交通移动无线宽带解决方案.docx
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交通移动无线宽带解决方案
交通行业移动无线宽带
技术建议书
1项目概述
为了满足xx高速公路车辆移动无线宽带通信系统、高速公路沿线维护和应急通信系统的需求，提升高速移动下的宽带无线视频、语音和数据通信能力，本方案中采用了StrixSystems第三代无线Mesh（网状网技术）高速移动无线宽带技术，配合高速路收费站和服务区等处现有的光纤网络，提供高速公路沿线的宽带无线网络通信平台。
作为第三代WLAN无线局域网技术研发和推广的主要厂家，StrixSystems在北美、欧洲和日本等国家和地区进行了无线城市、交通线路等环境下的大规模部署；StrixSystems革命性的Mesh技术提供了高速移动和快速漫游切换的能力，满足了交通系统大规模部署的需要。
StrixAccess/One无线Mesh网络作为多业务平台（Multi-ServicePlatform），网络具有自我组织、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。
建成的移动宽带无线通信系统做为综合性的通信平台，可为交通系统广泛的应用：
1.数据和语音通信
∙道路周边区域的通信
∙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
∙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
2.综合的车站/服务区服务
∙电子票务
∙时间表更新
∙电子座位预订
∙车载/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
∙出租车/公交车辆跟踪和定位
∙租赁公司监测
4.安全和监控
∙站点视频监控
∙交叉路口视频监控
∙事故多发路段/山体滑坡区域等视频监控
5.移动用户服务
∙乘客Email服务
∙互联网接入服务
2无线Mesh技术介绍
2.1无线Mesh技术发展
无线Mesh网络具有诸多优于其它类型无线部署的优势。
这些优势主要集中在降低网络关键环节的成本——安装、维护以及运行维护等方面。
以某些情况下，由于网络拓扑结构、缺少有线基础设施、或者是在客户室内或室外位置布线成本高等原因，无线Mesh网络成为部署网络基础设施的唯一可行方案。
在发展历程上，业界中有三种Wi-Fi方案：
第一代集中式网络模式——是一种非智能的网络，相互独立的多个接入点（AP）连接到同一个有线局域网中。
集中式网络模式
第二代集中式网络模式——是对已有交换机最简单的一种扩展方式，大多数有线交换机设备均支持。
这种模式倾向于将智能功能从AP剥离出来放到交换机中。
然而，这种方法产生了许多意想不到的后果（例如，单点故障、带宽瓶颈以及缺乏扩展性和灵活性）。
此外，要是增加AP设备使得现有的WLAN交换机端口不够用时，就必须购买新的交换机。
这两种Wi-Fi方案还存在着一个共性的问题——它们不是真正的无线，只是“更少的”有线。
连接AP的以太网还是必要的。
第三代Wi-FiMesh网络——是一种智能网络。
由于网络节点间能够通过802.11无线链路相互连接，因此它们不需要通过有线连接到交换机上。
Mesh网络架构可以扩展通信传输区域，也可以同时为无线用户和网络节点提供接入服务。
如果设计的合理，Mesh网络可以成为高性能、高可靠并具有冗余能力，并且能够扩展到包含成千上万个设备。
这种类型的网络安装快捷，并且不要求精细的规划和位置选择即可获得可靠的通讯。
简单地移动某个网络节点或者增加一个节点就可以立即完善一个信号较弱或无信号的区域。
在无线Mesh网络中，每个节点都会维持到最邻近节的最优路径。
当无线环境发生变化时，比如加入新节点或者发生拥塞，数据路径会根据时延、吞吐量、噪声等因素进行重新评估，并且Mesh网络会自动地进行自我调节将性能维持在最佳性能。
如果某个数据路径丢失，或者RF干扰影响了性能，网络会通过重路由流量实现自我修复，这样节点既可以保持连接，而且数据路径也始终是最优的。
所有的自我调节和自我修复过程都是动态的，在后台执行并且是实时的——对用户而言是透明的，不需要人为干预。
绕过障碍物
在室外环境中部署网络时，Mesh体系架构允许无线网络绕过大的物体（比如建筑物和树木）进行流量交换。
无线Mesh网络能够很容易地通过中间中继节点绕过障碍物转发数据包，而不是试图直接穿过障碍物。
尤其在有很多障碍物的城市环境或者有丘陵或山区等传统无线网络覆盖有困难的乡村区域，该方案都非常有效。
2.2实现无线Mesh的方案
无线Mesh的方案有很多种，但是大部分的方案都来源于最初的无线分布式系统（WirelessDistributionSystem,WDS）概念。
WDS是一种使用无线桥接和无线repeating的无线AP模式，无线桥接也就是只能在AP之间进行通讯，AP不接受无线客户端的访问；而无线repeating既允许AP之间互相通讯，AP也可以与无线客户端进行通讯。
所有的Mesh网络在本质上都是用户流量在离开网络（比如到达有线的LAN）之前通过多个节点。
用户流量到达目的地所要经过的跳数取决于网络的设计、链路的长度、使用的技术以及其它一些因素。
第一代—单模块Mesh方案（single-radio）—所有信息都在同一信道上
单模块模式是无线Mesh最脆弱的方案。
接入点仅使用一个信道，此信道由无线客户端和回程流量（在AP之间转发）共享。
当更多的AP加入到网络中的时候，用于回程流量的带宽将会占据越来越高的比例，仅仅留很少一部分容量给无线客户端。
此现象的原因是由于无线是一个共享的媒质。
本方案的AP不能同时发送和接收数据。
而且在其覆盖范围内另一个AP正在传输的时候，该AP也不能发送数据。
这种对可用共享带宽的竞争是基于类似以太网的无线冲突避免原则（CSMA/CA）。
简单计算一下就会发现，在单模块方案中每个无线客户端只能获得很有限的吞吐量。
举例来说，假设你有5个AP，每个AP有20个无线客户端与之相连，所有的AP和客户端共享同一个802.11b信道（5Mbps），这样等价于每个用户只能获得少于50Kbps的吞吐量——比拨号连接还要慢。
而且由于所有的无线客户端和AP必须工作在同一个信道上，无线资源的竞争和RF干扰还会导致不可预期的时延。
第二代—双模块方案（dual-radio）—回程共享
在双模块方案中，一个频道专门用来连接无线客户端，而另一个频道专门用来进行无线回程传输——回程信道同时由ingress和egress流量共享。
这意味着什么呢？
无线客户端流量将得到一些的改善，但是全网的性能仍然由于回程的瓶颈问题而不理想。
第三代—多频方案（multi-radio）——结构化的无线Mesh
在多频（或者称作结构化Mesh）方案中，每个网络节点至少使用三个频道的专用无线链路接口，其中一个频道用于客户端的流量，第二个频道用于ingress无线回程流量，第三个频道用于egress无线回程流量。
这个无线Mesh网络的方案与单模块或双模块方案相比提供了很好的性能。
因为每个链路都工作在独立的信道上，专用的回程链路可以同时发送和接收数据。
分离的Ingress/Egress回程链路
2.3Mesh多跳难题分析
随着无线Mesh网络的普及，其规模和复杂程度持续发展。
然而多跳的Mesh网络遇到越来越多的难题，比如带宽降低，无线干扰以及网络时延等。
譬如，在网络中的每一跳吞吐量会下降多达50%，连续多跳情况下吞吐量下降得更迅速，其结果将导致网络性能的严重降低。
在语音和视频应用大量运行的极端情况下，时延和RF干扰将达到不可接受的程度，而导致连接完全中断。
传统的Mesh网络只能提供有限的扩展性，多跳自身的难题使得它对于大规模网络部署还存在诸多疑问。
因而需要一种新型结构化的无线Mesh，在其网络中无论跳数多少，都能够提供高性能和高可靠性。
为了具有可实施性，无线Mesh必须是低时延的网络，为ingress和egress回程流量提供单独的无线带宽链路（类似于全双工连接），并自动地使用最高的可用吞吐量。
它必须是多频、多信道、多RF的系统，还应该是模块化的，并且具有扩展为未来技术的灵活性。
这种低时延的Mesh网络已经在实验室环境（无噪声）和真实环境（有噪声）中进行了测试。
测试跳数逐步从1跳增加到10跳，结果表明即使达到10跳，无噪声情况下网络回程吞吐量只有4%的丢失，而实际噪声环境也仅丢失了40%。
时延测试结果也同样令人满意——完全在语音（VoIP）和视频应用可接受的范围内。
带宽下降测试结果是与为回程流量使用单模块的Mesh网络的最佳情况进行比较的。
单模块Mesh网络在无噪声情况下经过5跳后带宽就会令人吃惊地丢失了80%。
带宽降低
当回程被共享的时候，多跳带来的带宽降低的问题尤为严重，比如单模块和双模块方案。
在这些情况下，每个从AP到AP“跳越”的流量，其吞吐量都几乎会被削减了一半。
对于这类带宽降低模式主要有两个原理。
不管选择最佳情景原理的降低为1/n（其中n是跳数），还是选择最坏情景原理的降低为1/2n-1，带宽降低的数量都是现实存在的，参见下表。
最佳情况的场景是假设所有的节点都以线性的方式排列，类似于一个珍珠串，每个节点只能和它两个邻接的节点通信。
但是在实际部署的Mesh网络中，任何一个节点都能“侦听”到至少3个或4个邻接的节点。
这时，带宽降低更加类似于最坏情况的情景。
下图说明了802.11a/g和802.11b采用单模块方案在最佳情况的场景下吞吐量降低的情况。
在802.11b情况下，此表的起始吞吐量为5Mbps－－因为802.11b任何信道的毛数据速率为11Mbps，其有效吞吐量接近于5Mbps。
类似地，802.11a/g的有效吞吐量接近于24Mbps。
正像前表中所显示的一样，即使在最佳情景的时候，对于中等规模和大规模环境，带宽的损失也是不可接受的。
无线干扰
无线干扰是一个十分重要的问题，它将影响到无线网络的性能。
简单地说，无线干扰可以定义为非期望的信号干扰了其他无线通信设备的正常操作。
在当今的无线网络中，802.11b和802.11g是企业和服务提供商向用户提供无线覆盖最常用的技术。
而大部分无线Mesh部署都是使用802.11b作为无线回程的基础架构，这些网络回程带宽很容易受到来自于相同频段内工作的邻近设备无线干扰的影响。
无线干扰还会导致传输错误，这些错误可能会混合。
而且需要注意的是，在网络不同的部分干扰也千差万别。
就像前面所提到的，单模块和双模块方案在网络中使用同一个回程信道，当网络中任何部分受到了干扰的影响，整个网络的性能将会降低。
而且，这些方案不能修改网络中该部分的配置（比如调整信道）来避免干扰。
Wi-Fi网络并不是工作在免许可的2.4GHz和5GHz频段的唯一无线设备。
还有其他类型设备工作在这些频段，包括安全系统、对讲系统、无绳电话以及其他很多设备。
另外，也有一些电子设备会在免许可频段内泄露无线信号（比如微波炉、计算机和移动电话）。
这些设备会导致不同方式的干扰，可能是暂时的（比如微波炉）或持续的（比如无线视频监控摄像机）。
网络时延
VoIP的应用是Wi-Fi的一个关键驱动力。
建立和部署Wi-Fi和IP电话融合的解决方案可同时支持语音和数据服务，该解决方案可能会使得WLAN在企业中得到广泛应用。
为了支持这些语音和视频应用，就要求网络具有很小的时延和抖动。
当分组包在网络节点之间转发的时候，一定会存在处理时延。
在大规模广域Mesh网络中，通常需要很多到有线网络的终止点来避免过多的时延——但是这样就不能充分发挥无线Mesh网络的优势。
而且，随着时延的增加，语音和视频应用将受到严重的影响（尤其当无线客户端漫游的时候），甚至可能会导致连接完全中断。
当Mesh使用layer3（路由）协议的时候将会引入另一个问题，也就是在使用layer3协议的时候，帧头开销可能会很小，因此数据比较适合小规模或中等规模部署的网络，而不适合支持很多用户的大规模环境，这些用户会漫游并使用语音和视频应用。
时延会影响整个无线网络的性能，而导致时延的原因有很多种，包括啁啾声，拥塞，超时和重传。
带宽时延产品（BandwidthDelayProduct，BDP）是用来测量网络链路能力的一个产品——可以考虑在设计和部署大规模网络时应用。
2.4第三代多模块无线Mesh解决多跳难题
对于大规模无线网络部署，尤其在语音、视频和数据漫游应用很关键的时候，将需要新型的无线Mesh技术——提供专用的无线链路、802.11a用于回程流量、低时延交换、蜂窝状的客户端覆盖。
要想在任何时候都提供最佳的性能，这样的网络必须是模块化的、多频、多信道、多RF的Mesh。
同时具有以下特点：
非常灵活，完全可扩展的，而且是面向未来技术的，比如WiMAX、802.11n（MIMO）或者Ultra-Wideband（UWB）。
多接口无线Mesh节点vs有线交换机
专用无线链路
在建立一个高级的Mesh网络时，使用方法一定是与其它类型解决方案所不同的。
它将应用模块化的方案，使用专用的带宽链路来完成AP的功能（客户端连接）或回程功能（网络级连）。
注意图中理想的无线Mesh节点和有线VLAN交换结构设计上的相似性。
他们都为用户接入提供接口，都为回程链路提供了专门的接口——客户端连接（ClientConnect）的下行方向回程和网络级连（NetworkConnect）的上行方向回程。
客户端连接无线模块必须设计为或者与无线客户端连接（用户接入）关联，或者使用分离的模块与其他Mesh节点（回程）关联。
网络级连无线模块必须根据到网络egress（有线网络）的最佳可能路径为中继回程流量（ingress和egress）建立与另一个Mesh节点的链路。
对于repeater或者用来扩展网络范围的节点，需要包含3个或更多的无线模块——一个用于ingress流量（回程），一个用于egress流量（回程），还有一个用于无线终端（用户接入）。
下图阐明了这一概念。
终端连接与网络连接
802.11a无线回程
这个新型结构化的无线Mesh需要支持不同类型的无线技术。
一些原则决定了针对某一特定的用途，哪一种技术应用更为广泛。
正如前面所提到的，802.11b和802.11g仅有三个可能的非重叠信道。
然而802.11a没有此限制，并且该频段无线干扰更小（来自于其它笔记本电脑，无绳电话等），频谱更宽。
鉴于以上原因，802.11a非常适合用于回程Mesh架构。
可获得的802.11a信道个数依赖于监管区域，比如美国FCC监管区域在5GHz范围内为免许可应用保留了4个频段。
这四个频段指定为UNII（UnlicensedNationalInformationInfrastructure）频段，总共有24个可能的信道。
802.11a与802.11b或802.11g相比较的另一个优势就是所有可获得的信道都是非重叠的。
因此你可以让无线节点工作在临近信道而会不产生相互干扰。
在一些国家，也许不能利用802.11a的频谱。
然而在网络中，节点之间的无线连接也可以像使用802.11a一样使用802.11g。
这两种技术提供了相似的带宽和吞吐量特性，并都支持高速模式（11g的SuperG，11a的Turbo）将连接速度从54Mbps提高到108Mbps。
802.11aTurbo信道被指定为42,50,58,152和160信道。
低时延交换
理想的Mesh网络必须支持语音应用和快速漫游切换，这就是为什么网络应该设计为layer2交换。
这将会保持时延和开销最小，并提高多跳的性能。
许多现在的Mesh网络都集中在layer3路由，这种方案的问题是路由开销最终会限制网络的可扩展性。
蜂窝状覆盖
Mesh网络还应该允许使用多个、分离的扇区状天线（非常类似蜂窝网络中无线小区站点天线）同时向不同的方向发射信号，每个方向都使用不同的信道。
蜂窝状覆盖可以支持向所有相连的客户端同时进行无冲突的传输——意味着在更大范围内，更多的用户可以与同一个节点进行关联，并且获得更高的吞吐量，这是因为用户之间发生更少的冲撞。
概念的验证
为了验证新型无线Mesh网络的有效性，可分别在无噪声环境和真实环境中做了一系列测试，跳数从1到增加到10。
测试的目标是表征流量经过多跳后的降低程度，流量通过了从客户端相连的节点到流量发生服务器这个菊花链上的多个节点。
服务器用于测量TCP和UDP带宽性能（比如最大带宽），并允许调整不同的参数和特征，它还可以报告带宽、时延和丢包率。
网络测试场景说明
在所有场景中都通过几种类型的测试来对流量进行表征。
在理想的Mesh网络中增加或减少节点的情况下，为了确定流量将受到什么影响的目的，这些测试可以认为是精确的。
下图给出了这个测试场景的基本网络架构。
测试场景
第一组测试场景是在无噪声、无干扰环境中进行的，可以认为是最优情况。
目的是在没有外部资源和干扰影响下，精确地分析Mesh网络的行为。
第二组测试场景引入了真实环境，也就是网络暴露在充满噪声的环境中。
为了表征流量通过Mesh网络的行为，所有测试都是使用802.11a作为无线回程的情况下完成的。
网络测试结果
在每一跳都要通过有线以太网终端获取测试结果。
结果表明，即使在10跳的情况下，这个网络在无噪声环境中只丢失了4％的回程吞吐量，而在真实环境中也仅仅丢失40％回程吞吐量。
时延结果也是同样令人振奋的，32byte的分组包的时延只有15ms，1400byte的分组包时延为25ms。
这两个结果都在VoIP和视频应用可接受的时延限制即100ms以内。
带宽降低测试结果与单模块和双模块Mesh网络最佳情景相比较，单模块和双模块Mesh网络在无噪声环境下的结果显示了仅仅5跳带宽就会有80%丢失。
结论
多跳大规模无线Mesh网络对带宽降低，无线干扰和网络时延等问题十分敏感。
如果没有使用多频结构化的无线Mesh，每一跳的吞吐量可能会下降多达50%。
特别是在更大规模部署情况下，网络时延和漫游也是需要着重考虑的问题。
在广域、高利用率环境中，当无线客户端使用的语音和视频应用需要漫游（比如在汽车或火车上）时，时延和带宽问题将变得不可接受。
选择单频、双模块甚至某些多频Mesh网络将会导致网络性能降低、扩展性差、不能支持大范围的应用。
显然，需要一种新型的无线Mesh网络来解决多跳的难题。
这一新型网络需要使用模块化的、多频、多信道、多RF的Mesh网络系统，使用蜂窝状覆盖来展示高级的系统回程。
使用该系统可部署高性能、高扩展性的网络，并支持实时的语音、视频和数据应用。
3技术选型
3.1第三代多模块Mesh网状网组网
StrixAccess/One产品支持Mesh拓扑组网技术，设备节点之间采用无线级联方式通信，同时每个节点都可与其他节点使用点对多点point-to-multipoint的方式连接。
这样，可构建的网状网络内每个节点都有一条以上的无线上联链路，提高了无线传输服务的可用性。
从拓扑角度来说，Mesh拓扑结构超越了传统无线网桥的点到点、点到多点的拓扑结构，从而从根本上解决了城市范围内大规模无线网络部署中存在的建筑物等阻挡物的影响。
基于802.11g/a/j技术的Mesh网络的无线链路带宽为54Mbps，通过使用Turbo模式，无线链路带宽可高达108Mbps，为大规模的城域使用提供了高带宽基础。
StrixMesh系统同时支持2.4GHz、4.9GHz和5.8GHz，支持多种无线覆盖和回程的组合，可以有效地提高系统对多个频率的使用效率。
如上图所示，StrixMesh系统可以采用802.11g（2.4GHz）或者802.11a（5.8GHz）作为节点之间的无线互联技术，同时每个无线Mesh节点提供802.11g或者802.11a的用户覆盖。
目前2.4GHz802.11g/b具有3个非重叠信道，5.7~5.8GHz的802.11a具有5个非重叠信道，如果同时利用5.1~5.3GHz和5.4~5.7GHz将提供24个非重叠的802.11a信道。
这种多频率、多信道的无线组网方式可以更有效的在2.4GHz和5.8GHz频段避免外来的干扰。
StrixMesh室外基站OWS在支持2.4GHz/5.8GHz的基础上，同时支持4.9GHz的使用，作为需要授权使用的频段，4.9GHz频率更加“干净”，能够提供更多的即可用于无线覆盖也可以用作无线回程的无线频率资源。
3.1.1部署维护简单–自动配置、自动发现
StrixMesh系统具有自动配置能力，当网络节点启动后，该节点内的各模块互相自动发现并且自动确定各自的工作模式、智能扫描信道等功能，无需进行每个设备的手工配置。
当网络中一个或者多个新加入的节点时，系统也可以自动发现新节点，通过管理界面对节点进行Mesh组网授权后，新节点会自动下载配置。
StrixMesh系统自动配置和自动发现的能力降低了网络部署和管理运维的工作负荷。
3.1.2网络稳定性–自动调节、链路自愈
无线网络连接建立后形成Mesh结构，每个网络节点以一定的时间间隔不断的执行决策算法。
每个节点具有的分布式智能以信号强度和网络性能为指标，在多条无线链路中选取最优路径路由流量，并且不断动态调整数据路径，限制了广播并且消除了瓶颈。
这保证了任何由于网络单元被增加或是移除导致的网络拓扑变化都可以立即被检测到并进行相关的措施，保证网络总是处于最优的性能和运行状态。
这样，网络必须具备了以下两个自组网特性:
ØSelf-tuning性能自我调节
ØSelf-Healing链路自动修复
如下图所示，在故障发生前，Mesh网络节点保持主链路、备选链路的信息，并且不断的动态的更新链路信息列表；当网络中的某一点由于供电、损毁等原因出现故障，其他周边设备会迅速的在备选链路表中，选取具有最优参数的备选链路作为主链路；StrixMesh系统的SMFR（ScalableMeshFastRe-route）算法提供迅速的链路修复，在毫秒级别即完成主备链路的切换，整个过程对于网络中的最终用户都是透明的，不会造成用户的数据、语音或视频等应用的中断。
Mesh拓扑图–故障发生前
Mesh拓扑图–故障发生后
3.1.3多模块、多信道、多射频技术Mesh
StrixAccess/One产品支持多模块、多信道和多射频技术进行Mesh组网，如下图所示-每个节点都有多个不同功能的无线模块，分别处理无线终端接入、Mesh回程和Mesh扩展等，利用多个专用模块提高无线Mesh内部的性能。
如下图所示:
同时，每跳都是使用不同的2.4GHz或者5.8GHz信道进行传输，大幅度的改善了多个Mesh节点之间或者外界射频环境带来的干扰。
这种多模块、多信道、多无线技术的无线网状具有非常好的多跳能力，其多跳TCP吞吐量指标如下所示：
在实验室条件下每跳吞吐量下降在1%以下，在实际应用环境下，每跳吞吐量下降在10%以下。
Ø多扇区
Strix室外型Mesh系统，OWS支持多种类型的外接天线，如全向天线、定向天线、扇区天线和抛物面天线等。
StrixOWS的多模块架构可与多种扇区天线组合，如120度扇区天线，组成具有3个扇区的Mesh网络节点。
StrixOWS支持的多扇区可以是2.4GHz、4.9GHz或者5.8GHz，并且可以按照网络性能需求，构建3扇区、4扇区、6扇区或者8扇区。
每个扇区都有专用的无线模块处理业务流量，这样多扇区在提供360度覆盖的前提下，达到了成倍的提高节点总体容量的目的。
扇区天线也能够提供比全向天线更高的增益，如120度扇区天线的增益通常是36
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