Strix铁路移动无线宽带白皮书

Strix Systems Access/One? Wi-Fi Mesh 架构支持车辆移动通讯
业界高性能快速切换无线网状网架构服务于交通系统
概述
本文中描述的 Strix Systems Access/One 网 络 架 构 显 示 了 Strix 解决方案如何为交通行业提 供无线 mesh 网状网解决方案。该 方案专门在铁路沿线为列车提供视 频监控、语音通信、遥测遥控和乘 客服务（如互联网访问等） ，并且介 绍了方案的技术优点和部署方式。 当然，由于每个部署都需要针对具 体情况个别考虑，本文并不是为了提供具体的设计指导。
建议将本文作为正式方案的基础资料，主要面向需要在相对运动中保持相互通信的应用。在高速列车上的 Wi-Fi 部署可以说上是代表了最恶劣的部署条件。

方案介绍
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
Strix Access/One?平台
Strix Systems Access/One 提供全面的无线网络 系统，在智能的、安全的、可扩展的 mesh 网络架构下 支 持 多 个 无 线 电 频 率 技 术 ： 802.11a 、 802.11b 、 802.11g，同时，该架构允许平滑升级到新的无线技术。 Strix Systems 产品线包括室外型无线系统 OWS 和室内型无线系统 IWS。Access/One OWS 是专门为 了室外部署而设计的高性能的无线网状网系统。通过多 无线模块、多射频技术和多无线信道功能，OWS 利用先 进的算法来交付从网络中心到边缘的多跳高吞吐性能， 自动调节性能、自动配置和自动修复故障，并且优化整 体性能和可用性。 Access/One IWS 是模块化的室内节点，可以无缝 地与 OWS 整合。

OWS 和 IWS 产品支持多个 802.11 无线射频模块。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，为用户提供最后一跳，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 IWS/OWS 节点内使用多个专用 802.11a 无线模块，组成到下一个 OWS/IWS 节点的回程，提供到有线网络的最短路径（最好的往返时延） 。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。 平台的管理提供基于浏览器 WEB 页面管理， 提供了集中式的全局控制。 模块、 节点和网络也可以通过 SNMP 或者命令行进行管理。

假设条件
列车速度: 280km/h
Wi-Fi 基站距离: 基站间距（线性） 最小距离: 400m 最大距离: 3218m 注意: 间距基于视距 LOS 环境 杆到铁轨的最远距离: 33m 基站天线安装高度: 最低 3.3m 最高 10m 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。
解决方案
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最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，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。
术语示意图

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 在列车机车位置的 OWS 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）
802.11a 无线模块将多个无线节点通过不同的信道连接在一起，组成无线网络基础架构。使用不同的 信道可以消除回程多跳链路的干扰， 令解决方案更加的灵活。 这种设计将允许多路铁轨和多路并发列车对开 行驶下的无线通信。车站或者列车调度区可以根据具体的规模、地形和限制条件进行设计架设。 系统可以使用两个全向天线或者定向板状天线（天线增益均大于 9dB） 。抱杆安装的两个天线之间至少

存在 30cm 以上的垂直距离，以提供充分的天线隔离。
9dBi 全向天线的垂直发射模式（半功率角） 在 列 车 上 与 移 动 节 点 相 连 的 传 输 天 线 通 常 使 用 来 自 于 Huber Suhner 的 Sencity Rail 天 线 ， (https://www.360docs.net/doc/375215008.html,)。 轨道沿线的每个 OWS 节点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节点出现故障，其相邻的节点将 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。 我们的经验显示在杠节点之间的的信号强度在-80dBm 的情况下，可以达到 12Mbps 的吞吐量。为了提高 接收信号强度（以及由此带来的性能） ，可以通过使用功分器配合两个高增益定向天线来处理回程。这两幅天线 分别指向相反的两个方向。 这样，天线实际增益可以达到 15dB（18.5dB 的天线增益减去在功分器处 3.5dB 的损耗） ，比普通的全向 天线提高了 7dB；这样，基本上可以提高 50%以上的吞吐量。
Tier-1 网络的冗余性

Tier-2 网络 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-2 网络连入到 Tier-1 网络
在 Tier-2 网络中的机车安装结构如下： 第三方的 IP 网关 ? 连接到 Tier-3 网络（负责用户覆盖）的节点
第三方的 IP 网关需要具备以下的功能： ? ? ? ? ? DHCP 服务，DNS IP 路由 零配置 Proxy/Cache HTTP 服务器 NAT （不推荐使用，因为这会带来节点远程管理的复杂度）
为了保证车厢之间的通信，并且将车厢考虑为铁箱子（将影响 RF 覆盖模式） ，需要为 Tier-2 和 Tier-3 回 程网络连接使用外接天线，可以安装在车厢顶部或者在每个车厢的前面或后面，保证天线之间的可视通信。

Tier-3 网络 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。

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 – 例如，时速 180 公里下，对于固定节点间隔为 800 米的情况下，仅有 15 秒的时间完成切换和重联 合。 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 秒钟扫描一次，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的速度提升到 80-150msec。