高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)無線寬帶組網(wǎng)技術(shù)分析

　　高速鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)要采取無線寬帶組網(wǎng)技術(shù)，本文介紹該公司無線網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)在高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)中的應(yīng)用，要點(diǎn)包括需求分析、組網(wǎng)方案、技術(shù)分析、網(wǎng)管和監(jiān)控功能分析等等，特別是其中關(guān)于三層組網(wǎng)方案的內(nèi)容值得從事高鐵安防監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的集成商關(guān)注。

高鐵監(jiān)控背景

武廣高速鐵路客運(yùn)專線正式投入運(yùn)營(yíng)，標(biāo)志著中國(guó)高速鐵路建設(shè)的高潮已經(jīng)到來，這將給安防監(jiān)控設(shè)備供應(yīng)商及相關(guān)系統(tǒng)集成商帶來更多的發(fā)展機(jī)會(huì)。作為高速鐵路“四電”(通信、信號(hào)、電力、電氣化)系統(tǒng)集成和信息系統(tǒng)的組成部分，視頻監(jiān)控系統(tǒng)在高鐵的通信指揮調(diào)度、安全防災(zāi)管理中發(fā)揮著不可忽視的作用。目前中國(guó)開通的高鐵時(shí)速一般都到達(dá)350公里，所以安全就成了大家共同關(guān)注的問題。確實(shí)，時(shí)速350公里的高速動(dòng)車如果出現(xiàn)一點(diǎn)點(diǎn)故障，即使第一時(shí)間采用剎車制動(dòng)，也需要減速滑行6500米。武廣高鐵的發(fā)車密度是間隔3分鐘，一旦某輛列車失控，帶來的后果是難以想象的。

高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)的需求分析

高速鐵路綜合監(jiān)控系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)供電系統(tǒng)中的各種供電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、控制及沿線變電所、分區(qū)亭、開閉所的安全監(jiān)控，迅速分析、查找、切除故障點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè);同時(shí)也要納入行車調(diào)度、計(jì)劃調(diào)度、安全監(jiān)控、行車信號(hào)等多方面的實(shí)時(shí)信息;并使各種子系統(tǒng)間的信息進(jìn)行交互，為提高供電系統(tǒng)調(diào)度管理自動(dòng)化、智能化水平，確保高速鐵路的安全、可靠、高效運(yùn)行提供了強(qiáng)大的技術(shù)保障。

高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)無線寬帶組網(wǎng)技術(shù)

高速鐵路要求全線都有設(shè)置視頻監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)置點(diǎn)位比較多的是區(qū)間和站點(diǎn)、特大橋、隧道、公跨鐵、區(qū)間基站、變電所等。另外視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要進(jìn)一步的和入侵報(bào)警系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、動(dòng)力監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行融合，使得綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，而這恰恰就是廣大市場(chǎng)進(jìn)入者面臨的高鐵監(jiān)控市場(chǎng)。除了跨度大、監(jiān)控距離遠(yuǎn)、傳輸線路長(zhǎng)、應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜之外，高鐵安防應(yīng)用還有一個(gè)非常顯著的特點(diǎn)：無人值守。為了減少小站的設(shè)置，高鐵領(lǐng)域很多場(chǎng)站都實(shí)行無人值守。另外，鐵路每隔數(shù)百米會(huì)有電力機(jī)房和通信機(jī)房，這些機(jī)房基本上都需要無人值守，并用到視頻監(jiān)控和報(bào)警系統(tǒng)，以檢測(cè)是否有人入侵，現(xiàn)場(chǎng)的情況有無變化等。因此，高鐵無人值守機(jī)房對(duì)視頻監(jiān)控的需求量非常大。

高鐵組網(wǎng)方案

Strix提出3層式的解決方案，保證車載快速切換和高帶寬，網(wǎng)絡(luò)有極強(qiáng)的自愈能力等技術(shù)特點(diǎn)，完全適合鐵路無線組網(wǎng)的需求。

表1

Tier-1網(wǎng)絡(luò)

Tier-1網(wǎng)絡(luò)基于802.11a無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，將部署與鐵軌沿線延伸到所有需要覆蓋的區(qū)域?；竟?jié)點(diǎn)部署在鐵路沿線區(qū)域的桿子上，在Tier-1多數(shù)的無線基站都是完全無線的，僅有一些在車站或其他具有光纖的位置才會(huì)是有線基站。在Strixmesh無線回程中的所有流量都將從最近的有線接口處發(fā)送到有線網(wǎng)絡(luò)。

　　在每輛列車上都會(huì)有一個(gè)Strix節(jié)點(diǎn)，叫做移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，這也是Tier-1網(wǎng)絡(luò)中的一部分。該節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)處理快速切換，將列車無縫的接入到鐵路沿線由多個(gè)固定節(jié)點(diǎn)組成的基礎(chǔ)架構(gòu)。Tier-1網(wǎng)絡(luò)中的所有抱桿安裝的節(jié)點(diǎn)都連接到多層交換網(wǎng)絡(luò)中，然后通過路由器連接到ISP網(wǎng)絡(luò)或者Internet，出于可擴(kuò)展性考慮，所有的交換應(yīng)該是基于層次化結(jié)構(gòu)的多層交換系統(tǒng)。所有的抱桿安裝的節(jié)點(diǎn)必須連接到第二層網(wǎng)絡(luò)，并且允許組播和廣播流量的透明傳輸。

表2

Tier-1網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)OWS節(jié)點(diǎn)選用室外型無線系統(tǒng)OWS2400-20產(chǎn)品，該型號(hào)內(nèi)置了2塊802.11a模塊和2塊802.11g模塊，其功能如下：

1快802.11a模塊作為mesh匯聚設(shè)備，接入列車和其他節(jié)點(diǎn)的mesh回程，將mesh網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)離有線網(wǎng)絡(luò)方向擴(kuò)展。該無線模塊工作于ClientConnect模式。另外1塊802.11a模塊作為mesh回程設(shè)備，將無線流量向有線網(wǎng)絡(luò)方向回傳。該無線模塊工作于NetworkConnect模式。OWS2400-20中的2塊802.11g模塊可以有選擇的使用，可以用于鐵路沿線的應(yīng)急服務(wù)或者維護(hù)隊(duì)伍的無線通

在列車機(jī)車位置的MWS節(jié)點(diǎn)作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，優(yōu)化掃描和切換過程。該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)處可以使用高增益的全向天線(9dBi以上)，每個(gè)802.11a無線模塊均兩個(gè)5.8GHz定向天線，背靠背指向交通線路兩側(cè);定向天線組之間的垂直距離應(yīng)不小于50公分，天線距地面的最低高度為3.5米(若丘陵地帶，必須提高天線安裝高度)，OWS支持110-240VAC和12-24VDC供電方式，支持第三方太陽能電池供電。

為了保證車輛在高速移動(dòng)的情況下仍然能夠一直在線并且保持無線連接，必須在車輛上安裝Strix移動(dòng)車載設(shè)備MWS100。MWS100作為Strix最新的車載Mesh設(shè)備，專門用于車載設(shè)備的接入，保證車載設(shè)備高速移動(dòng)和快速切換下依然保證無間斷的通訊。

Tier-2網(wǎng)絡(luò)

Tier-2網(wǎng)絡(luò)是車廂內(nèi)部的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，通常由幾個(gè)OWS、IWS無線節(jié)點(diǎn)和第三層網(wǎng)關(guān)組成。其中一個(gè)OWS/IWS節(jié)點(diǎn)將車廂內(nèi)中的多個(gè)無線節(jié)點(diǎn)連接到網(wǎng)關(guān)的內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)口(該網(wǎng)關(guān)完成路由器、NAT和其他功能;而在網(wǎng)關(guān)的外網(wǎng)網(wǎng)口將連接到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)就是負(fù)責(zé)將列車無縫接入到鐵路沿線固定的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。Tier-2網(wǎng)絡(luò)具有自動(dòng)發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)和自動(dòng)完成配置的能力，保證整列車多個(gè)車廂之間的連接性，僅在列車車廂重新分組和列車配置改變的情況下，才會(huì)影響車廂間的連接性。

Tier-2網(wǎng)絡(luò)由IP網(wǎng)關(guān)、列車機(jī)車上的IWS/OWS上連節(jié)點(diǎn)和每個(gè)車廂內(nèi)一到兩個(gè)用于連接車廂的節(jié)點(diǎn)。Tier-2網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的無線鏈路均采用基于802.11a技術(shù)，以減少與用戶802.11g(Tier-3網(wǎng)絡(luò))之間的干擾。同Tier-1網(wǎng)絡(luò)一樣，節(jié)點(diǎn)將自動(dòng)發(fā)現(xiàn)并且自動(dòng)配置，自動(dòng)的形成基礎(chǔ)架構(gòu)。這對(duì)于車廂可能頻繁的、隨意的重組是非常重要的。

Tier-3網(wǎng)絡(luò)

Tier-3網(wǎng)絡(luò)提供802.11g的無線接入服務(wù)。該無線接入可以服務(wù)于列車乘客或者其他諸如視頻監(jiān)控和遙感設(shè)備的應(yīng)用。應(yīng)用流量通過無線mesh網(wǎng)絡(luò)回程到Tier-2網(wǎng)絡(luò)，最終通過Tier-1網(wǎng)絡(luò)傳輸回有線網(wǎng)絡(luò)。無論是Tier-1網(wǎng)絡(luò)或者Tier-2網(wǎng)絡(luò)對(duì)用戶都是透明的。用戶總是會(huì)連接到車廂中距離最近的802.11g節(jié)點(diǎn)，而不會(huì)感知到網(wǎng)關(guān)外網(wǎng)口處不斷發(fā)生的切換。Strixmesh自動(dòng)配置和快速自愈的特性將減少部署的負(fù)荷和成本。網(wǎng)絡(luò)中的每一層具有足夠的智能，而不需要管理人員的手工干預(yù)。

Tier-3網(wǎng)絡(luò)由802.11g接入網(wǎng)絡(luò)組成，建立在負(fù)責(zé)車廂互聯(lián)的Tier-2網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上。由于StrixAccess/One解決方案允許多個(gè)無線模塊的堆疊，這些無線模塊可以物力的堆疊在IWS/OWS節(jié)點(diǎn)中。非?？赡?，每個(gè)車廂只需要一個(gè)802.11g模塊就可以保證車廂內(nèi)絕大部分區(qū)域的覆蓋。用戶可以通過IP網(wǎng)關(guān)的DHCP服務(wù)器自動(dòng)獲取IP地址。Tier-3網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由三種無線模塊配置組成，802.11g模塊負(fù)責(zé)處理用戶接入，兩個(gè)802.11a模塊完成車廂之間的無線互聯(lián)鏈路。

高鐵組網(wǎng)技術(shù)分析

切換和速度分析

為了解決列車在固定節(jié)點(diǎn)之間的快速切換，車載設(shè)備需要持續(xù)的背景掃描以不同尋找最優(yōu)的上聯(lián)鏈路，同時(shí)固定基站也將不斷的提供動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)回應(yīng)車載設(shè)備的質(zhì)詢。當(dāng)移動(dòng)速度加快時(shí)，切換時(shí)間就可能成為問題。StrixAccess/One系統(tǒng)解決了這個(gè)問題，利用車載設(shè)備的無線回程模塊持續(xù)的信道背景掃描，不斷動(dòng)態(tài)的自動(dòng)的更新上聯(lián)鏈路狀態(tài)，以滿足自動(dòng)修復(fù)和自動(dòng)調(diào)整的功能。背景掃描的工作方式如下：

車載設(shè)備信道背景掃描時(shí)間間隔為500ms-5s(可配置)，每次信道掃描耗時(shí)約30ms。

背景掃描期間，車載設(shè)備將調(diào)整其工作信道，以掃描該信道的可用上行鏈路及其指標(biāo);工作于該信道的固定基站也將針對(duì)車載設(shè)備的proberequest，提供自身性能指標(biāo)信息(包括信號(hào)強(qiáng)度及其性能)?？膳渲密囕d設(shè)備的信道掃描列表(建議軌道延線固定基站使用3個(gè)或3個(gè)以下的信道)，減少車載設(shè)備掃描次數(shù)。

車載設(shè)備根據(jù)多個(gè)信道背景掃描，確定所有可用上行鏈路，動(dòng)態(tài)更新車載設(shè)備的上行路徑表，當(dāng)備選上行鏈路指標(biāo)超出當(dāng)前主鏈路一定指標(biāo)時(shí)(可配置切換條件)，車載設(shè)備就會(huì)執(zhí)行切換動(dòng)作，從而備選鏈路成為主鏈路。

通過減少掃描間隔時(shí)間和需要掃描的信道數(shù)量，將進(jìn)一步提高切換時(shí)間。換句話說，可以將802.11a的信道掃描減少到3個(gè)甚至更少。背景掃描的時(shí)間間隔與Tier-1網(wǎng)絡(luò)中固定節(jié)點(diǎn)之間的距離有直接的關(guān)系。以上所有的優(yōu)化手段將會(huì)將切換的速度提升到100-150msec。注意：切換時(shí)間是不直接受限于移動(dòng)速度的，在以上三種不同速度情況下切換速度在100ms上下。軌道沿線基站和車輛之間的上行和下行通信，對(duì)于切換時(shí)間基本上沒有影響：

情形1:上行業(yè)務(wù)(從車輛到軌道沿線基站)

(1)緩存500個(gè)包文;

(2)根據(jù)不同業(yè)務(wù)緩存大小有所不同，例如iperf默認(rèn)報(bào)文為8K;

(3)根據(jù)緩存容量，Strix應(yīng)該能夠緩存4M比特的數(shù)據(jù)，盡可能的減少丟包;

(4)因此，系統(tǒng)在切換期間帶來極少的延時(shí)，約為100-150ms。

情形2:下行業(yè)務(wù)(從軌道沿線基站到車輛)

(1)緩存500個(gè)包文，多車情況下均分緩存容量;

(2)根據(jù)不同業(yè)務(wù)緩存大小有所不同，例如iperf默認(rèn)報(bào)文為8K;

(3)根據(jù)緩存容量，Strix應(yīng)該能夠緩存4M比特的數(shù)據(jù)，盡可能的減少丟包;

(4)因此，系統(tǒng)在切換期間帶來極少的延時(shí)，約為100-150ms。

在實(shí)際的無線設(shè)備切換過程完成后，一般來說應(yīng)用層需要額外的時(shí)間切換業(yè)務(wù)，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)容量可能會(huì)帶來一定的延時(shí)或者丟包(由于應(yīng)用層timeout原因);因此，良好的切換也需要在應(yīng)用層進(jìn)行相應(yīng)的緩存機(jī)制。

　　另一種計(jì)算切換方式

另外一種計(jì)算切換的方式是：切換時(shí)間和基站間隔時(shí)間的比值。例如，對(duì)于350公里時(shí)速情況下，每10秒鐘之中的100ms的切換時(shí)間對(duì)于性能的影響為0.1/10。接下來需要把背景掃描時(shí)間需要考慮進(jìn)來，假設(shè)信道的掃描間隔為500ms，掃描時(shí)間約為為30ms;這些參數(shù)都是可軟件配置的，供不同速度情況下的微調(diào)和性能優(yōu)化。加上由于背景掃描帶來的600ms延遲，以及切換帶來的100ms延遲，在每10s的區(qū)間內(nèi)總體延遲約為700ms，即總體性能損耗約為7%，對(duì)于系統(tǒng)的影響很有限。如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量遠(yuǎn)小于上行鏈路容量，通過緩存技術(shù)，基本上不會(huì)有可察覺的帶寬損耗。

從目前的理論模型和實(shí)際測(cè)試效果推斷，行車速度會(huì)對(duì)切換頻繁程度和射頻誤碼率造成直接影響，從而影響固定基站與移動(dòng)設(shè)備之間的上下行帶寬;在300公里以上的高速切換數(shù)據(jù)還需進(jìn)一步的通過測(cè)試驗(yàn)證。

多跳性能分析

StrixAccess/One產(chǎn)品支持多模塊、多信道和多射頻技術(shù)進(jìn)行Mesh組網(wǎng)，如下圖所示-每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有多個(gè)不同功能的無線模塊，分別處理無線終端接入、Mesh回程和Mesh擴(kuò)展等，利用多個(gè)專用模塊提高無線Mesh內(nèi)部的性能。同時(shí)，每跳都是使用不同的2.4GHz或者5.8GHz信道進(jìn)行傳輸，大幅度的改善了多個(gè)Mesh節(jié)點(diǎn)之間或者外界射頻環(huán)境帶來的干擾。在實(shí)驗(yàn)室條件下每跳吞吐量下降在1%以下，在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下，每跳吞吐量下降在10%以下。

安全性分析

無線Mesh基站設(shè)備互聯(lián)安全性

系統(tǒng)統(tǒng)一認(rèn)證無線Mesh設(shè)備，管理人員在網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)中可通過一次性的操作批量認(rèn)證和授權(quán)Mesh設(shè)備;未經(jīng)認(rèn)證授權(quán)的Mesh節(jié)點(diǎn)將自動(dòng)阻斷用戶數(shù)據(jù)，保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)私有性;AES強(qiáng)制加密方式實(shí)現(xiàn)MeshAP之間的鏈路安全性;面向無線用戶接入的多種安全機(jī)制。

冗余分析

軌道沿線的每個(gè)固定基站將自動(dòng)決策回到有線節(jié)點(diǎn)的最佳路徑。這樣，不同的Mesh段將在軌道上行或者下行的兩個(gè)方向上根據(jù)網(wǎng)絡(luò)性能來負(fù)載均衡。另外，如果軌道沿線的任何一個(gè)基站出現(xiàn)故障，其相鄰的基站將會(huì)自動(dòng)地調(diào)整鏈路，迅速將數(shù)據(jù)流切換到相反方向的最近節(jié)點(diǎn)。這種方式提供完全的冗余性。當(dāng)所有無線Mesh基站啟動(dòng)運(yùn)行后，各個(gè)基站將自動(dòng)決策到有線網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)路徑，隨之產(chǎn)生的Mesh拓?fù)鋵⒒诰W(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行流量的負(fù)載平衡。

當(dāng)軌道沿線任何一個(gè)光纖點(diǎn)發(fā)生故障，該區(qū)間內(nèi)的固定Mesh基站將自動(dòng)的調(diào)整無線鏈路，重新匯聚到就近的另外一個(gè)光纖點(diǎn)處。當(dāng)軌道沿線任何一個(gè)固定基站發(fā)生故障時(shí)，受到影響的固定Mesh基站將自動(dòng)的調(diào)整無線鏈路，按照性能最優(yōu)的方式重新進(jìn)行匯聚。通過以上的無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)備份、多個(gè)光纖點(diǎn)有線備份以及管理服務(wù)器板卡冗余備份等方式，可以大幅的提高軌道沿線無線寬帶系統(tǒng)的可考性。

網(wǎng)管和監(jiān)控功能

Access/One網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)集合了業(yè)界獨(dú)特的Mesh路由智能和電信級(jí)別的集中式網(wǎng)元管理軟件和專用的管理硬件模塊(NetworkServer)。Access/One網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用了多種頻段，可以滿足其他產(chǎn)品無法實(shí)現(xiàn)交通沿線大規(guī)模無線網(wǎng)絡(luò)部署。

Manager/One自有網(wǎng)管

通過Access/One提供的自有網(wǎng)管平臺(tái)Manager/One，令網(wǎng)絡(luò)部署和成百上千的Mesh節(jié)點(diǎn)的安全、無縫的802.11覆蓋的控制變得輕而易舉。強(qiáng)大的批量配置功能，可以將網(wǎng)絡(luò)整體配置同時(shí)更新到多個(gè)子網(wǎng)中的所有模塊中去，內(nèi)置于基于硬件的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器模塊和Access/One網(wǎng)絡(luò)中所有的無線模塊。Managere/One的網(wǎng)管界面通過登陸分布于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中的任意一個(gè)獲取整網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)、配置、監(jiān)測(cè)等信息。

全局和增量軟件升級(jí)：為了滿足大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)部署，Manager/One支持全局部署和統(tǒng)一升級(jí)系統(tǒng)軟件，通過一次操作達(dá)到整網(wǎng)升級(jí)的目的。

Manager/One監(jiān)控狀態(tài)和監(jiān)控：提供查看和管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工具，從不同的界面監(jiān)控整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，包括Strix節(jié)點(diǎn)的地理圖形界面，更便于定位問題。

結(jié)束語

利用無線網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)有著得天獨(dú)厚的有利條件，讓安防集成商免去布設(shè)大量線纜而帶來的麻煩，節(jié)省大量的線纜成本，從而提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院拖到y(tǒng)運(yùn)行的可靠性，代表了未來視頻傳輸?shù)陌l(fā)展方向。未來五年國(guó)內(nèi)中國(guó)仍將在各大中心城市持續(xù)興建高鐵或地鐵，了解無線網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)在高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)中的應(yīng)用有著現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。