面向展會園區(qū)信息服務(wù)的射頻識別和無線異構(gòu)組網(wǎng)實例

陳波

（上海郵電設(shè)計咨詢研究院有限公司 上海 200092）

1 引言

電子標(biāo)簽又稱RFID，利用無線射頻進行非接觸雙向通信，以達到識別目的并交換數(shù)據(jù)。在日本愛知世博會上，RFID技術(shù)首次被用于入場券管理，從而取代了傳統(tǒng)的紙質(zhì)或條形碼入場券，但是沒有給RFID卡賦予其它功效，未能帶來更多的便利和科技新體驗，如參展商不能通過多種途徑更有效地展示展品，觀眾也要花費很多時間來發(fā)現(xiàn)感興趣的展品，限制了參展商和觀眾及時準(zhǔn)確地獲取和交流信息。

隨著市場需求的日益增長及電信市場競爭重心的轉(zhuǎn)移，寬帶無線網(wǎng)絡(luò)得到了迅速發(fā)展和廣泛部署，主要技術(shù)有WiFi和3G。目前，寬帶無線接入基本都是最后一跳采用無線組網(wǎng)方式，這在組網(wǎng)的靈活性、成本投入上不盡如人意，不適用于展會這樣空間大、人員流動性強、客流量多、臨時展館居多的復(fù)雜環(huán)境。

隨著展會產(chǎn)業(yè)成為國家經(jīng)濟體系的重要組成部分，如何有效提升展會園區(qū)的信息化水平成為展會組織方和電信運營商迫切需要解決的問題。本文研究了基于WiFi、WiMAX、RFID的異構(gòu)組網(wǎng)技術(shù)，以分層結(jié)構(gòu)建立面向展會復(fù)雜環(huán)境下的無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)多協(xié)議下的數(shù)據(jù)融合。該無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)以下功能。

（1） 無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的WiFi Mesh結(jié)構(gòu)：為那些臨時需要寬帶網(wǎng)絡(luò)卻沒有有線網(wǎng)絡(luò)的場合，以及不能及時或不方便鋪設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)的場合提供寬帶無線接入服務(wù)；

（2） 基于無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的RFID信息平臺：為展會組織方、參展商和觀眾提供門禁系統(tǒng)和電子門票、智能停車/電子導(dǎo)航、實時物流追蹤與監(jiān)控、興趣小組、團隊管理等服務(wù)；

（3） 基于無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的智能監(jiān)控系統(tǒng)：實現(xiàn)對整個園區(qū)的監(jiān)控管理。

2 組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 WiMAX＋WiFi聯(lián)合組網(wǎng)

WiMAX靈活的組網(wǎng)方式、高覆蓋范圍使其可以單獨組網(wǎng)，但是對于我國來說WiMAX單獨組網(wǎng)的可能性很小，只能作為對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的互補而存在。WiMAX適合傳遞高突發(fā)性的數(shù)據(jù)，MAC層機制又使其能很好地支持多媒體應(yīng)用，所以特別適合用來進行無線傳輸，解決“最后一公里”的寬帶接入。而WiFi最大的特點是便攜、視距特性，主要解決用戶“最后100m”的接入，它定位于熱點地區(qū)的高速無線數(shù)據(jù)接入，但不支持高速移動性，主流應(yīng)用是通過便攜電腦或手機接入互聯(lián)網(wǎng)。

WiMAX和WiFi聯(lián)合組網(wǎng)可以解決WiFi的低速、支持移動性差、低安全性以及LOS等缺點。WiMAX和WiFi聯(lián)合組網(wǎng)的切實可行方式是利用WiMAX把WiFi熱點連接起來，為WiFi AP提供E1/T1和IP雙通道無線傳輸，實現(xiàn)更廣范圍的高速無線接入，使WiFi擺脫地域空間的限制。WiMAX和WiFi聯(lián)合組網(wǎng)利用統(tǒng)一的管理平臺實現(xiàn)用戶信息共享，可以大大提高現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的性能。

WiMAX和WiFi聯(lián)合組網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，目標(biāo)是為展會園區(qū)提供綜合寬帶無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，分別由WiMAX SS/CPE和交換機為WiFi AP提供回傳，同時結(jié)合WiFi Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在園區(qū)范圍內(nèi)靈活地部署WiFi AP，實現(xiàn)無處不在的WiFi覆蓋。這種聯(lián)合組網(wǎng)覆蓋方案以成熟主流技術(shù)為主，同時兼顧一定的前瞻性。

圖1 聯(lián)合組網(wǎng)園區(qū)拓撲

核心路由器為兩個萬兆路由器，以雙萬兆光纖鏈路連接，相互備份。園區(qū)匯聚交換機匯聚來自各展館和場所的流量。WiMAX SS/CPE通過802.16d空中接口連接到WiMAX BS，來自WiFi熱點的數(shù)據(jù)可以通過交換機或CPE轉(zhuǎn)發(fā)，前者走傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)，后者走無線網(wǎng)絡(luò)。

2.2 WiFi Mesh網(wǎng)

這種聯(lián)合組網(wǎng)方案的另一個技術(shù)亮點是WiFi Mesh網(wǎng)。無線Mesh網(wǎng)是一種高容量高速率的分布式寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)，融合了WiFi和Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，支持寬帶和一定的移動性，能夠以較高的性價比覆蓋較大的城市區(qū)域，是對無線局域網(wǎng)技術(shù)的一種革命性創(chuàng)新。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)散見于802.11s、802.15.1/2/3/4、802.16等標(biāo)準(zhǔn)草案中。

從拓撲結(jié)構(gòu)上講，WiFi是典型的點對多點網(wǎng)絡(luò)，采取單跳方式，因而數(shù)據(jù)不可轉(zhuǎn)發(fā)。WiFi可在較小的范圍內(nèi)提供高速數(shù)據(jù)服務(wù)，但典型情況下WiFi AP的覆蓋范圍僅限于幾百米；而對于無線Mesh網(wǎng)，則可以通過無線路由器對數(shù)據(jù)進行不斷轉(zhuǎn)發(fā)，直至把數(shù)據(jù)傳送至目的節(jié)點，從而把接入點的覆蓋延伸到幾公里以上。無線Mesh網(wǎng)的顯著特點就是可以在大范圍內(nèi)實現(xiàn)高速通信。

圖2給出了一個結(jié)合有WiMAX的WiFi Mesh網(wǎng)的實例，結(jié)合圖1共同說明了展會園區(qū)聯(lián)合組網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)。若干WiFi AP在Ad hoc模式下構(gòu)成WiFi Mesh網(wǎng)，每個AP上運行一個路由協(xié)議。在Mesh網(wǎng)中，如果有一個AP連接Internet，那么其它AP也能通過該AP訪問Internet。AP不僅為其它AP提供中繼路由，也為各自覆蓋下的客戶端提供WiFi接入服務(wù)。因而，如果Mesh網(wǎng)建立完成，并有一個邊界AP連接外部網(wǎng)絡(luò)，那么各個AP下的所有客戶端都能訪問外部網(wǎng)絡(luò)。由于不受網(wǎng)線的限制，WiFi Mesh網(wǎng)的部署非常便捷靈活，這也使它很適合于某些臨時場合如展覽會或新聞現(xiàn)場。如果再與WiMAX相結(jié)合，WiFi Mesh網(wǎng)的便捷性則更為明顯。Mesh結(jié)構(gòu)使得無線網(wǎng)絡(luò)能夠自我組織，決定通信的最佳路徑，同時在無線鏈路阻塞或節(jié)點失效時自我治愈，使得Mesh網(wǎng)穩(wěn)固強健。

圖2 WiMAX＋WiFi Mesh的實例

3 面向展會園區(qū)信息服務(wù)的無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

以上節(jié)的組網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)展會信息服務(wù)對RFID業(yè)務(wù)和園區(qū)智能監(jiān)控的需求，以及為園區(qū)提供無處不在的寬帶無線接入的要求，本文設(shè)計了面向展會信息服務(wù)的無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖3所示，采用WiMAX＋WiFi Mesh無線接入技術(shù)，并通過RFID讀寫器和攝像頭等檢測設(shè)備（支持有線或802.11 b/g網(wǎng)絡(luò)）完成最底層的數(shù)據(jù)采集，從而為具有不同QoS要求的各種無線通信業(yè)務(wù)需求提供靈活、可靠、及時的接入服務(wù)。

在園區(qū)展館的各個位置將配置大量的RFID讀寫器，這些RFID設(shè)備的主要功能是對各種攜帶RFID標(biāo)簽的對象（人員、車輛、展品等）進行信息識別，為會場的人員安全認證、客流分布監(jiān)控、物品/車輛定位等采集原始數(shù)據(jù)。每一個RFID節(jié)點都以WiFi方式接入園區(qū)信息網(wǎng)絡(luò)，向控制中心傳送RFID標(biāo)簽信息。

圖3 無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

除RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)、攝像頭數(shù)據(jù)外，大型會展場所的自動監(jiān)控還需傳送其它一些低字節(jié)量的信息，例如控制室需要采集展館各個位置的溫度、濕度、燈光照度等數(shù)據(jù)，并據(jù)此向空調(diào)、照明等設(shè)備發(fā)出指令，調(diào)整其工作狀態(tài)。每一個檢測設(shè)備和受控設(shè)備，比如紅外探測器、空調(diào)、燈光亮度控制器等也都相當(dāng)于一個RFID接入節(jié)點。若干個相同或不同功能的RFID節(jié)點（可以是前述RFID設(shè)備，也可以是上面所指的各種監(jiān)控設(shè)備）以Mesh方式構(gòu)成一個網(wǎng)絡(luò)，每個Mesh網(wǎng)絡(luò)接入會場信息網(wǎng)絡(luò)，最終實現(xiàn)與控制中心間的通信。

WiFi除了負責(zé)RFID節(jié)點的接入，更重要的功能是為參展商、觀眾、媒體記者等提供大容量的多媒體信息服務(wù)。觀眾個人手中支持WiFi業(yè)務(wù)的手提電腦以及各種PDA設(shè)備都可以隨時隨地接入WiFi。會場的多媒體電子公告牌、語音信息廣播設(shè)備等也連入WiFi，由控制中心統(tǒng)一管理各種會展信息的發(fā)布。若干個WiFi接入點組成Mesh網(wǎng)，因此同樣具有較高的可靠性和靈活性。例如在某個展廳的某個位置舉行一個大型新聞發(fā)布會，聚集了很多持有無線上網(wǎng)設(shè)備的觀眾和媒體記者，則可以在該位置臨時增加若干個WiFi AP，這些WiFi AP與相鄰的已有AP之間建立無線通信，組成新的Mesh網(wǎng)，即可快速實現(xiàn)該位置的無線覆蓋與業(yè)務(wù)增容。每個以Mesh方式組網(wǎng)的WiFi中有一個或多個邊界AP與WiMAX網(wǎng)絡(luò)相連，最終將整個WiFi接入會場通信系統(tǒng)。為進一步提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，應(yīng)對一些業(yè)務(wù)量較大或周邊有通信基礎(chǔ)設(shè)施的WiFi AP建立與控制中心之間的有線鏈路。

最上層的無線網(wǎng)絡(luò)是WiMAX網(wǎng)絡(luò)，由若干個WiMAX基站組成，覆蓋一個或多個大型展館。WiMAX支持多跳中繼路由，觀眾手中的WiMAX移動終端既可直接與WiMAX基站建立連接，也可就近通過WiMAX SS/CPE接受WiMAX服務(wù)。

本文提出的無線異構(gòu)組網(wǎng)方案已通過0.5km2范圍的示范網(wǎng)絡(luò)平臺進行了驗證。在該試驗平臺中，建立了2個WiMAX（802.16d）基站，10個WiMAX SS/CPE，以及24個AP構(gòu)建的5個WiFi Mesh網(wǎng)，并在此異構(gòu)示范網(wǎng)絡(luò)平臺上實現(xiàn)了多種無線應(yīng)用。無線異構(gòu)網(wǎng)具體設(shè)備情況如下：

802.16 d設(shè)備采用上海貝爾阿爾卡特公司的A7387 WiMAX系統(tǒng)，基站采用BreezeMAX微基站，提供高達72Mbit/s的容量和30km的覆蓋范圍。BreezeMAX寬帶數(shù)據(jù)SS/CPE橋接無線和有線媒介，通過IEEE 802.310/100 Base-T（RJ45）以太網(wǎng)接口連接用戶數(shù)據(jù)設(shè)備。BreezeMAX系統(tǒng)在一個3.5MHz信道上為用戶提供高達10Mbit/s的數(shù)據(jù)速率。

AP采用的是Linksys公司的WRT54G，在試驗平臺中，將WRT54G中的固件進行重刷以支持Mesh網(wǎng)路由及管理。Mesh網(wǎng)的路由協(xié)議采用最優(yōu)鏈路狀態(tài)路由協(xié)議（OLSR）。

4 WiFi網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

WiFi網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的研究內(nèi)容是在需要無線信號覆蓋的區(qū)域如何分布AP、如何分配信道等，從而經(jīng)濟有效地滿足用戶無線通信的鏈路質(zhì)量要求。本文利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，模擬實現(xiàn)了示范網(wǎng)絡(luò)中某5層樓宇的WiFi覆蓋。這里所采用的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件包為WinProp，其中兩個主要的部分為WallMan和ProMan。ProMan借助描述單一建筑結(jié)構(gòu)或城市地區(qū)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫來完成城市和室內(nèi)場景中信道傳輸模型的計算，而WallMan提供了強大的圖形用戶接口允許用戶編輯這兩種類型的數(shù)據(jù)庫。

利用該軟件首先生成該樓宇的建筑模擬圖，在每層布20個AP和90個探測點（DP），探測點主要用來檢測信號強度等。通過探測點，根據(jù)室內(nèi)的信道模型，使用WinProp軟件可以得到整個樓宇內(nèi)的接收信號強度分布和SIR分布情況。

無線規(guī)劃的目標(biāo)是合理地配置無線接入點，在保證用戶接收信號水平的前提下，以最少的AP來覆蓋整個規(guī)劃區(qū)域。因此下一步需要設(shè)計該建筑物內(nèi)所需放置的AP個數(shù)和位置。

通過仿真可以得到放置AP數(shù)目與所覆蓋的DP數(shù)目的關(guān)系圖，當(dāng)整座建筑放置15個AP時，無線信號已經(jīng)能夠覆蓋450個DP。

因此，在整棟樓宇中布置15個AP，并用仿真得到此時的無線信號接收功率和SIR情況，分別如圖4和圖5所示。

圖4 放置15個AP時接收信號強度分布

圖5 放置15個AP時SIR分布

從圖4和圖5可以看出，當(dāng)放置15個AP時，無論是無線信號接收強度還是SIR確實覆蓋了整座建筑物。同時，還可以用仿真來規(guī)劃無線信道的分配情況，在802.11中，通常分配互相正交的信道之一給不同的AP，即信道1、信道6和信道11，圖6顯示了該樓宇中不同AP所分配的信道情況。

仿真結(jié)果表明，本文的配置方案可以用較少的無線AP來完成建筑物的無線信號覆蓋，滿足用戶的通信要求。

圖6 15個AP所分配的信道情況

5 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控

運行于每個AP上的監(jiān)控程序每分鐘向監(jiān)控服務(wù)器報告其狀態(tài)。圖7給出了位于該模擬建筑物的Mesh網(wǎng)的一個快照，其中共有3個Mesh網(wǎng)，它們處于不同的信道，并以不同的顏色標(biāo)識。藍色的Mesh A包括6個AP，從3樓覆蓋到5樓；綠色的Mesh B由8個AP組成，從1樓延伸到5樓。紅色表示跨建筑物的Mesh C。每個Mesh網(wǎng)只有一個邊界AP連接到外部網(wǎng)絡(luò)。圖中AP間的虛線表明了直接相鄰的節(jié)點，即在路由表中的一跳節(jié)點。盡管在WiFi Mesh網(wǎng)中，由于802.11共享媒介的緣故，數(shù)據(jù)速率隨著跳數(shù)的增加下降得很快，各種測試和演示仍成功完成。

圖7 Mesh網(wǎng)的監(jiān)控界面

6 結(jié)束語

無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)代表無線移動系統(tǒng)的演進趨勢。本文面向展會園區(qū)的信息服務(wù)，針對復(fù)雜環(huán)境下的RFID識別和實時數(shù)據(jù)采集分析應(yīng)用，采用WiMAX＋WiFi Mesh無線接入技術(shù)，實現(xiàn)了基于無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的RFID信息平臺和智能監(jiān)控，同時該異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)也可為具有不同QoS要求的無線通信業(yè)務(wù)需求提供靈活、可靠、及時的接入服務(wù)。

[1]Alcatel-Sbell. ALCATEL 7387業(yè)務(wù)配置和測試工具, 2006

[2]Alcatel-Sbell. ALCATEL 7387系統(tǒng)維護手冊, 2006