曹妃甸集装箱码头无线网络方案0308.docx
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曹妃甸集装箱码头无线网络方案0308
曹妃甸集装箱码头无线网络
技术建议书
1项目概述
1.1环境概述
本项目主要为曹妃甸集装箱码头港区车辆定位、数据采集等应用提供移动无线宽带解决方案。
设备主要在户外条件下使用，灰尘大、温差大、高温、严寒、雨雪环境下工作。
唐山曹妃甸地区属于大陆性季风气候，具有明显的暖温带半湿润季风气候特征。
极端最高气温36.3℃，极端最低气温-20.9℃，多年年平均气温11.4℃。
多年年平均降水量554.9mm，最大年降水量934.4mm，最大一日降水量186.9mm。
降水多集中在夏季，6～9月的降水量为408mm，约占全年降水量的74%。
曹妃甸地区冬季盛行偏西北风，频率为47%，平均风速为5.1m/s；春、夏季盛行偏南和东南风，频率为49%和64%，平均风速为5.1m/s和6.6m/s；秋季多偏西南风，频率为34%，平均风速为4.9m/s。
海域受台风（热带气旋）影响不大，平均每三年出现一次，但有时一年可发生两次。
据统计台风（热带气旋）仅发生在7、8月份，台风（热带气旋）期间的风速可达25m/s，并可引起附近海岸较大幅度的增水。
曹妃甸地区能见度低于1km的雾日数平均每年有9d，多发生在11月～翌年2月，此期间雾日约占全年的77%；最长连续雾日数为3d。
年平均相对湿度66%，7月份相对湿度较高，为79%；11月份相对湿度最低，为60%。
项目前期勘测现场图片如下：
图一：
现场卫星图
1.2面临问题和挑战
集装箱码头场地区域比较宽广分散，并且需要覆盖的区域有一定程度的遮挡。
场地周围其它码头公司的无线网络已经建成，一定程度上会影响公司的无线环境。
具体问题如下：
1.要有一定的备件和应急措施。
网络建成后，整个公司的作业都运行在网络之上，网络的中断，势必会造成整个公司的作业中断，需要有一定的备件和应用措施，在最短的时候内恢复网络运行。
2.无线网络在自由空间传输，要有完备的加密和认证策略，保证网络的安全性。
3.无线设备分散安装在场地的各个区域，并且安装位置比较特殊，如果出现问题的维护成本会比较高。
这样需要一套先进和完整的网络管理软件，能够及时发现和排除网络中出现的问题。
针对以上情况，我们需要建设一个安全、稳定、可靠、先进的无线网络，使无线信号的有效的覆盖到指定的区域，并在未来三到五年内不淘汰。
1.3需求分析
利用无线网络技术进一步扩展港区办公网络的覆盖范围，使码头业务人员能够随时随地、方便高效地使用企业内部业务网络；促进无纸化办公及业务的发展，进一步拓展应用空间；提高服务水平和管理效率，推动码头信息化建设；今年准备对所有作业、货物仓库管理等都进行信息化的管理。
现在部分应用管理软件正在开发，公司大楼内部的网络和服务器架设环境也初步形成。
但是连接所有软件和作业环节的无线网络还未建设，计划形成覆盖全部指定场地和仓库等区域的无线网络，把作业区域利用无线网络连接和覆盖起来，形成公司的一个整体网络，统一管理、统一应用。
本工程要覆盖部分原来没有有线网的区域，诸如：
堆场、库房；本工程是在港区有线网的基础上加以无线扩充（即采用无线基站将无线网络接入到有线网络）。
为了实现全天候的稳定工作，对无线传输系统提出了以下的技术要求：
无线通讯系统是整个码头管理系统的关键，其性能的好坏直接影响了整个系统的运行质量。
因此下列要求应得到满足：
1）自建无线数据通讯网络。
2）无线通讯系统必须是先进的、适合港口码头恶劣环境的码头管理系统成功应用的无线通讯技术。
3）该通讯系统采用开放频带，无需向无管会申请和注册。
4）所报无线通讯网络系统必须无盲区覆盖约码头作业区范围，要求在技术上有消除盲区的方便措施。
网络要求连接速度快，满足传输港区码头所有数据必需的大传输通量要求，并且保证通讯质量，无传输堵塞，不受设备运动速度的影响。
5）无线通讯系统要求安装简便，快速布置；系统维护简单且成本低，无需频繁的现场测试和设施调整。
6）无线通讯系统运行稳定，具有强的抗干扰能力。
7）对无线通讯系统装置有完整可靠的供电及防雷解决方案
8）移动设备要求单机台与中心通信带宽不小于1Mbps，移动设备全开情况下，单台Ping中心64字节，Ping值不得大于64ms，全覆盖，无通讯盲区，接入点尽量少。
在确定采用PSION无线组网解决方案实现码头车辆及移动手持的通信功能的基础之上，项目的主要技术需求具有非常典型的特点，主要对移动无线宽带系统提出了以下的要求：
1.高性能性—作业终端在覆盖区域内可以以较高速度运动，无线通信质量不会因此降低。
2.漫游切换特性–要求多台移动终端与固定基站等多台设备间可以实现无间断的漫游和切换特性，保证应用系统的稳定连接，避免链路终端和业务中断。
3.设备应具备优异的环境指标特性—选用设备完全适用于码头的恶劣环境。
考虑到以上的技术需求，本方案将采用得逻辑9160G2无线解决方案。
Teklogix公司在无线系统的技术上经过几十年的研究，提供的是可靠、并有效的通信协议。
更适合于传输字符型通信的需求，其中网络控制功能更保证了通信的优化，以适应工业级别的通信要求。
所有的Teklogix设备具有丰富的诊断能力，这些包括系统实时的统计报告，此外Teklogix系统支持标准的SNMPMIB2管理信息库以及为Teklogix系统设计的管理信息库（MIB，通过它们网管工具如HP公司的“OpenView”能获取Teklogix系统.的信息。
如果用户愿意，系统将可由技术人员全面监控和远程管理。
所有Teklogix配置菜单都有密码保护。
2无线网络设计
2.1无线网络设计标准
网络协议即网络中（包括互联网）传递、管理信息的一些规范。
如同人与人之间相互交流是需要遵循一定的规矩一样，计算机之间的相互通信需要共同遵守一定的规则，这些规则就称为网络协议。
而为各种无线设备互通信息而制定的规则我们把它称之为“无线网络协议标准”。
目前常用的无线网络标准主要有美国IEEE（电机电子工程师协会，TheInstituteofElectricalandElectronicsEngineers）所制定的802.11标准（包括802.11a、802.11b及802.11g等协议标准），蓝牙（Bluetooth）标准以及HomeRF（家庭网络）标准等。
（1）IEEE802.11b
工作于2.4GHz频点，采用补偿码键控CCK调制技术。
当工作站之间的距离过长或干扰过大，信噪比低于某个门限值时，其传输速率可从11Mb/s自动降至5.5Mb/s，或者再降至直序列扩频技术的2Mb/s及1Mb/s速率。
（2）IEEE802.11g
使用2.4GHz频段，传输速度主要有54Mbps、108Mbps，可向下兼容802.11b
（3）IEEE802.11a
IEEE802.11a工作5GHz频段上，使用OFDM调制技术可支持54Mbps的传输速率。
用正交频分复用技术（OFDM）来调制数据流。
OFDM技术的最大的优势是其无与伦比的多途径回声反射，因此特别适合于室内及移动环境。
802.11a与802.11b两个标准都存在着各自的优缺点，802.11b的优势在于价格低廉,但速率较低（最高11Mbps）；而802.11a优势在于传输速率快（最高54Mbps）且受干扰少，但价格相对较高。
另外，11a与11b工作在不同的频段上,不能工作在同一AP的网络里，因此11a与11b互不兼容。
（4）IEEE802.11n
IEEE已经成立802.11n工作小组，以制定一项新的高速无线局域网标准802.11n。
802.11n工作小组是由高吞吐量研究小组发展而来的，由802.11g工作小组主席MatthewB.Shoemaker担任主席一职。
该工作小组计划在2003年9月召开首次会议。
IEEE802.11n计划将WLAN的传输速率从802.11a和802.11g的54Mbps增加至108Mbps以上，最高速率可达320Mbps，成为802.11b、802.11a、802.11g之后的另一场重头戏。
和以往地802.11标准不同，802.11n协议为双频工作模式（包含2.4GHz和5GHz两个工作频段）。
这样11n保障了与以往的802.11ab,g标准兼容。
IEEE802.11n计划采用MIMO与OFDM相结合，使传输速率成倍提高。
另外，天线技术及传输技术，使得无线局域网的传输距离大大增加，可以达到几公里（并且能够保障100Mbps的传输速率）。
IEEE802.11n标准全面改进了802.11标准，不仅涉及物理层标准，同时也采用新的高性能无线传输技术提升MAC层的性能，优化数据帧结构，提高网络的吞吐量性能。
无线网络工作频率如下所述
1）802.11b/g
WLAN802.11b/g工作在2.4GHz频段，频率范围为2.400～2.4835GHz，共83.5M带宽，划分为13个子信道，每个子信道带宽为22MHz；其中互不干扰的信道有3个。
一般情况下，建议采用1、6、11频点。
子信道分配如下图所示。
图二：
WLAN802.11b/g工作频段子信道分配
信道配置频率如下表：
表21：
802.11b/g信道配置频率
信道
中心频率
信道低端/高端频率
1
2412MHz
2401/2423MHz
2
2417MHz
2406/2428MHz
3
2422MHz
2411/2433MHz
4
2427MHz
2416/2438MHz
5
2432MHz
2421/2443MHz
6
2437MHz
2426/2448MHz
7
2442MHz
2431/2453MHz
8
2447MHz
2436/2458MHz
9
2452MHz
2441/2463MHz
10
2457MHz
2446/2468MHz
11
2462MHz
2451/2473MHz
12
2467MHz
2456/2478MHz
13
2472MHz
2461/2483MHz
2）802.11a
WLAN802.11a工作在5.8GHz频段，频率范围为5.725GHz~5.850GHz，共125MHz带宽，划分为5个信道，每个信道带宽为20MHz。
各个信道之间互不重叠，均可使用。
子信道分配如图所示。
图3：
WLAN802.11a工作频段子信道分配
信道配置频率如下表：
表22：
802.11a信道配置频率
信道
中心频率
信道低端/高端频率
149
5745MHz
5735/5755MHz
153
5765MHz
5755/5775MHz
157
5785MHz
5775/5795MHz
161
5805MHz
5795/5815MHz
165
5825MHz
5815/5835MHz
3）802.11n
WLAN802.11n向下兼容802.11g和802.11a，同时支持2.4GHz和5.8GHz频段，两频段的信道数量分别与802.11g和802.11a一致。
802.11n技术支持将相邻的两个20MHz信道绑定成40MHz使用。
两个相邻的20MHz信道绑定时，一个为主带宽，一个为次带宽，收发数据时既可以40MHz的带宽工作，也可以单个20MHz带宽工作。
2.2设计原则
稳定性：
由于码头作业是全天候的操作，所以稳定的网络是生产的稳定的必要前提，一旦用户使用了无线系统来替代原有的传统工作方式，对无线系统的依赖性就会超过对某些生产机械的依赖性，一旦无线网络瘫痪，整个生产必定会受到很大的影响。
所以，码头使用的无线系统不一定是最先进的，但必定是最稳定的。
可靠性：
由于码头位于海边，并常年累月的处于工作状态，所以无线终端应具备防震、防尘、防水、抗低温、防盐碱、防潮湿环境以及避雷，抗干扰等特性。
在数据可靠性上，系统必须具备进程保留、页面存储等保证数据正确、可靠的技术，以确保操作人员在出覆盖区、换电池、非正常关机等任何情况下，数据都不会出错。
安全：
整个系统应具备抗干扰性，安全保密性。
不易被网络外的用户登陆，用户如使用IEEE802.11B的标准的无线网络，除无线技术本身具备的加密工具外，如有安全上的额外考虑，必须增加有线网络上的加密防护措施，如防火墙等网络安全工具。
成熟耐用性：
系统所包括的任何软硬件产品，必须是成熟的并具有广泛的实用性，在国内外应用中被证实是成熟和先进的。
而且系统的软硬件产品必须有长久的耐用性，与码头要求的产品生命周期一致。
系统扩充性：
整个系统可以随着用户应用的发展，能够及其容易的进行扩展延伸，包括用户应用系统的增加；覆盖面积的增加；终端应用的增加，如PLC,GPS等。
即能进行系统升级，又可保护投资，不会对原有系统推翻重来。
易于维护性：
整个系统将具备易于维护的特性，用户的工程师可以对无线网络进行灵活方便的管理，包括日常监控以及故障保修，而故障设备的返修也必须及时，不影响到生产上的需求。
投资：
系统应具备较好的性能价格比，在达到用户系统要求的情况下，能够最经济的架构用户的网络系统，因为精简的网络系统将大大降低UPS、光纤、网线、交换机等硬件设备以及人员上的投资费用。
2.3
无线网络设计
无线网络组网架构
图4：
网络结构图
针对本项目系统的需求，在本方案中，使用Teklogix的9160G2无线基站设备构成无线网络。
在方案中考虑客户使用的移动终端设备的通信标准，本无线系统使用基于2.4GHz的802.11bg无线通信模块的9160G2设备。
9160G2沿用了Teklogix的专利技术，一台9160G2上提供双槽结构，可以加载两块无线通信模块即可以同时作覆盖也可以做桥接，可大大的提高单点位置单基站的信号覆盖区域；可大大的提高单基站的信号覆盖区域和覆盖容量。
图五：
组网结构示意图
9160-G2内置2块802.11b/g模块，双模块可以为系统提供较灵活配置。
按照实际环境的经验值，每个802.11g扇区在1公里内可提供15Mbps以上的汇聚吞吐量；因此，9160-G2的配置可提供30Mbps的无线终端覆盖带宽。
该基站的具体配置如下：
PSION9160-G2-2R
Ø每个站点处放置一台该基站，作为无线接入设备
●9160-G2有线接口与站点处的交换机相连—100兆以太网
Ø内置2块2.4GHz11g模块
●9160-G2无线空中接口汇聚站点周边的移动客户端—802.11G空中接口
Ø多扇区组区
●每个射频模块均外接两个120度扇区天线
Ø设备安装
●设备和天线抱杆安装
●安装高度20米以上；利用港区内部通信塔及高杆灯位置安装无线基站设备。
●具体安装设备和天线参考9160-G2安装手册
Ø供电选择
●设备支持本地或直流供电，交流电压范围110-240V，直流供电范围48V符合802.3af标准
●若采用风能或太阳能供电，则9160-G2设备正常工作的耗电量在45W；需要考虑系统设计，使系统在连续多个阴天的情况下依然可以提供充足的电量，保持系统正常工作
设备接口和天线配置如下图所示：
无线基站安装在专用的抱杆之上，配合2.4GHz定向天线进行设备无线互联和车辆的无线接入。
如下图所示：
无线组网链路预算
为分析简单起见，只考虑空间传播和障碍物（墙壁、隔断、地板）阻挡对电波的损耗。
下表列出了电波通过不同的障碍物后9160-G2的有效覆盖距离。
上表的数据是根据AP工作在11Mbps时的灵敏度计算得到的。
当AP工作在更低的速率（5.5/2/1Mbps）时，有效覆盖距离还可以更大。
无线通信链路预算
802.11g开放空间损耗（500m）
-94db
发射天线增益
12db
接收天线增益
7db
发射功率
20dbm
接收信号强度
-57db
实验测试表明在接受信号强度在-75dBm的情况下可以得到5Mb/s以上的吞吐量。
如上的解决方案可以取得-70~65dBm以上的接收信号强度，为实际应用中线缆损耗和开放空间损耗等提供了更多的余量，保证了无线基站之间通信和车地、手持通信的稳定性。
2.4无线基站分布
根据无线网络设计，按照每个基站进行150～200m区域的覆盖，则总共需要21台WDS无线基站完成全港区无线网络覆盖。
根据系统建设的要求，我们拟定了针对本案的无线系统建设方案。
具体参见无线基站分布图。
图五：
无线基站分布图
设计共安装21台9160G2双网卡无线基站。
AP1~AP15，15个接入点安装在高杆灯上，利用双卡安装2.4GHz天线对地面进行覆盖；AP16~AP21，6个接入点安装在库房，利用单卡安装2.4GHz天线对库房进行覆盖，无线控制器集成在AP设备内部。
具体的安装位置是否需要调整在实际工程实施中再行确定具体的位置。
按天线在35米高度，天线向下倾斜度25度，天线垂直波束宽度为25度估算，一个基站信号的外部半径能覆盖到165米，灯杆或通信塔下50米区域内能接收到无线信号。
方案中所使用到天线覆盖概念图如下所示：
无线基站的安装示意
发射器、接收器、信号传输线缆和天线构成基站的基本无线要素。
如图所示：
基本无线要素
无线基站支持外接增益天线选项，以及分集天线配置；以较少的AP点达到有效的覆盖效果；
基站天线安置结构示意
天线的辐射输出能量公式：
EIRP（dBm）=Pt+Gant-LL如下图所示，
有效辐射功率（EIRP）
如果无线基站设备的发射输出功率为100mw（20dBm），发射口和天线间的连接馈缆衰减4.6dB，天线的增益是14dBi，那么EIRP得出如下结果：
EIRP（dBm）=+20dBm+14dBi–4.6dB=29.4dBm
馈线性能指标
Attenuation（dBper100m）
频率
400M窄频
2.4G扩频
LMR-400
8.8
21.7
LMR-600
5.66
14.5
LMR-900
3.85
9.8
2.5无线网络系统容量
港区码头移动无线系统采用了PSION公司多模块高性能无线系统进行组建，系统兼顾了无线网络的可达性和性能。
设备间的拓扑图如下所示：
系统整体容量计算方式如下：
Ø中心机房处采用了9160-G2作为根节点
⏹内置2个802.11G无线模块
⏹单个802.11G射频模块提供15Mbps汇聚吞吐量（保守计算下的平均吞吐量）
⏹根节点9160-G2的2个11bg无线模块，将配合扇区天线，分别接入中继节点和移动终端设备。
⏹2个2.4GHz11g模块将配合90度扇区天线，完成对场区区域的覆盖
⏹每个2.4GHz11g扇区可提供15Mbps的吞吐量（保守计算下的平均吞吐量）
⏹采用信号强度、网络时延等参数的加权平均值来作为评估无线链路性能的指标
⏹总是选择性能最佳的做为主链路，其他链路作为备选
因此，港区无线网络的整体容量可达600Mbps，可以完全满足未来车载终端、手持终端的带宽要求。
2.6
方案解决的问题
高性能需求
Psion无线网络设备内置了业界领先的多模块设计，提供了业界高性能的WDS系统，可以有效地解决覆盖中某些区域不能提供有线的要求。
同时，无线基站支持分集功能支持多幅高增益的扇区天线，将进一步提升信号的有效接入，扩大每个扇区的覆盖范围，以及扇区内移动车载的接收信号强度；从而提供稳定可靠的高带宽，满足多业务的并发处理。
多路径
多路径效应也是影响覆盖范围的重要因素之一。
所谓多路径效应，就是信号被反射并回送的现象。
在大多数情况下，多路径效应使接收到的信号被削弱或是完全抵消。
于是有一些本来应该充分传播信号的区域几乎或根本没有射频信号覆盖。
防止多路径效应的办法是拆除或重新安置机柜和网络设备机架之类的干扰对象，同时增加接入点密度或功率输出。
建筑物结构、集装箱和码头作业的大型机械，是引发多路径效应的最重要的因素。
各条路径的电波长度会随时间而变化，故到达接收点的各分量场之间的相位关系也是随时间而变化的。
这些分量场的随机干涉，形成总的接收场的衰落。
各分量之间的相位关系对不同的频率是不同的。
因此，它们的干涉效果也因频率而异，这种特性称为频率选择性。
在宽带信号传输中,频率选择性可能表现明显,形成交调。
与此相应，由于不同路径有不同时延，同一时刻发出的信号因分别沿着不同路径而在接收点前后散开，而窄脉冲信号则前后重叠
同频干扰
802.11设备工作在指定的中心频率，对于802.11b/g来说，信号占用大约22.5MHz的频谱。
同频干扰的概念:
如果你的设备工作在6信道,附近还有其他的AP工作在5信道（您网络内的设备或者邻居网络内的射频信号），它们之间会有大约80%的信号产生重叠（高度重叠），所以，如果工作在信道5的AP和信道6的设备同时传输，并且信号的强度足够强，就会破坏正常的数据通信，会造成数据包重传和其他问题，比如会降低网络运行的速度。
受此影响，多数802.11b/g网络都配置使用不重叠的三个信道——信道1，6，11，把同频干扰的可能性降到最低。
2.7网络运行维护建议
2.7.1无线网络运维建议
专业的无线网络依靠稳定的物理层作为基础，而大规模无线网络日常运行维护与GSM/CDMA等移动通信网络有着非常相似之处，都需要定期的无线频谱分析和覆盖范围测试，以排出潜在故障和提供网络性能质量。
因此，建议选用专业的勘测测试工具来科学准确地为2.4GHz、4.9GHz和5.8GHz进行规划，使用多种方式获取关键的Wi-Fi和射频信息，由此生成的无线性能图可以简化网络管理、故障排除、容量规划和网络优化。
如图所示，通过频谱分析和测试检查无线干扰情况、信道利用率、CRC误码率等信息，与GSM移动通信类似的方式，如采用调整天线倾角、信道规划和发射功率控制等方式，在网络运行维护中不断优化网络，为用户提供稳定的、高质量的无线网络接入服务。
对于无线网络中出现的故障，建议采用专用的故障排除流程来解决问题。
2.7.2管理维护建议
为了方便网络及终端设备管理和日常维护，建议采用MCC自有网管结合SNMP管理。
得逻辑移动控制中心（MCC）为企业/机构提供了一套完整的集中管理、控制移动终端的一体化工具。
MCC提供如下功能：
软件和数据的自动部署、实时远程服务台支持和故障诊断工具、自动地实时监控和修正错误、自动配置终端、终端锁定、备份和终端映像文件比较、软件库功能、报告等等。
得逻辑移动控制中心（MCC）将继续更好地将MCC集成到移动终端中，给客户提供更多的价值—可以毫不繁琐地远程控制移动终端及其外设，由此减少客户的总体拥有成本和总体失败成本（totalcostoffrustration）。
特点：
●文件管理：
使用Windows文件浏览器接口来实现与终端之间的文件上传及下载，修改文件和文件夹，以及察看文件属性。
●配置管理：
安装及卸载软件，更新及配置应用程序，许可证管理，系统、网络和安全参数配置，克隆配置，远程RF更新功能，终端分组，定制察看过滤器。
●账户管理：
实时记录及报告，消息服务，在线/离线终端列表及其状态（已安装的软件包、属性…等）
●系统管理：
获取终端的系统信息，终端远程重启和关机，察看检查电池电量，获取内存使用和负载情况，列出已安装的应用程序，终端锁定，以及停止/启动进程，备份/还原终端配置。
●远程控制和故障诊断：
由MCC管理器同时控制多台终端。
多个管理器可以远程连接同一终端，修改注册表
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