詳解Strix無(wú)線(xiàn)Mesh技術(shù)在鐵路系統應用

為了滿(mǎn)足鐵路系統的車(chē)輛移動(dòng)無(wú)線(xiàn)寬帶通信系統、鐵路沿線(xiàn)維護和應急通信系統的需求，提升高速移動(dòng)下的寬帶無(wú)線(xiàn)視頻、語(yǔ)音和數據通信能力；Strix Systems第三代無(wú)線(xiàn)Mesh（網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)）高速移動(dòng)無(wú)線(xiàn)寬帶技術(shù)，配合鐵路站點(diǎn)現有的光纖網(wǎng)絡(luò )，提供鐵路沿線(xiàn)的寬帶無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信平臺。

　　作為第三代WLAN無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)研發(fā)和推廣的主要廠(chǎng)家，Strix Systems在北美、歐洲和日本等國家和地區進(jìn)行了無(wú)線(xiàn)城市、無(wú)線(xiàn)園區、鐵路線(xiàn)路等環(huán)境下的大規模部署；Strix Systems革命性的Mesh技術(shù)提供了高速移動(dòng)和快速漫游切換的能力，滿(mǎn)足了鐵路系統大規模部署的需要。Strix Access/One 無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò )作為多業(yè)務(wù)平臺(Multi-Service Platform)，網(wǎng)絡(luò )具有自我組織、自動(dòng)配置、性能自動(dòng)調節、鏈路自動(dòng)修復等特性，支持負載均衡和冗余備份功能，為無(wú)線(xiàn)監控、移動(dòng)無(wú)線(xiàn)監控等視頻和語(yǔ)音服務(wù)提供了穩定可靠的承載平臺。

　　建成的移動(dòng)寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統做為綜合性的通信平臺，可為鐵路系統系統廣泛的應用：

　　1. 數據和語(yǔ)音通信

　　“ 軌道周邊區域的通信

　　“ 維護保養隊的通信

　　“ 貨運公司（FOC）操作

　　“ 貨運公司傳真服務(wù)

　　“ 貨運公司駕駛員工作表更新服務(wù)

　　“ 列車(chē)營(yíng)運公司(TOC)駕駛員工作表更新服務(wù)

　　“ 全部車(chē)輛和列車(chē)診斷服務(wù)

　　“ 餐車(chē)庫存控制

　　2. 綜合的車(chē)站服務(wù)

　　“ 電子票務(wù)

　　“ 時(shí)間表更新

　　“ 電子座位預訂

　　“ 火車(chē)/站點(diǎn)電子廣告 (新的收入來(lái)源)

　　3. 跟蹤和遙感測試服務(wù)

　　“ 列車(chē)跟蹤服務(wù)

　　“ 租賃公司監測

　　4. 安全和監控

　　“ 站點(diǎn)CCTV

　　“ 交叉路口CCTV

　　5. 移動(dòng)用戶(hù)服務(wù)

　　“ 乘客Email服務(wù)

　　“ 互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)

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

　　根據地形地勢，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(shí)的可擴展能力和分布式網(wǎng)絡(luò )架構

　　支持多種管理方式

　　滿(mǎn)足性能和帶寬要求的能力

　　方案將：

　　為移動(dòng)平臺提供Wi-Fi覆蓋（列車(chē)、公共汽車(chē)、卡車(chē)、輪渡和電車(chē)等）

　　支持中高速移動(dòng) 280km/h

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

　　Strix Mesh系統構建的mesh網(wǎng)絡(luò )去掉了節點(diǎn)之間布線(xiàn)的需求，但仍具有分布式網(wǎng)絡(luò )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節點(diǎn)可分為固定節點(diǎn)和移動(dòng)節點(diǎn)基本組成如下圖所示：

與傳統的無(wú)線(xiàn)AP解決方案不同，OWS/IWS網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)可以被認為不需要使用線(xiàn)纜的是以太網(wǎng)交換機。節點(diǎn)在系統中的職能由節點(diǎn)內的模塊組合以及該節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )中的位置決定。每個(gè)節點(diǎn)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AP僅僅作為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )延伸，為用戶(hù)提供最后一跳，Strix Systems Access/One是分布式的無(wú)線(xiàn)解決方案，更像是今天的互聯(lián)網(wǎng)。系統允許用戶(hù)接入和設備互聯(lián)回程都采用無(wú)線(xiàn)通信，不再需要由線(xiàn)纜帶來(lái)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，節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )環(huán)境變化下，仍然保持可靠的網(wǎng)絡(luò )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(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的有效替代方案。

　　同時(shí)，自動(dòng)發(fā)現和自動(dòng)配置功能允許初期網(wǎng)絡(luò )建設和后期擴展更加簡(jiǎn)單。當節點(diǎn)加電后，會(huì )自動(dòng)地發(fā)現在網(wǎng)絡(luò )中的角色并且維護配置。在遇到更好路徑的情況下，節點(diǎn)將動(dòng)態(tài)的自我調整。

使用mesh拓撲而不是傳統的星形架構，確保網(wǎng)絡(luò )中沒(méi)有單點(diǎn)故障；在節點(diǎn)故障、移出或者替代的情況下，網(wǎng)絡(luò )通過(guò)簡(jiǎn)單的自我調整，就可自動(dòng)的適應變化。Strix mesh架構在一個(gè)OWS節點(diǎn)內使用多個(gè)專(zhuān)用802.11a無(wú)線(xiàn)模塊，組成到下一個(gè)OWS節點(diǎn)的回程，提供到有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的最短路徑（最好的往返時(shí)延）。所有可用鏈路都被監控，并且當有更好的可用路徑時(shí)自動(dòng)的進(jìn)行路徑改變。時(shí)延是實(shí)際延時(shí)、RF模塊負載、無(wú)線(xiàn)信道信噪比和一些其他參數的架加權值。Mesh自動(dòng)為無(wú)線(xiàn)設備到有線(xiàn)的通信或者類(lèi)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量，而轉彎和隧道會(huì )提高基站數量。

　　注意：這些數據僅用于參考目的。節點(diǎn)間的距離很多因素有關(guān)，如天線(xiàn)使用，發(fā)射功率限制、列車(chē)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(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Strix mesh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 )。所有的Strix回程都是基于A(yíng)ES加密的，允許私有信息在Tier-1網(wǎng)絡(luò )中的傳輸。

　　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-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-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 )回程刀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。

　　Strix mesh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-1網(wǎng)絡(luò )

　　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。

　　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Client Connect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(xiàn)的應急服務(wù)或者維護隊伍的無(wú)線(xiàn)通信

　　在列車(chē)機車(chē)位置放置Strix MWS100作為移動(dòng)節點(diǎn)，優(yōu)化掃描和切換過(guò)程

　　方案解決的問(wèn)題

　　數據流中斷

　　有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的交換架構變化需要時(shí)間來(lái)學(xué)習每個(gè)PC數據流量的位置。在攜帶一定數量的PC收發(fā)數據的快速移動(dòng)平臺（列車(chē)）上，當無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接不斷”跳轉“時(shí)，發(fā)送到處于跳轉狀態(tài)下某終端的流量將持續的發(fā)送到錯誤的位置，直到交換網(wǎng)絡(luò )學(xué)習到終端的新位置。這種現象將影響端到端的數據流。

　　Strix Access/One網(wǎng)絡(luò )解決了這個(gè)問(wèn)題。當無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接跳轉時(shí)，每個(gè)回程無(wú)線(xiàn)模塊代表后面相連的所有已知回程和PC，自動(dòng)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據服務(wù)。

　　在這里提出的架構，Tier-2網(wǎng)絡(luò )與列車(chē)上的IP網(wǎng)關(guān)相連，這樣僅有IP網(wǎng)關(guān)的MAC地址需要在交換網(wǎng)絡(luò )中更新，令無(wú)線(xiàn)跳轉對于終端用戶(hù)更加透明。

　　動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的上連鏈路選擇和切換

　　為了解決列車(chē)在固定節點(diǎn)之間的快速切換，系統需要持續的背景掃描。當移動(dòng)速度加快時(shí)，切換時(shí)間就可能成為問(wèn)題 - 例如，時(shí)速180公里下，對于固定節點(diǎn)間隔為800米的情況下，僅有15秒的時(shí)間完成切換和重聯(lián)合。

　　Strix Access/One網(wǎng)絡(luò )解決了這個(gè)問(wèn)題，無(wú)線(xiàn)回程模塊持續的背景掃描，以滿(mǎn)足自動(dòng)修復和自動(dòng)調整共功能。默認狀態(tài)下，每個(gè)WiFi信道5秒鐘掃描一次，這對于靜態(tài)mesh網(wǎng)絡(luò )是非常充分的。這樣，無(wú)線(xiàn)回程模塊保留了供上連的多個(gè)無(wú)線(xiàn)鏈路列表，允許無(wú)線(xiàn)回程模塊在多個(gè)上連鏈路間切換。

　　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4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 )將切換時(shí)間減少到50msec。