光载无线交换机的设计与研发探索

0 引言

随着智能化建设对通信需求的不断提高，企业和教育行业对物联网交换设备的性能和安全性需求也不断加剧，物联网交换设备的性能问题已成为制约物联网技术发展的一个急需解决的问题之一。研究表明，导致物联网交换设备性能不好的原因在于没有针对物联设备信息进行很有效的分析，设计原理不合理，技术代码的通用性不强。随着大数据和物联网等技术的发展，通过研发光载无线交换设备，将相关设备进行互联，从而解决物联网交换设备的性能和安全性技术问题。

目前很多企业内部建立物联网传输网络平台，实现机器间设备联网的主要解决方案是以有线以太网及串口通信技术为依托组建的企业级传输网络平台。然而，现有的企业线有线以太网存在一些技术弊端[1]，比如：

在网络施工和布线方面比较困难，尤其是当建筑物已经建成并使用后，再进行网络施工布线；信息化的无线网络平台不统一；网络节点设备多且杂，维护困难，可靠性和安全性较差[2]；不能灵活分配信道资源，统一管控功能差，从而造成网络升级与扩容困难；网络协议和通信制式各自独立，造成信息孤岛；等等。

项目从云桌面的智慧教育信息服务的需求出发，研究和开发满足智慧教育云平台需求的光载无线系统设备。项目基于目前广泛采用的宽带无线局域接入技术、光纤传输技术和无线传感器网络技术，通过软件控制无线电、射频交换、高线性模拟光纤传输以及无线传感器等新技术的采用[3]，极大的拓展WiFi技术的使用范围，实现监测数据的无线感知、WiFi光载无线信号的路由、分配和光纤分布。

本项目研究和开发满足智能化通信需求的光载无线系统设备，研发设备所需WiFi无线收发芯片、模拟调制光收发模块、DSP控制芯片、工业级无线收发天线以及无线传感器等都已广泛商用，可以实施低成本采购。本项目通过新技术的引入，系统实现了更高性能和更强功能的集成。该系统设备可用于远程监控和管理于一体的无线物联网平台。同时该系统设备融合了光纤通信技术、WiFi无线通信技术、RFID射频识别技术[4]，也可融入嵌入式Web设备服务器等于一体，从而实现了计算机、通信和控制的融合。

在项目中期的目标和设计框架下，课题主要研究内容可以概括，瞄准一个研究“目标”，即针对宽带无线接入与物联网的教育云平台应用需求，开展新一代物联网信息平台与应用技术研究；解决三类“关键问题”，即分别针对交换及控制，传输及网络和管理与应用等三个方面的关键问题开展相关研究。

飞瑞敖公司作为一个先进的产学研基地，南昌职业学院于2016年开始与该公司进行校企合作，进行了无线光载交换机的研发。

1 光载无线交换机技术原理和结构设计

1.1 WiFi光载无线交换机技术原理

本项目立足目前广泛采用的WiFi无线接入技术，通过无线传感器网络感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，通过使用本项目研制的光载WiFi系统设备，实现监测数据的接入及回传，提供WiFi射频信号的大范围的射频交换、分配和光纤分布。如图1，项目成果将极大地拓展WiFi无线接入技术的使用范围，实现覆盖区域设备的实时监测、复杂环境下监测数据动态灵活的接入与调控[5]。

图1 光载无线交换机的控制管理模型图
Fig. 1 Control and management model diagram of wireless optical switch

未来应用可推广到智能大厦、工业自动化、物流管理、数字医院、环境监测和灾难预防等各个领域，主要应用方向如下：

（1）动态灵活的高速数据区域接入与调控；

（2）物资人员的监控与定位,实现网络化物流跟踪；

（3）工业环境的监测与管理, 实现一体化企业管理；

（4）故障的预诊断，重大灾难的预防与报警, 实现无线化企业监控；

（5）工业设备的控制与监督, 实现工业化和信息化的融合。

为了满足物联网的安全性和可扩展性以及灵活性，我们将多个光纤分布系统、无线WiFi局域网、RFID频率识别和嵌入式Web设备服务器技术等集成在一起，构建基于802.11 WiFi标准的无线物联网平台。它与目前使用的通信平台和有线网结合、补充，以实现新的物联网架构。

1.2 WiFi光载无线交换机结构模型设计

由项目团队研究开发的核心设备（光载无线交换机），即光载无线信号分布式系统，可以提供广泛的WiFi射频信号光纤分布，并通过该网络感知、收集和处理无线传感器网络覆盖[6]区域的感知对象信息。实现实时监测、监测数据动态灵活的接入与调控。

WiFi光载无线交换机的结构模型如图2所示。该系统由五个主要组成部分：

2 频交换技术

如图3所示为频交换技术结构图，每个覆盖区域的信号带宽（射频资源）要求实行动态分配，那么对频点进行动态切换（即动态配置）可通过射频切换交换模块实现。以WiFi信号为例， WiFi-1、WiFi-6、WiFi-11为无线路由器中的频点(非重叠)，当某区域信道不够用时，那么，可以通过射频交换将空闲区的频点转换到繁忙区域，从而增加繁忙区域的频谱资源[7]。这种动态的带宽分配极大的优化了系统带宽资源，同时也带来了一些技术难题。如三个频点同时调制到单波长后，其非线性必然增加，另外需要在终端处利用滤波器将三个频点隔离开来，增加了终端的复杂度。这些技术难点是本课题的研究重点。

图2 光载无线交换机的结构模型
Fig. 2 Structure model of optical wireless switch

图3 射频交换技术结构图
Fig. 3 Structure diagram of RF switching technology

3 基于WiFi-RoF网络的室内定位技术

近年来，随着物联网的发展，关注室内定位技术的越来越多，不同的定位方式也随之产生。在此个过程中，因为室内存在多径效应和不可视距离的传输，所以多径信号到达接收端的过程中，就会有不同的入射角和时间延迟[8]。由此产生的基于信号达到时间定位法的误差，是不可预测的；由此产生的基于信号达到角度定位法的误差，也是不可预测的。如果要求高精度的时钟，就会产生昂贵的费用。相比之下，基于低成本、实用性高的接收信号强度（RSS）的室内定位法，它不需要增加定时设施，从而得到了业内很多人员的关注与研发。

WiFi-RoF网络的室内定位方法是本课题研究和方向，包括面向WiFi-RoF网络系统的室内传输模型，采用RFID/ZigBee技术的基于RSS的室内定位方法[9]，如图4所示。

图4 面向室内/室外定位应用的光载无线系统结构图
Fig. 4 Optical wireless system structure diagram of indoor / outdoor positioning applications

4 面向WiFi-RoF网络系统的室内传输模型

基于RSS的室内定位方法分为两阶段：离线阶段和在线处理阶段。前者，搜集不同地点的RSS值，建立RSS值数据地图；后者，测量目标地点RSS值，与数据地图比较采用合适的定位算法求出其位置信息。为了降低前一阶段的人力及时间消耗，准确的室内传输模型显得尤为重要。

传统的室内定位系统，采用现有的无线网络架构，以WiFi技术而言，典型应用是多个屋子或是几个家庭共用一个WiFi路由器。因此，传输模型要考虑不可确定的墙壁或是楼层的衰减。但是采用WiFi-RoF网络架构后，远端天线单元较传统网络中的路由器更接近用户端，可以在一个房间放置一个远端天线单元。

我们针对WiFi-RoF无线定位技术，搭建可预测的无线室内传输模型，是本课题研究的子区域。为了增强模型的定位准确，我们考虑到具体的介质损耗，并通过划分子区域来实现[10]。该模型建立包括三部分：

①通过划分子区域，将室内结构布局相似或相同的区域划分为同一子区域，降低室内环境的复杂度[11]。

②通过考虑具体各介质损耗，构建各个子区域的室内传输模型，增强模型准确可测性。

③综合各子区域室内传输模型，构建面向WiFi-RoF网络的室内环境传输模型。该模型不仅提高了RSS值预测的准确性，而且还可以降低建立数据地图阶段的人力及时间成本[12]。

5 基于RSS的室内定位方法研究

①支撑物联网的网络架构，本课题拟采用光载无线网络，光载无线网络对无线信号是透明传输[13]。针对室内定位采用了不同技术加以实现，也正是借助于该网络架构。本课题前期的研究拟采用ZigBee技术，或者拟采用RFID技术来完成。

②基于RFID的定位系统利用标签对物体的唯一标识特性，依据读卡器接收到的电子标签发送的信号，采用基于RSS的定位算法来获得电子标签的位置信息。

③基于ZigBee的定位系统可以通过参考节点网络布设来实现对待测区域的覆盖，参考节点通过基于强度定位的RSS技术探测出与待定位节点之前的距离，通过合适的算法计算出实际位置信息。

通过基于RSS定位法和室内传输模型的研究与实现，将更有利于在物联网信息平台上开展室内定位业务，让光载无线传输与交换技术充分在物联网信息平台上发挥作用。

6 MAC协议的研究与管控软件开发设计

因该系统不涉及网络层相关技术，而是重点针对WiFi等射频信号的光纤-同轴电缆的混合信号分布，所以仅需对媒介访问控制（MAC）层进行研究，其中研究的内容是光纤链路上的时延和多波长控制协议两者所带来的协议变化。另外，在交换机中加入软件控制模块，目的是保证宽带无线接入的高可信，从而保障特定应用场合中的保密性和安全性要求[14]。

衔接逻辑链路层和物理层的纽带——MAC层，是数据链路层中的子层，一来为逻辑链路层提供服务；二来控制物理层的行为。具体地，由于网络终端设备同时访问某种网络资源时，可能出现访问失败，原因就是发生了信息碰撞，为此我们必须使用某种机制来决定资源的使用，这种机制就是MAC协议。MAC协议的控制策略对整个局域网络的性能（吞吐量、帧延迟时间等）来说是至关重要的。

CSMA/CA（CA，即 Collision Avoidance）协议，是WiFi媒体访问控制(MAC)层采用的一种协议，它提高了网络迟延性能和吞吐性能，是因为采用了冲突避免机制，减小了冲突碰撞发生的概率。该协议规定，在一个执行退避过程的竞争周期中，只有一个接入设备占用媒体，直到该接入设备完全发送出一帧数据。其基本接入过程如下：源接入设备在传输完一帧数据后，要求有一个确认应答。源设备会等待一个ACK Timeout时间间隔，如果在这个时间间隔内没有得到ACK应答，则该设备判断该帧传送失败，然后该设备在ACK Timeout的结束时刻开始它的退避过程。

将光载无线技术和无线局域网技术结合，会在远端节点和WiFi接入点（AP）间插入一段长距离的光纤链路，这样势必会带来一段额外的传输延时，可能导致ACK应答迟迟传送不到源设备而造成ACK应答超时。为了增加系统的无线覆盖范围和光纤链路的传输距离，一个解决办法是增加无线和光纤链路上允许的最大传输时延。这样就会造成帧与帧之间的时间间隔增大，传输时间利用率降低，网络吞吐量降低。

因为光纤链路的优良的特性，本课题融合了无线局域网技术和光载无线技术，利用光纤进行混合传输，包括传输WiFi等其他射频信号。因此，为了达到整个网络的性能最优，我们需要研究WiFi等各种通信MAC层的协议，同时还要研究因光纤传输路径的不同，对无线传输带来的额外影响。

7 结论

本项目研发的“新一代物联网信息平台”可以应用于高校真实环境下的实验和实训、环境监测、高效物流管理、智能交通系统、智能楼宇（智能化小区和智能大厦）、农业信息化、医院等多个领域，是实现机器设备无线互联的重要形式，是实现物联网的重要网络架构。

宽带通信和无线网络技术的出现极大地改变了人类社会的生活形态，IP互联网、WiFi无线局域网已经融入我们的日常生活之中。目前，无线传感器与设备间的互联、无线网络与设备的融合，隐藏着巨大的商机，并创造了新的物联环境。在不久的将来，微处理器将全面支持网络，几乎为每个终端设备提供相互联接、相互通信的功能，从而延伸到人们的生活中。M2M(机器对机器通信，Machine To Machine)，在全球仍是新兴的热门无线通信技术，它将为我们创造一个无处不在的物联世界。