输到汇聚节点。

汇聚节点也称数据中心或基站, 它的处理能力、存储能力和通信能力相对较强, 通过连接传感器网络与互联网等外部网络, 可实现两种协议通信协议之间的转换, 同时发布管理节点的检测任务, 并将搜集到的数据转发到外部网络上。

管理节点通过对整个系统的配置和管理, 可实现对系统中各节点检测任务的发布和检测数据的收集与处理。管理节点也可以将数据传输给传感器节点, 实现网络的再配置以及重新发布检测任务。

2.2 无线传感器网络的特点

无线传感器网络除了具有Ad Hoc网络的移动性、断接性、电源能力局限性等共同特征以外, 还具有很多其他鲜明的特点。

2.2.1 大规模网络

为了获取精确信息, 在监测区域通常部署大量传感器节点, 传感器节点数量可能达到成千上万, 甚至更多。通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比;通过分布式处理大量采集的信息能够提高监测的精确度, 降低对单个节点传感器的精度要求;大量冗余节点的存在, 使得系统具有很强的容错性能;大量节点能够增大覆盖的监测区域, 减少洞穴或者盲区。

2.2.2 自组织网络

在无线传感器网络应用中, 通常情况下传感器节点被放置在没有基础设各的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定。节点之间的相互邻居关系也不能预先知道, 如通过飞机撒播大量传感器节点到面积广阔的原始森林中, 或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力, 能够自动进行配置和管理, 通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在无线传感器网络使用过程中, 部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效, 也有一些传感器节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中, 这样在无线传感器网络中的节点个数就动态的增加或减少, 从而使网络的拓扑结构随之动态变化。无线传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。

2.2.3 多跳路由

网络中节点通信距离有限, 一般在几十到几百米范围内, 节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信, 则需要通过中间节点进行路由。匿定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现, 而无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的, 没有专门的路由设备。这样每个节点既可以是信息的发起者, 也可以是信息的转发者。

2.2.4 动态性网络

无线传感器网络是一个动态的网络, 节点可以随处移动;一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障, 退出网络运行;一个节点也可能由于工作的需要而被添加到网络中。无线传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变: (1) 环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效。环境条件变化可能造成无线通信链路的带宽变化, 甚至时断时通。 (2) 无线传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性。 (3) 新节点的加入。 (4) 可靠的网络。

2.2.5 以数据为中心的网络

传感器网络是一个任务型的网络, 脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。传感器网络中的节点采用编号标识, 节点编号是否需要全网唯一取决于网络通信协议的设计。由于传感器节点随机部署, 构成的传感器与节点编号之间的关系是完全动态的, 表现为节点编号与节点位置没有必然联系。用户使用传感器网络查询事件时, 直接将所关心的事件通告给网络, 而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查询或者传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。所以通常说传感器是一个以数据为中心的网络。

2.2.6 应用相关的网络

传感器用来感知客观物理世界, 获取物理世界的信息量。客观世界的物理量多种多样, 不可穷尽。不同的传感器应用关心不同的物理量, 因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。

不同的应用背景对传感器网络的要求不同, 其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差异。所以传感器网络不能像Internet一样, 有统一的通信协议平台。对于不同的传感器网络应用虽然存在一些共性问题, 但在开发传感器更高效的目标系统。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术, 这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。

无线传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域, 传感器节点可能工作在露天环境中, 遭受太阳的暴晒或者风吹雨淋, 甚至遭到无关人员或动物的破坏。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数量巨大, 人工不能“照顾”每个传感器节点, 网络的维护十分困难甚至不可维护。无线传感器网络的通信保密性和安全性也十分必要, 要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测数据。因此, 无线传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。

3、无线自组网与无线传感器网络比较

无线传感器网络与传统无线自组网有着一些不同特点:1、无线传感器网络的节点数量较多, 并且分布密度较大;2、无线传感器网络中的节点与无线自组网中的节点相比更容易出错;3、无线传感器网络中节点的计算、存储能力和电力有限;4、传统无线自组网主要采用点对点通信, 而无线传感器网络节点主要采用广播方式通信;5;无线传感器网络中的节点数量非常大, 因此网中节点一般没有全球唯一的标识。

摘要：在目前的无线网络技术中, 最重要的研究是无线自组网 (ad hoc) , 最有发展前景的是无线传感器网络 (Wireless Sensor Network, WSN) 。无线自组网是一种自组织、对等式、多跳的无线移动网络, 在分组无线网的基础上发展起来。无线传感器网络将无线自组网技术与传感器技术相结合, 实现协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息并发送给观察者。

关键词：无线自组网,无线传感器

参考文献

[1]雷冠军.无线传感器网络中安全性问题的研究[J].价值工程, 2012, (3)

[2]司海飞, 杨忠, 王珺.无线传感器网络研究现状与应用[J].机电工程, 2011, (1) .

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[5]侯雷.无线传感器网络及相关问题研究[J].计算机安全, 2010, (7) .

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[8]王春霞.Ad hoc网络技术研究[J].菏泽学院学报, 2007, (2) .

无线局域网组网浅析 篇3

关键词：无线,WLAN,规划,设计

一、概述

无线局域网 (WLAN) 技术于20世纪90年代逐步成熟并投入商用, 既可以作传统有线网络的延伸, 在某些环境也可以替代传统的有线网络。对比传统的有线传输解决方案, 使用WLAN网络实现数据传输具有简易灵活、综合成本较低、扩展能力强等显著特点。

无线局域网技术经过十几年的发展, 已经历了三代技术及产品的发展。第一代无线局域网主要是采用Fat AP, 每一台AP都要单独进行配置, 费时、费力、费成本;第二代无线局域网融入了无线网关功能但还是不能集中进行管理和配置, 其管理性和安全性以及对有线网络的依赖成为了第一代和第二代WLAN产品发展的瓶颈, 由于这一代技术的AP储存了大量的网络和安全的配置, 包括加密的钥匙, Radius client的安全密码 (secret) 等, 而AP又是分散在建筑物中的各个位置, 一旦AP的配置被盗取读出并修改, 其无线网络系统就失去了安全性。另外由于AC或无线网关的硬件多数是基于Pentium架构的, 所以当用户接入数量 (IP sessions) 增多时, 无线网的性能会急剧下降, 时常会发生掉线或死机情况。在这样的环境下, 基于无线交换机技术的第三代WLAN产品应运而生。第三代无线局域网采用无线交换机和FIT AP的架构, 对传统WLAN设备的功能做了重新划分, 将密集型的无线网络和安全处理功能转移到集中的WLAN交换机中实现, 同时加入了许多重要新功能, 诸如无线网管、AP间自适应、无线安管、RF监测、无缝漫游以及Qos。, 使得无线局域网的网络性能、网络管理和安全管理能力得以大幅提高。

二、无线局域网设计与规划

2.1设计原则

依照无线局域网的国际规范和国家无线电管理委员会的标准, 在进行实际的网络设计时, 遵循先进性、开放性、可伸展性、安全性、可靠性、可管理性等原则

2.2频率规划

目前针对WLAN来讲, 2.4G具有3条不重叠的信道, 主要采用1、6、11三个信道交错使用, 具体的面覆盖逻辑示意图如下:

在多个频道同时工作的情况下, 为保证频道之间不相互干扰, 标准要求两个频道的中频间隔不能低于25MHz。因此从上图可以看出, 在一个蜂窝区内, 直序扩频技术最多可以提供3个不重叠的频道同时工作, 提供高达33Mbps的吞吐量。

2.3频率复用

针对频率复用的设计与实现主要侧重于重叠区域, 考虑到802.11技术中目前业界主要采用DCF的仲裁, 这样会导致从网络实施的角度出发, 没有办法做到像GSM、3G网络的控制力度, 从技术原理的角度出发, 没有办法实现很好的频率复用, 只能被动做些负载均衡的功能。每个AP具有54Mbps、48Mbps、36Mbps、18Mbps等的覆盖范围, 对于54Mbps的覆盖范围不重叠, 对于54Mbps与18Mbps就可能进行重叠, 可以根据网络侧的负载功能实现一定程度的频率复用功能, 从网络规划的角度出发, WLAN基本上、下行无线链路复用的处理问题, 目前都是DCF方式, 从而只能结合业务网络覆盖目标效果, 使用负载均衡功能进行实现。

2.4容量规划

从业界实现的DCF方式来看, 没有一个最大用户数的限制, 但业界各个厂商进行实现时都基于一定理解的前提下进行默认限制, 目前每个AP最大的用户默认限制为256个用户。AP的最大吞吐量为:23Mbps, 用户的增加总带带下降量不大, 100kbps/用户, 按128用户进行规划;300kbps/用户按64用户进行规划;1Mbps/用户按22用户进行规划;2Mbps/用户按11用户进行规划。

三、WLAN覆盖方案建议

3.1室内放装式覆盖

适合于尚无室内分布系统的中小规模室内覆盖、小面积盲点覆盖或重要的公用场所的覆盖及容量需求, 如宾馆、酒店、会议中心等地区。系统结构简单, 由独立AP布点覆盖。

一般来说, 普通办公环境, 要求中等密度连续覆盖时;或用户只对若干单个房间实现覆盖的情况下, 比如, 酒店的公共休息区, 小酒吧, 会议室, 西餐厅等区域, 通常面积都不大 (小于100平方米) , 每个场所放一个AP即可满足覆盖需求。对于大面积区域稍复杂的应用环境, 且用户对传输速率和信号质量要求较高时, 建设WLAN时需要对AP的架设位置、AP采用频点、AP隔离距离等进行专门的规划。使用室内直放AP布点覆盖, 需考虑及遵循以下几个问题和原则:1) 需要有入户线缆资源 (双绞线或五类线) 。2) 如果在一个大厅里只安装一个AP, 则尽量把AP安放在大厅的中央位置, 而且最好是放置于大厅天花板上;如果同一空间安装两个AP, 则可以放在两个对角上。3) 保持信号穿过墙壁和天花板的数量最小。2.4G信号能够穿透墙壁和天花板, 然而, 每一面墙壁和天花板都将使AP信号的覆盖范围减少1到30米。应放置AP与计算机于合适的位置, 使墙壁和天花板阻碍信号的路径最短, 损耗最小。4) 考虑AP和覆盖区域之间直线连接。注意AP的放置位置, 要尽量使信号能够垂直的穿过 (90°角) 墙壁或天花板。5) 不同的建筑材料产生不同的传输效果。由金属的框架或门构成的建筑物会使WLAN无线信号的传输距离变小。放置AP的位置应使信号通过干燥的墙壁或敞开的门, 避免放置在使信号必须通过金属材料的位置。6) AP天线方向可调, 安装AP的位置应确保天线主波束方向正对覆盖目标区域, 保证良好的覆盖效果。7) AP安装位置需远离电子设备 (起码1~2米) , 例如微波炉、监视器、电机等。

3.2室内分布式覆盖

适用中大规模的室内覆盖, 系统结构较复杂。主要用于中等面积的盲区覆盖或重要的公用场所, 满足如宾馆、酒店、机场、会议中心等地区的覆盖要求, 但不适合有较高容量需求的网络。室内分布式AP专为室内分布式组网方式设计, AP本身内置功率放大器, 射频口发射功率可达500毫瓦。

使用要求:该系统为室内覆盖系统, 要求设备安装在室内运行。

来自不同系统基站的下行信号, 经过多通道滤波合路器合路, 然后通过低损耗电缆、耦合器、功分器等到达终端天线进行室内覆盖, 根据每层所需终端天线的数量, 选用不同耦合度的耦合器来确定功率分配, 形成一定区域的覆盖, 对于狭长形状 (如地铁、隧道) , 也可以使用泄露电缆替代室内小天线进行覆盖。由于CDMA、GSM、PHS、WLAN的工作频段差异较大, 发射功率和接收灵敏度不同, 电缆损耗差异, 因此每个系统的覆盖能力和范围差异较大。

利用原有室内分布系统承载WLAN业务时, 对原有系统的设计要求及相关改动如下:1) 确定原有室分系统规模, 估算出每个接入节点间的馈线/分配损耗;2) 了解原有功率分配器/定向耦合器的工作频带, 保证其在WLAN频段的可用性。若器件工作频段不包括WLAN 2.4G频段, 则需要更换;3) 了解原有终端天线的工作频带, 保证其在WLAN频段的可用性, 原则上天线在WLAN频段的VSWR不能大于2.5:1, 超过该指标时, 建议更换;4) WLAN系统接入时, 必须使用滤波合路器, 使原有和新接入系统损耗最小, 根据需要选择滤波合路器的类型;只要滤波合路器指标合适, CDMA/GSM/PHS与WLAN之间的干扰可以有效控制;5) 原有室内分布系统的天线分布位置大多数没有考虑WLAN的覆盖能力/范围要求, 因此对于不符合WLAN覆盖要求的天线应当适当移动或通过改变功率分配器增加1-2个终端天线, 这样对原有覆盖影响很小, 但可以有效改善WLAN信号覆盖;6) 明确原有室内覆盖系统为何种信号源接入设备, 由于直放站和基站的发射带外信号质量有差异, 在接入WLAN时, 滤波合路器的端口隔离指标有较大差别, 前者80d B, 后者只需50d B。

根据实际的工程得到如下经验:1) 一般情况下, 如果天线口辐射功率为10d Bm W, 使用2d Bi全向室内小天线, 则每离天线30米范围内, 在空旷的会议中心、没有砖隔墙情况下, 覆盖电平可以达到-75d Bm/WLAN;2) 对于酒店客房密集隔墙结构, 如果天线口辐射功率为10d Bm W, 使用2d Bi全向室内小天线, 则每离天线8-10米范围内, 客房内信号可以达到-70~-85d Bm。一般来说, 信号到达客房门距离应控制在4m以内;3) 在进行能量分配时, 尽量使信号分布均匀;4) 在设计中, 从基站到每个天线的路径中尽量避免出现两个以上功分器件 (或耦合器) , 以保证上行信号的有效接入。5) 通过利用原CDMA/GSM/PHS室内分布系统, 对不符合频段和隔离等要求的硬件进行更换。对不满足WLAN网络良好覆盖的小天线布点进行调整, 以达到AP信号良好覆盖的效果。对类似酒店大厅等于较开阔空间, 适于采用此方案进行覆盖, 可在保证覆盖和容量需求的情况下, 降低AP资源投入, 并有效避免AP频率干扰。

采用室内分布式覆盖, 存在以下问题:1) 对没有室内分布系统的环境, 为WLAN新建室内分布系统成本高于AP直接布放。2) 在较为复杂的环境优化天馈部分, 增加或调整天线角度, 工程难度仍较大, 有的甚至综合成本高于直接布放多AP的成本。

3.3室内补点覆盖

当利用原有室分系统进行WLAN覆盖时, 对于工程改造量较大、天线位置改动多、功分负载匹配难度大的情况, 可适当采用独立AP覆盖盲点、热点, 辅助原室内分布系统, 在空间内交叠覆盖达到良好效果。这样做, 在室内分布系统硬件基本可满足接入AP信号源的情况下, 尽量减少了工程改造量, 而通过适当增加单个AP, 在空间内适度的交叠覆盖, 满足区域覆盖需求, 同时可缓解容量需求。

适用范围:进行中大规模的室内覆盖, 系统结构设计较复杂, 工程改造量相对较小, 采用WLAN信号源接入室内分布系统, 辅以独立AP布点覆盖少数盲点, 最终达到无缝覆盖的良好效果。既可满足公用场所开阔地带, 如机场的覆盖需求, 又可兼顾如酒店、会议中心等存在中度容量需求。

需注明的是, 当原有CDMA、GSM、PHS室内系统的天线分布位置不满足WLAN的覆盖能力/范围要求时, 可不考虑对天线做移动或通过改变功率分配器增加终端天线, 而是采用独立AP规划方法, 对少量热点进行覆盖补盲。

3.4室外立体覆盖

在室外AP部署上, 为体现“以线带面”的覆盖策略, 应通过在区域内道路两侧部署室外型AP来实现高速无线宽带接入, 在站址选择上以满足业务发展的需要为前提, 以运营商已有物业中的高度较低的物业为首选, 在条件允许的情况下, 可以通过合理的方式新建站址。

在建设实施步骤上, 以主干道→干道→其余街道→向内延伸的顺序完成广覆盖的建设, 在建设完成后可满足大部分用户的无线宽带上网需求。同时, 在办公楼宇、大型茶楼、会所、休闲娱乐场所等数据业务需求较高的热点区域进行深度覆盖来提高区域内无线宽带网络品质。

覆盖效果理论计算可依据信号强度和传输距离的换算公式:

1) AP加卡的信号总强度公式:Gt-Gr+AP天线增益+终端天线增益=L信号总强度 (d B)

Gt (AP或终端功率, 单位d B) , Gr (终端或AP灵敏度, 单位d B)

2) 距离产生的信号衰减公式:40+20lgd=L1 (d B) d (距离, 单位m)

工程中最大传输距离以45m计算, 所以L1=72d B

建筑无线传输损耗=穿透损耗中值+偏差+慢衰落余量。各种材料的无线传输损耗参数如下图所示:

四、网管系统部署

无线网络管理系统针对各种规模和应用的WLAN/WAPI网络环境, 提供一整套的网络管理解决方案, 实现了TMN建议的系统管理 (安全管理) 、网络拓扑管理、配置管理、故障管理和性能管理等重要的网络管理功能。主要功能应包括:拓扑管理、配置管理、故障管理、性能管、安全管理、日志管理。其逻辑结构如下图所示。

无线网络管理系统可以采用为分布式结构部署, 小型规模的系统可以部署在一台服务器上, 中大型系统可以根据需要部署在2台以上的服务器上。

1) 单机部署。适用较小的网络规模, 网元数小于200;服务器上安装网管管理平台所有部件。采集程序/数据库/Web服务等。服务器推荐配置:PC服务器P4 2.8G/2G Memory/160G HD/19”LCD/56K/10/100/1000M

2) 多机部署。适用中等的网络规模, 网元数200~600;在多台服务器上部署网管管理平台, 采集程序、数据库、Web服务分别部署在2台或2台以上的服务器上。服务器推荐配置:PC服务器P4 2.8G/2G Memory/160G HD/19”LCD/56K/10/100/1000M。

3) 集中部署。适用较大的网络规模, 网元数大于600;所有WLAN网段管理单元的采集机都部署在网管管理中心;在多台服务器上部署网管管理平台, 采集程序、数据库、Web服务分别部署在2台或2台以上的服务器上, 根据具体网管结构和规模推荐PC服务器或小型机。 (图4.2)

4) 集中分布式部署。适用较大的网络规模, 网元数大于600;在一个或多个WLAN网段管理单元部署独立采集机, 采集机与网管中心通信, 实现采集分部署, 管理数据集中。在多台服务器上部署网管管理平台, 采集程序、数据库、Web服务分别部署在2台或2台以上的服务器上。根据具体网管结构和规模推荐PC服务器或小型机。 (图4.3)

五、认证计费系统

认证计费管理系统的功能模块组成如下图所示:

无线网络建设对认证计费管理系统有以下要求:

1) 应支持标准的RADIUS协议, 可以全面兼容不同厂家的BRAS产品并已经成功和国内外主流以太网交换机实现802.1X对接。2) 支持各种用户计费安全措施, 能够实现帐户、MAC、IP、VLAN、接入服务器和服务器端口的绑定或者上述多种要素的绑定。3) 丰富的计费策略, 可实现时长、流量、包时长、包流量、普通包天、动态包天、分层、包月和包年预付费和后付费等计费策略。4) 多样化数据库支持功能, 支持Oracle, MS SQL, Postgre等多种流行的数据库系统。5) 用户管理功能, 能够提供用户开户、用户注销、变更受理、用户查询、用户在线、专线用户管理、停机用户管理、公免帐号管理和广播信息等功能。6) 费用管理功能, 提供帐单确认、费用预缴、用户充值、用户销帐、批量销帐、银行托收功能。7) 齐全的报表管理功能, 提供用户清单查询、帐单查询、充值报表、预缴报表、收费报表、欠费报表功能等各种查询、统计功能。8) 多样化的卡类管理功能, 提供上网卡、充值卡、卡查询等各类卡业务。9) 系统设置功能, 提供营业区设置、费率设置、策略管理、时段管理、Radius监控、银行托收等功能。10) 可靠的安全设计, 支持系统角色分配、操作员管理、备份管理、日志记录等功能。

六、结束语

智能家居无线组网之争 篇4

智能人体感应器、智能烟雾感应器、智能燃气感应器、智能摄像头、智能手势感应器、智能插座、情景控制器,还有智能电视、 智能冰箱、智能空调、智能洗衣机、智能电饭煲,甚至家居机器人,如果你走进有着行业风向标之称的“中国国际信息通信展”, 会被一股浓烈的“智能家居”气息包围并震撼。

比尔.盖茨曾说:“未来,没有智能家居系统的住宅,就像不能上网的住宅一样,不符合潮流。”而这位IT大腕在美国西雅图华盛顿湖畔巨资打造的“未来屋”可以说是智能家居的样板间:室内的触摸板能够自动调节整个房间的光亮、背景音乐、室内温度等, 就连地板和车道的温度也都是由自计算机自动控制;此外房屋内部的所有家电都通过无线网络连接,同时配备了先进的声控及指纹技术,进门不用钥匙,留言不用纸笔,墙上有耳,随时待命。

“ 科技改变生活” , 这不是一句美丽的口号。随着社会经济水平的发展,人们日益追求个性化、自动化,快节奏,充满乐趣的生活方式,生活家居的人性化、个性化与智能化不再是极少数人的专属。电子技术、通信技术和IT技术的发展正在给人们的家居生活带来了全新的体验,基于物联网的家居智能化已经成为现实。而且,智能家居会让我们的日常生活变得更加绿色与节能, 这也迎合了时代发展的大趋势。

自从谷歌3 2亿美元收购智能家居公司Nest,智能家居的热度一浪高过一浪。知名市场研究机构Juniper Research预计,到2020年消费者花在智能家居服务上的费用将达1000亿美元。又是一个千亿级的市场,如何能不引得英雄折腰。

标准硬伤

在今年的两会提案中,小米董事长雷军建议加快制定智能家居国家标准。他指出,智能家居大爆发给了中国一次前所未有的机会,有必要将加快制定智能家居国家标准提升至产业发展的战略性高度来考量。加快制定智能家居行业标准, 将激发智能家居的爆发式发展,推动中国经济的快速转型,促进互联网跨界融合,带动我国从“制造大国”向“智造大国”转变。

雷军说“智能家居是中国一次前所未有的机会”,其实,“前所未有”这个词用在像小米这样的互联网公司更为合适。从抢占普通消费者到抢占家庭,这样的“大开源”水到渠成,合情合理。在帮助互联网公司突破发展瓶颈上,智能家居是最为理想的领域之一。这也是为什么我们看到,互联网公司对智能家居的热衷程度甚至超过了传统白色家电厂商。

标准化是产业化和规模化的前提。然而,“技术标准不统一, 难以形成无边界的系统方案”成为智能家居发展的一道硬伤, 使得游戏参与者放不开手脚。在亚太智能家居协会副会长柏斯维看来,智能家居技术标准的统一重点是在组网技术上, “无线组网已经成为共识,但选择何种无线技术却难以统一”。

智能家居当前主要有4大无线组网技术:Wi-Fi、Zig Bee、蓝牙以及Z-wave。虽然蓝牙技术为智能家居的市场培育与发展立下头功, 但就其技术特点和智能家居的发展趋势以及应用场景来看,蓝牙将会逐步退出智能家居的组网之争。当然,这并不妨碍其在智能家居尤其是能源管理领域的应用。

先说说大家相对陌生的Z-wave。Z-Wave是一种新兴的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信技术,由丹麦公司Zensys开发,可以组网。Z-Wave技术在最初设计时, 就定位于智能家居无线控制领域。 采用小数据格式传输,因此与同类的其他无线技术相比,拥有相对较低的传输频率、相对较远的传输距离和一定的价格优势。

Z - w a v e的缺点也很明显。 技术上,Z-wave能容纳的节点较少,树状组网结构所带来的不可靠性,没有加密方式。市场上, Z - Wa v e是一种相对私有的无线技术,不像其它无线技术那样开放,市场也不如其它技术那么普及,主要集中在美国;还有一个需要关注的点是Z-Wave所用的频段在我国是非民用的。

Zig Bee:技术近乎完美

我们重点来看一下另外两种最具“标准相”的无线技术。

Z i g B e e也是一种短距离、 低功耗的无线通信技术,基于IEEE802.15.4协议。我们知道蜜蜂(Bee)是靠飞翔和“嗡嗡” (Zig)地抖动翅膀的“舞蹈” 来与同伴实现信息传递,这与IEEE 802.15.4协议的通信方式类似,因此便给这项技术起名为Zig Bee,而IEEE802.15.4协议又被称为“紫蜂协议”,其特点是近距离、低复杂度、自组织、 低功耗、低数据速率,因此非常适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备。

Zig Bee技术之所以能够在智能家居中脱颖而出,主要得益于其超低功耗和强大的组网能力,而这两项能力与智能家居的应用场景非常匹配,而且是其它无线技术所无法比拟的。

关于Zi g Bee技术的超低功耗,通过一个例子大家便会有非常直观的认识。普通的电视遥控器都采用的是红外技术,两节5号或者7号的碱性电池一般可以维持4到6个月的时间。如果采用Zig Bee技术, 1块2032锂锰电池(也就是我们平常所说的纽扣电池)电池便使用的时间可以长达15年之多,如果电池还在有效期的话。当然,不同的应用场景、不用的硬件形态,功耗是不同的。

在组网方面,Zig Bee支持多种网络拓扑结构,而且能够自组网, 单个网络的理论节点数量可达6.5万个,这同样是其他无线技术所无法企及的。而且,Zig Bee还有着相对较高的安全性,它支持三种安全模式:无安全设定、接入控制以及对称密码。

不过,在刚刚结束的2015黑帽大会上,有研究人员指出,利用Zig Bee技术虽然为设备的快速联网带来了便捷,但由于缺乏有效的安全配置选项,致使设备在配对流程存在漏洞,黑客将有机会从外部嗅探出网络的交换密钥,黑客有可能以此危害Zig Bee网络,并“接管该网络内所有互联设备的控制权”。该人员表示,Zig Bee网络的安全性则完全依赖于网络密钥的保密性,因此这个漏洞的影响将非常的严重。

但是,没有哪种网络技术会拥有绝对的安全性,所以我们也没必要吹毛求疵。仅仅从技术角度看,无论当前还是未来发展, Zig Bee都是智能家居最为理想的组网技术之一。

Wi-Fi:产业生态强大

现在说说大家都非常熟悉的、应用广泛的Wi-Fi,而这也正是该技术角逐智能家居市场的最大资本。全球有近30%的家庭拥有Wi-Fi网络,而Wi-Fi在智能手机和平板中的普及率几乎是100%,因此让Wi-Fi成为智能家居的标准组网技术是水到渠成的想法,也是广大消费者的意愿。

但是,功耗问题却成为Wi-Fi进入智能家居市场的最大软肋。 为了应对物联网的崛起,IEEE组织几年前便启动了新的Wi-Fi标准项目——802.11ah。根据Wi-Fi联盟的总裁兼CEO埃德加·菲格诺介绍,802.11ah有两大突出特点: 采用900M低工作频段(低频段意味着这更大的信号覆盖范围和更高的穿墙能力)和低功耗,以适应物联网包括智能家居的应用场景。 他说:“802.11ah的目标是实现Wi-Fi设备的电池供电,这将扩大Wi-Fi到应用范围,不仅仅是智能家居,未来我们会看到Wi-Fi广泛应用于可穿戴设备、传感网络和工业自动控制等物联网应用中。”

据悉,802.11ah标准将于明年制定完成。此外埃德加·菲格诺透露,Wi-Fi定位项目也将于明年启动,再加上之前的Wi-Fi感知(Wi-Fi Aware)项目,Wi-Fi在智能家居领域可谓是志在必得。

一项技术的成功不仅取决于技术本身,产业生态更为重要。经过10多年的发展,Wi-Fi技术已经形成了庞大而且完善的产业生态系统也培养了大量的忠诚用户。没有Wi-Fi,人们会感到不习惯,这对于其它无线技术来说绝对是一件可怕的事情。

而且,Wi-Fi技术背后还有一个成熟组织——Wi-Fi联盟的科学与不懈推进。就在前不久,Wi-Fi联盟推出了全新的会员资格类别, 旨在支持更广泛的企业提供具备业界领先的Wi-Fi CERTIFIED认证标志的产品。全新的实施级别会员资格旨在满足并不专注于开发连接技术的智能家居或物联网等行业的企业需求,帮助他们提供具备经认证的互操作性和安全保护的可连接的产品。

轨道宿营列车无线组网方案研究 篇5

随着社会的发展与时代的进步, 网络已经覆盖到了社会生产和生活的各个角落, 如家庭网络、公司网络、电子商务网络, 成为社会生产和生活不可或缺的组成部分。网络一方面方便管理、提高管理效率, 如生产指令的下达、数据信息的统计、危急情况下的人员疏散管理、特殊场景下的安全监控等;另一方面改变了生产、生活方式, 发挥网络在生产要素配置中的优化和集成作用, 将网络的创新成果融合于社会生产的各个环节中, 提升创新力和生产力, 形成更广泛的以网络为基础的新生产和创新模式。同时, 改变了人们的沟通方式, 进一步提升了生活水平。

某公司作为煤炭铁路轨道维护公司, 承担着整个运煤铁路系统的轨道维护工作, 对整个集团运输系统正常运转起到报价护航的作用。大型养路机械是公司日常轨道维护工作的重要工具, 日常主要在铁路沿线作业。工作人员以及工作班组随大型机械长期在铁路沿线工作, 移动性大, 工作地点不固定, 主要的工作及休息场所都在轨道宿营列车上。由于煤炭铁路施工作业沿线多数处于偏远山区, 工作性质是野外作业, 工作班组长时间无法回到办公楼, 且目前各单个运营商无法保证铁路沿线存在稳定的网络信号, 甚至手机通讯2G信号也不能确保顺畅, 给轨道维护作业管理以及员工生活带来极大不便。因此, 从生产管理需要以及对员工的人文关怀角度出发, 实现大型养路机械以及宿营列车的无线网络覆盖至关重要。既可以满足野外工作人员对公司办公资源的访问及办公系统的使用需求, 方便列车网络的管理, 加强野外工作人员与总部的信息沟通, 又能改善野外工作人员的生活质量, 丰富业余文化生活。综上, 打通公司办公网络与轨道宿营列车之间的联网壁垒, 建立轨道宿营列车无线组网成为迫切需要解决的问题之一。

本文基于对无线桥接技术的研究, 首先分析煤炭铁路宿营列车无线组网难点;从局域网部署、广域网桥接两个方面入手分析轨道宿营列车无线组网形式, 进而统筹考虑打通从宿营列车到公司核心办公机房之间的网络壁垒, 设计整体组网解决方案;其次组织进行入网接入测试, 记录并分析测试结果, 验证方案效果;最后, 给出组网管理方案, 确定宿营列车组网方案。从而通过运用无线桥接技术全面解决公司野外作业宿营列车网络问题。

一、轨道维修宿营车无线组网难点

煤炭铁路轨道慢速作业列车主要有两类车型组成, 分别是作业车和宿营车, 一般情况下, 每列作业列车由一个轨道作业队管理, 当队里开展作业时, 作业车会拆分成单个车节分头参与作业, 作业完毕后, 作业人员回到宿营车上办公、休息, 宿营车根据铁路维修工作需要进行慢速移动, 国内煤炭铁路的主要铺设位置一般在人烟稀少的地区, 因此宿营车停放位置也处于偏远地区, 周围环境恶劣, 无线信号不稳定再加上车皮铁皮结构等特殊性问题, 煤炭铁路轨道宿营车的无线组网覆盖成为一个长期难以解决的网络部署难题, 其组网技术难点主要包括以下几个方面:

1. 车体外壳屏蔽无线信号。轨道维护公司的宿营车是以25G型空调软卧车为基础改造而来, 采用25T型铝合金车窗和25K型车内装修及设施, 通体使用铁皮外壳结构, 对运营商无线信号产生很大屏蔽。

2. 车厢连接及构造给局域网络部署带来困难。宿营车定员有16 人和18 人两种车型, 每个住宿房间设1 上2 下三个铺位, 卧铺宽分为800mm和900mm两种, 车厢长约35 米, 两节车厢之间的过道为客运列车通用的“冂”形, 由于包间结构会对无线信号的传输造成很大损耗, 且车厢的金属结构也会影响无线信号的有效传输, 无线网信号互联困难。同时因轨道作业配置需要, 车厢与车厢之间相对位置无法长期固定, 导致车体间无法衔接网线。现有条件下无线网络和有线网络部署环节严苛, 局域网互联不易实现。

3. 运营商信号覆盖不全导致广域互联网接入困难。轨道作业列车所处位置多数偏远, 运营商信号覆盖环节差别很大, 不同运营商信号覆盖的区域也有区别, 导致广域互联网接入效果不稳定。同时, 铁皮外壳结构导致普通的3G天线无法在室内收取到信号。车体内外部信号效果关联性较差, 车内无线信号效果只能通过封闭式玻璃车窗实现。宿营车局域网与广域互联网的连接不易实现。

二、轨道宿营车无线组网方案设计

本次组网方案的设计目标是构建煤炭铁路轨道宿营车 (以下简称宿营车) 到公司局域网以及互联网之间的网络通道。主要技术手段包括: (1) 利用WDS无线网桥技术与同频不同BSSID组网技术实现宿营列车车厢之间局域网互联, 为轨道作业队内管理提供信息化手段。 (2) 利用专业的RG-MTFI设备, 内插不同运营商的VPDN (Virtual Private Dialup Network) 网络卡, 实现宿营列车到公司内网之间的内网互联, 打通全公司工作区域间的内网信息化管理通道。

1. 局域网组网方案。在车厢长度较长、中间间隔铁皮框架结构的环境中, 车体阻挡导致无线路由局域信号较弱或存在信号盲点。因此考虑充分利用目前国内最先进的WDS无线网桥技术与同频组网 (同频不同BSSID) 技术解决列车场景网络部署的问题。选择具有WDS的无线AP产品, 经过配置WDS无线网桥, 实现宿营车厢之间网络的互联。无线WDS桥接功能可以将无线网络通过无线进行扩展, 经过路由器之间的桥接设置即可实现无线信号的局域环节扩展甚至漫游需求。同时, 采用同频不同SSID的技术将整个列车组成一个局域网, 在牺牲微小漫游性能的条件下, 实现局域网整体性能的提升。

宿营列车整节列车的长度约35 米, 局域网覆盖AP设备RG-AP530-I放置在车厢中间位置, 并向外伸出3 个天线, 天线依次位于列车的车头、车尾以及列车中央, 从而覆盖整个车厢。车厢结合处放置无线桥接接入AP设备, 设备相对放置, 并配置为桥接结构, 以实现不同车厢之间的互联。此外, 每列车厢需配置2 层普通交换机一台, 以实现无线AP、桥接AP之间的互联。

列车内部单个车厢的工业交换机与覆盖AP或桥接AP的互联采用M12 转M12 的屏蔽网线, 工业交换机与网关或路由器的互联采用M12 转RJ45 的网线。

2. 广域网接入方案。轨道作业列车所处位置多数为偏远地区, 目前国内主流运营商为移动、联通、电信, 三大运营商信号覆盖区域各不相同, 且均未做到全国区域3G信号全覆盖。轨道维修宿营列车的用途决定了其停放位置必须在列车经过不频繁的偏远山区地点, 那里3G/4G信号覆盖效果更加无法得到保障, 甚至同一运营商的手机信号都无法确保稳定。因此, 方案采用的移动型3G/4G转WIFI设备必须定制为同时支持TD-LTE、FDD-LTE、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000 模式, 且能够易于切换入网制式的设备, 设备具有多个卡槽, 能同时安装2-3 个不同运营商的3G/4G流量卡, 从而保证LTE在现网应用中更加游刃有余。

此外, 为使广域网接入能够同时实现公司内网接入和互联网接入两种效果。方案采取在列车的网络出口部署两台RG-MTFI作为接入互联网的入口, 一台放置两张不同运营商的VPDN (Virtual Private Dialup Network) 网络卡, 以确保宿营车上用户在任何地点都能够通过4G/3G网络无缝、安全连接到企业内网;另一台RG-MTFI设备放置两张不同运营商的普通3G/4G流量卡, 以满足宿营车用户接入互联网的需要。两台MTFI设备均连接到一台三层交换机, 由这台交换机负责决定局域网访问需求的具体去向。RG-MTFI与列车内部署的EG2000 网关或路由器的互联使用M12 转RJ45 的网线。

3. 微功率信号放大方案。为避免车体的铁皮结构对运营商信号产生屏蔽, 可以使用信号放大设备。研究中, 我们选择型号为TJSZ-W2G1-17-KZ的信号放大设备。该设备属于微功率直放站, 由天线、射频双工器等元器件及模块组成, 设备天线通过宿营车电气室地胶下面的线孔通出, 贴放在车厢外面尽量高的位置, 用以实现基站与移动台 (MTFI设备信号) 之间的双向通信, 达到增强无线信号的目的。其工作原理如下图:

此类设备的业务优点在于组网灵活、信号增强效果好, 但使用地点最好是固定位置, 且基站间的越区切换对使用效果有影响。此外目前的信号放大器是将无线信号增强为无线信号, 3G、4G信号所需设备不能通用, 且不同网络制式的设备也不同。因此, 我们研究的组网方式需要确定运营商及3G或4G信号的具体规格, 同时使用3 个运营商的不同信号网络, 需要使用至少3 种信号放大设备。

三、宿营车无线入网测试

为了验证上述组网覆盖设计的效果, 2015 年8 月, 在河北省保定市平安县古月火车站, 针对轨道维修宿营车场景开展了相关测试。

1. 测试位置:清筛一队宿营列车中部选取连接着的两节车厢。

2. 测试结构拓扑图:经过上述设计, 局域网及广域网车厢平面结构图如下图1.1:

图1.2 中, 每节车厢配置三台RG-AP530-I设备, 其中:中间一台作为车厢无线信号覆盖设备, 两边两台作为WDS桥接“对打”接入设备。鉴于本次测试对象仅为两节车厢, 图1.1 中两端位置的RG-AP530-I设备暂不做配置。每列车厢配置一台二层交换机用于设备互联, 列车上配置一台三层交换机做网关及域名转发设备, 三层交换机上接入两台RGMTFI作为接入互联网的入口, 分别放置内网回传VPDN卡和互联网卡。

3. 测试设备列表:

4. 测试模型:

5. 测试记录:

1) 桥接打流测试。列车静止, 分别桥接车头和车尾, 在机房放置两台PC、列车的1 车厢和2 车厢分别放置两台PC, 用列车上的两台PC分别打流, 测试结果如下:

过网桥, 上传速率为476 M bps, 过网桥测试下载速率为498 M bps

2) 桥接ping包测试。分别在两节车厢的交换机上连接1 台PC, 通过两台PC机ping包, 结果如下:

本端ip:192.168.100.9;对端ip:192.168.100.10. 测试良好, 丢包率为0, 最大延时10ms。

3) 连接无线ping包测试。Ping网关 (192.168.100.1) :

终端连接无线, 分别进行ping网关、公司内网地址和外网, ping包结果良好。连接无线, 可正常上互联网和公司内网。

四、轨道宿营车组网效果

自2015 年8 月开始, 在某轨道维修宿营列车两节车厢上部署无线组网设备并完成相关配置至今, 经过3 个多月的测试, 该方案顺利实现宿营列车车厢之间的局域网互联效果。

1. 宿营车局域网运行良好, 内部文件传输顺畅。完成组网测试后, 在网络管理员的指导下, 用户在车厢MTFI设备旁放置了一台PC电脑, 作为FTP服务器, 管理人员只需在PC机服务器上传作业队共享文件, 两节车厢内的用户只需在终端输入服务器的IP地址即可自行访问文件内容, 并可自行浏览下载文件, 使用方便。

2. 实现宿营车到公司内部网络间的互联, 提高作业队信息化作业效率。通过MTFI-MM设备中安装的运营商VPDN网卡, 我们实现了从轨道宿营车到公司内部网络间的互联, 宿营车到公司机房形成了一个大的局域网络, 从而确保公司信息到作业人员的正常传递。简单、可靠、高效地提高了公司作业队的信息化作业效率。

3. 实现互联网访问, 提升野外作业人员生化质量。通过另一台MTFI-ST设备, 宿营车作业人员可方便、快捷访问互联网, 生活质量得以提高。

五、公司整体组网管理展望

本文目前仅针对轨道宿营列车组网给出一种方案, 并开展了针对性的网络连接测试。未来可考虑在现有方案基础上, 实现公司整体从总部到各作业队的全网络覆盖, 进一步提升作业信息化水平。

本次测试只用了相关的交换机、AP及出口设备, 如要实现出口网关设备的管理, 需要在总部搭建一套云AC平台实现对所有列车网关设备的管理控制, 或利用公有云AC平台来管理出口网关设备 (无需费用) 。自建云与公有云的区别主要在于安全性和费用方面, 自建云AC平台所需费用较高, 但安全性可以得到保障, 而公有云所需费用要低很多, 但是信息安全受设备供应商制约。

此外, 由于出口设备不支持VPN功能, 为了管理宿营列车上所有AP和交换机设备, 需要在出口设备下端添加一台VPN设备, 给总部端配置一台EG设备, 支持NAT转发性能, 同时集成流控、智能选路、上网行为管理、安全防护、Web认证、VNP几大功能。如果总部有EG这台VPN设备, 我们只需要有一个公网IP地址, 并且能够让列车上的EG设备访问到即可打通VPN通道。通道打通后, 从神维总部即可管理列车中的任意一台网络设备, 国内主流网络设备品牌锐捷的RG-EG1000S设备目前可以支持防火墙、上网行为管理审计、VPN、流控、认证 (本地认证, 不是列车内部的人不能用) 等, 并且还拥有AC的管理功能, 使列车无需再单独采购AC设备, 减少投资。如下图5.1 所示:

六、总结

浅析智能家居无线组网模式 篇6

关键词：物联网,智能家居,蓝牙,zigbee,z-wave,wifi

智能家居, 早在上世纪九十年代就已经出现, 但是, 昂贵的成本, 繁杂的布线以及物理限制, 让智能家居的发展几乎停滞不前, 尤其是在已有建筑反面, 机会不可能改造。还好, 我们来到了物联网时代, 这个时代, 让我们的生活变得简单, 让我们周围每一件物品都变成一部智能手机, 一台智能PC, 并且通过现成已有的网络把他们连在一起, 让我们在地球任何一个角落都可以轻松自如的操作他们。在这个大背景下, 基于各种无线协议的智能家居以势如破竹之势走入我们生活。如此巨大的市场和发展前景, 必然带动技术的发展, 各种无线组网模式纷纷改进, 低功耗, 低成本的产品越来越多, 让我们的选择也越来越多, 目前主要有以下几种主要的组网模式:

1 Zigbee

Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。Zigbee低功耗, 俩节5号干电池可以持续工作6个月;低成本, Zig Bee免协议专利费, 每块芯片的价格大约为2美元;短时延, Zig Bee的响应速度较快, 一般从睡眠转入工作状态只需15ms, 节点连接进入网络只需30ms, 进一步节省了电能;高容量, Zig Bee可采用星状、片状和网状网络结构, 由一个主节点管理若干子节点, 最多一个主节点可管理254个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理, 最多可组成65000个节点的大网。Zig Bee作为一种新兴的短距离、低速率的无线通信技术, 更是得到了越来越广泛的关注和应用。尤其是在智能家居领域, 大部分厂商都采用了zigbee的组网方式。但是, zigbee也有无法忽略的缺点:首先, 目前国内Zigbee技术主要工作在2.4GHz―2.5GHz ISM微波段, 其衍射能力弱, 穿墙能力弱, 如果采用射频功放, 对2.5G信号进行放大, 又会增加功耗和成本;其次, Zigbee技术的主要特点是支持自组网, 但是在家居环境中, 大部分家居控制设备都是定点安装, 自组网的优点也不复存在;最后, 相对65000个节点, 目前在家居环境中, 我们最多用到100个节点, 在多也不在我们的承受范围之内, 当然, 随着zigbee模块的成本降低, 未来可能家里的每一个物品上都会安装有zigbee模块, 那时, 才能更好的利用它的优点。

2 Z-Wave

Z-Wave是一种新兴的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信技术。工作频带为908.42MHz (美国) ~868.42MHz (欧洲, 国内使用的是欧洲频段, 目前这两频段都是免授权频段) , 采用FSK (BFSK/GFSK) 调制方式, 数据传输速率为9.6 kbps-40kbps, 信号的有效覆盖范围在室内是30m, 室外可超过100m, 适合于窄带宽应用场合。随着通信距离的增大, 设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加, 相对于现有的各种无线通信技术, Z-Wave的设计成本只有Zigbee的一半左右, 而且轻量级协议和简单结构有助于保持比Zigbee更低的功耗, 有力地推动着低速率无线个人区域网, 同时, 由于其目标明确定位在智能家居领域, 所以, 在智能家居领域的发展比zigbee更快。但是相对于Zig Bee跳频扩频 (FHSS) 技术, Z-Wave的单信道方式自我修复能力弱, 容易受到干扰, 安全性较差, 这些都是Z-Wave联盟需要尽快解决的问题。

3 Wi Fi

Wi Fi是目前应用最广, 传输速率最快的无线组网模式, 也是最被我们所熟知的一种方式, 但是, 其在只能终端领域里, 只是占有了PC和智能手机, 而其他的无源智能终端设备, 则用之甚少, 终其原因, 就是因为功耗太大, 相较于zigbee, 蓝牙等组网方式, Wi Fi的功耗是不可接受的, 尤其是在物联网快速发展的今天, 大部分联网设备都是无源的, 所以Wi Fi在物联网的发展上一直都不被看好, 虽然国内已经安置的大量的Wi Fi热点, 而且以后会安装更多, 但在其他智能终端上的应用还是没有被大量采纳。不过, 目前低功耗的Wi Fi芯片也有很多瞩目的研究, 尤其是内嵌了实时时钟控制器/看门狗定时器的Wi Fi芯片, 芯片的电源管理功能会自动控制电源在无设备连接控制时保持低功耗待机模式, 耗电量仅为数μW, 完全可以让干电池使用一年以上, 功耗几乎和zigbee的功耗一样, 当然, 在未来的应用上, 成本的降低才可能占有更多的市场。

4总结

在物联网快速发展的今天, 不可能直接否决掉某种技术, 也不可能完全应用某种技术, 未来, 多种组网模式相结合, 也许才是更好的发展方向, 当然, 多种组网模式相结合, 我们还要解决的问题还有很多, 尤其是克服信号间相互干扰的问题, 那时, 我们将能自由的享受到这几种技术带来的便利。

参考文献

[1]于博.嵌入式Wi-Fi传感器网络能否取代ZigBee?——专访GainSpan公司CEOVijay[J].《中国电子商情:基础电子》, 2008年 (第9期) :49-52.[1]于博.嵌入式Wi-Fi传感器网络能否取代ZigBee?——专访GainSpan公司CEOVijay[J].《中国电子商情:基础电子》, 2008年 (第9期) :49-52.

[2]中关村在线.Zigbee技术在智能家居应用中的优缺点[EB/OL].[2013-5-30].http://tech.hexun.com/2012-07-27/144039706.html.[2]中关村在线.Zigbee技术在智能家居应用中的优缺点[EB/OL].[2013-5-30].http://tech.hexun.com/2012-07-27/144039706.html.

无线自组网功率优化问题研究 篇7

无线自组网络 (Wireless Ad Hoc Network) 简称Ad Hoc网络, 其可以看作是移动通信与电脑网络结合的一种新型网络形式。该网络支持多跳通讯, 可以实现临时性的自我管理。网络中任意两个节点可以通过不同的路径经过多跳来实现连接, 因此具有很强的鲁棒性和抗毁性。多跳, 自组织, 无固定的基础设施是Ad Hoc网络的最重要的特点。信道接入控制 (Medium Access Control, MAC) 协议处在通讯网络协议栈软件的最底部, 运行在物理层之上, 它决定什么时候发送其分组, 而且通常控制对物理层的所有访问。其性能的好坏会影响整个网络的表现。在多跳网路中的协议设计时遇到的一个十分重要的问题就是如何避免碰撞, 因为衡量一个网络性能的最重要的指标就是其吞吐率, 而碰撞恰恰是影响吞吐率最重要的因素。可以说, 避免碰撞的思想贯穿于“多跳”分布式网络MAC协议演化的始终。无线自组网络的信道接入控制技术的演化与发展走过了一个从单信道到双信道再到多信道的过程。与此同时, 多速率技术 (又称速率自适应技术) 和功率控制技术也被引入信道接入控制协议中。

2 基于多速率、多功率的MAC协议的无线自组网功率优化

2.1 速率自适应技术

无线自组网中的速率自适应技术简单的说就是对传输速率不断进行动态地调整, 找到最合适在当前信道条件下的传输速率, 从而使网络能一直保持在最大的吞吐率状态。速率自适应技术的核心是及时地获取能够实时反映信道状态的信息, 做出评估, 并在这个基础上做出速率选择。

我们知道, 信噪比与误码率之间呈反比关系, 信噪比越差就越难重现原始信号;如信噪比不变, 我们采用越高的速率发送数据, 接收端出现的误码率就越高。而发送速率越大, 理想情况下吞吐量也越大, 但也越容易受到信道噪声的干扰, 增大误码率;速率越低, 理想情况下吞吐量越小, 但传输的距离越远。由此可知, 速率自适应技术实际上可以有两个优化的目标:以提高吞吐量为优化目标和以节省能量为优化目标。本文讨论如何在保证高吞吐量的情况下尽可能地节省能量, 即将成功发射单位比特信息量所消耗的功率尽可能降低。目前比较典型的多速率MAC协议有: (1) ARF协议。ARF (All Rate Fallback) 协议支持多速率并被广泛使用。ARF协议主要是通过统计信息进行判断, 若一段时间内数据成功率高, 就提速发送, 否则就降速; (2) RBAR协议。RBAR (Received-Based Auto Rate) 协议的宗旨是由接受节点通过判断来告知发送端要采用什么速率进行发送。RBAR协议基于IEEE802.11, 因而易于实现, 代价很小。

2.2 功率控制技术

功率控制技术的目的之一当然是为了节省能量, 因为节省能量对于无线自组网络非常重要。功率控制问题是指在无线通信中节点发送分组要选择最恰当的功率。这里讲的是恰当的功率, 并不是功率越小越好。这是因为所选择的功率不仅要能成功完成发送分组的任务之外, 还要兼顾网络的联通性、拓扑结构以及吞吐率等诸方面。

网络层功率控制需要从整个网络的拓扑结构来考虑, 通过改变各个节点的发送功率来影响具体的通信路由, 使得整体网络的性能达到最优。但是对与组织网来说, 我们很难预判节点的分布状况。因而我们需要引入一种机制, 让系统能依据节点的分布自动进行优化, 控制好节点的发送功率。如果增加发送功率, 可以获得更大的覆盖范围, 节点跳转的次数也就相应可以减少, 造成系统的联通新得到改善。但是这可能造成信道的空间复用度降低, 反而拖累了整个网络的吞吐率。反之如果降低发送功率, 信道的空间复用度可以得到改善, 但通讯覆盖范围降低, 通讯的跳转次数可能会提高, 连通性会变差, 通讯延时也会增加。所以, 在选择发送功率时, 其实我们必须在跳转次数和空间复用度之间进行有偏向的取舍。

一般来说, 功率与信噪比之间在数量上是一种线性的关系, 于是我们可以得到启示: (1) 既然不同的速率有相应于自己的信噪比门限, 而由于信噪比与功率之间有着线性关系, 则每一个信噪比门限值就会有一个相对应的功率“门限”; (2) 既然吞吐量—信噪比图中的相应于一定速率的曲线会出现一个“平台” (最大吞吐量) , 在这段“平台”中, 吞吐量随着信噪比的增加基本不变, 那么相应地在吞吐量—功率图中也应该出现类似的“平台” (最大吞吐量) , 功率进一步增大, 吞吐量基本维持不变。

所以, 我们可以直接从功率出发, 研究吞吐量与功率的关系, 试图找出吞吐量高、且发送单位比特能量最省的发送功率, 从而对多速率、多功率的MAC协议进行性能分析与优化。

2.3 仿真与结果分析

Glo Mo Sim是并行可扩展离散事件仿真环境, 适合在无线网络协议仿真中使用。本文在Glo Mo Sim现有的IEEE 802.11 DCF协议的基础上进行仿真与研究。选用RABA协议作为研究对象。我们根据朗讯的Orinoco系列无线网卡的标准设计收、发机的模型及性能参数, 设定发射功率为3d Bm。

仿真配置1: 两个节点, 距离800m, 业务为CBR, 发包大小1024byte, 发包间隔1ms。

分析:节点间距加大时, 吞吐量随发送功率变化图的规律基本没变, 但平均能耗随发送功率的变化有较大的差异。出现跳跃点处的位置没变, 但“平台”没有了, 出现了随着发送功率逐渐增加其平均能耗也随之增加的情况。相应于吞吐量出现的四段“平台”, 其平均能耗在各段的最小值均在其最左端的起始处。而这四个值中最小的一个, 不再是最右端的那个, 而是倒数第二个。这说明, 并不是总是用最大的速率发送分组能耗最小。

而当我们将间距增加到1200m的时候, 随着速率的提升, 其吞吐量仍然维持原先的变化规律, 但平均能耗虽然仍然保留了在距离800m时的分段上的上升趋势, 但最小的能耗点却再次前移。实际上, 此时如能确保使用最低速率发送分组时的发送功率, 其平均能耗最低。

上述研究表明:在RBAR的基础上引入功率控制, 对于最简单拓扑 (两个节点) , 在距离相对较小的时, 多速率传输和能耗控制, 存在一个最优点, 使得吞吐量比较大, 且平均能耗最小。在两点相距400m时, 这个最优点在相对于最高速率的最左端。当距离较大时, 最优点向左移动。在距离为1200m时, 则要用最低速率传输, 此时平均能耗最小。

仿真配置2: 16 个节点, Grid分布, 格点距离400m, 路由使用主流的动态源路由 (DSR) 业务类型CBR, 随机分配五条流。 发包大小1024byte, 发包间隔1ms。

分析表明, 在多个节点的情况下, 随着发送功率的增加, 吞吐量总的呈上升趋势, 但出现的“平台”变窄, 数量变多。在节点变多、传播范围变大的情况下, 发送功率的加大可使其覆盖范围变大, 影响了网络的拓扑结构和路由选择;周围节点的增多也增加了干扰。所有这些因素造成了吞吐量的变化规律发生了改变, 但总的趋势没有变。图2中, 曲线的最后出现了上升的趋势。这表明仍然存在有一个最佳大小的功率, 能使网络的平均能耗达到最小。

上述研究表明, 对于一个多速率、多功率的网络, 一定存在一个确定的发送功率或功率区间, 用此大小的功率或功率区间发送分组, 可以得到最小的平均能耗。当然, 问题并不那么简单, 结合功率控制和多速率MAC协议的主要目标就是做到二者兼顾, 在相互制约的前提下找到合适的折中。

3 总结

本文直接从发送功率出发, 研究了在不同网络拓扑和不同速率情况下网络吞吐量随发送功率的变化规律。研究表明, 对于一个多速率、多功率的网络, 一定存在一个确定的发送功率, 用此大小的功率发送分组, 可以得到最小的平均能耗。而当网络节点数变多, 网络拓扑较为复杂的情况下, 其变化规律发生了改变。这说明功率因素对网络性能的影响确实是多方面的。今后要对各种更为复杂的网络拓扑进行仿真, 以进一步探讨其间有无规律可循。

摘要：无线自组网采用了网络状的拓扑结构, 使得它可以进行多跳通讯, 可实现网络自组织化。本文作者针对无线自组网的发送速率与发送功率之间相互影响的特点, 从网络吞吐率与每比特平均能耗的角度研究了特定网络的发送速率与发送功率之间的平衡点, 并进行了仿真分析。证明了对于一个特定的多速率与多功率无线自组网络, 是存在一个最优发送功率或一个较优的发送功率区间, 网络内的节点以该功率或功率区间发送分组时, 可以得到最小的每比特平均能耗, 同时网络仍然可以保持较高的吞吐率。

关键词：无线自组网,多功率,每比特平均能耗,吞吐率

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