詳解Strix無線Mesh技術在鐵路系統應用

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

　　作為第三代WLAN無線局域網技術研發和推廣的主要廠家，Strix Systems在北美、歐洲和日本等國家和地區進行了無線城市、無線園區、鐵路線路等環境下的大規模部署；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，滿足了鐵路系統大規模部署的需要。Strix Access/One 無線Mesh網絡作為多業務平臺(Multi-Service Platform)，網絡具有自我組織、自動配置、性能自動調節、鏈路自動修復等特性，支持負載均衡和冗余備份功能，為無線監控、移動無線監控等視頻和語音服務提供了穩定可靠的承載平臺。

　　建成的移動寬帶無線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

　　“ 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

　　“ 租賃公司監測

　　4. 安全和監控

　　“ 站點CCTV

　　“ 交叉路口CCTV

　　5. 移動用戶服務

　　“ 乘客Email服務

　　“ 互聯網接入服務

　　方案描述 利用Strix Systems現有的產品線，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

　　被廣泛證實的可擴展能力和分布式網絡架構

　　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

　　允許互聯網和企業VPN接入，支持視頻監控和控制系統

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

與傳統的無線AP解決方案不同，OWS/IWS網絡節點可以被認為不需要使用線纜的是以太網交換機。節點在系統中的職能由節點內的模塊組合以及該節點在網絡中的位置決定。每個節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AP僅僅作為無線網絡延伸，為用戶提供最后一跳，Strix Systems Access/One是分布式的無線解決方案，更像是今天的互聯網。系統允許用戶接入和設備互聯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自組網成為可能，節點在網絡環境變化下，仍然保持可靠的網絡連接。在回程鏈路上，使用Turbo A或Super G可支持高達108Mbps的帶寬，使其成為有線網絡的有效替代方案。

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

使用mesh拓撲而不是傳統的星形架構，確保網絡中沒有單點故障；在節點故障、移出或者替代的情況下，網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節點內使用多個專用802.11a無線模塊，組成到下一個OWS節點的回程，提供到有線網絡的最短路徑（最好的往返時延）。所有可用鏈路都被監控，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，而轉彎和隧道會提高基站數量。

　　注意：這些數據僅用于參考目的。節點間的距離很多因素有關，如天線使用，發射功率限制、列車配置、地形和隧道等等。

　　Strix提出3層式的解決方案

　　Tier-1 網絡

　　Tier-1網絡基于802.11a無線傳輸網絡，將部署與鐵軌沿線延伸到所有需要覆蓋的區域。基站節點部署在鐵路沿線區域的桿子上，在Tier-1多數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送到有線網絡。所有的Strix回程都是基于AES加密的，允許私有信息在Tier-1網絡中的傳輸。

　　在每輛列車上都會有一個Strix節點，叫做移動節點，這也是Tier-1網絡中的一部分。該節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點組成的基礎架構。

　　Tier-2 網絡

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

　　Tier-2網絡具有自動發現鄰居節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 網絡

　　Tier-3網絡提供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控和遙感設備的應用。應用流量通過無線mesh網絡回程刀Tier-2網絡，最終通過Tier-1網絡傳輸回有線網絡。

　　無論是Tier-1網絡或者Tier-2網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節點，而不會感知到網關外網口處不斷發生的切換。

　　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網絡

　　Tier-1網絡中的所有抱桿安裝的節點都連接到多層交換網絡中，然后通過路由器連接到ISP網絡或者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。所有的抱桿安裝的節點必須連接到第二層網絡，并且允許組播和廣播流量的透明傳輸。

　　Tier-1網絡中的每個OWS節點選用室外型無線系統OWS2400-20產品，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，接入列車和其他節點的mesh回程，將mesh網絡向遠離有線網絡方向擴展。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作為移動節點，優化掃描和切換過程

　　方案解決的問題

　　數據流中斷

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

　　Strix Access/One網絡解決了這個問題。當無線網絡連接跳轉時，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據服務。

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

　　動態實時的上連鏈路選擇和切換

　　為了解決列車在固定節點之間的快速切換，系統需要持續的背景掃描。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，對于固定節點間隔為800米的情況下，僅有15秒的時間完成切換和重聯合。

　　Strix Access/One網絡解決了這個問題，無線回程模塊持續的背景掃描，以滿足自動修復和自動調整共功能。默認狀態下，每個WiFi信道5秒鐘掃描一次，這對于靜態mesh網絡是非常充分的。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網絡中固定節點之間的距離有直接的關系。以上所有的優化手段將會將切換時間減少到50msec。