高速铁路无线视频监控技术方案和案例

　　国际金融危机发生后，党中央国务院把加快高速铁路建设作为拉动内需、促进增长的重要举措，为加快铁路发展提供了契机。铁路部门在已有规划、项目、技术的基础上，迅速审批和开工了一大批重点项目，全面加快建设进度，形成了如火如荼的铁路建设新局面，建设发达完善的铁路网取得了重大进展。随着高速铁路建设的不断深入，对列车安全运行和监控等安防工作提出了更高的要求。本方案主要结合国外成功案例，讨论了Strix无线网状网(Mesh)技术在高速铁路视频监控系统应用中的技术方案。

　　需求概述

　　作为第三代无线Mesh网状网技术研发和推广的主要厂家，Strix Systems在北美、欧洲和日本等国家和地区进行了无线城市、无线园区、铁路线路等环境下的大规模部署。Strix Systems革命性的Mesh技术提供了高速移动和快速漫游切换的能力，满足了铁路系统大规模部署的需要。Strix Access/One 无线Mesh网络作为多业务平台，具有自动组网、自动配置、性能自动调节、链路自动修复等特性，支持负载均衡和冗余备份功能，为无线监控、移动无线监控等视频和语音服务提供了稳定可靠的承载平台。

　　1、无线网络特点

　　(1)高性能高带宽，54Mbps无线带宽；

　　(2)自组网、多跳级联组网，适合大规模组网，可达几百公里以上；

　　(3)临时通信、快速组网；既能组网、又能覆盖；

　　(4)具备高速移动能力，可达300公里时速；

　　(5)低成本的综合性接入系统，适合语音、视频和数据采集；

　　(6)基于IP技术等标准协议，系统具备良好的兼容性和可扩展性；

　　(7)基站间距

　　·在隧道内两基站之间的最短距离为500米；

　　·在宽阔平坦地带两个基站之间可为铁路提供1～3.2公里的无缝覆盖；

　　(8)多跳无线组网

　　·无线级联可达15跳以上；

　　·完全满足现行铁路一个区间无线连续性的传输和覆盖；

　　2、系统组网特点

　　(1)网络自愈性

　　·每个固定无线基站都不断扫描和更新可用路径和最佳路径；

　　·系统总是选取性能最佳的无线链路；

　　·某基站发生故障时，其他基站自动癒合链路；

　　· 以上过程无需手动干预，仅需毫秒级别的处理，对用户完全透明。

　　(2)抗干扰能力强

　　·无线基站系统支持2.4GHz、5.1～5.8GHz频段的组网；

　　·无线基站采用智能信道扫描技术，避免同频干扰和邻频干扰带来的性能下降；

　　·为高速移动应用定制, 减少车载无线设备需要扫描的信道，以实现更快速的漫游和切换；

　　(3)系统平台的可扩展性

　　·可方便地扩展网络覆盖范围、提高系统容量、优化网络结构，增加承载业务；

　　·不限制设备数量，随时可以增加多个视频监控点或设备；

　　·不限制用户数量，可以多人同时监控操作；

　　·分布式服务器配置，可以配置多个；系统将自动进行负载；

　　·优化的网络资源管理使系统具备大数量监控点实时监控的能力；

　　·对于用户需求中的可扩展部分，系统可以随时满足用户的扩展需求。

　　(4)系统平台的灵活性

　　·可在任一地点设置网络单元，自动接入网络系统并提供服务；

　　·在网络覆盖范围内，可灵活地提供语音、视频和数据业务；

　　(5)系统平台的通用性

　　·采用基于IP的视频、数据和话音传输协议；

　　·无线接口支持802.11a/b/g协议，可以利用现有的笔记本、PDA等内置或外接Wi-Fi适配器的手持终端，实现无线网络接入，而不需要增加额外的硬件设备；

　　方案描述

　　利用Strix Systems现有的产品线，提供:

　　1.根据地形地势，快速设计定制方案的能力；

　　2.相对较低的部署成本；

　　3.被广泛证实的可扩展能力和分布式网络架构；

　　4.满足性能和带宽要求的能力；

　　方案将:

　　1.为移动平台提供Wi-Fi覆盖；

　　2.支持高速移动 300公里/小时；

　　3.支持视频监控、语音和数据等各种业务的实施传输；

　　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。铁路移动无线宽带系统中的每个车站点处都是该区间的无线网络汇聚点，铁路沿线架设的固定Mesh基站会就近的连接到站点的光纤处有线网络，并且通过有线网络内的交换机和路由器设备将铁路系统内部的视频、语音和数据流量分别送达至铁路专网内。组网网络架构如下图1：

　　图1：支持视频监控、语音和数据等各种业务的组网方案。

　　该组网方案使用Mesh网状网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，就可自动地适应变化。

　　方案设计假设条件

　　方案设计假设的条件包括：(1)列车速度:300公里/小时；(2)Wi-Fi基站距离:最小距离: 800米；最大距离: 3218米，注意: 基于视距LOS环境杆到铁轨的最远距离为33米；(3)基站天线安装高度: 3.3米～10米 。

　　基站间的视距条件好将减少基站数量，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。节点间的距离与很多因素有关，如天线使用、发射功率限制、列车配置、地形和隧道等等。

　　1、固定无线视频监控

　　典型应用包括：

　　(1)无人值守车站上下行咽喉区；

　　(2)站台、设备机房、编组场、货场；

　　(3)隧道、大中桥、公路立交道口；

　　应用见图二。

　　图2：固定视频监控的示意图。

　　2、移动无线视频监控

　　典型应用包括：

　　(1)工务巡道、大中修作业；

　　(2)天窗作业点；

　　(3)机车驾驶室；

　　(4)客车车厢内视频。

　　通过无线基站所建立的全透明无线通道，实现机车与地面全视频通信，使指挥中心能够随时掌握机车内的机车人员工作状态。无线移动视频应用实例参见图三。

　　图3：移动视频监控的示意图。

　　3、机车车辆数据实时交互

　　典型应用包括：

　　(1)机车工况监测仪；

　　(2)机车晃车仪；

　　(3)旅客身份识别；

　　(4)车厢移动电子票务；

　　(5)实时信息发布。

　　基于无线基站所构成无线数据传输系统与现有铁路的有线传输网有机的融合，形成一个相互冗余的强大的信息化数据传输系统，从而保证列车的安全性和数据的及时收集。

　　机车上所有的数据信息可通过区间的网络有线结点实时传回指挥中心，应用参见图四。

　　图4：区间的网络有线结点可把数据实时传回指挥中心。

　　无线网络运行稳定可靠，能够确保网络不受到单点故障的影响，一旦出现故障或中断，系统自动修复链路，保证数据交互的稳定性。

　　4、临时组网和应急通信

　　典型应用包括：

　　(1)临时组网(突发事件的应急指挥)；

　　(2)事故(车务、机务、工务、电务、车辆)；

　　(3)自然灾害(车务、机务、工务、电务、车辆)；

　　(4)公共安全突发事件(公安)。

　　在远离固定无线基站的区域进行巡检或紧急抢修抢险等突发事件时，车辆之间也可以搭建临时网，保证相互间的通信及视频，并且就近连接到无线基站或借助卫星等第三方网络的传输系统接入到指挥中心，做到远程指挥，从而达到事发现场随时随地的组网，系统示意图如下图五：

　　图5：临时组网和应急通信系统的构建。

　　方案解决的问题

　　1、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地发送到错误的位置，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计算机终端，自动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。

　　2、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，在时速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无线Mesh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功能。默认状态下，每个无线信道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50ms。

　　实际案例分析

　　下面以NCTD(北运输区)在Coaster(圣地亚哥-湖边)城际铁路部署的Strix无线Mesh网络为例进行说明。

　　NCTD安装了约60台Strix高性能无线Mesh基站，用于连接圣地亚哥和湖边市的Coaster城际铁路提供宽带移动无线服务，该铁路线也是全美第二繁忙的铁路线--每天48个客运班次和2个货运班次。

　　“Strix Systems 将铁路和公路市场视为无线Mesh网络技术的战略性市场， Strix室外型无线基站OWS系列产品和车载基站MWS系列产品，是最适合铁路市场的产品，” Strix战略销售副总裁Tom  Mooreland说，“遍布世界各地的用户都已经意识到无线Mesh技术是解决宽带移动无线需求的最佳技术；作为业界最佳的产品架构，Strix OWS也成为各种移动组网的理想选择。在圣地亚哥到湖边的城际铁路线的成功应用，进一步验证了Strix无线Mesh网络的高性能和移动特性优势。”

　　Coaster铁路线采用Strix OWS无线Mesh网络， 主要用于关键的铁路应用：

　　1、24×7不间断的远程无线视频监控，为列车机车和铁路沿线提供实时的、清晰的视频监控影像，提升安全等级并且为恶性事故提供证据。

　　2、为铁路通信提供安全加密的无线传输链路。

　　3、全部采用太阳能供电，提供全天候通电和应急备份供电 。

　　无线Mesh网络的部分费用来自美国国土安全局。现在，NCTD不仅仅采用无线Mesh网络保护基础设施，同时利用可互操作特性，NCTD采用无线Mesh网络用于同其他机构的通信；不仅仅满足了圣地亚哥市政的要求，也满足了国土安全局的需要。

　　无线Mesh网络的搭建由集成商Datel Systems负责，在选择Strix无线Mesh解决方案前，Datel进行了深入的功能和性能测试，最后确定采用Strix方案，尤其是系统的高性能、易安装、灵活和4.9GHz的国土安全专用频段支持。系统的带宽测试表明：Strix在多跳后依然可以提供17～20Mbps的吞吐量。

　　Datel也发现无线Mesh技术极大地节省了现场安装调试时间，平均每15分钟即可完成安装和固定，而不需繁杂的现场调试和配置工作-Mesh系统的自动组网、自动配置特性能自主地完成这项工作。

　　Strix Systems公司中国区首席代表