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车地无线wlan解决方案
地铁车地无线WLAN解决方案
图目录
1地铁运营需求
乘客信息系统是依托多媒体网络技术,以计算机系统为核心,以车站和车载显示终端为媒介向乘客提供信息服务的系统。
乘客信息系统在正常情况下,提供乘车须知、轨道交通首末车服务时间、列车到站时间、列车时刻表、管理者公告等运营信息及政府公告、出行参考、媒体新闻、赛事直播、广告等公共媒体信息共同协调使用;在紧急情况下,本着运营信息优先使用的原则,可提供动态辅助性提示。
车地无线WLAN系统实现中心与车载子系统之间的数据信息传输,实现移动的列车与地面之间的实时双向数据传输:
●地铁乘客信息系统需要从控制中心将特定的信息发送到指定的列车,传送各列车乘客乘车信息、数字视频信息、紧急疏散信息等,通过列车的车载信息设备发布。
●视频监控系统能够在控制中心监控列车车厢的视频图像,车地无线WLAN系统将列车车厢的监控图像,PIS车载设备监控信息传至邻近车站,再通过主干网络上传至控制中心,实现控制中心监控终端对车载监控图像的监控功能和数据信息从车辆到地面的传输功能。
2车地无线WLAN解决方案
2.1总体结构
车地无线WLAN网络作为有线局域网的延伸,提供地面与车载子系统之间的数据信息传输通道。
设备包括无线控制器、光纤收发器、无线接入点(AP)、车载无线单元和天线,网络架构如下图所示:
图21车地无线网络架构图
控制中心乘客信息系统(PIS)设置核心交换机通过星型网络连接车站交换机,传输链路可选择光纤传输,交换机下行通过光纤经光电转化后直接接入隧道轨旁AP。
隧道轨旁AP跨站交叉部署,避免出现接入交换机故障导致与之相邻的所有AP都无法正常工作。
一般情况下,轨旁AP在直线隧道平均每间隔200米布设一个,在弯道或高架地面根据实际情况每间隔50米或者100米布设一个,AP采用定向天线,某台AP故障,无线控制器能控制相邻AP加大功率覆盖故障AP应覆盖的区域,同样车载无线单元也采用定向天线。
在控制中心放置两台无线控制器,接入网络对无线AP进行管理,两台无线控制器之间通过心跳线实时同步状态信息,一旦出现主控制器故障情况,备用控制器能立即接管主控制器所有功能,提高车地无线WLAN网络的可靠性,保证车地无线WLAN网络不中断运行。
无线控制器与轨旁AP之间采用瘦AP架构,车载无线单元在车地无线WLAN网络中采用胖AP架构;瘦AP架构由无线控制器、轨旁AP组成,其中无线控制器对全线轨旁AP进行集中统一控制,在无线控制器可以完成轨旁AP的版本更新,配置下发以及单一命令的下发。
车载无线单元与轨旁AP间采用胖AP模式,减免车载无线单元与无线控制器进行连接,建立隧道到重新下发配置的环节。
在全线沿轨旁设置无线AP和天线,在每辆列车车头和车尾分别布设车载无线单元和天线。
车地无线WLAN网络车载部分由车载无线单元和天线组成,接入车载交换机网络,车载视频控制器、车载监控设备等接入该网络。
车载无线单元提供列车与轨旁AP的实时无缝连接,每趟列车车头车尾分别设置车载无线单元,同轨旁AP实现互相冗余的车地无线通信。
2.2控制中心网络
控制中心车地无线WLAN网络包括无线控制器、无线管理终端和核心交换机等设备组成。
图22控制中心网络结构图
2.3车站网络
车站交换机与AP之间采用光纤收发器进行连接,将控制中心下发的视频信息和控制信息通过轨旁AP与车载无线单元的无线连接,发送到车载子网络中。
车载监控也通过轨旁AP再经接入交换机再经传输设备最后到达控制中心。
图23车站网络结构图
2.4网络链路分析
2.4.1车地无线网络传输数据分析
根据地铁运营需求,车地无线WLAN网络需要为车载视频监控和车载信息发布提供传输通道:
1)车载视频监控:
正常运营情况下,通过车载视频监控系统,运营人员利用数字图像传输控制设备、监视器和控制键盘等设备,切换通过车地无线网络上传的网络视频图像,为保证监控图像不出现马塞克和滞屏现象,视频图像的压缩格式采用MPEG-4或H.264等,每路视频图像占带宽为512Kbps-1.5Mbps,图像质量达到D1(720*576),每列车按上传2路视频图像,共占最高带宽为3Mbps。
在紧急情况下列车上所有监控图像12路同时上传,采用CIF格式或MPEG4,要达到监控图像质量要求,每路至少需要512Kbps,12路总需要6Mbps。
2)车载信息发布:
车地无线网络为列车传送1路标清晰数字视频信息,视频编码采用MPEG-2、MPEG-4或H.264格式,每路占用带宽一般为4-6Mbps。
即通过不低于6Mb/s带宽的传输通道将1路数字视频信息传送给列车。
2.4.2车地无线网络传输带宽计算
根据上述分析后,我们得出车地传输的带宽为:
列车图像监控+车载信息发布=3Mbps+6Mbps=9Mbps,同时预留25%的冗余,即需要带宽为11.25Mbps;当然也存在12路监控图像同时上传的情况,但是根据实际应用情况,此时列车图像监控+车载信息发布=6Mbps+6Mbps=12Mbps,加上预留25%冗余,即需要带宽为15M。
所以,车地之间的传输带宽需求最高为15Mbps。
采用WLAN完全可以满足带宽的要求。
2.5天线选择与安装方式
轨旁AP的天线安装方式为抱杆安装,然后用天线自带的安装夹将天线固定于轨旁的立柱上。
AP天线与车载无线单元的天线高度相近,不需要做机械倾斜。
车载无线单元的天线安装方式基本相同,在列车上可以较为方便的安装,从目前的经验来看基本上直接安装于车体内(驾驶室内的上部空间)。
考虑到隧道环境安装的需要,每个AP配备符合IP65级别的设备箱。
地面段及高架段的AP加装防雷设施。
2.6VLAN及IP地址规划
由于每台列车都是不停的在不同车站之间移动,因此,建议车载网络VLAN三层终结到中心交换机。
因此,采用车站交换机和中心交换机之间配置IEEE802.1QTrunk,将不同车载和车站VLAN透传到中心交换机。
IP地址规划具体分配原则:
连续性:
IP地址分配要尽量分配连续的IP地址空间;相同的业务和功能尽量分配连续的IP地址空间,有利于路由聚合以及安全控制;
可扩充性:
IP地址分配处理要考虑到连续外,又要能做到具有可扩充性.,并为将来的网络扩展预留一定的地址空间;
VLSM技术:
IP地址的分配必须采用VLSM技术,保证IP地址的利用率;采用CIDR技术,可减小路由器路由表的大小,加快路由器路由的收敛速度,也可以减小网络中广播的路由信息的大小。
IP地址的分配如下:
在IP地址规划方面,IP地址可以分为管理IP和业务IP。
管理IP使用192.168.0.0/16网段。
业务IP使用172.16.0.0/16网段。
业务IP又可以分为设备互联地址和主机地址。
2.7车地无线WLAN网络的QoS规划
在车地无线WLAN网络中,QoS非常重要,而对于承载语音、视频业务的WLAN网络,通信质量尤为重要,是至关重要的技术指标。
QoS的总体思想就是保证实时语音、视频在最高的优先级。
本方案在所有的层次保证了用户数据的最高质量的优先级调度。
图24Qos保证机制流程图
2.8漫游切换实现方案
由于车地无线WLAN网络承载的是音视频信号,视频显示不能出现明显断点、失帧、抖动、马赛克等,音频播放不能出现明显噪音、滑码等,故要求列车即使在高速运行下,也要保持无线链路不能中断。
当车载无线单元从一个轨旁AP的覆盖范围移动到下一个轨旁AP的覆盖范围时,将发生切换。
小区之间的无线切换操作是自动的,并且对于列车操作来说是透明的。
通常,802.11a\g\n的越区切换时间在500ms到2s之间(包括重新鉴权和其他以安全为目的额外开销),在切换期间,车载无线单元可能与轨旁AP失去连接(也就是说,通信中断)。
这对于列车运行,特别是高速列车运行是不能接受的(按照最高时速120公里/小时估算,最坏情况下,列车在大约65米的运行范围内可能与路边失去联系)。
为达到零切换时间(避免切换过程中任何可能的数据丢失),本方案采用快速切换漫游技术,真正做到了AP间漫游切换0丢包,漫游过程中不改变ip地址,无需重认证。
以下为列车在快速行驶,AP漫游切换的示意图:
1.当列车车载无线单元处于AP1的覆盖区域内时,会同AP1保持连接,数据流通过AP1同列车车载无线单元进行交互。
图25漫游切换示意图a
2.随后列车车载无线单元进入AP1和AP2共同覆盖的区域,此时数据流仍然通过AP1同列车车载无线单元交互,但与传统AP切换模式不同,列车AP会提前与AP2建立连接,而不是等AP1信号非常差时,再寻找新的AP进行关联连接。
图26漫游切换示意图b
3.最后,列车无线车载无线单元进入了AP2的覆盖区域,列车无线单元将同AP1断开连接,直接利用列车车载无线单元与AP2已经建立好连接,立即开始数据传输。
图27漫游切换示意图c
2.9与信号系统干扰解决方案
在地铁通信中,信号系统也可能采用WLAN的无线传输方案,如何防止信号系统和乘客信息系统互相干扰,解决方案如下:
1、合理频道划分。
由于2.4G频段具有3个不重叠频点(1、6、11),信号系统一般需要占用2个频点(轨旁同一标点需要布置2套AP,分别对应车头和车尾,存在干扰,因此必须采用2个不重叠频点),假定占用1、6频点。
在此基础上考虑乘客信息系统,需要在轨旁再布设AP,因此也需要考虑信号干扰问题,除了信号系统占用的2个频点外,还有1个可用频点——频点11。
图282.4G频段划分示意图
2、合理的AP布放。
乘客信息系统轨旁无线设备应与信号轨旁AP设备具有物理间隔,减少两个系统无线设备的相互干扰。
根据工程经验,乘客信息系统AP与信号系统AP水平间的间隔>50米,对于无法确保距离时,通过调整天线方向降低干扰。
3、合理的天线选择。
定向天线考虑射频信号传播的方向性,选择前后比大,垂直旁瓣和水平旁瓣小的定向天线。
一般情况下轨旁天线选用水平旁瓣30度,垂直旁瓣28度,前后比大于15dB的八木定向天线,与其他类型天线比较,垂直和水平旁瓣均更小,前后比更大的天线。
避免旁瓣外无线信号干扰,也大幅减少系统干扰。
图29AP天线示意图
乘客信息系统与信号系统采用“极化完全隔离”。
垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收,水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收。
当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时,接收到的信号都会变小,也就是说,发生极化损失。
图210天线极化方式对比示意图
例如:
当用+45°极化天线接收垂直极化或水平极化波时,或者,当用垂直极化天线接收+45°极化或-45°极化波时,都要产生极化损失。
当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时,例如用水平极化的接收天线接收垂直极化的来波,天线就完全接收不到来波的能量,这种情况下极化损失为最大,称极化完全隔离。
因此,信号系统和乘客信息系统可以采用不同的极化方式,比如乘客信息系统AP天线采用垂直极化方式,信号系统AP天线采用水平极化方式。
乘客信息系统与信号系统天线处于极化完全隔离,很好减少信号系统与PIS系统间干扰。
3方案优势总结
免维护、零配置
轨旁AP采用0配置、免维护的理念进行设计,无线控制器对AP的配置集中管理,AP零配置即插即用;AP可以自动更新软件版本,不需要人工职守;无线控制器可以远程监控和管理分支机构的AP。
自适应智能射频管理
根据当前的射频环境自动选择AP的工作信道和发射功率;网络扩容时新AP的加入不再需要大规模调整原有网络的射频配置;根据当前AP的工作负载情况,自动均衡AP接入的用户;自动发现AP故障点,并自动调节周边AP的功率避免覆盖漏洞;自动发现射频干扰,并切换工作信道规避。
漫游零切换
本方案采用快速切换漫游技术(connection-before-break),真正做到了AP间漫游切换0丢包,漫游过程中不改变ip地址,无需重认证。
安全加密技术
基于WEP、TKIP、CCMP等加密技术对所有无线数据进行加密处理,防范数据被非法窃听及篡改。
CCMP加密技术采用AES加密算法,128位随机密钥进行加密。
同时结合CBC-MAC(区块密码锁链-信息真实性检查码)进行认证和完整性校验,同时采用独有的加密专利技术进行双重保证。
冗余无线控制器部署
轨旁AP会同时与主备无线控制器建立CAPWAP隧道,主备无线控制器之间通过心跳线同步信息,一旦主用无线控制器出现故障,AP会自动从备用隧道传递数据,保障无线传输不中断,避免单点故障。
AP信号冗余覆盖
AP的部署间距设计为小于或等于AP的覆盖半径,这样即使单个AP(N)出现故障,相邻两个AP(N-1)、AP(N+1)的信号依然能覆盖到AP(N)的空缺范围,保障无线信号的连续不中断。
AP交叉部署
轨旁AP将采用交叉部署的方式与相邻两个车站交换机互联,例如1、3、5、7AP与车站N的交换机互联,而2、4、6、8AP则与N+1车站的交换机对接,避免车站交换机故障导致车站沿线无线网的瘫痪。
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