詳解Strix無線Mesh技術在鐵路系統(tǒng)應用

為了滿足鐵路系統(tǒng)的車輛移動無線寬帶通信系統(tǒng)、鐵路沿線維護和應急通信系統(tǒng)的需求，提升高速移動下的寬帶無線視頻、語音和數(shù)據(jù)通信能力；Strix Systems第三代無線Mesh（網(wǎng)狀網(wǎng)技術）高速移動無線寬帶技術，配合鐵路站點現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡，提供鐵路沿線的寬帶無線網(wǎng)絡通信平臺。

　　作為第三代WLAN無線局域網(wǎng)技術研發(fā)和推廣的主要廠家，Strix Systems在北美、歐洲和日本等國家和地區(qū)進行了無線城市、無線園區(qū)、鐵路線路等環(huán)境下的大規(guī)模部署；Strix Systems革命性的Mesh技術提供了高速移動和快速漫游切換的能力，滿足了鐵路系統(tǒng)大規(guī)模部署的需要。Strix Access/One 無線Mesh網(wǎng)絡作為多業(yè)務平臺(Multi-Service Platform)，網(wǎng)絡具有自我組織、自動配置、性能自動調節(jié)、鏈路自動修復等特性，支持負載均衡和冗余備份功能，為無線監(jiān)控、移動無線監(jiān)控等視頻和語音服務提供了穩(wěn)定可靠的承載平臺。

　　建成的移動寬帶無線通信系統(tǒng)做為綜合性的通信平臺，可為鐵路系統(tǒng)系統(tǒng)廣泛的應用：

　　1. 數(shù)據(jù)和語音通信

　　“ 軌道周邊區(qū)域的通信

　　“ 維護保養(yǎng)隊的通信

　　“ 貨運公司（FOC）操作

　　“ 貨運公司傳真服務

　　“ 貨運公司駕駛員工作表更新服務

　　“ 列車營運公司(TOC)駕駛員工作表更新服務

　　“ 全部車輛和列車診斷服務

　　“ 餐車庫存控制

　　2. 綜合的車站服務

　　“ 電子票務

　　“ 時間表更新

　　“ 電子座位預訂

　　“ 火車/站點電子廣告 (新的收入來源)

　　3. 跟蹤和遙感測試服務

　　“ 列車跟蹤服務

　　“ 租賃公司監(jiān)測

　　4. 安全和監(jiān)控

　　“ 站點CCTV

　　“ 交叉路口CCTV

　　5. 移動用戶服務

　　“ 乘客Email服務

　　“ 互聯(lián)網(wǎng)接入服務

　　方案描述 利用Strix Systems現(xiàn)有的產(chǎn)品線，提供：

　　根據(jù)地形地勢，快速設計定制方案的能力

　　相對較低的部署成本

　　被廣泛證實的可擴展能力和分布式網(wǎng)絡架構

　　支持多種管理方式

　　滿足性能和帶寬要求的能力

　　方案將：

　　為移動平臺提供Wi-Fi覆蓋（列車、公共汽車、卡車、輪渡和電車等）

　　支持中高速移動 280km/h

　　允許互聯(lián)網(wǎng)和企業(yè)VPN接入，支持視頻監(jiān)控和控制系統(tǒng)

　　Strix Mesh系統(tǒng)構建的mesh網(wǎng)絡去掉了節(jié)點之間布線的需求，但仍具有分布式網(wǎng)絡所提供的冗余機制和重新路由功能。下面以油田行業(yè)為例，Strix Mesh節(jié)點可分為固定節(jié)點和移動節(jié)點基本組成如下圖所示：

與傳統(tǒng)的無線AP解決方案不同，OWS/IWS網(wǎng)絡節(jié)點可以被認為不需要使用線纜的是以太網(wǎng)交換機。節(jié)點在系統(tǒng)中的職能由節(jié)點內的模塊組合以及該節(jié)點在網(wǎng)絡中的位置決定。每個節(jié)點都包含了所有用于連接、安全和管理所需的功能，不需要額外的硬件或或者軟件。不像是大多數(shù)AP僅僅作為無線網(wǎng)絡延伸，為用戶提供最后一跳，Strix Systems Access/One是分布式的無線解決方案，更像是今天的互聯(lián)網(wǎng)。系統(tǒng)允許用戶接入和設備互聯(lián)回程都采用無線通信，不再需要由線纜帶來的不方便和高昂費用。Strix的設計也是ad-hoc自組網(wǎng)成為可能，節(jié)點在網(wǎng)絡環(huán)境變化下，仍然保持可靠的網(wǎng)絡連接。在回程鏈路上，使用Turbo A或Super G可支持高達108Mbps的帶寬，使其成為有線網(wǎng)絡的有效替代方案。

　　同時，自動發(fā)現(xiàn)和自動配置功能允許初期網(wǎng)絡建設和后期擴展更加簡單。當節(jié)點加電后，會自動地發(fā)現(xiàn)在網(wǎng)絡中的角色并且維護配置。在遇到更好路徑的情況下，節(jié)點將動態(tài)的自我調整。

使用mesh拓撲而不是傳統(tǒng)的星形架構，確保網(wǎng)絡中沒有單點故障；在節(jié)點故障、移出或者替代的情況下，網(wǎng)絡通過簡單的自我調整，就可自動的適應變化。Strix mesh架構在一個OWS節(jié)點內使用多個專用802.11a無線模塊，組成到下一個OWS節(jié)點的回程，提供到有線網(wǎng)絡的最短路徑（最好的往返時延）。所有可用鏈路都被監(jiān)控，并且當有更好的可用路徑時自動的進行路徑改變。時延是實際延時、RF模塊負載、無線信道信噪比和一些其他參數(shù)的架加權值。Mesh自動為無線設備到有線的通信或者類似的通信架構作優(yōu)化。

　　假設條件

基站間的視距條件將減少基站數(shù)量，而轉彎和隧道會提高基站數(shù)量。

　　注意：這些數(shù)據(jù)僅用于參考目的。節(jié)點間的距離很多因素有關，如天線使用，發(fā)射功率限制、列車配置、地形和隧道等等。

　　Strix提出3層式的解決方案

　　Tier-1 網(wǎng)絡

　　Tier-1網(wǎng)絡基于802.11a無線傳輸網(wǎng)絡，將部署與鐵軌沿線延伸到所有需要覆蓋的區(qū)域?；竟?jié)點部署在鐵路沿線區(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是有線基站。在Strix mesh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。所有的Strix回程都是基于AES加密的，允許私有信息在Tier-1網(wǎng)絡中的傳輸。

　　在每輛列車上都會有一個Strix節(jié)點，叫做移動節(jié)點，這也是Tier-1網(wǎng)絡中的一部分。該節(jié)點負責處理快速切換，將列車無縫的接入到鐵路沿線由多個固定節(jié)點組成的基礎架構。

　　Tier-2 網(wǎng)絡

　　Tier-2網(wǎng)絡是車廂內部的無線傳輸網(wǎng)絡，通常由幾個OWS、IWS無線節(jié)點和第三層網(wǎng)關組成。其中一個OWS/IWS節(jié)點將車廂內中的多個無線節(jié)點連接到網(wǎng)關的內網(wǎng)網(wǎng)口（該網(wǎng)關完成路由器、NAT和其他功能；而在網(wǎng)關的外網(wǎng)網(wǎng)口將連接到移動節(jié)點，該移動節(jié)點就是負責將列車無縫接入到鐵路沿線固定的無線網(wǎng)絡架構。

　　Tier-2網(wǎng)絡具有自動發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點和自動完成配置的能力，保證整列車多個車廂之間的連接性，僅在列車車廂重新分組和列車配置改變的情況下，才會影響車廂間的連接性。

　　Tier-3 網(wǎng)絡

　　Tier-3網(wǎng)絡提供802.11g的無線接入服務。該無線接入可以服務于列車乘客或者其他諸如視頻監(jiān)控和遙感設備的應用。應用流量通過無線mesh網(wǎng)絡回程刀Tier-2網(wǎng)絡，最終通過Tier-1網(wǎng)絡傳輸回有線網(wǎng)絡。

　　無論是Tier-1網(wǎng)絡或者Tier-2網(wǎng)絡對用戶都是透明的。用戶總是會連接到車廂中距離最近的802.11g節(jié)點，而不會感知到網(wǎng)關外網(wǎng)口處不斷發(fā)生的切換。

　　Strix mesh自動配置和快速自愈的特性將減少部署的負荷和成本。網(wǎng)絡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。

Tier-1網(wǎng)絡

　　Tier-1網(wǎng)絡中的所有抱桿安裝的節(jié)點都連接到多層交換網(wǎng)絡中，然后通過路由器連接到ISP網(wǎng)絡或者Internet，出于可擴展性考慮，所有的交換應該是基于層次化結構的多層交換系統(tǒng)。所有的抱桿安裝的節(jié)點必須連接到第二層網(wǎng)絡，并且允許組播和廣播流量的透明傳輸。

　　Tier-1網(wǎng)絡中的每個OWS節(jié)點選用室外型無線系統(tǒng)OWS2400-20產(chǎn)品，該型號內置了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匯聚設備，接入列車和其他節(jié)點的mesh回程，將mesh網(wǎng)絡向遠離有線網(wǎng)絡方向擴展。該無線模塊工作于Client Connect模式

　　另外1塊802.11a模塊作為mesh回程設備，將無線流量向有線網(wǎng)絡方向回傳。該無線模塊工作于Network Connect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急服務或者維護隊伍的無線通信

　　在列車機車位置放置Strix MWS100作為移動節(jié)點，優(yōu)化掃描和切換過程

　　方案解決的問題

　　數(shù)據(jù)流中斷

　　有線網(wǎng)絡的交換架構變化需要時間來學習每個PC數(shù)據(jù)流量的位置。在攜帶一定數(shù)量的PC收發(fā)數(shù)據(jù)的快速移動平臺（列車）上，當無線網(wǎng)絡連接不斷”跳轉“時，發(fā)送到處于跳轉狀態(tài)下某終端的流量將持續(xù)的發(fā)送到錯誤的位置，直到交換網(wǎng)絡學習到終端的新位置。這種現(xiàn)象將影響端到端的數(shù)據(jù)流。

　　Strix Access/One網(wǎng)絡解決了這個問題。當無線網(wǎng)絡連接跳轉時，每個回程無線模塊代表后面相連的所有已知回程和PC，自動的更新交換架構中的交換表。這種更新交換表的方式將允許不間斷的端到端數(shù)據(jù)服務。

　　在這里提出的架構，Tier-2網(wǎng)絡與列車上的IP網(wǎng)關相連，這樣僅有IP網(wǎng)關的MAC地址需要在交換網(wǎng)絡中更新，令無線跳轉對于終端用戶更加透明。

　　動態(tài)實時的上連鏈路選擇和切換

　　為了解決列車在固定節(jié)點之間的快速切換，系統(tǒng)需要持續(xù)的背景掃描。當移動速度加快時，切換時間就可能成為問題 - 例如，時速180公里下，對于固定節(jié)點間隔為800米的情況下，僅有15秒的時間完成切換和重聯(lián)合。

　　Strix Access/One網(wǎng)絡解決了這個問題，無線回程模塊持續(xù)的背景掃描，以滿足自動修復和自動調整共功能。默認狀態(tài)下，每個WiFi信道5秒鐘掃描一次，這對于靜態(tài)mesh網(wǎng)絡是非常充分的。這樣，無線回程模塊保留了供上連的多個無線鏈路列表，允許無線回程模塊在多個上連鏈路間切換。

　　通過減少掃描間隔時間和需要掃描的信道數(shù)量，將進一步提高切換時間。換句話說，可以將802.11a的信道掃描減少到4個甚至更少。背景掃描的時間間隔與Tier-1網(wǎng)絡中固定節(jié)點之間的距離有直接的關系。以上所有的優(yōu)化手段將會將切換時間減少到50msec。