高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)無線寬帶組網技術分析

　　高速鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)要采取無線寬帶組網技術，本文介紹該公司無線網狀網技術在高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)組網中的應用，要點包括需求分析、組網方案、技術分析、網管和監(jiān)控功能分析等等，特別是其中關于三層組網方案的內容值得從事高鐵安防監(jiān)控系統(tǒng)建設的集成商關注。

高鐵監(jiān)控背景

武廣高速鐵路客運專線正式投入運營，標志著中國高速鐵路建設的高潮已經到來，這將給安防監(jiān)控設備供應商及相關系統(tǒng)集成商帶來更多的發(fā)展機會。作為高速鐵路“四電”(通信、信號、電力、電氣化)系統(tǒng)集成和信息系統(tǒng)的組成部分，視頻監(jiān)控系統(tǒng)在高鐵的通信指揮調度、安全防災管理中發(fā)揮著不可忽視的作用。目前中國開通的高鐵時速一般都到達350公里，所以安全就成了大家共同關注的問題。確實，時速350公里的高速動車如果出現一點點故障，即使第一時間采用剎車制動，也需要減速滑行6500米。武廣高鐵的發(fā)車密度是間隔3分鐘，一旦某輛列車失控，帶來的后果是難以想象的。

高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)的需求分析

高速鐵路綜合監(jiān)控系統(tǒng)不僅實現對供電系統(tǒng)中的各種供電設備的運行狀態(tài)監(jiān)視、控制及沿線變電所、分區(qū)亭、開閉所的安全監(jiān)控，迅速分析、查找、切除故障點，實現設備運營狀態(tài)的在線監(jiān)測;同時也要納入行車調度、計劃調度、安全監(jiān)控、行車信號等多方面的實時信息;并使各種子系統(tǒng)間的信息進行交互，為提高供電系統(tǒng)調度管理自動化、智能化水平，確保高速鐵路的安全、可靠、高效運行提供了強大的技術保障。

高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)無線寬帶組網技術

高速鐵路要求全線都有設置視頻監(jiān)控系統(tǒng)，設置點位比較多的是區(qū)間和站點、特大橋、隧道、公跨鐵、區(qū)間基站、變電所等。另外視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要進一步的和入侵報警系統(tǒng)、火災報警系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、動力監(jiān)控系統(tǒng)進行融合，使得綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)變得更加復雜，而這恰恰就是廣大市場進入者面臨的高鐵監(jiān)控市場。除了跨度大、監(jiān)控距離遠、傳輸線路長、應用環(huán)境復雜之外，高鐵安防應用還有一個非常顯著的特點：無人值守。為了減少小站的設置，高鐵領域很多場站都實行無人值守。另外，鐵路每隔數百米會有電力機房和通信機房，這些機房基本上都需要無人值守，并用到視頻監(jiān)控和報警系統(tǒng)，以檢測是否有人入侵，現場的情況有無變化等。因此，高鐵無人值守機房對視頻監(jiān)控的需求量非常大。

高鐵組網方案

Strix提出3層式的解決方案，保證車載快速切換和高帶寬，網絡有極強的自愈能力等技術特點，完全適合鐵路無線組網的需求。

表1

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(qū)域。基站節(jié)點部署在鐵路沿線區(qū)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Strixmesh無線回程中的所有流量都將從最近的有線接口處發(fā)送到有線網絡。

　　在每輛列車上都會有一個Strix節(jié)點，叫做移動節(jié)點，這也是Tier-1網絡中的一部分。該節(jié)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(jié)點組成的基礎架構。Tier-1網絡中的所有抱桿安裝的節(jié)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(tǒng)。所有的抱桿安裝的節(jié)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。

表2

Tier-1網絡中的每個OWS節(jié)點選用室外型無線系統(tǒng)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(jié)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ClientConnect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NetworkConnect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

在列車機車位置的MWS節(jié)點作為移動節(jié)點，優(yōu)化掃描和切換過程。該移動節(jié)點處可以使用高增益的全向天線(9dBi以上)，每個802.11a無線模塊均兩個5.8GHz定向天線，背靠背指向交通線路兩側;定向天線組之間的垂直距離應不小于50公分，天線距地面的最低高度為3.5米(若丘陵地帶，必須提高天線安裝高度)，OWS支持110-240VAC和12-24VDC供電方式，支持第三方太陽能電池供電。

為了保證車輛在高速移動的情況下仍然能夠一直在線并且保持無線連接，必須在車輛上安裝Strix移動車載設備MWS100。MWS100作為Strix最新的車載Mesh設備，專門用于車載設備的接入，保證車載設備高速移動和快速切換下依然保證無間斷的通訊。

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(jié)點和第三層網關組成。其中一個OWS/IWS節(jié)點將車廂內中的多個無線節(jié)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(jié)點，該移動節(jié)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(fā)現鄰居節(jié)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-2網絡由IP網關、列車機車上的IWS/OWS上連節(jié)點和每個車廂內一到兩個用于連接車廂的節(jié)點。Tier-2網絡內所有的無線鏈路均采用基于802.11a技術，以減少與用戶802.11g(Tier-3網絡)之間的干擾。同Tier-1網絡一樣，節(jié)點將自動發(fā)現并且自動配置，自動的形成基礎架構。這對于車廂可能頻繁的、隨意的重組是非常重要的。

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(jiān)控和遙感設備的應用。應用流量通過無線mesh網絡回程到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(jié)點，而不會感知到網關外網口處不斷發(fā)生的切換。Strixmesh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-3網絡由802.11g接入網絡組成，建立在負責車廂互聯的Tier-2網絡基礎上。由于StrixAccess/One解決方案允許多個無線模塊的堆疊，這些無線模塊可以物力的堆疊在IWS/OWS節(jié)點中。非?？赡?，每個車廂只需要一個802.11g模塊就可以保證車廂內絕大部分區(qū)域的覆蓋。用戶可以通過IP網關的DHCP服務器自動獲取IP地址。Tier-3網絡節(jié)點由三種無線模塊配置組成，802.11g模塊負責處理用戶接入，兩個802.11a模塊完成車廂之間的無線互聯鏈路。

高鐵組網技術分析

切換和速度分析

為了解決列車在固定節(jié)點之間的快速切換，車載設備需要持續(xù)的背景掃描以不同尋找最優(yōu)的上聯鏈路，同時固定基站也將不斷的提供動態(tài)性能指標回應車載設備的質詢。當移動速度加快時，切換時間就可能成為問題。StrixAccess/One系統(tǒng)解決了這個問題，利用車載設備的無線回程模塊持續(xù)的信道背景掃描，不斷動態(tài)的自動的更新上聯鏈路狀態(tài)，以滿足自動修復和自動調整的功能。背景掃描的工作方式如下：

車載設備信道背景掃描時間間隔為500ms-5s(可配置)，每次信道掃描耗時約30ms。

背景掃描期間，車載設備將調整其工作信道，以掃描該信道的可用上行鏈路及其指標;工作于該信道的固定基站也將針對車載設備的proberequest，提供自身性能指標信息(包括信號強度及其性能)。可配置車載設備的信道掃描列表(建議軌道延線固定基站使用3個或3個以下的信道)，減少車載設備掃描次數。

車載設備根據多個信道背景掃描，確定所有可用上行鏈路，動態(tài)更新車載設備的上行路徑表，當備選上行鏈路指標超出當前主鏈路一定指標時(可配置切換條件)，車載設備就會執(zhí)行切換動作，從而備選鏈路成為主鏈路。

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3個甚至更少。背景掃描的時間間隔與Tier-1網絡中固定節(jié)點之間的距離有直接的關系。以上所有的優(yōu)化手段將會將切換的速度提升到100-150msec。注意：切換時間是不直接受限于移動速度的，在以上三種不同速度情況下切換速度在100ms上下。軌道沿線基站和車輛之間的上行和下行通信，對于切換時間基本上沒有影響：

情形1:上行業(yè)務(從車輛到軌道沿線基站)

(1)緩存500個包文;

(2)根據不同業(yè)務緩存大小有所不同，例如iperf默認報文為8K;

(3)根據緩存容量，Strix應該能夠緩存4M比特的數據，盡可能的減少丟包;

(4)因此，系統(tǒng)在切換期間帶來極少的延時，約為100-150ms。

情形2:下行業(yè)務(從軌道沿線基站到車輛)

(1)緩存500個包文，多車情況下均分緩存容量;

(2)根據不同業(yè)務緩存大小有所不同，例如iperf默認報文為8K;

(3)根據緩存容量，Strix應該能夠緩存4M比特的數據，盡可能的減少丟包;

(4)因此，系統(tǒng)在切換期間帶來極少的延時，約為100-150ms。

在實際的無線設備切換過程完成后，一般來說應用層需要額外的時間切換業(yè)務，根據不同的業(yè)務容量可能會帶來一定的延時或者丟包(由于應用層timeout原因);因此，良好的切換也需要在應用層進行相應的緩存機制。

　　另一種計算切換方式

另外一種計算切換的方式是：切換時間和基站間隔時間的比值。例如，對于350公里時速情況下，每10秒鐘之中的100ms的切換時間對于性能的影響為0.1/10。接下來需要把背景掃描時間需要考慮進來，假設信道的掃描間隔為500ms，掃描時間約為為30ms;這些參數都是可軟件配置的，供不同速度情況下的微調和性能優(yōu)化。加上由于背景掃描帶來的600ms延遲，以及切換帶來的100ms延遲，在每10s的區(qū)間內總體延遲約為700ms，即總體性能損耗約為7%，對于系統(tǒng)的影響很有限。如果傳輸的數據量遠小于上行鏈路容量，通過緩存技術，基本上不會有可察覺的帶寬損耗。

從目前的理論模型和實際測試效果推斷，行車速度會對切換頻繁程度和射頻誤碼率造成直接影響，從而影響固定基站與移動設備之間的上下行帶寬;在300公里以上的高速切換數據還需進一步的通過測試驗證。

多跳性能分析

StrixAccess/One產品支持多模塊、多信道和多射頻技術進行Mesh組網，如下圖所示-每個節(jié)點都有多個不同功能的無線模塊，分別處理無線終端接入、Mesh回程和Mesh擴展等，利用多個專用模塊提高無線Mesh內部的性能。同時，每跳都是使用不同的2.4GHz或者5.8GHz信道進行傳輸，大幅度的改善了多個Mesh節(jié)點之間或者外界射頻環(huán)境帶來的干擾。在實驗室條件下每跳吞吐量下降在1%以下，在實際應用環(huán)境下，每跳吞吐量下降在10%以下。

安全性分析

無線Mesh基站設備互聯安全性

系統(tǒng)統(tǒng)一認證無線Mesh設備，管理人員在網絡管理系統(tǒng)中可通過一次性的操作批量認證和授權Mesh設備;未經認證授權的Mesh節(jié)點將自動阻斷用戶數據，保證網絡數據私有性;AES強制加密方式實現MeshAP之間的鏈路安全性;面向無線用戶接入的多種安全機制。

冗余分析

軌道沿線的每個固定基站將自動決策回到有線節(jié)點的最佳路徑。這樣，不同的Mesh段將在軌道上行或者下行的兩個方向上根據網絡性能來負載均衡。另外，如果軌道沿線的任何一個基站出現故障，其相鄰的基站將會自動地調整鏈路，迅速將數據流切換到相反方向的最近節(jié)點。這種方式提供完全的冗余性。當所有無線Mesh基站啟動運行后，各個基站將自動決策到有線網絡的最優(yōu)路徑，隨之產生的Mesh拓撲將基于網絡性能進行流量的負載平衡。

當軌道沿線任何一個光纖點發(fā)生故障，該區(qū)間內的固定Mesh基站將自動的調整無線鏈路，重新匯聚到就近的另外一個光纖點處。當軌道沿線任何一個固定基站發(fā)生故障時，受到影響的固定Mesh基站將自動的調整無線鏈路，按照性能最優(yōu)的方式重新進行匯聚。通過以上的無線網絡組網備份、多個光纖點有線備份以及管理服務器板卡冗余備份等方式，可以大幅的提高軌道沿線無線寬帶系統(tǒng)的可考性。

網管和監(jiān)控功能

Access/One網絡架構集合了業(yè)界獨特的Mesh路由智能和電信級別的集中式網元管理軟件和專用的管理硬件模塊(NetworkServer)。Access/One網絡架構采用了多種頻段，可以滿足其他產品無法實現交通沿線大規(guī)模無線網絡部署。

Manager/One自有網管

通過Access/One提供的自有網管平臺Manager/One，令網絡部署和成百上千的Mesh節(jié)點的安全、無縫的802.11覆蓋的控制變得輕而易舉。強大的批量配置功能，可以將網絡整體配置同時更新到多個子網中的所有模塊中去，內置于基于硬件的網絡服務器模塊和Access/One網絡中所有的無線模塊。Managere/One的網管界面通過登陸分布于無線Mesh網絡的多個網絡服務器中的任意一個獲取整網設備狀態(tài)、配置、監(jiān)測等信息。

全局和增量軟件升級：為了滿足大規(guī)模的網絡部署，Manager/One支持全局部署和統(tǒng)一升級系統(tǒng)軟件，通過一次操作達到整網升級的目的。

Manager/One監(jiān)控狀態(tài)和監(jiān)控：提供查看和管理整個網絡的工具，從不同的界面監(jiān)控整個網絡，包括Strix節(jié)點的地理圖形界面，更便于定位問題。

結束語

利用無線網狀網技術構建高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)有著得天獨厚的有利條件，讓安防集成商免去布設大量線纜而帶來的麻煩，節(jié)省大量的線纜成本，從而提高信號傳輸的可靠性和系統(tǒng)運行的可靠性，代表了未來視頻傳輸的發(fā)展方向。未來五年國內中國仍將在各大中心城市持續(xù)興建高鐵或地鐵，了解無線網狀網技術在高鐵視頻監(jiān)控系統(tǒng)組網中的應用有著現實的指導意義。