无线网络深度覆盖技术在石窟寺保护利用中的运用以敦煌莫高窟为例 王龙珍,孙志军,杨 静,那 刚,胡海旭,庄生文,沈海博[1． 敦煌研究院文物数字化研究所,甘肃酒泉 736200;2． 国家古代壁画与土遗址保护工程技术研究中心(敦煌研究院),甘肃酒泉 736200;3． 古代壁画保护国家文物局重点科研基地(敦煌研究院),甘肃酒泉 736200;4． 甘肃省古代壁画与土遗址保护重点实验室(敦煌研究院),甘肃酒泉 736200;5. 敦煌研究院艺术研究部,甘肃酒泉 736200]0 引 言莫高窟于2011年建成了分布整个南区的无线网络由于莫高窟洞窟是以不同规则分布在凹凸不一的崖面上因此,在部署AP(无线访问接入点,Wireless Access Point)无线覆盖时为确保文物安全与整体景观不受影响,AP均因地制宜安装在洞窟前绿化区域的安防灯杆上尽管AP采用了较大增益的天线,但还是存在较多盲区,尤其分布在一层和最高层的洞窟最为明显经检测目前莫高窟98%的洞窟内部都检测不到WiFi(无线保真,Wireless Fidelity)信号,只有70%的洞窟在门口可以检测到WiFi信号,但能够用于通信的却不到40%。
依据莫高窟无线网络AP安装与分布数据(表1)可知,AP整体距离洞窟较近而且莫高窟崖体高度在10～45 m之间同时AP的分布间距大多较远,部分已超过100 m以上是实现莫高窟无线网络全覆盖的最大问题[1]表1 莫高窟无线网络AP清单及分布间距(续表1)目前,莫高窟在文物保护利用中需要无线网络进行数据传输的主要业务涉及文物预防性保护、文物数字化、智慧石窟等如何确保上述业务数据传输的连续性与完整性是非常关键的问题结合莫高窟现场环境,依据窟形结构与洞窟分布位置选择具有代表性的洞窟,在不影响文物赋存环境的前提下,研究选择一种无线网络深度覆盖技术,实现纵深较长存在盲区的洞窟进行无线网络深度覆盖,满足文物保护利用工作中数据传输对无线网络的需求,确保数据传输的连续性与完整性构建的无线网络深度覆盖数据传输平台,不仅为莫高窟实现所有洞窟无线网络全覆盖提供理论依据与实践指导,同时能够为其他石窟寺无线网络全覆盖提供技术参考1 莫高窟无线网络数据传输存在的问题1．1 预防性保护数据传输莫高窟预防性保护中温湿度、二氧化碳、位移监测等传感器采集的数据通过433 MHz无线通信自组网将数据上传至环境监测数据转发网关,再通过WiFi网络将数据上传至莫高窟环境监测云平台。
433 MHz自组网的优势是无线信号的穿透性强、能够传播得更远,缺点是网络安全可靠性差,环境干扰大且传输速率较低因此,一些需要WiFi直接传输的传感器在洞窟内无法运行另外随着监测传感器种类的增多使用WiFi数据传输的传感器将越来越多,采用433 MHz的自组网势必会由大带宽低延时的WiFi网络所取代[2]随着旺季游客数量的增多,在游览线路设置了基于二维码、小程序、APP等模式的莫高窟宣传信息与互动节目游客在使用这类服务或通过移动终端冲浪时,不仅游客体验差,而且环境监测数据转发网关需要通过WiFi网络上传的预防性保护数据会出现丢包甚至中断等现象1．2 智慧石窟数据传输在智慧石窟建设中,由于洞窟内部没有WiFi网络,因此在主题直播、AR(增强现实技术,Augmented Reality)、VR(虚拟现实,Virtual Reality)、AI(人工智能,Artificial Intelligence)等技术应用数据的传输,大多采用临时线缆部署无线AP或采用华为5G CPE(客户终端设备,Customer Premise Equipment)将无线信号覆盖至洞内部在AP设备部署过程中临时线缆敷设与取电都有着一定的难度,而且影响整体景观;华为5G CPE等设备虽然方便,但高昂的通信费用不适合长期使用。
1．3 文物数字化数据传输洞窟内部数字化过程中针对前端图像采集,需要后期图像处理工作人员到现场进行图像信息的校对与检查无法通过无线网络将采集数据实时上传至服务器,实现后期工作人员或受邀专家在办公室或异地进行图像等信息的校对与检查工作[3]莫高窟保护利用工作中已出现上述列举的无线网络数据传输问题为了更好地解决上述问题,实现业务数据的高效无损传输可以研究应用无线网络深度覆盖技术,确保在不影响文物赋存本体与整体景观的前提下,解决无线网络无法全覆盖的问题2 无线网络深度覆盖技术选型分析目前,常见无线网络深度覆盖技术的应用,大多采用基于Bridge与WDS(无线分布式系统,Wireless Distribution System)的桥接技术实现其中Bridge是无线设备实现网桥建设的重要功能,属于早期无线设备常用的无线网桥组网技术,大多用于点对点方式实现网络桥接,可以利用无线设备实现两个局域网之间的连接[4]WDS最初用于无线基站之间的通信,在无线技术广泛应用的背景下,应用于家庭和企业无线设备的连接,可以将两个或多个无线设备连接在一起,扩大无线覆盖范围[5]通过对两种桥接功能的分析,Bridge无线桥接只能实现无线网络的一个对一个连接,而WDS可以完成一个对多个无线网络体系结构的构建。
WDS能够通过其他Radio覆盖本地区域,不仅配置简单,而且更安全,可以轻松实现无线信号覆盖范围的扩展与延伸[6]WDS的桥接特性充分满足了莫高窟无线网络深度覆盖技术的需要,能够实现莫高窟保护利用数据通过无线网络安全可靠地传输3 无线网络深度覆盖技术试验设计与实现3．1 试验场景选择莫高窟南区建筑形制主要分类有覆斗顶窟、中心塔柱窟、殿堂窟、人字披顶窟、平顶窟、盝顶窟、通顶大佛窟、拱形顶窟、穹隆顶窟与横券顶窟等[7-9]通过对窟形建筑结构的分析,满足大空间、大纵深、无线覆盖难度大且具有代表性的窟形为殿堂窟殿堂窟一般具有较长的甬道且空间较大,中间设佛坛,佛坛后有背屏,背屏对无线信号的遮挡与中心塔柱窟的塔柱类似殿堂窟的建筑特性决定无线网络的覆盖难度相比其他窟形更大,因此选择殿堂窟作为试验场景采用AirCheck无线网络测试仪与无线智能终端测试软件相结合的方式,对莫高窟殿堂窟周边无线网络覆盖情况进行检测,根据信号强度、信噪比等参数的检测数据分析试验场景最终选择了位于莫高窟一层的61号洞窟由于61窟所处特殊位置只能接收到斜对面安防灯杆上部署的AP发射的微弱WiFi信号,并且在旅游旺季时61窟又是调峰与应急洞窟。
在61窟前游客排队等候时,WiFi信号无法满足部署在洞窟门口的介绍洞窟内容的二维码扫描识别与信息传输,同时会出现环境监测传感器数据无法上传等现象61窟拥有莫高窟保护利用工作中环境监测、文物数字化、智慧石窟等各类业务对无线网络的需求,具有一定的代表性因此,课题组选择了61号洞窟作为试验场景,61窟地理位置分布示意图如图1所示图1 莫高窟61窟地理位置3．2 结构设计与部署图2～5为本设计的部分部署实景和示意图根据莫高窟61窟周边环境与现有WiFi信号勘测,课题组研究决定将莫高窟部署在15号灯杆的无线AP1作为宿主基站,位于61窟对面的16号灯杆部署AP2作为中间节点,61窟防护门北侧部署AP3作为接入节点,无线桥接结构示意图如图4所示三处AP间均通过5.8 GHz频段进行无线信号桥接,同时三处节点采用2.4 GHz进行本地WiFi覆盖,满足AP本地无线终端用户的接入需求三处节点只有AP1接入光纤作为数据传输介质,其他AP2、AP3均未接入光纤等通信线缆61窟周边AP部署分布图如图5所示接入节点与中间节点AP部署图如图2所示,61窟接入节点AP天线安装分布图如图3所示为了提高接入节点AP的WiFi信号接收效率,在洞窟门框内外两侧部署两组天线,分别用于桥接中间节点与洞窟内部无线信号覆盖。
在门框两侧部署AP天线,其高度一方面避开接入节点与中间节点通信时障碍物的阻挡另一方面不仅避免金属门的屏蔽作用,而且其金属材质对无线信号有增强与放大作用同时接入节点向61窟前及窟内辐射WiFi信号时不受参观游客身体对无线信号的阻挡,提高了无线信号连接的稳定性图2 接入节点与中间节点AP部署图图3 接入节点AP天线安装分布图图4 无线桥接结构示意图图5 安防灯杆分布示意图3.3 试验环境搭建与数据传输流程分析本试验环境应用莫高窟现有AC+FIT AP无线部署结构,所有AP配置信息均由无线控制器AC后端统一下发AC中配置AP1为RootAP模式并配置用于桥接的SSID、接入秘钥、连接频段(5.8 GHz)、桥接半径(200 m)等参数,为确保桥接信号的安全性启用了SSID(服务集标识符,也可称为无线网络名称,Service Set Identifier)隐藏功能;配置AP2为RootAP、ClientAP两种模式,通过RootAP模式与AP1连接,通过ClientAP为AP3发布桥接信号;配置AP3为ClientAP并指定桥接中继点为AP2的MAC(媒体访问控制,Media Access Control)地址,避免桥接到非AP2辐射的相同SSID。
3台AP的SSID、接入秘钥、连接频段、桥接半径等参数一致为无线桥接5.8 GHz频段信号部署专用密码,确保无线网络深度覆盖应用的安全性与可控性桥接建立完成后AC中可以看到连接成功的运行状态,根据无线网络连接需求,通过AC给桥接组AP本地及延伸端制定并下发SSID、接入秘钥信息等本试验环境在原有1个无线AP覆盖WiFi网络的基础上,增加了2个无线AP,扩大了覆盖范围桥接组AP与其他AP在AC中下发SSID等信息的操作模式基本一致,对于无线终端用户连接桥接组AP与其他AP没有任何区别无线网络深度覆盖设备连接建立流程示意图如图6所示根据业务类别在无线控制器中配置下发相应的SSID至三处桥接节点AP,无线终端经过与接入AP的probe request、probe response、Authentication、Association、Dhcp(动态主机配置协议,Dynamic Host Configuration Protocol)获取IP(网际互连协议,Internet Protocol)地址等过程建立连接,从而接入局域网进行正常数据交互图6 无线网络深度覆盖设备连接建立流程示意图4 WiFi信号检测参数及计算方法4.1 检测点位莫高窟在砂砾岩上开凿而成,砂砾岩不仅会阻挡无线信号,而且会吸收无线信号。
为了更为接近61窟不同位置对无线网络的使用需求,精确地检测61窟无线网络深度覆盖技术应用前后的各项指标按照61窟建筑结构分别在甬道、佛坛四周、背屏后等多个区域划分检测点位进行检测,如图7所示图7 61窟无线信号检测点位分布图4.2 检测设备根据无线网络深度覆盖检测参数需求与莫高窟现场环境,选择AirCheck无线网络测试仪、WiFi魔盒APP、Speedtest APP为检测工具WiFi信号的检测选择AirCheck无线网络测试仪为本次无线网络深度覆盖试验中无线网络指标测试工具,WiFi魔盒APP用于辅助验证AirCheck无线网络测试仪检测数据采用SpeedtestAPP对WiFi信号的传输性能进行检测4.3 检测参数1) S(SIGNAL):信号的有效功率,dbm;采用AirCheck无线网络测试仪测定,WiFi魔盒APP验证2)N(NOISE):噪声的有效功率,dbm;采用AirCheck无线网络测试仪测定,WiFi魔盒APP验证3)SNR(signal-to-noise ratio):信噪比,dbm;采用AirCheck无线网络测试仪测定,WiFi魔盒APP验证4)下载速率,Mbps;采用SpeedtestAPP测定。
5)上传速率,Mbps;。