山区隧道远程无线监控无线网络传输

在许多情况下，建设专有有线网络时，往往受到诸如山地、开阔地等特殊地理环境和施工复杂的限制，造成布线工程周期长，甚至根本无法实现的困难。随着科技的发展，先进的计算机多媒体和网络技术赋予了视频监控系统更为丰富的功能和更加可靠的质量，采用无线视、音频传输设备可以摆脱线缆的束缚，突显安装周期短、维护方便、扩容能力强，迅速收回成本的优点。特别是随着基于扩频技术的无线局域网技术的迅速发展，突破了传输容量的瓶颈，使得视、音频、数据无线传输集成应用得到了进一步发展。目前，隧道通信仅用于较短的运营隧道或地下工程，施工中的隧道无线监控、无线调度通信问题一直未能很好解决，尤其是面对中铁隧道股份较长的隧道，无线通信更为困难。本方案用相对较低的成本，将洞外、洞内及不断移动的电瓶车、TBM机有机的联成统一的整体，监控点的图像信息准确、清晰、快速地传送到监控中心，并在隧道内建立2.4G无线覆盖网络，在电瓶车上、TBM机或隧道内其他施工人员都可使用WiFi手机，自由地进行通讯。

无线通信系统的稳定性，是我们都比较关心的问题。在系统设计时，经过专家组多次的论证，亲临现场的测试，决定采用比较成熟的WLAN技术。

该系统设计是瑞讯公司工作人员经现场实地测试，根据隧道的实际环境以及客户的具体要求，加上我们多年的无线监控项目实施经验，按照国家公安部等相关部门颁布的有关标准，在保证系统质量可靠、性能稳定、技术先进实用、使用寿命长的前提下，认真对系统进行优化设计，精心筛选，努力降低系统成本，特设计的一套专业化、数字化无线网络数字系统。

一、用户需求
在隧道内建立一条无线传输主干。

将TBM机前端监控图像、电瓶车、岔道及隧道内任一处监控图像信号经传输主干传输至施工指挥中心。3)    
隧道内施工人员通过无线手机(wifi手机)自由通讯。一方面实现无线局域网内免费通话；另一方面实现经过语音网关与模拟电话及手机通讯。4)      
语音质量清晰，无断线现象。

5)   工程现场的气候条件比较恶劣，需要设备有较强的可靠性、稳定性。如适应现场的供电电压、气候等。
工程现场的专业人员很少，因此硬件和软件的使用要尽可能的简单化。较少对技术要求较高的操

二、 
设计原则

在系统的设计和实施的过程中，贯彻以下几项基本原则：

1.  标准化

该系统中，无线网络采用IEEE802.11a与IEEE802.11a标准，视频及语音均遵循网络协议和传输标准的要求。

2. 
稳定可靠性原则

系统的稳定、可靠性是系统的重要指标，直接影响系统的各项功能的发挥和系统寿命。因此从系统设计到设备选型，都应遵守这一原则。

我们的方案在充分考虑用户实际情况的基础上，所有系统中的硬件设备均经过严格测试使用，减少了环境因素造成故障的可能性。设备选用国际知名品牌，技术采用国标领先、稳定的新技术。比如无线主干设备我们选用IEEE802.11a标准的无线设备，实践证明，它抗干扰性、传输稳定性要明显优于其它无线传输设备，有力的保障了这一点。

3.  安全性原则

监控系统的建设目标就是要保卫安全，促进生产，加强管理。因此，安全性显的尤为重要。首先，无线网络采用加密、认证等安全手段，系统外的人员不会轻易进入；其次，系统设备不影响隧道的正常作业，不会对生产造成安全隐患。

4.  易用性和先进性结合原则

充分利用当代先进的技术和手段，建成一套先进实用的监控系统，是我们这次设计的根本目的。软件使用界面良好，用户安装相应软件后就可进行实现监控，实现智能控制，不用单独设置。因此，从用户角度出发，特别注重系统的易用、方便和直观，强调系统的综合能力和总体性能。

5.  开放性及扩展性原则

由于用户以后的需求会不断发展，日后不仅有规模不断扩大的需求，还会有系统集成的需求。系统设计考虑了系统的开放性，所选方案和设备必须具备灵活的扩展性和集成能力。只要增加前端设备和升级软件，不用添加其他附加设备，以保证用户的投资。

6. 
便于维护原则

这是为系统在使用过程中的实际需要考虑的。系统工程实施结束交付使用以后，应该便于各种日常维护工作，能够方便地进行软件的重新配置、系统的自检与恢复、硬件备品备件的更换和软件系统的升级。

 

三、 
方案设计（草案）

方案分为主干传输、无线覆盖、视频监控、语音通讯四部分。

4.1 主干传输

主干传输是指在隧道内建立一条无线通讯主干道，有带宽高，稳定性好等特点。方案选用RXKP-58A来做主干传输。经测试，RXKP-58A在隧道内5.8G传输距离可达5公里，为保障更稳定的传输，在方案设计时，以最大4公里为一段。主干传输拓扑如1图：

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

图1    

洞口至项目部中心交换机采用一对无线网桥连接，产品选RXKP-58B。

4.2 无线覆盖

隧道内无线覆盖指在隧道内提供2.4GHz、IEEE802.11g标准的无线信号。有了无线覆盖信号后，隧道内的WIFI手机、笔记本、以及其他802.11g无线设备都可与其建立连接，实现与主干网的接入。

方案主干传输选用5.8G与2.4G同时工作的双模设备，因此，无线覆盖部分的信号由主干传输的同一个设备提供。即RXKP-58A完成主干传输的同时，也为无线覆盖提供2.4G信号覆盖。

无线覆盖图与主干传输一致，如图一。

4.3 视频监控

大型的施工项目，都有现场实时监控系统，对于隧道施工而言，前端的监控不是问题，最核心的问题是怎么将前端的视频图像传输到监控中心。采用无线传输，具有安装方面，扩展性强，可多次利用等特点。但是距离太远，传输的稳定性一直被受人们关注的问题。经测试，智达康双模无线网桥在隧道内有良好的表现，带宽及稳定性都有一定的保障，因此，我们更有信心利用无线网桥将施工实时图像传输到隧道外的监控中心。

隧道内的监控点分布在TBM机，隧道内重要施工点以及电瓶车等，其中TBM机与电瓶车为移动图像，重要施工点为固定图像；对于TBM机与电瓶车的移动图像，首先将图像数字化编码后，与一台2.4G无线客户端连接，无线客户端搜索无线覆盖的信号，直接接入最近的主干传输设备。固定图像也需要编码为数字信号，不同的是其通过有线网络接入主干传输。

视频监控示意图如图2。

图2

       

4.4 语音通讯

隧道内的语音通讯分为三个部分。TBM机工作人员语音通讯，电瓶车施工人员语音通讯及隧道内施工人员语音通讯。

语音通讯采用的模式为WIFI手机＋语音网关，既可实现无线局域网内免费通话，又可通过语音网关与模拟电话及手机通话。

语音通讯需要对隧道内、TBM机、电瓶车等有人流的地点进行2.4G无线信号覆盖，方案采用两种覆盖方式。针对隧道内，直接用主干传输设备的2.4模块，外加定向天线覆盖，覆盖面较广。对于TBM机及电瓶车，在车上安装两台无线AP，一台工作在客户端模式下，在移动的同时保持与主干传输网的连接。另一台工作在AP模式下，局部覆盖整个TBM机或电瓶车车箱。

语音通讯如图3。

图表 1

图3

   
 

4.5 总体方案

结合以上四个部分，中隧股份引大济湟项目部的总体应用如图4。

图4

第一，互联网的接入。随着施工进度架设主干传输设备，主干传输要保证足够的带宽，将覆盖效果调整到最佳，隧道内无线用户可接入到互联网。第二，视频监控。在TBM机及电瓶车安装摄像机、无线AP，始终保持与主干连接，将图像实时回传到监控室。第三，语音通讯。隧道内所有施工人员使用Wi-Fi手机，与主干或中继无线AP连接后，通过语音网关实时通讯。

 总之，隧道内无线网络的建设，就是在隧道内建立了一条信息化高速公路，随着信息化的发展，可以展开各方面的应用，它的灵活性、便捷性一定会受到广大用户的欢迎！

四、 
系统特点：

5.1.      抗干扰能力强，保障系统可靠性

 本系统无线设备均工作在一个洞内，设备自身之间的干扰是一个很大的问题，方案选用的产品采用OFDM、MIMO-STC（多进多出、空时编码）技术，有效解决系统自干扰问题。

OFDM(Orthogonal
Frequency Division Multiplexing)，即正交频分复用技术是一种无线环境下的高速传输技术，适合在多径衰落和多普勒频移的无线信道中传输高速数据，它将是以后4G 中的核心技术之一。OFDM通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，减小了多径衰落的影响。

MIMO-STC技术表现在：

? 多个发射器、接收器和天线的多信道无线电

? 同一数据的多个波形传过连接，每个波形在振幅和相位方面互不相关，所以它们表现得不同。

? 空时解码器将信号重新连在一起，又提供额外的系统增益

? STC 有效处理比单信道无线电少得多的衰落和衰落余量

先进的iDFS(智能动态频率选择)技术

? 内置频谱分析功能--- 持续扫描、监听所有信道

? 遇干扰时自动切换到“干净” 的信道--- 自动消除干扰！

? 上下行频率可非对称组合（准FDD ）--- 可选频率组合大大增加，非常有利于频率规划。

5.2.      分段传输，自动漫游

     系统传输部分分为多段，一是确保方案可行，二是提高无线传输的稳定性，不同地点选用带宽、性能不同的产品，更合理化。由两段组成的洞内无线覆盖由桥接主干连为一体，实现无缝覆盖，保证工程车及TDM机在移动时与网络保持连接。

5.3.      远距离，高带宽

产品的选型至关重要，方案主干用瑞讯室外双模无线网桥，传输距离远、带宽高，对音视频传输更有利。选用远距离传输设备，增加的中继设备会更少，实施的过程更简单。网络带宽高，可以保证数据传输的稳定性，实时性。     

5.4.      WIFI手机，建立更方便、更清楚的语音通讯系统

在已经组建好的2.4G无线局域网上使用Wi-fi手机通讯，是一种通话质量最高，使用最方便，成本最低的方案。通过语音网关，可与模拟话机及手机直接通话，语音效果好，且通话费用低。

5.5.      安全性更好

无线主干的连接，采用互绑式，即本端网桥与对端网桥通过互绑机制，不能与外界设备随意通讯。无线覆盖部分也可通过无线加密、访问控制列表等方式来要求验证。

5.6.      安装配置更方便

无线网络很大的优势在于便捷性，实施起来比较方便。对于在建隧道的安装，它的便捷性更能体现，随着施工进度的发展，无线设备在很短的时间内可以建设，在工程项目结束时，也可方便的移动到其他工程项目。

五、 
方案优势（与有线对比）：

1)    
建设周期短

2)    
投资成本小

3)    
结构灵活，扩展性和移动性强

4)    
后期维护方便 

5)    
网络利用率高

6)    
美观，破坏性小

7)    
管理性强，灵活方便

 

 

 

 
 

 
 
  
  

   
    
   
  

有线网络                     无线网络

  

 
 
  
  
   
    
   
  

布线烦琐，电缆泛滥，室外布线困难

  

 
 
  
  
   
    
   
  

无须布线，即装即用，安装迅速

  

 
 
  
  
   
    
   
  

桌面10M,100M

  

 
 
  
  
   
    
   
  

桌面11M,22M,     54M,108M

  

 
 
  
  
   
    
   
  

工程成本高、设备成本低

  

 
 
  
  
   
    
   
  

设备成本较高，工程成本低

  

 
 
  
  
   
    
   
  

没有移动性

  

 
 
  
  
   
    
   
  

移动性很高，活动自如

  

 
 
  
  
   
    
   
  

二层漫游、      三层漫游(MobileIP)

  

 
 
  
  
   
    
   
  

二层漫游、      三层漫游(MobileIP,DHCP)

  

 
 
  
  
   
    
   
  

三层以上实现

  

 
 
  
  
   
    
   
  

二层开始实现

  

 
 
  
  
   
    
   
  

需要线路重新布置

  

 
 
  
  
   
    
   
  

增加新的接入点即可

  

 
 
  
  
   
    
   
  

建设

  

 
 
  
  
   
    
   
  

速率

  

 
 
  
  
   
    
   
  

成本

  

 
 
  
  
   
    
   
  

漫游

  

 
 
  
  
   
    
   
  

安全

  

 
 
  
  
   
    
   
  

扩充

  

 
 
  
  
   
    
   
  

移动