面向展会园区信息服务的射频识别和无线异构组网实例

陈波

（上海邮电设计咨询研究院有限公司 上海 200092）

1 引言

电子标签又称RFID，利用无线射频进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据。在日本爱知世博会上，RFID技术首次被用于入场券管理，从而取代了传统的纸质或条形码入场券，但是没有给RFID卡赋予其它功效，未能带来更多的便利和科技新体验，如参展商不能通过多种途径更有效地展示展品，观众也要花费很多时间来发现感兴趣的展品，限制了参展商和观众及时准确地获取和交流信息。

随着市场需求的日益增长及电信市场竞争重心的转移，宽带无线网络得到了迅速发展和广泛部署，主要技术有WiFi和3G。目前，宽带无线接入基本都是最后一跳采用无线组网方式，这在组网的灵活性、成本投入上不尽如人意，不适用于展会这样空间大、人员流动性强、客流量多、临时展馆居多的复杂环境。

随着展会产业成为国家经济体系的重要组成部分，如何有效提升展会园区的信息化水平成为展会组织方和电信运营商迫切需要解决的问题。本文研究了基于WiFi、WiMAX、RFID的异构组网技术，以分层结构建立面向展会复杂环境下的无线异构网络，实现多协议下的数据融合。该无线异构网络可实现以下功能。

（1） 无线异构网络的WiFi Mesh结构：为那些临时需要宽带网络却没有有线网络的场合，以及不能及时或不方便铺设有线网络的场合提供宽带无线接入服务；

（2） 基于无线异构网络的RFID信息平台：为展会组织方、参展商和观众提供门禁系统和电子门票、智能停车/电子导航、实时物流追踪与监控、兴趣小组、团队管理等服务；

（3） 基于无线异构网络的智能监控系统：实现对整个园区的监控管理。

2 组网关键技术

2.1 WiMAX＋WiFi联合组网

WiMAX灵活的组网方式、高覆盖范围使其可以单独组网，但是对于我国来说WiMAX单独组网的可能性很小，只能作为对现有网络的互补而存在。WiMAX适合传递高突发性的数据，MAC层机制又使其能很好地支持多媒体应用，所以特别适合用来进行无线传输，解决“最后一公里”的宽带接入。而WiFi最大的特点是便携、视距特性，主要解决用户“最后100m”的接入，它定位于热点地区的高速无线数据接入，但不支持高速移动性，主流应用是通过便携电脑或手机接入互联网。

WiMAX和WiFi联合组网可以解决WiFi的低速、支持移动性差、低安全性以及LOS等缺点。WiMAX和WiFi联合组网的切实可行方式是利用WiMAX把WiFi热点连接起来，为WiFi AP提供E1/T1和IP双通道无线传输，实现更广范围的高速无线接入，使WiFi摆脱地域空间的限制。WiMAX和WiFi联合组网利用统一的管理平台实现用户信息共享，可以大大提高现有网络的性能。

WiMAX和WiFi联合组网的拓扑结构如图1所示，目标是为展会园区提供综合宽带无线网络服务，分别由WiMAX SS/CPE和交换机为WiFi AP提供回传，同时结合WiFi Mesh网络结构，在园区范围内灵活地部署WiFi AP，实现无处不在的WiFi覆盖。这种联合组网覆盖方案以成熟主流技术为主，同时兼顾一定的前瞻性。

图1 联合组网园区拓扑

核心路由器为两个万兆路由器，以双万兆光纤链路连接，相互备份。园区汇聚交换机汇聚来自各展馆和场所的流量。WiMAX SS/CPE通过802.16d空中接口连接到WiMAX BS，来自WiFi热点的数据可以通过交换机或CPE转发，前者走传统有线网络，后者走无线网络。

2.2 WiFi Mesh网

这种联合组网方案的另一个技术亮点是WiFi Mesh网。无线Mesh网是一种高容量高速率的分布式宽带无线接入网络，融合了WiFi和Ad Hoc网络的优势，支持宽带和一定的移动性，能够以较高的性价比覆盖较大的城市区域，是对无线局域网技术的一种革命性创新。无线Mesh网络标准散见于802.11s、802.15.1/2/3/4、802.16等标准草案中。

从拓扑结构上讲，WiFi是典型的点对多点网络，采取单跳方式，因而数据不可转发。WiFi可在较小的范围内提供高速数据服务，但典型情况下WiFi AP的覆盖范围仅限于几百米；而对于无线Mesh网，则可以通过无线路由器对数据进行不断转发，直至把数据传送至目的节点，从而把接入点的覆盖延伸到几公里以上。无线Mesh网的显著特点就是可以在大范围内实现高速通信。

图2给出了一个结合有WiMAX的WiFi Mesh网的实例，结合图1共同说明了展会园区联合组网的拓扑结构。若干WiFi AP在Ad hoc模式下构成WiFi Mesh网，每个AP上运行一个路由协议。在Mesh网中，如果有一个AP连接Internet，那么其它AP也能通过该AP访问Internet。AP不仅为其它AP提供中继路由，也为各自覆盖下的客户端提供WiFi接入服务。因而，如果Mesh网建立完成，并有一个边界AP连接外部网络，那么各个AP下的所有客户端都能访问外部网络。由于不受网线的限制，WiFi Mesh网的部署非常便捷灵活，这也使它很适合于某些临时场合如展览会或新闻现场。如果再与WiMAX相结合，WiFi Mesh网的便捷性则更为明显。Mesh结构使得无线网络能够自我组织，决定通信的最佳路径，同时在无线链路阻塞或节点失效时自我治愈，使得Mesh网稳固强健。

图2 WiMAX＋WiFi Mesh的实例

3 面向展会园区信息服务的无线异构网络架构

以上节的组网技术为基础，根据展会信息服务对RFID业务和园区智能监控的需求，以及为园区提供无处不在的宽带无线接入的要求，本文设计了面向展会信息服务的无线异构网络架构，如图3所示，采用WiMAX＋WiFi Mesh无线接入技术，并通过RFID读写器和摄像头等检测设备（支持有线或802.11 b/g网络）完成最底层的数据采集，从而为具有不同QoS要求的各种无线通信业务需求提供灵活、可靠、及时的接入服务。

在园区展馆的各个位置将配置大量的RFID读写器，这些RFID设备的主要功能是对各种携带RFID标签的对象（人员、车辆、展品等）进行信息识别，为会场的人员安全认证、客流分布监控、物品/车辆定位等采集原始数据。每一个RFID节点都以WiFi方式接入园区信息网络，向控制中心传送RFID标签信息。

图3 无线异构网络架构

除RFID标签数据、摄像头数据外，大型会展场所的自动监控还需传送其它一些低字节量的信息，例如控制室需要采集展馆各个位置的温度、湿度、灯光照度等数据，并据此向空调、照明等设备发出指令，调整其工作状态。每一个检测设备和受控设备，比如红外探测器、空调、灯光亮度控制器等也都相当于一个RFID接入节点。若干个相同或不同功能的RFID节点（可以是前述RFID设备，也可以是上面所指的各种监控设备）以Mesh方式构成一个网络，每个Mesh网络接入会场信息网络，最终实现与控制中心间的通信。

WiFi除了负责RFID节点的接入，更重要的功能是为参展商、观众、媒体记者等提供大容量的多媒体信息服务。观众个人手中支持WiFi业务的手提电脑以及各种PDA设备都可以随时随地接入WiFi。会场的多媒体电子公告牌、语音信息广播设备等也连入WiFi，由控制中心统一管理各种会展信息的发布。若干个WiFi接入点组成Mesh网，因此同样具有较高的可靠性和灵活性。例如在某个展厅的某个位置举行一个大型新闻发布会，聚集了很多持有无线上网设备的观众和媒体记者，则可以在该位置临时增加若干个WiFi AP，这些WiFi AP与相邻的已有AP之间建立无线通信，组成新的Mesh网，即可快速实现该位置的无线覆盖与业务增容。每个以Mesh方式组网的WiFi中有一个或多个边界AP与WiMAX网络相连，最终将整个WiFi接入会场通信系统。为进一步提高网络可靠性，应对一些业务量较大或周边有通信基础设施的WiFi AP建立与控制中心之间的有线链路。

最上层的无线网络是WiMAX网络，由若干个WiMAX基站组成，覆盖一个或多个大型展馆。WiMAX支持多跳中继路由，观众手中的WiMAX移动终端既可直接与WiMAX基站建立连接，也可就近通过WiMAX SS/CPE接受WiMAX服务。

本文提出的无线异构组网方案已通过0.5km2范围的示范网络平台进行了验证。在该试验平台中，建立了2个WiMAX（802.16d）基站，10个WiMAX SS/CPE，以及24个AP构建的5个WiFi Mesh网，并在此异构示范网络平台上实现了多种无线应用。无线异构网具体设备情况如下：

802.16 d设备采用上海贝尔阿尔卡特公司的A7387 WiMAX系统，基站采用BreezeMAX微基站，提供高达72Mbit/s的容量和30km的覆盖范围。BreezeMAX宽带数据SS/CPE桥接无线和有线媒介，通过IEEE 802.310/100 Base-T（RJ45）以太网接口连接用户数据设备。BreezeMAX系统在一个3.5MHz信道上为用户提供高达10Mbit/s的数据速率。

AP采用的是Linksys公司的WRT54G，在试验平台中，将WRT54G中的固件进行重刷以支持Mesh网路由及管理。Mesh网的路由协议采用最优链路状态路由协议（OLSR）。

4 WiFi网络规划

WiFi网络规划的研究内容是在需要无线信号覆盖的区域如何分布AP、如何分配信道等，从而经济有效地满足用户无线通信的链路质量要求。本文利用网络仿真软件，模拟实现了示范网络中某5层楼宇的WiFi覆盖。这里所采用的无线网络规划软件包为WinProp，其中两个主要的部分为WallMan和ProMan。ProMan借助描述单一建筑结构或城市地区结构的数据库来完成城市和室内场景中信道传输模型的计算，而WallMan提供了强大的图形用户接口允许用户编辑这两种类型的数据库。

利用该软件首先生成该楼宇的建筑模拟图，在每层布20个AP和90个探测点（DP），探测点主要用来检测信号强度等。通过探测点，根据室内的信道模型，使用WinProp软件可以得到整个楼宇内的接收信号强度分布和SIR分布情况。

无线规划的目标是合理地配置无线接入点，在保证用户接收信号水平的前提下，以最少的AP来覆盖整个规划区域。因此下一步需要设计该建筑物内所需放置的AP个数和位置。

通过仿真可以得到放置AP数目与所覆盖的DP数目的关系图，当整座建筑放置15个AP时，无线信号已经能够覆盖450个DP。

因此，在整栋楼宇中布置15个AP，并用仿真得到此时的无线信号接收功率和SIR情况，分别如图4和图5所示。

图4 放置15个AP时接收信号强度分布

图5 放置15个AP时SIR分布

从图4和图5可以看出，当放置15个AP时，无论是无线信号接收强度还是SIR确实覆盖了整座建筑物。同时，还可以用仿真来规划无线信道的分配情况，在802.11中，通常分配互相正交的信道之一给不同的AP，即信道1、信道6和信道11，图6显示了该楼宇中不同AP所分配的信道情况。

仿真结果表明，本文的配置方案可以用较少的无线AP来完成建筑物的无线信号覆盖，满足用户的通信要求。

图6 15个AP所分配的信道情况

5 网络监控

运行于每个AP上的监控程序每分钟向监控服务器报告其状态。图7给出了位于该模拟建筑物的Mesh网的一个快照，其中共有3个Mesh网，它们处于不同的信道，并以不同的颜色标识。蓝色的Mesh A包括6个AP，从3楼覆盖到5楼；绿色的Mesh B由8个AP组成，从1楼延伸到5楼。红色表示跨建筑物的Mesh C。每个Mesh网只有一个边界AP连接到外部网络。图中AP间的虚线表明了直接相邻的节点，即在路由表中的一跳节点。尽管在WiFi Mesh网中，由于802.11共享媒介的缘故，数据速率随着跳数的增加下降得很快，各种测试和演示仍成功完成。

图7 Mesh网的监控界面

6 结束语

无线异构网络代表无线移动系统的演进趋势。本文面向展会园区的信息服务，针对复杂环境下的RFID识别和实时数据采集分析应用，采用WiMAX＋WiFi Mesh无线接入技术，实现了基于无线异构网络的RFID信息平台和智能监控，同时该异构网络也可为具有不同QoS要求的无线通信业务需求提供灵活、可靠、及时的接入服务。

[1]Alcatel-Sbell. ALCATEL 7387业务配置和测试工具, 2006

[2]Alcatel-Sbell. ALCATEL 7387系统维护手册, 2006