飛艇無線以太網應用方案
一、 基本概況
在博覽會期間,飛艇懸停于會場附近1000米的空中,為會議采集CIF格式清晰度的視頻數據,現需要安裝一套無線數據傳輸系統,系統主要完成對飛艇內設備的視頻監控視頻的傳輸和發生緊急情況時,地面控制中心可向飛艇發送控制信號,控制飛艇在遠離人員密集區后再降落。系統示意圖如下:
二、 系統設計以及相關考慮
為了保證系統最高的數據通信安全性和可靠性。在設備選型、設備配置、系統設計幾方面均經過仔細分析和考慮,采取了相應的措施。
2.1 設備選型
美國GE MDS公司
美國GE MDS公司是世界公認的提供無線數據采集系統的先鋒,七十多萬臺GE MDS電臺在世界各地安裝使用。GE MDS電臺的性能樹立了無線數據通信行業的標準。
MDS公司成立于1985年,位于紐約州北部羅徹斯特市,專門研制生產專業無線數據通信設備。26年來,MDS公司一直在工業專網通信領域的前沿獨領風騷,成為這一行業最大生產廠商。 MDS公司現有員工280人,占有美國70%同類 產品市場。
MDS擁有世界級的廠房和自動化生產設施。它的生產管理系統采用柔性制造生產。它有兩條表面焊接技術生產線,所有的部件、半成品及成品的試驗和檢測都是自動控制完成的。工廠依據客戶的訂單進行生產,每天可以生產多種不同的機型,日產可達1,000臺。 56,000平方英尺的廠房,ISO-9001質量認證體系, 先進的管理系統, 造就了一流的產品,一流的企業。
MDS一方面不斷創新,加強技術儲備,另一方面下大力量保持產品的兼容性,使已安裝的產品與新產品可以兼容并升級換代。MDS為了電臺的安裝調試和使用維護方便,開發了許多專用工具和軟件,深受用戶喜愛。MDS電臺已成為了行業的標準。
2007年3月 美國通用電器公司(GE)收購了MDS公司,更名為GE MDS公司。
GE MDS iNET300是一款工業級的無線以太網設備,它的傳輸距離遠,傳輸速率高。通過iNET300,用戶可以將遠端以太網或串口網絡的數據直接傳輸到基于IP的網絡中,如:油井、氣井、泵站、管道、儲液罐及儀表的各種數據。它也可以為基于車載移動的各種應用提供一個移動的無線訪問網絡。
GE MDS iNET300 工作頻點為336MHz-344MHz頻段,因其頻率較低,傳輸距離比微波設備遠很多,在視距情況下最大傳輸距離可達100公里,電臺的空中傳輸速率最高可達512Kbps。
GE MDS iNET300無線方案的優勢
傳輸距離遠:
工業級產品,同類產品傳輸距離最遠。
可靠性高:
雙機熱備主站(通過P21實現)能夠為一些關鍵的應用提供很高的系統可靠性。遠端設備也可以采用雙機熱備模式。
安全性能強:
無線鏈路提供多級保護措施,包括300MHz物理層的調頻擴頻技術及128位數據加密等,支持AES-128,支持RADIUS。
靈活性好:
iNET 300電臺支持多個用戶的多個應用,通過多種不同協議在同一個電臺或網絡中同時工作。
兼容性強:
iNET 300采用開放的接口標準,能夠向上向下兼容。
網管功能強:
可使用NETview MS 進行遠程管理。NETview MS基于獨立的Java應用平臺,它可以和其他廠商的管理軟件集成在一起。
功能特點
◆ 同一個設備或網絡支持多種協議,多種應用,多個用戶。
◆ 電臺同時支持以太網口及串口——可作為已有串口設備到以太網轉換的網關設備。
◆ 工業級設備性能——可以在各種惡劣環境下工作。
◆ 支持工業以太網協議。
◆ 傳輸距離遠——最遠可達100KM。
◆ 傳輸速率高——最高可達512Kbps
◆ 安全性能好——多級安全防護措施,確保設備不被竊聽及非法訪問。
◆ 可靠性能高——提供雙機熱備冗余配置,保證網絡的可靠性。
◆ 即插即用——設備簡單配置即可使用。
◆ MDS網管系統——先進的SNMP管理系統,易于簡化設備操作維護及提高網絡操作性能。
2.2 系統頻率的選擇
考慮到飛艇在空中的高度較高,易受氣流,風力等天氣條件的影響,我們擬定采用具有繞射能力比較強的超短波頻段,336-344MHz之間的任何頻點都符合這個要求。
2.3 系統計算分析
不管采用什么樣的工程公式計算,實際數據可能不一樣,但結論都將是相同的。只是采用的公式考慮的因素少的時候,數據會有利一些,但和實際情況的差距也會大一些。公式考慮的因素越全越接近實際情況。這里都是視距傳輸,采用自由空間傳輸計算公式比較接近實際值。
2.3.1 計算分析
1、假設控制中心與飛艇距離20km計算系統衰弱儲備值
已知的基礎設施的原始數據:
飛艇高度=1000米
控制中心位置未知,假設控制中心距離飛艇20KM,假設接收天線高度為50米。
天線選用全向天線,天線增益為8dB
日本人奧村,對地面移動通信的電波傳播問題,做了大量的統計工作,并歸納出一個大城市適用的傳播損耗 Lb 經驗公式:
Lb(dB)=75 + 26Lgf + 45LgR - GT(dB) - GR(dB)–(14+6.5LgR)×LgHT–3.2 [ Lg(12HR)]2
式中, 收、發天線高度HR , HT 單位為 m , f為340MHz,
則Lb(dB) = 75+26Lg340+45Lg20-8-8-(14+6.5Lg20)×Lg1000-3.2[Lg(12×50)]2
= 75 + 68.82 + 58.55 – 8 – 8 - 67.37 - 24.70
= 94.3dB
iNET300電臺的發射功率為37dB,接收靈敏度為-97dBm。
衰落儲備實際值=系統增益-接頭損耗-電纜損耗-傳播損耗
其中:
系統增益=數字電臺的發射功率-數字電臺的接收靈敏度=37-(-97)=134dBm
接頭損耗=8×0.25=1dB(按照8個接頭,包括饋線和跳線的所有接頭)
電纜損耗,不同安裝位置的電纜長度不同,按照估計,飛艇上的電纜長度不超過10m,地面不超過50m。
電纜長度=10米(飛艇)+50米(地面)=60米
電纜損耗=3.83dB×60/100=2.298dB(使用普通1/2”電纜,3.83dB/100m)
則系統衰弱儲備值=系統增益-接頭損耗-電纜損耗-傳播損耗
=134-1-2.298-94.3
=36.40dB
則此時接收機的接收場強約為-60.60dB,系統留有36.40dB的余量。
2、假設控制中心距離飛艇50KM
飛艇到地面間的傳播損耗計算:
Lb(dB)=75 + 26Lgf + 45LgR - GT(dB) - GR(dB)–(14+6.5LgR)×LgHT–3.2 [ Lg(12HR)]2
=75 + 68.82 + 76.45 – 8 – 8 – 75.12 - 24.70
=104.45 dB
則系統衰弱儲備值=系統增益-接頭損耗-電纜損耗-傳播損耗
=134-1-2.298-104.45
=26.25dB
則此時接收機的接收場強約為-70.75dB,系統留有26.25dB的余量。
三、結論
根據前面的計算分析,采用GE MDS公司的iNET300設備,無論是設計余量還是系統硬件冗余、數據帶寬冗余、通信距離都非常合理。
充分考慮到飛艇在空中時,易受風力、氣流的影響,會造成天線的擺動,致使傳輸方向上的增益和極化方向都會發生變化,最惡劣的情況是天線在傳輸方向上的增益為0,極化方向垂直(影響傳輸最大值3dB),則為系統帶來最大19dB的傳輸路徑上的插入損耗。而我們iNET300設備設計的系統衰弱儲備值遠大于最惡劣情況帶來的影響值。
所以,iNET300電臺在此可完全滿足設計要求。

提交
GE MDS TRM450數傳模塊
安諾尼(AARONIA AG)HF-60100V4X PC USB頻譜儀
安諾尼(AARONIA AG)射頻EMC頻譜儀HF-4060 V3
安諾尼電磁輻射測試儀精彩亮相上海國際環境監測儀器展覽會
安諾尼(AARONIA AG) NF-5000 機架式頻譜儀