高鐵視頻監控系統無(wú)線(xiàn)寬帶組網(wǎng)技術(shù)分析

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

高鐵監控背景

武廣高速鐵路客運專(zhuān)線(xiàn)正式投入運營(yíng)，標志著(zhù)中國高速鐵路建設的高潮已經(jīng)到來(lái)，這將給安防監控設備供應商及相關(guān)系統集成商帶來(lái)更多的發(fā)展機會(huì )。作為高速鐵路“四電”(通信、信號、電力、電氣化)系統集成和信息系統的組成部分，視頻監控系統在高鐵的通信指揮調度、安全防災管理中發(fā)揮著(zhù)不可忽視的作用。目前中國開(kāi)通的高鐵時(shí)速一般都到達350公里，所以安全就成了大家共同關(guān)注的問(wèn)題。確實(shí)，時(shí)速350公里的高速動(dòng)車(chē)如果出現一點(diǎn)點(diǎn)故障，即使第一時(shí)間采用剎車(chē)制動(dòng)，也需要減速滑行6500米。武廣高鐵的發(fā)車(chē)密度是間隔3分鐘，一旦某輛列車(chē)失控，帶來(lái)的后果是難以想象的。

高鐵視頻監控系統的需求分析

高速鐵路綜合監控系統不僅實(shí)現對供電系統中的各種供電設備的運行狀態(tài)監視、控制及沿線(xiàn)變電所、分區亭、開(kāi)閉所的安全監控，迅速分析、查找、切除故障點(diǎn)，實(shí)現設備運營(yíng)狀態(tài)的在線(xiàn)監測;同時(shí)也要納入行車(chē)調度、計劃調度、安全監控、行車(chē)信號等多方面的實(shí)時(shí)信息;并使各種子系統間的信息進(jìn)行交互，為提高供電系統調度管理自動(dòng)化、智能化水平，確保高速鐵路的安全、可靠、高效運行提供了強大的技術(shù)保障。

高鐵視頻監控系統無(wú)線(xiàn)寬帶組網(wǎng)技術(shù)

高速鐵路要求全線(xiàn)都有設置視頻監控系統，設置點(diǎn)位比較多的是區間和站點(diǎn)、特大橋、隧道、公跨鐵、區間基站、變電所等。另外視頻監控系統需要進(jìn)一步的和入侵報警系統、火災報警系統、門(mén)禁系統、動(dòng)力監控系統進(jìn)行融合，使得綜合視頻監控系統變得更加復雜，而這恰恰就是廣大市場(chǎng)進(jìn)入者面臨的高鐵監控市場(chǎng)。除了跨度大、監控距離遠、傳輸線(xiàn)路長(cháng)、應用環(huán)境復雜之外，高鐵安防應用還有一個(gè)非常顯著(zhù)的特點(diǎn)：無(wú)人值守。為了減少小站的設置，高鐵領(lǐng)域很多場(chǎng)站都實(shí)行無(wú)人值守。另外，鐵路每隔數百米會(huì )有電力機房和通信機房，這些機房基本上都需要無(wú)人值守，并用到視頻監控和報警系統，以檢測是否有人入侵，現場(chǎng)的情況有無(wú)變化等。因此，高鐵無(wú)人值守機房對視頻監控的需求量非常大。

高鐵組網(wǎng)方案

Strix提出3層式的解決方案，保證車(chē)載快速切換和高帶寬，網(wǎng)絡(luò )有極強的自愈能力等技術(shù)特點(diǎn)，完全適合鐵路無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )，將部署與鐵軌沿線(xiàn)延伸到所有需要覆蓋的區域?；竟濣c(diǎn)部署在鐵路沿線(xiàn)區域的桿子上，在Tier-1多數的無(wú)線(xiàn)基站都是完全無(wú)線(xiàn)的，僅有一些在車(chē)站或其他具有光纖的位置才會(huì )是有線(xiàn)基站。在Strixmesh無(wú)線(xiàn)回程中的所有流量都將從最近的有線(xiàn)接口處發(fā)送到有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。

　　在每輛列車(chē)上都會(huì )有一個(gè)Strix節點(diǎn)，叫做移動(dòng)節點(diǎn)，這也是Tier-1網(wǎng)絡(luò )中的一部分。該節點(diǎn)負責處理快速切換，將列車(chē)無(wú)縫的接入到鐵路沿線(xiàn)由多個(gè)固定節點(diǎn)組成的基礎架構。Tier-1網(wǎng)絡(luò )中的所有抱桿安裝的節點(diǎn)都連接到多層交換網(wǎng)絡(luò )中，然后通過(guò)路由器連接到ISP網(wǎng)絡(luò )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。所有的抱桿安裝的節點(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節點(diǎn)選用室外型無(wú)線(xiàn)系統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(chē)和其他節點(diǎn)的mesh回程，將mesh網(wǎng)絡(luò )向遠離有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )方向擴展。該無(wú)線(xiàn)模塊工作于ClientConnect模式。另外1塊802.11a模塊作為mesh回程設備，將無(wú)線(xiàn)流量向有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )方向回傳。該無(wú)線(xiàn)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(xiàn)的應急服務(wù)或者維護隊伍的無(wú)線(xiàn)通

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

為了保證車(chē)輛在高速移動(dòng)的情況下仍然能夠一直在線(xiàn)并且保持無(wú)線(xiàn)連接，必須在車(chē)輛上安裝Strix移動(dòng)車(chē)載設備MWS100。MWS100作為Strix最新的車(chē)載Mesh設備，專(zhuān)門(mén)用于車(chē)載設備的接入，保證車(chē)載設備高速移動(dòng)和快速切換下依然保證無(wú)間斷的通訊。

Tier-2網(wǎng)絡(luò )

Tier-2網(wǎng)絡(luò )是車(chē)廂內部的無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )，通常由幾個(gè)OWS、IWS無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)和第三層網(wǎng)關(guān)組成。其中一個(gè)OWS/IWS節點(diǎn)將車(chē)廂內中的多個(gè)無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)連接到網(wǎng)關(guān)的內網(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)節點(diǎn)，該移動(dòng)節點(diǎn)就是負責將列車(chē)無(wú)縫接入到鐵路沿線(xiàn)固定的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )架構。Tier-2網(wǎng)絡(luò )具有自動(dòng)發(fā)現鄰居節點(diǎn)和自動(dòng)完成配置的能力，保證整列車(chē)多個(gè)車(chē)廂之間的連接性，僅在列車(chē)車(chē)廂重新分組和列車(chē)配置改變的情況下，才會(huì )影響車(chē)廂間的連接性。

Tier-2網(wǎng)絡(luò )由IP網(wǎng)關(guān)、列車(chē)機車(chē)上的IWS/OWS上連節點(diǎn)和每個(gè)車(chē)廂內一到兩個(gè)用于連接車(chē)廂的節點(diǎn)。Tier-2網(wǎng)絡(luò )內所有的無(wú)線(xiàn)鏈路均采用基于802.11a技術(shù)，以減少與用戶(hù)802.11g(Tier-3網(wǎng)絡(luò ))之間的干擾。同Tier-1網(wǎng)絡(luò )一樣，節點(diǎn)將自動(dòng)發(fā)現并且自動(dòng)配置，自動(dòng)的形成基礎架構。這對于車(chē)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(wú)線(xiàn)接入服務(wù)。該無(wú)線(xiàn)接入可以服務(wù)于列車(chē)乘客或者其他諸如視頻監控和遙感設備的應用。應用流量通過(guò)無(wú)線(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò )回程到Tier-2網(wǎng)絡(luò )，最終通過(guò)Tier-1網(wǎng)絡(luò )傳輸回有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。無(wú)論是Tier-1網(wǎng)絡(luò )或者Tier-2網(wǎng)絡(luò )對用戶(hù)都是透明的。用戶(hù)總是會(huì )連接到車(chē)廂中距離最近的802.11g節點(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。

Tier-3網(wǎng)絡(luò )由802.11g接入網(wǎng)絡(luò )組成，建立在負責車(chē)廂互聯(lián)的Tier-2網(wǎng)絡(luò )基礎上。由于StrixAccess/One解決方案允許多個(gè)無(wú)線(xiàn)模塊的堆疊，這些無(wú)線(xiàn)模塊可以物力的堆疊在IWS/OWS節點(diǎn)中。非?？赡?，每個(gè)車(chē)廂只需要一個(gè)802.11g模塊就可以保證車(chē)廂內絕大部分區域的覆蓋。用戶(hù)可以通過(guò)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 )節點(diǎn)由三種無(wú)線(xiàn)模塊配置組成，802.11g模塊負責處理用戶(hù)接入，兩個(gè)802.11a模塊完成車(chē)廂之間的無(wú)線(xiàn)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(chē)在固定節點(diǎn)之間的快速切換，車(chē)載設備需要持續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)性能指標回應車(chē)載設備的質(zhì)詢(xún)。當移動(dòng)速度加快時(shí)，切換時(shí)間就可能成為問(wèn)題。StrixAccess/One系統解決了這個(gè)問(wèn)題，利用車(chē)載設備的無(wú)線(xiàn)回程模塊持續的信道背景掃描，不斷動(dòng)態(tài)的自動(dòng)的更新上聯(lián)鏈路狀態(tài)，以滿(mǎn)足自動(dòng)修復和自動(dòng)調整的功能。背景掃描的工作方式如下：

車(chē)載設備信道背景掃描時(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(chē)載設備將調整其工作信道，以?huà)呙柙撔诺赖目捎蒙闲墟溌芳捌渲笜?工作于該信道的固定基站也將針對車(chē)載設備的proberequest，提供自身性能指標信息(包括信號強度及其性能)?？膳渲密?chē)載設備的信道掃描列表(建議軌道延線(xiàn)固定基站使用3個(gè)或3個(gè)以下的信道)，減少車(chē)載設備掃描次數。

車(chē)載設備根據多個(gè)信道背景掃描，確定所有可用上行鏈路，動(dòng)態(tài)更新車(chē)載設備的上行路徑表，當備選上行鏈路指標超出當前主鏈路一定指標時(shí)(可配置切換條件)，車(chē)載設備就會(huì )執行切換動(dòng)作，從而備選鏈路成為主鏈路。

通過(guò)減少掃描間隔時(shí)間和需要掃描的信道數量，將進(jìn)一步提高切換時(shí)間。換句話(huà)說(shuō)，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(xiàn)基站和車(chē)輛之間的上行和下行通信，對于切換時(shí)間基本上沒(méi)有影響：

情形1:上行業(yè)務(wù)(從車(chē)輛到軌道沿線(xiàn)基站)

(1)緩存500個(gè)包文;

(2)根據不同業(yè)務(wù)緩存大小有所不同，例如iperf默認報文為8K;

(3)根據緩存容量，Strix應該能夠緩存4M比特的數據，盡可能的減少丟包;

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

情形2:下行業(yè)務(wù)(從軌道沿線(xiàn)基站到車(chē)輛)

(1)緩存500個(gè)包文，多車(chē)情況下均分緩存容量;

(2)根據不同業(yè)務(wù)緩存大小有所不同，例如iperf默認報文為8K;

(3)根據緩存容量，Strix應該能夠緩存4M比特的數據，盡可能的減少丟包;

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

在實(shí)際的無(wú)線(xiàn)設備切換過(guò)程完成后，一般來(lái)說(shuō)應用層需要額外的時(shí)間切換業(yè)務(wù)，根據不同的業(yè)務(wù)容量可能會(huì )帶來(lái)一定的延時(shí)或者丟包(由于應用層timeout原因);因此，良好的切換也需要在應用層進(jìn)行相應的緩存機制。

　　另一種計算切換方式

另外一種計算切換的方式是：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)間對于性能的影響為0.1/10。接下來(lái)需要把背景掃描時(shí)間需要考慮進(jìn)來(lái)，假設信道的掃描間隔為500ms，掃描時(shí)間約為為30ms;這些參數都是可軟件配置的，供不同速度情況下的微調和性能優(yōu)化。加上由于背景掃描帶來(lái)的600ms延遲，以及切換帶來(lái)的100ms延遲，在每10s的區間內總體延遲約為700ms，即總體性能損耗約為7%，對于系統的影響很有限。如果傳輸的數據量遠小于上行鏈路容量，通過(guò)緩存技術(shù)，基本上不會(huì )有可察覺(jué)的帶寬損耗。

從目前的理論模型和實(shí)際測試效果推斷，行車(chē)速度會(huì )對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)設備之間的上下行帶寬;在300公里以上的高速切換數據還需進(jìn)一步的通過(guò)測試驗證。

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)節點(diǎn)都有多個(gè)不同功能的無(wú)線(xiàn)模塊，分別處理無(wú)線(xiàn)終端接入、Mesh回程和Mesh擴展等，利用多個(gè)專(zhuān)用模塊提高無(wú)線(xiàn)Mesh內部的性能。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節點(diǎn)之間或者外界射頻環(huán)境帶來(lái)的干擾。在實(shí)驗室條件下每跳吞吐量下降在1%以下，在實(shí)際應用環(huán)境下，每跳吞吐量下降在10%以下。

安全性分析

無(wú)線(xiàn)Mesh基站設備互聯(lián)安全性

系統統一認證無(wú)線(xiàn)Mesh設備，管理人員在網(wǎng)絡(luò )管理系統中可通過(guò)一次性的操作批量認證和授權Mesh設備;未經(jīng)認證授權的Mesh節點(diǎn)將自動(dòng)阻斷用戶(hù)數據，保證網(wǎng)絡(luò )數據私有性;AES強制加密方式實(shí)現MeshAP之間的鏈路安全性;面向無(wú)線(xiàn)用戶(hù)接入的多種安全機制。

冗余分析

軌道沿線(xiàn)的每個(gè)固定基站將自動(dòng)決策回到有線(xiàn)節點(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)方向上根據網(wǎng)絡(luò )性能來(lái)負載均衡。另外，如果軌道沿線(xiàn)的任何一個(gè)基站出現故障，其相鄰的基站將會(huì )自動(dòng)地調整鏈路，迅速將數據流切換到相反方向的最近節點(diǎn)。這種方式提供完全的冗余性。當所有無(wú)線(xiàn)Mesh基站啟動(dòng)運行后，各個(gè)基站將自動(dòng)決策到有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的最優(yōu)路徑，隨之產(chǎn)生的Mesh拓撲將基于網(wǎng)絡(luò )性能進(jìn)行流量的負載平衡。

當軌道沿線(xiàn)任何一個(gè)光纖點(diǎn)發(fā)生故障，該區間內的固定Mesh基站將自動(dòng)的調整無(wú)線(xiàn)鏈路，重新匯聚到就近的另外一個(gè)光纖點(diǎn)處。當軌道沿線(xiàn)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)的調整無(wú)線(xiàn)鏈路，按照性能最優(yōu)的方式重新進(jìn)行匯聚。通過(guò)以上的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )組網(wǎng)備份、多個(gè)光纖點(diǎn)有線(xiàn)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(xiàn)無(wú)線(xiàn)寬帶系統的可考性。

網(wǎng)管和監控功能

Access/One網(wǎng)絡(luò )架構集合了業(yè)界獨特的Mesh路由智能和電信級別的集中式網(wǎng)元管理軟件和專(zhuān)用的管理硬件模塊(NetworkServer)。Access/One網(wǎng)絡(luò )架構采用了多種頻段，可以滿(mǎn)足其他產(chǎn)品無(wú)法實(shí)現交通沿線(xiàn)大規模無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )部署。

Manager/One自有網(wǎng)管

通過(guò)Access/One提供的自有網(wǎng)管平臺Manager/One，令網(wǎng)絡(luò )部署和成百上千的Mesh節點(diǎn)的安全、無(wú)縫的802.11覆蓋的控制變得輕而易舉。強大的批量配置功能，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(wú)線(xiàn)模塊。Managere/One的網(wǎng)管界面通過(guò)登陸分布于無(wú)線(xiàn)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)設備狀態(tài)、配置、監測等信息。

全局和增量軟件升級：為了滿(mǎn)足大規模的網(wǎng)絡(luò )部署，Manager/One支持全局部署和統一升級系統軟件，通過(guò)一次操作達到整網(wǎng)升級的目的。

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

結束語(yǔ)

利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)構建高鐵視頻監控系統有著(zhù)得天獨厚的有利條件，讓安防集成商免去布設大量線(xiàn)纜而帶來(lái)的麻煩，節省大量的線(xiàn)纜成本，從而提高信號傳輸的可靠性和系統運行的可靠性，代表了未來(lái)視頻傳輸的發(fā)展方向。未來(lái)五年國內中國仍將在各大中心城市持續興建高鐵或地鐵，了解無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)在高鐵視頻監控系統組網(wǎng)中的應用有著(zhù)現實(shí)的指導意義。