Техническое решение

по построению беспроводной сети передачи данных стандарта Wi-Fi для доступа в сеть Интернет высокоскоростного подвижного состава поездов через каналы доступа, организованные заказчиком, без использования каналов связи сторонних операторов.

Введение

С связи с широким внедрением конечных устройств мобильный интернет и широкая доступность беспроводных сетей дома или в публичных местах, доступ к сети в любом месте в любое время, становится частью повседневной жизни.

Пассажир поезда проводит хотя бы 30 минут в поезде и пять минут в ожидании на платформе. Поэтому покрытие Wi-Fiв поездах, а также высокоскоростных поездах, является крайне актуальной задачей.

В настоящее время покрытие Wi-Fiв поездах осуществляется на базе покрытия сотовых операторов. При этом высокоскоростные соединения принимаются специальными устройствами в вагонах поезда по каналам сотовой связи GSM, UMTS, LTE (каналы связи предоставляются, например, операторами большой четверки). Затем принимаемые соединения ретранслируются абонентам в поезде через сеть Wi-Fi. Соответственно, доступ в интернет отсутствует в зонах отсутствия покрытия сотовых операторов, и кроме того, качество связи GSM, UMTS, LTE существенно деградирует в условиях высокоскоростного движения поезда (до 200-400 км/час).

Возможным выходом из ситуации может являться построение полноценной инфраструктуры базовых станций на всем пути движения поезда, однако это требует значительных капитальных вложений со стороны сотовых операторов. Эти капитальные затраты включают в себя необходимые разрешения на частоты вдоль границы используемого пути. Предлагаемое в настоящем документе решение основано на построение сети Wi-Fiвдоль всего пути движения поезда, которое осуществляется в нелицензируемых частотах, что приводит к снижению капитальных затрат на строительство такой инфраструктуры.

Кроме того, предлагаемые базовые станции адаптированы для обслуживания высокоскоростных передвижных станций, поскольку в структуру сигналов, поддерживаемых стандартом IEEE 802.11ac, введены новые дополнения, обеспечивающие более эффективную работу в условиях высокоскоростного движения абонентов, чем в предыдущих версиях стандарта Wi-Fi (a, b, g, n). Кроме того, увеличенная пропускная способность предлагаемого решения достигается за счет использования технологии MU-MIMO, поскольку технология прекодинга в зависимости от значения канальной матрицы более эффективна в условиях быстро меняющихся каналов распространения, чем классическое MIMOбез слежения за канальной матрицей.

Применяемые технические решения

Для построения сети беспроводного доступа стандарта Wi-Fi, применяется оборудование производства компании Ruijie Networks Inc. (Китай).

Высокоскоростное решение (поезд)

Архитектура беспроводного решения Wi-Fiдля высокоскоростного поезда представлена на Рис. 1.

Рис. 1. Архитектура сети WiFi для высокоскоростного поезда.

Развертывание сети проводится с помощью технологии 5-го поколения Wi-Fi стандарта 802.11ac. С помощью этой технологии достигается скорость передачи данных до 1.3 Гбита и пропускной способности 950Мбит/с с модуляцией 256QAM, а также с технологиями Сarrier Аggregation и Frame Aggregation.

Как видно из рисунка, вдоль всего пути движения поезда устанавливаются точки доступа, которые обеспечивают покрытие. При этом передача данных осуществляется на одной и той же частоте 11ac, а также с тем-же SSID будет транслироваться в тот же канал по всем ТД вдоль пути. Все данные собираются и обрабатываются в контроллере ТД. Роуминг не требуется, таким образом потери пакетов сводятся к нулю. ТД вдоль пути работает на той же частоте и выдает тот же BSSID. КТД централизованно управляет всей обработкой пакетов и взаимодействием. Таким образом, все ТД могут быть рассмотрены как большая виртуальная ТД. Когда поезд движется, КТД автоматически переключает на ТД с лучшим сигналом, основываясь на параметрах, таких как сила сигнала ТД, скорость соединения и т.д. Эта функция требует только обновления таблиц в КТД.

Статическая пропускная способность: В пределах 200 м, статическая пропускная способность беспроводной сети достигает до 500 Мбит/с , а с агрегацией 2-х линий связи более 1Гбит/с.

Динамическая пропускная способность: Когда поезд едет со скоростью 80 км/ч, беспроводная пропускная способность снижается до 250Мбит/с. Когда поезд едет со скоростью 120 км/ч, беспроводная пропускная способность снижается до 200Мбит/с. Агрегация 2-х аплинков удвоит эти скорости передачи данных. 

Рис. 2. Структура хэндовера в сети Wi-Fi.

Установка оборудования в поезде. Обычно ТД для транспорта должны быть установлены над передней и задней секциями кабины, а ТД внутри вагонов должны быть вмонтированы в кабельных отсек.

Рис. 3. Структура хэндовера в сети Wi-Fi.

Высокоскоростное решение (станция)

Структура решения (станция) представлена на Рис. 4. Возможные точки доступа с умной антенной (включая MU-MIMO) представлены в Таблице 1. Имеющееся в наличии решение "умная антенна” представлено на Рис. 5.

Рис. 4. Структура решения (станция).

Таблица 1. Используемые типы точек доступа.

Модель	RG-AP320-I	RG-AP530-I	RG-AP520-I	RG-AP520-I(G2)	RG-AP520(DA)	RG-AP740-I
Протокол	802.11a/b/g/n	802.11a/b/g/n/ac	802.11a/b/g/n	802.11a/b/g/n/ac	802.11a/b/g/n/ac	802.11a/b/g/n/ac Wave 1, ac Wave 2
Антенна	Built-in X-Sense Smart Antenna array with 16 antennas and 65,536 antenna combinations 2×2 MIMO	Built-in X-Sense Smart Antenna array with 24 antennas and 16.7 million antenna combinations 3×3 MIMO	Built-in "X-Sense 3" Smart Antenna (Up to 16-direction smart antennas with 65,536 antenna combinations) 2×2 MIMO	Built-in "X-Sense 3" Smart Antenna (Up to 12-direction smart antennas with 4,096 antenna combinations) 2.4G: 2×2 MIMO 5G: 2×3 MIMO	Built-in X-Sense Directional Antenna 2×2 MIMO	Built-in X-Sense Smart Antenna array with 24 antennas and 16.7 million antenna combinations 4×4 SU-MIMO, 4×4 MU-MIMO

В частности, может использоваться одна из наиболее современных точек доступа RG-AP740-I, поддерживающая помимо стандарта 802.11a/b/g/n/ac/ также стандарт 802.11ac Wave 2, встроенную X-Sense адаптивную антенну с 24 излучающими элементами, и 16.7 миллиона различных комбинаций диаграммы направленности, а также 4×4 SU-MIMO, 4×4 MU-MIMO.

Рис. 5. Внешний вид умной антенны.

Обзор оборудования

10G Беспроводной контроллер точек доступа (КТД).

· Многоядерный процессор MIP64, КТД предоставляет 8 GE волоконно-медные комбинированные порты, и два 10GE SFP+ комбинированных порта. КТД может обеспечить высокую скорость передачи и обработки данных, управляя до 1024 ТД одновременно.

· КТД может быть развернут на сети Layer 2 или Layer 3 без модификации оригинальной архитектуры сети, поскольку именно она формирует комплексную архитектуру коммутации с беспроводными точками доступа. КТД обеспечивает легкость в управлении коммутацией данных всех ТД.

· Встроенная локальная база данных пользователей КТД может быть интегрирована со встроенным порталом. Локальная аутентификация беспроводных пользователей может быть легко произведена через Web аутентификацию.

Рис. 6. Внешний вид контроллера точек доступа.

Настенная Gigabit ТД (на примере RG-AP530-I)

· ТД поддерживает два диапазона 2.4ГГц и 5.8ГГц, и обеспечивает доступ со скоростью до 1.75Гбит/с. Беспроводной стандарт нового поколения 802.11ac обеспечивает максимальную скорость соединения до 1.3 Гбит/с.

· Поддерживает архитектуру смарт антенны X-Sense, ТД RG-AP530-I предлагает до 24 встроенных антенн.

· Поддерживает несколько методов аутентификации, таких как Web, 802.1х, MAC-адрес, и локальную аутентификацию на выбор клиента.

· Обеспечивает широкий диапазон беспроводных функций безопасности, таких как Беспроводная Система Обнаружения Вторжений (WIDS), устранение радиопомех, меры против несанкционированных ТД, защита от ARP и DHCP спуфинга.

· Пластиковый дизайн корпуса соответствует стандартам пожарной безопасности.

Рис. 7. Внешний вид RG-AP530-I.

ТД Gigabit вдоль пути

· RG-AP530-I (S1) поддерживает стандарт 802.11ac и два диапазона, чтопозволяет скорости подключения достигать 2.6Гбит/с.ТД также поддерживает широкий диапазон мощности передачи до 500мВ с регулировкой.

· Поддержка технологии WDS (Беспроводная система распределения) для режима беспроводного покрытия или многоуровневого режима беспроводного моста.

· Предназначен для промышленной электромагнитной среды, отвечает требованиям стандарта EN50121.

· Создана для установки в транспорте, соответствует требованиям установки на транспорт с разъёмами air plug.

· Металлический корпус выполнен с учетом стандартов пожарной безопасности.

· Рабочая температура -40～55℃, рабочая влажность 5%-95%, класс защиты IP41 .

· Соответствие ж/д стандартам EN50155.

Рис. 8. Внешний вид RG-AP530-I (S1).

ТД Gigabit в вагоне

· The RG-AP530-I (S2) поддерживает стандарт 802.11ac и два диапазона, чтопозволяет скорости подключения достигать 1.75 Гбит/с.ТД также поддерживает широкий диапазон мощности передачи до 500мВ с регулировкой.

· Эксклюзивная технология Ruijie i-Share обеспечивает равномерное покрытие сигналом посредством распределённой антенны.

· Предназначен для промышленной электромагнитной среды, отвечает требованиям стандарта EN50121.

· Создана для установки в транспорте, соответствует требованиям установки на транспорт с разъёмами air plug.

· Металлический корпус выполнен с учетом стандартов пожарной безопасности.

· Рабочая температура -40～55℃, рабочая влажность 5%-95%, класс защиты IP41 .

· Соответствие ж/д стандартам EN50155.

Рис. 9. Внешний вид RG-AP530-I (S2).

Коммутатор Gigabit в вагоне

· 4 10/100/1000M порта с поддержкой PoE+.

· Поддерживает широкое разнообразие функций как Layer 2, таких как VLAN, STP/RSTP, ERPS, многоадресная рассылка, зеркалирование портов, QoS, безопасность порта и подавление широковещательных штормов, так и протоколы сети Layer 3, такие как статическая маршрутизация.

· Предназначен для промышленной электромагнитной среды, отвечает требованиям стандарта GB/T 17626 .

· Создан для установки в транспорте, соответствует требованиям установки на транспорт с разъёмами air plug.

· Металлический корпус выполнен с учетом стандартов пожарной безопасности.

· Рабочая температура -40～55℃, рабочая влажность 5%-95%, класс защиты IP41 .

· Соответствие ж/д стандартам EN50155.

Рис. 10. Внешний вид RG-IS2708M-4P.