晚会灯光的技术

作者 沙晓岚 1 于福申 1 王志江 1 马礼民 2 叶剑辉 2 李毅斌 2 黄伟文 2 1 北京锋尚世纪有限公司 2 广州斯全德灯光有限公司 前言 当今数字化 无线网络化 智能化灯光技术的发展 让灯光师应用于舞台灯光的技巧越发 高超 国庆 60 周年的天安门广场联欢晚会 国内首次采用了无线网络系统进行智能化灯光控制 且控制 回路之多 控制区域之广居世界之最 应用国际尖端科技 大胆创新 突破了以往格局 在国家级规格的 大型广场文艺晚会上开创了中国专业灯光控制的先河 作为参与这次盛会的舞台灯光制作单位之一 北京 锋尚世纪有限公司和广州斯全德灯光有限公司获得了业界的好评 也赢得了北京地区庆祝建国 60 周年联 欢晚会筹委会的赞誉 本文以该晚会为例 对影视舞台大型综艺晚会无线网络灯光控制系统略作论述 Foreword With the development of digital technology wireless network and intelligent lighting technology stage lighting control techniques used by lighting designer become more skilled On China s National Day 60th anniversary of the Tiananmen Square evening gala it used a wireless network system intelligent lighting controls which is the first time for domestic The quantity of channels and region rank of control is the top of the world The application of international State of art science and technology and innovation bravely breaking the previous pattern Created a precedent in the field of China professional lighting control at national level specifications of large scale square evening gala Participating in this event as a stage lighting production unit Beijing Tiptop Century Co Ltd and Guangzhou Siquande Lighting Co Ltd are well reputed also won the praise of the 60th National Day celebration preparation committee of the Beijing municipal government In this paper for example of the evening gala we briefly discuss the television stage large scale variety show wireless network lighting control system 关键词 控制系统 无线网络 自适应波束赋形 免许可证频段宽带 非视距 SDMA 空分多址 传输 距离 带宽 盲点覆盖 吞吐量 抗干扰能力 标准规范 安全机制 接收灵敏度 适应环境条件 一 晚会需求状况分析 1 概述 图一 图一为现场晚会灯光效果图 由于白天首长阅兵车进出天安门以及坦克行经长安街 现场大部分铺光区域 与天安门东侧观礼台灯光控制中心点之间 存在着距离跨度大 难以布线施工 现场制约因素较多等问题 难以采用光纤 小型无线接收设备等方式传输 是这次晚会灯光控制的主要技术难题 对此我们设计了多 种方案去模拟现场环境作实地测试 同时 对设备的选用也提出了更高的要求 就是在这一环境里设备必 须要满足传输远 抗干扰能力强 性能稳定可靠 安全性能高等一系列要求 经过 2 3 个月的多次测试 广州斯全德灯光公司提出 选用高频的无线数据传输的方案来 解决国庆晚会灯光控制数据的组网传输是最合理的 同时也是最为可靠和经济的手段 无线数据传输网络 能够实现灵活 高效的实时传输 网络稳定可靠 安全性好 同时也很好地解决了施工难度和施工质量等 问题 便于现场的网络管理和维护 这一方案经多次测试数据结合实地环境检测 提交晚会筹委会讨论通 过 报国家无线电总局审核批准 在 8 月 30 日第一次预演中尝试成功 无线 设备得到国家无线电总局检验许可 晚会筹委会立刻决定 把灯光无线传送方案确定在国庆晚会灯光控制 的应用上 以天安门东侧观礼台位置的控制台为中心点 与天安门两侧观礼台面光区域 天安门广场灯光 区域 人民大会堂东侧 北侧和楼顶灯光区域 历史博物馆西侧 北侧和楼顶灯光区域相互连接 并采用 基于以太网的传输方式传输控制数据 2 需求分析 1 晚会环境分析 天安门两侧观礼台面光区域 广场灯光区域与中心点是视距环境 距离约 300 500 米 人民大会堂 东侧 北侧 以及历史博物馆西侧 北侧与中心点之间不可视 被浓密绿化带和大型 LED 屏阻挡 距离约 500 800 米 由于这些位置安装设备不可能架高 因此设备直接架设在距地面 2 3 米的支架 上 这就需要很好地体现无线网络设备的非视距传输性能 楼顶的灯光区域通过架设一个无线远端站 与 地面广场区域的灯光同时通过无线传输来获得控制数据 同时 在安保工作方面 提高了对无线网络传输 设备的抗干扰能力的要求 所以必须既要克服外界设备干扰的同时 又要充分发挥出该设备的高抗干扰能 力的性能 2 晚会无线传送设备需求定位 60 周年国庆联欢晚会的无线网络灯光控制数据传输 传输控制所有灯光区域的数据 对系统的稳定 传 输速率 网络安全都提出了很高的要求 保证了系统全程使用稳定可靠 冗余度高 数据传输高效迅速 有很高的安全保障 经过详细分析 该无线网络系统应具备如下特点 便捷性 只要选取各区域地面合适的位置就可架设 采用组合全向天线的模式 不需要调整任何角度 信 号以无线电波的方式传输 稳定性 具备电信级的稳定 保证良好的网络通信质量 保证无线网络系统的长期连续稳定运行 安全性 支持 WEP WPA WPA2 802 1x RADIUS 等丰富的加密方式 保证网络通信的安全 保证 用户的网络安全性 高品质 采用高品质无线产品 保证非视距传输质量 具有很强的抗干扰能力 系统保证满足各灯光区域 的网络带宽需求 并具有一定的冗余配置 维护性 在网络上可对任何无线节点进行集中管理和维护 便于报警和排障 经济性 系统可通过尽量少的 Wi Fi 蜂窝基站 而取得最满意的网络传输效果 具有较高的经济型 3 无线设备具备的标准原则 根据晚会现场的具体情况 在网络设计中 我们遵循下列标准原则 1 先进性原则 采用先进的设计思想 选用先进的网络设备 使网络在今后一定时期内保持技术上的先进性 2 开放性原则 网络设计及网络设备选型遵从国际标准及工业标准 使网络具有高度的开放性和所提供设备在技术上的兼 容性 3 可伸展性原则 网络设计在充分考虑当前情况的同时 必须考虑到今后较长时期内技术应用发展的需要 留有充分的升级 和扩充的可能性 充分利用现有通讯微波资源 为以后扩充到更高速率提供充分的余地 另一方面 还必 须为网络规模的扩展留有充分的余地 4 安全性原则 网络系统的设计必须贯彻安全性原则 以防止来自网络内部和外部的各种破坏 贯彻安全性原则体现在以 下方面 1 设备采用的是扩频技术 2 提供了射频信道的加密 3 用户可以通过设置自己的网桥或另加独立加密设备实现更高的安全性 4 具备网络内部对资源访问的授权 认证 控制以及审计等安全措施 防止网络内部的用户对网络资源的 非法访问和破坏 5 可靠性原则 网络系统的设计必须贯彻可靠性原则 使网络系统具有很高的可用性 可靠性原则体现在以下方面 1 选用技术先进 软件成熟 高可靠性的网络设备 2 系统增益储备高 3 链路的可维护性好 6 可管理性原则 网络系统应具有良好的可管理性 使得网络管理人员能方便及时地掌握诸如网络拓扑结构 网络性能统计 网络故障等信息 能简便地对网络进行配置和调整 确保网络工作在良好状态 二 晚会无线网络系统方案设计 1 无线网络方案设计 根据国庆 60 周年联欢晚会灯光控制数据传输网络的具体要求 我们提出以下方案设计 无线传输系统中 采用 WBS 5800 基站和各远端站的位置如图二所示 图二 1 基站放置位置 在天安门东侧观礼台中心点位置的灯光塔架上安装 3 台 WBS 5800 基站 图三 2 晚会四部分灯光区域共划分 12 个点位 分别架设 Wavion 无线远端站 与中心点的基站无线连 接 其中 1 天安门广场内部配置 3 个点位 图四至图六 图四 图五 图六 2 人民大会堂东南侧 东北侧 北侧 楼顶划分为 4 个点位 图七至图九 图七 图八 图九 3 历史博物馆西北侧 西南侧 北侧 楼顶划分为 4 个点位 4 天安门西侧观礼台面光区域 灯光塔架 划分 1 个点位 2 无线网络设备选型 1997 年美国 IEEE 推出了 802 11 无线局域网 2Mbps 标准后无线局域网并未得到普及 而 1999 年 802 11b 技术的出现使得的无线局域网的速率可以到达 11Mbps 由于技术成熟以及移动终端的普 及使无线局域网的市场不断扩大 随之而来的新的标准如 802 11g 802 11a 又将无线局域网的速 率 提到了一个新的高度 使之完全可以满足复杂的室内外环境部署以及高带宽媒体应用的需求 中国的无线局域网在 2003 年得到了充分的发展 主要体现在以下几方面 无线局域网芯片的规模化生产 使得其产品的市场价格为大多数消费者所接受 进一步扩大的用户市场 从而形成了良性循环 无线局域网络技术的进步 尤其是成熟的 802 11g 产品的推出 使得新的无线局域网环境既满足了 用户对高带宽媒体的应用又兼容现有的大量的 802 11b 用户 国际互联网运营商大量的部署无线局域网热点以及对该业务的推广 使得无线局域网的概念在大用户群中 已经取得了一定的普及 为进一步扩大热点的用户市场打下了有力的基础 移动客户端如便携电脑 PAD 等产品的不断的普及 使得通过无线局域网上网的业务需求不断扩大 2000 年 Wavion 产品 凭借独有的空间自适应波速赋形专利技术 推出了具有超强覆盖和接入能力的 免许可证频段宽带无线接入的完美解决方案 经过详细分析和充分考虑 我们采用 Wavion WBS 5800 SCT 基站来实现国庆晚会灯光控制数据的无线传输 网络 Wavion WBS 5800 SCT 基站 5 8GHz 免许可频段的技术领先型 WiFi 无线宽带基站 基于 3 根天线 组成的智能天线阵列以及 3 套射频发射装置 以 Wavion 专利的 BeamForming 空间自适应波束赋形 技 术为手段 WBS 5800 WiFi 桥接基站可以工作在 LOS 视距 或者 NLOS 非视距 环境下 并提供更大的覆盖范围以及更稳定的无线连接 除此之外 Wavion 独有的领先技术 SDMA 空分 多址 技术可以使 802 11a 的带宽容量成倍增加 对于运营商 政府以及企业客户等来说 这些在无线业 内最领先的技术特点使得我们在使用很少数量 WBS 5800 SCT 基站的情况下就能够提供高质量的 WiFi 服务 这不仅能够节省设备的投资费用 其带来的管理上的便利更是具有深远意义的 基于 Wavion 独有的业内最先进的空间自适应波束赋形技术和兼容当前市场所有在售客户端 WiFi Card 的 能力 WBS 5800 SCT 基站将在提升 WiFi 覆盖范围 带宽容量 室内穿透力以及强干扰环境 下工作等关键性能点上具有显著的效能 Wavion Base Station 5800 这将使运营商可以提供低 成本投资的高质量服务 可以避免陷入因为投资成本过大而降低服务质量的恶性循环 3 方案设计依据 Wavion WBS 5800 的多项先进专利技术决定 了其超强的技术性能 与传统的高端网桥相比具有 以下优势 超强传输能力 提供至少 x 3 倍的距离 x 9 倍的面积 x 6 倍的容量 超高接收灵敏度 105 5dBm 目前市场上其他较好 的设备最多能达到 94dBm WBS 5800 超过其 11 5d Bm 通常 6dB 代表着传输距离增加一倍 发射功率仅为 19dBm 不足 100mw 带来最高 42dBm 的等效输出功率 超强抗干扰能力 智能天线阵列可有效控制对干扰信号的接收以及有效控制发射信号对其他设备的干扰 因此在终端非常密集的极端情况下 同一点或者同一方向可以放置多台设备来扩容巨大的客户数量而不会 产生干扰 1 Beamforming 智能天线功能优势 根据终端位置以及信号传输路径确定通信地址 产生多路径高增益定向点波束 指向终端所在位置 发射和接收时均智能自动合并多路径信号 智能高增益波束的多路径发射接收带来优秀的深度非视距功能 区别于普通全向天线 智能天线产生的定向点波束自动避开经过干扰信号的路径 图十一 2 SDMA 空分多址技术优势 同频点并发与众多客户真正同时通信 区别于 TDMA 同频点多信道并发 极大提高频点利用率 SDMA 技术使带宽容量成倍增长 自适应波束赋形技术可以提供峰值带宽所 需的增益 图十二 通过实际的测试可以发现 一块普通笔记本电脑内置的无线网卡 可以通过 4 栋宿舍楼的遮挡仍然稳定高 带宽通信 无论任何复杂遮挡干扰环境 均可至少有效传输 500 米 而采用室外型 CPE 最远可达 15KM 以 上 4 方案配置说明 根据下列国庆 60 周年联欢晚会灯光控制数据无线传输网络详细配置 可以满足晚会灯光控制数据传输的 需求 设计共采用 3 台 Wavion WBS 5800 基站和 12 个远端站 CPE 实现晚会灯光控制数据无线传输 1 采用 3 台 WBS 5800 基站 以全向 360 的方式连接 12 个远端站进行无线传输 WBS 5800 基站带宽采用业界最先进的 BeamForming 空间自适应波束赋形 技术 以及独有的领先的 SDMA 空分多 址 技术 通过 6 套智能天线阵列射频发射装置 提供显著高于普通无线 AP 的更大传输范围 具有优秀 的非视距传输能力和室内穿透力 无线传输网络链路质量 传输距离 非视距能力和稳定性都处于业界领 先水平 2 利用独有领先的 SDMA 空分多址 技术 以及强大的非视距传输能力 WBS 5800 基站优秀的抗干 扰能力等一系列独特的技术 保证强健的无线网络通信 3 台 WBS 5800 基站连接范围相互交叉 可以满 足所有灯光区域的数据传输需求 Wavion 无线传输网络在远距离 点对多点 高带宽 非视距的传输应 用环境中 以更为经济的架构 整体提高了无线网络的效率 3 WBS 5800 基站在网络接入上通过 5 类网线连接中心点交换机 接入控制台所在的网络 远端站 CPE 同样通过 5 类网线连接灯光控制解码器或交换机 4 WBS 5800 基站的具体安装位置在中心点灯光塔架顶部 高约 10 米左右 而各点位的远端站 CPE 的安装 由于晚会场地的限制 基本采用在地面支架上安装的方式 高度约 2 3 米 WBS 5800 基 站和远端站 CPE 通过专用卡具固定 基站天线要求垂直向上 5 WBS 5800 基站具有优秀的电信级别无线通信基站的稳定性和可靠性 采用 IP 67 的平台耐用等级 和全室外设计 保证系统的长期稳定运行 WBS 5800 基站通过 POE 方式馈电 安装时对基站设备只需通 过一根网线 10 100Mbps 连接 POE 电源可以在机房接入交流电 也可以安装在其它合适的位置接电 三 灯光系统方案设计 先进 合理 可靠的无线网络灯光控制系统和具有现代科技水平的灯具和器材 是保证国庆联欢晚会灯光 照明系统总体设计目标得以实现的前提条件 针对现场的情况 灯具 灯位的合理配置是充分体现灯光设 计水平的重要标志 图十三 本设计舞台灯光灯位布置共划分 4 个大区域 以天安门城楼东观礼台 西观礼台为面光区 人民大会堂 国家历史博物馆 人民英雄纪念碑广场区位构成全方位布光阵列 天安门广场国庆晚会布光图如下所示 图十四 1 面光系统设计配置 面光主要用于照亮舞台前部表演区 对舞台上的表演者起到正面照明的作用 供人物造型用或使舞台上的 物体呈现立体效果 面光由天安门城楼东 西观礼台搭起的面光架组成 采用 45 支新型的 7KW 探照灯 根据投光距离进行调 焦和布光 保证面光灯投射的效果达到 光斑均匀 照度一致 西观礼台分布有 wavion 无线接收远端站 1 个 TINHAO S8 信号放大器 1 台 2Port Node 网络节点 1 台 东观礼为灯光控制台所放置处 由两张 MA 控台作主控 TINHAO S8 信号放大器 2 台 2Port Node 网络节点 1 台 交换机 3 台 无线基站发射端 3 个 如下图无线基站所在东观礼的安装位置 图十五 2 人民大会堂立面设计配置 大会堂立面的网络信号柜 配电柜 灯具分布 分为 3 个区域 楼顶 东侧立面 东南 正东 东北 北侧立面 大会堂楼顶分布有 wavion 无线接收远端站 1 个 TINHAO S8 信号放大器 1 台 2Port Node 网 络节点 2 台 交换机 2 台 72 支 7KW 探照灯 东南立面分布有 wavion 无线接收远端站 1 个 TINHAO S8 信号放大器 3 台 NET512 网络节点 3 台 交换机 1 台 7KW 探照灯 15 支 Citycolor12 支 珠江 WASH12 支 LED250 支 MAC2000 72 支 正东立面有 MAC2000 48 支 Citycolor26 支 东北立面分布有 wavion 无线接收远端站 1 个 TINHAO S8 信号放大器 3 台 NET512 网络节点 3 台 交换机 1 台 MAC2000 72 支 珠江 WASH12 支 北立面分布有 wavion 无线接收远端站 1 个 TINHAO S8 信号放大器 3 台 2Port Node 网 络节点 3 台 交换机 1 台 VL3500 32 支 7KW 探照灯 12 支 珠江 WASH48 支 图十六 3 国家历史博物馆立面设计配置 国家历史博物馆立面的网络信号柜 配电柜 灯具分布分为 3 个区域 楼顶 西侧立面 西南 正西 西 北 北侧立面 北东 正北 北西 国家历史博物馆楼顶分布有 wavion 无线接收远端站 1 个 TINHAO S8 信号放大器 2 台 2Port Node 网络节点 2 台 交换机 2 台 共有 72 支 7KW 探照灯 西南立面 分布有 wavion 无线接收远端站 1 个 TINHAO S8 信号放大器 4 台 NET512 网络节点 3 台 交换机 1 台 5KW 探照灯 15 支 Citycolor24 支 珠江 WASH 20 支 MAC2000 40 支 正西立面分布有 MAC2000 44 支 Citycolor22 支 7KW 探照灯 12 支 西北立面分布有 TINHAO S8 信号放大器 3 台 NET512 网络 图十七 节点 3 台 交换机 1 台 MAC2000 40 支 珠江 WASH20 支 5KW 探照灯 15 支 Citycolor24 支 北东立面 wavion 无线接收远端站 1 个 TINHAO S8 信号放大器 3 台 2Port Node 网络节点 3 台 交换机 1 台 有 Citycolor 7 支 珠江 WASH 14 支 LED 180 支 MAC2000 12 支 北西立面分布有 wavion 无线接收远端 站 1 个 TINHAO S8 信号放大器 2 台 2Port Node 网络节点 2 台 交换机 1 台 有 Citycolor 7 支 珠江 WASH 14 支 LED 180 支 MAC2000 12 支 5 人民英雄纪念碑广场设计配置 人民英雄纪念碑广场分为 3 部分区域 光立方东面 西面和南面 光立方东面分布有 wavion 无线接收远端站 1 个 TINHAO S8 信号放大器 2 台 2Port Node 网络节点 2 台 5KW 探照灯 30 支 西面有 wavion 无线接收远端站 1 个 TINHAO S8 信号放大器 2 台 2Port Node 网络节点 1 台 5KW 探照灯 30 支 南面有 wavion 无线接收远端站 1 个 TINHAO S8 信号放大器 1 台 2Port Node 网络节 点 1 台 5KW 探照灯 30 支 7KW 探照灯 40 支 图十八 四 晚会无线灯光控制传输设备施工及配套要求 1 设备安装方式 安装角度可采用两种方式 1 垂直抱杆的安装方式 2 水平抱杆的安装方式 本晚会采用此方式 防屏障应注意 1 基站距离地面或房顶垂直至少 2 米 2 基站距离铁塔或建筑物水平至少 1 米 安装时还应注意 1 WBS 5800 天线发射和接收都是全向的 无需方向校准 保持垂直向上 2 在安装时 使用波迅 Wavion 的自动频率选择 ACS 工具来找到最干净的频点 这项功能可以大大 改善网络信号的传输效果 2 接地 在基站安装点需要提供良好的防雷保护地 以便基站设备外 图十九 壳 避雷装置 安装抱杆能够就近接地 接地线使用线径 1mm2 的 18AWG 以上单芯或多芯电线 现场接地条件不满足时需要另外加装防雷接地装置 即通过安装接地体 如接地钉 和引下线提供良好的 接地 如上图十九接地示意图所示 3 系统防雷设计 避雷针 在各基站安装点 如果楼顶还没有设置防雷网络 需要在基站上方加装避雷针 以防止基站遭雷击破坏 电源防雷 电源防雷系统主要