隨著高速鐵路建設(shè)的不斷深入，對列車安全運(yùn)行和監(jiān)控等安防工作提出了更高的要求。本方案主要結(jié)合國外成功案例，討論了Strix無線網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh)技術(shù)在高速鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用中的技術(shù)方案。

　　需求概述

　　作為第三代無線Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)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(jìn)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(shù)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(luò)作為多業(yè)務(wù)平臺，具有自動組網(wǎng)、自動配置、性能自動調(diào)節(jié)、鏈路自動修復(fù)等特性，支持負(fù)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(wù)提供了穩(wěn)定可靠的承載平臺。

　　1、無線網(wǎng)絡(luò)特點

　　(1)高性能高帶寬，54Mbps無線帶寬;

　　(2)自組網(wǎng)、多跳級聯(lián)組網(wǎng)，適合大規(guī)模組網(wǎng)，可達(dá)幾百公里以上;

　　(3)臨時通信、快速組網(wǎng);既能組網(wǎng)、又能覆蓋;

　　(4)具備高速移動能力，可達(dá)300公里時速;

　　(5)低成本的綜合性接入系統(tǒng)，適合語音、視頻和數(shù)據(jù)采集;

　　(6)基于IP技術(shù)等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，系統(tǒng)具備良好的兼容性和可擴(kuò)展性;

　　(7)基站間距

　　·在隧道內(nèi)兩基站之間的最短距離為500米;

　　·在寬闊平坦地帶兩個基站之間可為鐵路提供1～3.2公里的無縫覆蓋;

　　(8)多跳無線組網(wǎng)

　　·無線級聯(lián)可達(dá)15跳以上;

　　·完全滿足現(xiàn)行鐵路一個區(qū)間無線連續(xù)性的傳輸和覆蓋;

　　2、系統(tǒng)組網(wǎng)特點

　　(1)網(wǎng)絡(luò)自愈性

　　·每個固定無線基站都不斷掃描和更新可用路徑和最佳路徑;

　　·系統(tǒng)總是選取性能最佳的無線鏈路;

　　·某基站發(fā)生故障時，其他基站自動癒合鏈路;

　　· 以上過程無需手動干預(yù)，僅需毫秒級別的處理，對用戶完全透明。

　　(2)抗干擾能力強(qiáng)

　　·無線基站系統(tǒng)支持2.4GHz、5.1～5.8GHz頻段的組網(wǎng);

　　·無線基站采用智能信道掃描技術(shù)，避免同頻干擾和鄰頻干擾帶來的性能下降;

　　·為高速移動應(yīng)用定制, 減少車載無線設(shè)備需要掃描的信道，以實現(xiàn)更快速的漫游和切換;

　　(3)系統(tǒng)平臺的可擴(kuò)展性

　　·可方便地擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、提高系統(tǒng)容量、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加承載業(yè)務(wù);

　　·不限制設(shè)備數(shù)量，隨時可以增加多個視頻監(jiān)控點或設(shè)備;

　　·不限制用戶數(shù)量，可以多人同時監(jiān)控操作;

　　·分布式服務(wù)器配置，可以配置多個;系統(tǒng)將自動進(jìn)行負(fù)載;

　　·優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)資源管理使系統(tǒng)具備大數(shù)量監(jiān)控點實時監(jiān)控的能力;

　　·對于用戶需求中的可擴(kuò)展部分，系統(tǒng)可以隨時滿足用戶的擴(kuò)展需求。

　　(4)系統(tǒng)平臺的靈活性

　　·可在任一地點設(shè)置網(wǎng)絡(luò)單元，自動接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)并提供服務(wù);

　　·在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，可靈活地提供語音、視頻和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù);

　　(5)系統(tǒng)平臺的通用性

　　·采用基于IP的視頻、數(shù)據(jù)和話音傳輸協(xié)議;

　　·無線接口支持802.11a/b/g協(xié)議，可以利用現(xiàn)有的筆記本、PDA等內(nèi)置或外接Wi-Fi適配器的手持終端，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)接入，而不需要增加額外的硬件設(shè)備;[nextpage]

　　方案描述

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

　　1.根據(jù)地形地勢，快速設(shè)計定制方案的能力;

　　2.相對較低的部署成本;

　　3.被廣泛證實的可擴(kuò)展能力和分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu);

　　4.滿足性能和帶寬要求的能力;

　　方案將:

　　1.為移動平臺提供Wi-Fi覆蓋;

　　2.支持高速移動 300公里/小時;

　　3.支持視頻監(jiān)控、語音和數(shù)據(jù)等各種業(yè)務(wù)的實施傳輸;

　　Strix Mesh系統(tǒng)構(gòu)建的Mesh網(wǎng)絡(luò)去掉了節(jié)點之間布線的需求，但仍具有分布式網(wǎng)絡(luò)所提供的冗余機(jī)制和重新路由功能。鐵路移動無線寬帶系統(tǒng)中的每個車站點處都是該區(qū)間的無線網(wǎng)絡(luò)匯聚點，鐵路沿線架設(shè)的固定Mesh基站會就近的連接到站點的光纖處有線網(wǎng)絡(luò)，并且通過有線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的交換機(jī)和路由器設(shè)備將鐵路系統(tǒng)內(nèi)部的視頻、語音和數(shù)據(jù)流量分別送達(dá)至鐵路專網(wǎng)內(nèi)。

　　該組網(wǎng)方案使用Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)涠皇莻鹘y(tǒng)的星形架構(gòu)，確保網(wǎng)絡(luò)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(luò)通過簡單的自我調(diào)整，就可自動地適應(yīng)變化。

　　方案設(shè)計假設(shè)條件

　　方案設(shè)計假設(shè)的條件包括：(1)列車速度:300公里/小時;(2)Wi-Fi基站距離:最小距離: 800米;最大距離: 3218米，注意: 基于視距LOS環(huán)境桿到鐵軌的最遠(yuǎn)距離為33米;(3)基站天線安裝高度: 3.3米～10米 。

　　基站間的視距條件好將減少基站數(shù)量，而轉(zhuǎn)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)點間的距離與很多因素有關(guān)，如天線使用、發(fā)射功率限制、列車配置、地形和隧道等等。

　　1、固定無線視頻監(jiān)控

　　典型應(yīng)用包括：

　　(1)無人值守車站上下行咽喉區(qū);

　　(2)站臺、設(shè)備機(jī)房、編組場、貨場;

　　(3)隧道、大中橋、公路立交道口;

　　2、移動無線視頻監(jiān)控

　　典型應(yīng)用包括：

　　(1)工務(wù)巡道、大中修作業(yè);

　　(2)天窗作業(yè)點;

　　(3)機(jī)車駕駛室;

　　(4)客車車廂內(nèi)視頻。

　　通過無線基站所建立的全透明無線通道，實現(xiàn)機(jī)車與地面全視頻通信，使指揮中心能夠隨時掌握機(jī)車內(nèi)的機(jī)車人員工作狀態(tài)。

　　3、機(jī)車車輛數(shù)據(jù)實時交互

　　典型應(yīng)用包括：

　　(1)機(jī)車工況監(jiān)測儀;

　　(2)機(jī)車晃車儀;

　　(3)旅客身份識別;

　　(4)車廂移動電子票務(wù);

　　(5)實時信息發(fā)布。

　　基于無線基站所構(gòu)成無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與現(xiàn)有鐵路的有線傳輸網(wǎng)有機(jī)的融合，形成一個相互冗余的強(qiáng)大的信息化數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，從而保證列車的安全性和數(shù)據(jù)的及時收集。

　　機(jī)車上所有的數(shù)據(jù)信息可通過區(qū)間的網(wǎng)絡(luò)有線結(jié)點實時傳回指揮中心。

　　無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠確保網(wǎng)絡(luò)不受到單點故障的影響，一旦出現(xiàn)故障或中斷，系統(tǒng)自動修復(fù)鏈路，保證數(shù)據(jù)交互的穩(wěn)定性。[nextpage]

　　4、臨時組網(wǎng)和應(yīng)急通信

　　典型應(yīng)用包括：

　　(1)臨時組網(wǎng)(突發(fā)事件的應(yīng)急指揮);

　　(2)事故(車務(wù)、機(jī)務(wù)、工務(wù)、電務(wù)、車輛);

　　(3)自然災(zāi)害(車務(wù)、機(jī)務(wù)、工務(wù)、電務(wù)、車輛);

　　(4)公共安全突發(fā)事件(公安)。

　　在遠(yuǎn)離固定無線基站的區(qū)域進(jìn)行巡檢或緊急搶修搶險等突發(fā)事件時，車輛之間也可以搭建臨時網(wǎng)，保證相互間的通信及視頻，并且就近連接到無線基站或借助衛(wèi)星等第三方網(wǎng)絡(luò)的傳輸系統(tǒng)接入到指揮中心，做到遠(yuǎn)程指揮，從而達(dá)到事發(fā)現(xiàn)場隨時隨地的組網(wǎng)。

　　方案解決的問題

　　1、數(shù)據(jù)流中斷

　　有線網(wǎng)絡(luò)的交換架構(gòu)變化需要時間來學(xué)習(xí)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(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)連接不斷“跳轉(zhuǎn)”時，發(fā)送到處于跳轉(zhuǎn)狀態(tài)下某終端的流量將持續(xù)地發(fā)送到錯誤的位置，直到交換網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)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(luò)解決了這個問題。當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)連接跳轉(zhuǎn)時，每個回程無線模塊代表后面相連的所有已知回程和計算機(jī)終端，自動更新交換架構(gòu)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(wù)。

　　2、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(dāng)移動速度加快時，切換時間就可能成為問題。例如，在時速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無線Mesh網(wǎng)絡(luò)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(fù)和自動調(diào)整功能。默認(rèn)狀態(tài)下，每個無線信道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(jìn)一步提高切換時間。換句話說，可以將信道掃描減少到4個甚至更少。背景掃描的時間間隔與Tier-1網(wǎng)絡(luò)中固定節(jié)點之間的距離有直接的關(guān)系。以上所有的優(yōu)化手段將會將切換時間減少到50ms。

　　實際案例分析

　　下面以NCTD(北運(yùn)輸區(qū))在Coaster(圣地亞哥-湖邊)城際鐵路部署的Strix無線Mesh網(wǎng)絡(luò)為例進(jìn)行說明。

　　NCTD安裝了約60臺Strix高性能無線Mesh基站，用于連接圣地亞哥和湖邊市的Coaster城際鐵路提供寬帶移動無線服務(wù)，該鐵路線也是全美第二繁忙的鐵路線--每天48個客運(yùn)班次和2個貨運(yùn)班次。

　　“Strix Systems 將鐵路和公路市場視為無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的戰(zhàn)略性市場， Strix室外型無線基站OWS系列產(chǎn)品和車載基站MWS系列產(chǎn)品，是最適合鐵路市場的產(chǎn)品，” Strix戰(zhàn)略銷售副總裁Tom Mooreland說，“遍布世界各地的用戶都已經(jīng)意識到無線Mesh技術(shù)是解決寬帶移動無線需求的最佳技術(shù);作為業(yè)界最佳的產(chǎn)品架構(gòu)，Strix OWS也成為各種移動組網(wǎng)的理想選擇。在圣地亞哥到湖邊的城際鐵路線的成功應(yīng)用，進(jìn)一步驗證了Strix無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的高性能和移動特性優(yōu)勢。”

　　Coaster鐵路線采用Strix OWS無線Mesh網(wǎng)絡(luò)， 主要用于關(guān)鍵的鐵路應(yīng)用：

　　1、24×7不間斷的遠(yuǎn)程無線視頻監(jiān)控，為列車機(jī)車和鐵路沿線提供實時的、清晰的視頻監(jiān)控影像，提升安全等級并且為惡性事故提供證據(jù)。

　　2、為鐵路通信提供安全加密的無線傳輸鏈路。

　　3、全部采用太陽能供電，提供全天候通電和應(yīng)急備份供電 。

　　無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的部分費用來自美國國土安全局?，F(xiàn)在，NCTD不僅僅采用無線Mesh網(wǎng)絡(luò)保護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施，同時利用可互操作特性，NCTD采用無線Mesh網(wǎng)絡(luò)用于同其他機(jī)構(gòu)的通信;不僅僅滿足了圣地亞哥市政的要求，也滿足了國土安全局的需要。

　　無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的搭建由集成商Datel Systems負(fù)責(zé)，在選擇Strix無線Mesh解決方案前，Datel進(jìn)行了深入的功能和性能測試，最后確定采用Strix方案，尤其是系統(tǒng)的高性能、易安裝、靈活和4.9GHz的國土安全專用頻段支持。系統(tǒng)的帶寬測試表明：Strix在多跳后依然可以提供17～20Mbps的吞吐量。

　　Datel也發(fā)現(xiàn)無線Mesh技術(shù)極大地節(jié)省了現(xiàn)場安裝調(diào)試時間，平均每15分鐘即可完成安裝和固定，而不需繁雜的現(xiàn)場調(diào)試和配置工作-Mesh系統(tǒng)的自動組網(wǎng)、自動配置特性能自主地完成這項工作。