Strix无线Mesh技术在铁路系统的实现

 

　　我国有7万多公里的铁路线，铁路各运营部门都需要使用无线通信手段辅助提高运输效率，保障运输安全。铁路是我国较早发展无线通信系统的部门，但目前铁路应用的移动通信系统相比国内其他部门已显落后。新兴的移动通信技术在铁路有巨大的发展空间。

　　我国铁路无线通信系统不仅要实现无线列车调度、铁路站场调车通信、铁路区间移动通信等话音通信功能，同时还承担了车次号传输、列车尾部风压数据传输、道口预（报）警等很多数据无线传输任务，在铁路运输安全生产中发挥着越来越重要的作用。但是，由于铁路既有的单信道模拟制式无线通信设备主要是为满足话音通信设计的，长期以来一直存在着枢纽地区同频干扰严重，信道接入困难、语音不清晰和数据与话音争夺信道、相互干扰等问题，而且几万公里铁路沿线还一直沿用这落后不便的区间通话柱方式进行沿线作业和救援抢险，不适应技术发展和日益增长的运输生产需要。

　　建成的移动宽带无线通信系统做为综合性的通信平台，可为铁路系统系统广泛的应用：

　　1. 数据和语音通信

　　轨道周边区域的通信

　　维护保养队的通信

　　货运公司（FOC）操作

　　货运公司传真服务

　　货运公司驾驶员工作表更新服务

　  列车营运公司（TOC）驾驶员工作表更新服务

　　全部车辆和列车诊断服务

　　餐车库存控制

　　2. 综合的车站服务

　　电子票务

　　时间表更新

　　电子座位预订

　　火车/站点电子广告 （新的收入来源）

　　3. 跟踪和遥感测试服务

　　列车跟踪服务

　　租赁公司监测

　　4. 安全和监控

　　站点CCTV

　　交叉路口CCTV

　　5. 移动用户服务

　　乘客Email服务

　　互联网接入服务

　　方案描述 利用Strix Systems现有的产品线，提供：

　　根据地形地势，快速设计定制方案的能力

　　相对较低的部署成本

　　被广泛证实的可扩展能力和分布式网络架构

　　支持多种管理方式

　　满足性能和带宽要求的能力

　　方案将：

　　为移动平台提供Wi-Fi覆盖（列车、公共汽车、卡车、轮渡和电车等）

　　支持中高速移动 280km/h

　　允许互联网和企业VPN接入，支持视频监控和控制系统

　　无线mesh网络，由mesh routers（路由器）和mesh clients（客户端）组成，其中mesh routers构成骨干网络，并和有线的internet网相连接，负责为mesh clients提供多跳的无线internet连接。 无线Mesh网络（无线网状网络）也称为"多跳（multi-hop）"网络，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。

　　无线Mesh 网络是一种与传统的无线网络完全不同的网络。传统的无线接入技术中，主要采用点到点或者点到多点的拓扑结构。这种拓扑结构中一般都存在一个中心节点，例如移动通信系统中的基站、802.11无线局域网（WLAN）中的接入点（AP）等等。中心节点与各个无线终端通过单跳无线链路相连，控制各无线终端对无线网络的访问；同时，又通过有线链路与有线骨干网相连，提供到骨干网的连接。而在无线Mesh网络中，采用网状Mesh拓扑结构，是一种多点到多点网络拓扑结构。在这种Mesh网络结构中，各网络节点通过相邻其他网络节点，以无线多跳方式相连。

　　Strix Mesh系统构建的mesh网络去掉了节点之间布线的需求，但仍具有分布式网络所提供的冗余机制和重新路由功能。下面以油田行业为例，Strix Mesh节点可分为固定节点和移动节点基本组成如下图所示：

 

 

　　与传统的无线AP解决方案不同，OWS/IWS网络节点可以被认为不需要使用线缆的是以太网交换机。节点在系统中的职能由节点内的模块组合以及该节点在网络中的位置决定。每个节点都包含了所有用于连接、安全和管理所需的功能，不需要额外的硬件或或者软件。不像是大多数AP仅仅作为无线网络延伸，为用户提供一跳，Strix Systems Access/One是分布式的无线解决方案，更像是今天的互联网。系统允许用户接入和设备互联回程都采用无线通信，不再需要由线缆带来的不方便和高昂费用。Strix的设计也是ad-hoc自组网成为可能，节点在网络环境变化下，仍然保持可靠的网络连接。在回程链路上，使用Turbo A或Super G可支持高达108Mbps的带宽，使其成为有线网络的有效替代方案。

　　同时，自动发现和自动配置功能允许初期网络建设和后期扩展更加简单。当节点加电后，会自动地发现在网络中的角色并且维护配置。在遇到更好路径的情况下，节点将动态的自我调整。

 

 

　　使用mesh拓扑而不是传统的星形架构，确保网络中没有单点故障；在节点故障、移出或者替代的情况下，网络通过简单的自我调整，就可自动的适应变化。Strix mesh架构在一个OWS节点内使用多个专用802.11a无线模块，组成到下一个OWS节点的回程，提供到有线网络的短路径（的往返时延）。所有可用链路都被监控，并且当有更好的可用路径时自动的进行路径改变。时延是实际延时、RF模块负载、无线信道信噪比和一些其他参数的架加权值。Mesh自动为无线设备到有线的通信或者类似的通信架构作优化。

　　假设条件

 

　　基站间的视距条件将减少基站数量，而转弯和隧道会提高基站数量。

　　注意：这些数据仅用于参考目的。节点间的距离很多因素有关，如天线使用，发射功率限制、列车配置、地形和隧道等等。

　　Strix提出3层式的解决方案

　　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近的有线接口处发送到有线网络。所有的Strix回程都是基于AES加密的，允许私有信息在Tier-1网络中的传输。

　　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-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-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网络回程刀Tier-2网络，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-1网络

　　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Client Connect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Network Connect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

　　在列车机车位置放置Strix MWS100作为移动节点，优化扫描和切换过程

　　方案解决的问题

　　数据流中断

　　有线网络的交换架构变化需要时间来学习每个PC数据流量的位置。在携带一定数量的PC收发数据的快速移动平台（列车）上，当无线网络连接不断"跳转"时，发送到处于跳转状态下某终端的流量将持续的发送到错误的位置，直到交换网络学习到终端的新位置。这种现象将影响端到端的数据流。

　　Strix Access/One网络解决了这个问题。当无线网络连接跳转时，每个回程无线模块代表后面相连的所有已知回程和PC,自动的更新交换架构中的交换表。这种更新交换表的方式将允许不间断的端到端数据服务。

　　在这里提出的架构，Tier-2网络与列车上的IP网关相连，这样仅有IP网关的MAC地址需要在交换网络中更新，令无线跳转对于终端用户更加透明。

　　动态实时的上连链路选择和切换

　　为了解决列车在固定节点之间的快速切换，系统需要持续的背景扫描。当移动速度加快时，切换时间就可能成为问题。

　　Strix Access/One网络解决了这个问题，无线回程模块持续的背景扫描，以满足自动修复和自动调整共功能。默认状态下，每个WiFi信道5秒钟扫描，这对于静态mesh网络是非常充分的。这样，无线回程模块保留了供上连的多个无线链路列表，允许无线回程模块在多个上连链路间切换。

　　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4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时间减少到50msec.