高铁视频监控系统无线宽带组网技术

　　高速铁路视频监控系统要采取无线宽带组网技术，本文介绍该公司无线网状网技术在高铁视频监控系统组网中的应用，要点包括需求分析、组网方案、技术分析、网管和监控功能分析等等，特别是其中关于三层组网方案的内容值得从事高铁安防监控系统建设的集成商关注。

　　高铁监控背景

　　武广高速铁路客运专线正式投入运营，标志着中国高速铁路建设的高潮已经到来，这将给安防监控设备供应商及相关系统集成商带来更多的发展机会。作为高速铁路“四电”(通信、信号、电力、电气化)系统集成和信息系统的组成部分，视频监控系统在高铁的通信指挥调度、安全防灾管理中发挥着不可忽视的作用。目前中国开通的高铁时速一般都到达350公里，所以安全就成了大家共同关注的问题。确实，时速350公里的高速动车如果出现一点点故障，即使第一时间采用刹车制动，也需要减速滑行6500米。武广高铁的发车密度是间隔3分钟，一旦某辆列车失控，带来的后果是难以想象的。
 

　　高铁视频监控系统的需求分析

　　高速铁路综合监控系统不仅实现对供电系统中的各种供电设备的运行状态监视、控制及沿线变电所、分区亭、开闭所的安全监控，迅速分析、查找、切除故障点，实现设备运营状态的在线监测;同时也要纳入行车调度、计划调度、安全监控、行车信号等多方面的实时信息;并使各种子系统间的信息进行交互，为提高供电系统调度管理自动化、智能化水平，确保高速铁路的安全、可靠、高效运行提供了强大的技术保障。

　　高速铁路要求全线都有设置视频监控系统，设置点位比较多的是区间和站点、特大桥、隧道、公跨铁、区间基站、变电所等。另外视频监控系统需要进一步的和入侵报警系统、火灾报警系统、门禁系统、动力监控系统进行融合，使得综合视频监控系统变得更加复杂，而这恰恰就是广大市场进入者面临的高铁监控市场。除了跨度大、监控距离远、传输线路长、应用环境复杂之外，高铁安防应用还有一个非常显着的特点：无人值守。为了减少小站的设置，高铁领域很多场站都实行无人值守。另外，铁路每隔数百米会有电力机房和通信机房，这些机房基本上都需要无人值守，并用到视频监控和报警系统，以检测是否有人入侵，现场的情况有无变化等。因此，高铁无人值守机房对视频监控的需求量非常大。

　　高铁组网方案

　　Strix提出3层式的解决方案，保证车载快速切换和高带宽，网络有极强的自愈能力等技术特点，完全适合铁路无线组网的需求。

　　Tier-1网络

　　Tier-1网络基于802.11a无线传输网络，将部署与铁轨沿线延伸到所有需要覆盖的区域。基站节点部署在铁路沿线区域的杆子上，在Tier-1多数的无线基站都是完全无线的，仅有一些在车站或其他具有光纤的位置才会是有线基站。在Strix mesh无线回程中的所有流量都将从最近的有线接口处发送到有线网络。

　　在每辆列车上都会有一个Strix节点，叫做移动节点，这也是Tier-1网络中的一部分。该节点负责处理快速切换，将列车无缝的接入到铁路沿线由多个固定节点组成的基础架构。Tier-1网络中的所有抱杆安装的节点都连接到多层交换网络中，然后通过路由器连接到ISP网络或者Internet，出于可扩展性考虑，所有的交换应该是基于层次化结构的多层交换系统。所有的抱杆安装的节点必须连接到第二层网络，并且允许组播和广播流量的透明传输。
 

　　Tier-1网络中的每个OWS节点选用室外型无线系统OWS2400-20产品，该型号内置了2块802.11a模块和2块802.11g模块，其功能如下：
      1快802.11a模块作为mesh汇聚设备，接入列车和其他节点的mesh回程，将mesh网络向远离有线网络方向扩展。该无线模块工作于ClientConnect模式。另外1块802.11a模块作为mesh回程设备，将无线流量向有线网络方向回传。该无线模块工作于NetworkConnect模式。OWS2400-20中的2块802.11g模块可以有选择的使用，可以用于铁路沿线的应急服务或者维护队伍的无线通信。 

　　在列车机车位置的MWS节点作为移动节点，优化扫描和切换过程。该移动节点处可以使用高增益的全向天线(9dBi以上)，每个802.11a无线模块均两个5.8GHz定向天线，背靠背指向交通线路两侧;定向天线组之间的垂直距离应不小于50公分，天线距地面的最低高度为3.5米(若丘陵地带，必须提高天线安装高度)，OWS支持110-240VAC和12-24VDC供电方式，支持第三方太阳能电池供电。

　　为了保证车辆在高速移动的情况下仍然能够一直在线并且保持无线连接，必须在车辆上安装Strix移动车载设备MWS100。MWS100作为Strix最新的车载Mesh设备，专门用于车载设备的接入，保证车载设备高速移动和快速切换下依然保证无间断的通讯。

 

　　Tier-2网络

　　Tier-2网络是车厢内部的无线传输网络，通常由几个OWS、IWS无线节点和第三层网关组成。其中一个OWS/IWS节点将车厢内中的多个无线节点连接到网关的内网网口(该网关完成路由器、NAT和其他功能;而在网关的外网网口将连接到移动节点，该移动节点就是负责将列车无缝接入到铁路沿线固定的无线网络架构。Tier-2网络具有自动发现邻居节点和自动完成配置的能力，保证整列车多个车厢之间的连接性，仅在列车车厢重新分组和列车配置改变的情况下，才会影响车厢间的连接性。

　　Tier-2网络由IP网关、列车机车上的IWS/OWS上连节点和每个车厢内一到两个用于连接车厢的节点。Tier-2网络内所有的无线链路均采用基于802.11a技术，以减少与用户802.11g(Tier-3网络)之间的干扰。同Tier-1网络一样，节点将自动发现并且自动配置，自动的形成基础架构。这对于车厢可能频繁的、随意的重组是非常重要的。

　　Tier-3网络

　　Tier-3网络提供802.11g的无线接入服务。该无线接入可以服务于列车乘客或者其他诸如视频监控和遥感设备的应用。应用流量通过无线mesh网络回程到Tier-2网络，最终通过Tier-1网络传输回有线网络。无论是Tier-1网络或者Tier-2网络对用户都是透明的。用户总是会连接到车厢中距离最近的802.11g节点，而不会感知到网关外网口处不断发生的切换。Strix mesh自动配置和快速自愈的特性将减少部署的负荷和成本。网络中的每一层具有足够的智能，而不需要管理人员的手工干预。

　　Tier-3网络由802.11g接入网络组成，建立在负责车厢互联的Tier-2网络基础上。由于Strix Access/One解决方案允许多个无线模块的堆叠，这些无线模块可以物力的堆叠在IWS/OWS节点中。非常可能，每个车厢只需要一个802.11g模块就可以保证车厢内绝大部分区域的覆盖。用户可以通过IP网关的DHCP服务器自动获取IP地址。Tier-3网络节点由三种无线模块配置组成，802.11g模块负责处理用户接入，两个802.11a模块完成车厢之间的无线互联链路。


　　高铁组网技术分析

　　切换和速度分析

　　为了解决列车在固定节点之间的快速切换，车载设备需要持续的背景扫描以不同寻找最优的上联链路，同时固定基站也将不断的提供动态性能指标回应车载设备的质询。当移动速度加快时，切换时间就可能成为问题。Strix Access/One系统解决了这个问题，利用车载设备的无线回程模块持续的信道背景扫描，不断动态的自动的更新上联链路状态，以满足自动修复和自动调整的功能。背景扫描的工作方式如下： 


      车载设备信道背景扫描时间间隔为500ms-5s(可配置)，每次信道扫描耗时约30ms。

　　背景扫描期间，车载设备将调整其工作信道，以扫描该信道的可用上行链路及其指标;工作于该信道的固定基站也将针对车载设备的proberequest，提供自身性能指标信息(包括信号强度及其性能)。可配置车载设备的信道扫描列表(建议轨道延线固定基站使用3个或3个以下的信道)，减少车载设备扫描次数。

　　车载设备根据多个信道背景扫描，确定所有可用上行链路，动态更新车载设备的上行路径表，当备选上行链路指标超出当前主链路一定指标时(可配置切换条件)，车载设备就会执行切换动作，从而备选链路成为主链路。

　　通过减少扫描间隔时间和需要扫描的信道数量，将进一步提高切换时间。换句话说，可以将802.11a的信道扫描减少到3个甚至更少。背景扫描的时间间隔与Tier-1网络中固定节点之间的距离有直接的关系。以上所有的优化手段将会将切换的速度提升到100-150msec。注意：切换时间是不直接受限于移动速度的，在以上三种不同速度情况下切换速度在100ms上下。轨道沿线基站和车辆之间的上行和下行通信，对于切换时间基本上没有影响：

　　情形1: 上行业务(从车辆到轨道沿线基站)

　　(1)缓存500个包文;

　　(2)根据不同业务缓存大小有所不同，例如iperf默认报文为8K;

　　(3)根据缓存容量，Strix应该能够缓存4M比特的数据，尽可能的减少丢包;

　　(4)因此，系统在切换期间带来极少的延时，约为100-150ms。

　　情形2: 下行业务(从轨道沿线基站到车辆)

　　(1)缓存500个包文，多车情况下均分缓存容量;

　　(2)根据不同业务缓存大小有所不同，例如iperf默认报文为8K;

　　(3)根据缓存容量，Strix应该能够缓存4M比特的数据，尽可能的减少丢包;

　　(4)因此，系统在切换期间带来极少的延时，约为100-150ms。

　　在实际的无线设备切换过程完成后，一般来说应用层需要额外的时间切换业务，根据不同的业务容量可能会带来一定的延时或者丢包(由于应用层timeout原因);因此，良好的切换也需要在应用层进行相应的缓存机制。 

　　另一种计算切换方式

　　另外一种计算切换的方式是：切换时间和基站间隔时间的比值。例如，对于350公里时速情况下，每10秒钟之中的100ms的切换时间对于性能的影响为0.1/10。接下来需要把背景扫描时间需要考虑进来，假设信道的扫描间隔为500ms，扫描时间约为为30ms;这些参数都是可软件配置的，供不同速度情况下的微调和性能优化。加上由于背景扫描带来的600ms延迟，以及切换带来的100ms延迟，在每10s的区间内总体延迟约为700ms，即总体性能损耗约为7%，对于系统的影响很有限。如果传输的数据量远小于上行链路容量，通过缓存技术，基本上不会有可察觉的带宽损耗。

　　从目前的理论模型和实际测试效果推断，行车速度会对切换频繁程度和射频误码率造成直接影响，从而影响固定基站与移动设备之间的上下行带宽;在300公里以上的高速切换数据还需进一步的通过测试验证。

　　多跳性能分析

　　Strix Access/One产品支持多模块、多信道和多射频技术进行Mesh组网，如下图所示-每个节点都有多个不同功能的无线模块，分别处理无线终端接入、Mesh回程和Mesh扩展等，利用多个专用模块提高无线Mesh内部的性能。同时，每跳都是使用不同的2.4GHz或者5.8GHz信道进行传输，大幅度的改善了多个Mesh节点之间或者外界射频环境带来的干扰。在实验室条件下每跳吞吐量下降在1%以下，在实际应用环境下，每跳吞吐量下降在10%以下。

　　安全性分析

　　无线Mesh基站设备互联安全性

　　系统统一认证无线Mesh设备，管理人员在网络管理系统中可通过一次性的操作批量认证和授权Mesh设备;未经认证授权的Mesh节点将自动阻断用户数据，保证网络数据私有性;AES强制加密方式实现Mesh AP之间的链路安全性;面向无线用户接入的多种安全机制。

　　冗余分析

　　轨道沿线的每个固定基站将自动决策回到有线节点的最佳路径。这样，不同的Mesh段将在轨道上行或者下行的两个方向上根据网络性能来负载均衡。另外，如果轨道沿线的任何一个基站出现故障，其相邻的基站将会自动地调整链路，迅速将数据流切换到相反方向的最近节点。这种方式提供完全的冗余性。当所有无线Mesh基站启动运行后，各个基站将自动决策到有线网络的最优路径，随之产生的Mesh拓扑将基于网络性能进行流量的负载平衡。

　　当轨道沿线任何一个光纤点发生故障，该区间内的固定Mesh基站将自动的调整无线链路，重新汇聚到就近的另外一个光纤点处。当轨道沿线任何一个固定基站发生故障时，受到影响的固定Mesh基站将自动的调整无线链路，按照性能最优的方式重新进行汇聚。通过以上的无线网络组网备份、多个光纤点有线备份以及管理服务器板卡冗余备份等方式，可以大幅的提高轨道沿线无线宽带系统的可考性。

　　网管和监控功能

　　Access/One 网络架构集合了业界独特的Mesh路由智能和电信级别的集中式网元管理软件和专用的管理硬件模块(Network Server)。Access/One网络架构采用了多种频段，可以满足其他产品无法实现交通沿线大规模无线网络部署。

　　Manager/One自有网管

　　通过Access/One提供的自有网管平台Manager/One，令网络部署和成百上千的Mesh节点的安全、无缝的802.11覆盖的控制变得轻而易举。强大的批量配置功能，可以将网络整体配置同时更新到多个子网中的所有模块中去，内置于基于硬件的网络服务器模块和Access/One网络中所有的无线模块。Managere/One的网管界面通过登陆分布于无线Mesh网络的多个网络服务器中的任意一个获取整网设备状态、配置、监测等信息。

　　全局和增量软件升级：为了满足大规模的网络部署，Manager/One支持全局部署和统一升级系统软件，通过一次操作达到整网升级的目的。

　　Manager/One监控状态和监控：提供查看和管理整个网络的工具，从不同的界面监控整个网络，包括Strix节点的地理图形界面，更便于定位问题。

　　结束语

　　利用无线网状网技术构建高铁视频监控系统有着得天独厚的有利条件，让安防集成商免去布设大量线缆而带来的麻烦，节省大量的线缆成本，从而提高信号传输的可靠性和系统运行的可靠性，代表了未来视频传输的发展方向。未来五年国内中国仍将在各大中心城市持续兴建高铁或地铁，了解无线网状网技术在高铁视频监控系统组网中的应用有着现实的指导意义。(作者单位：Strix systems公司)

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