港口码头无线覆盖解决方案

集装箱码头是最早在其日常物流运营中采用无线技术的行业之一,因为在调度中需要移动的特性。最初的无线应用的目的是数据控制。随着移动数据终端的广泛使用,卡车司机和码头起重机将直接从物流控制服务器那里得到一步一步的指示,在什么地方装卸集装箱,任务完成后他们将时间、地点和集装箱数量等数据回传。指令均及时发出,一个完成后接着下一个。

随着WiFi标准越来越普遍,其功能也越来越丰富,我们可以看到,WiFi不再仅仅是数据控制中的应用,而是可用扩展到更多的实时应用,包括VoIP,多媒体,监控和统一消息等领域。已有WiFi网络的管理员正在努力改造自己的基础设施,而新的管理员已将无线作为他们网络设计的基本要求。

集装箱码头经营者的要求已变得更加苛刻。在选择产品过程中,他们发现,由于地形复杂和现场存在大量来自泊位和集装箱设备的干扰信号,大部分的传统AP不能完全符合其领域的性能要求。之前,这样问题一直未得解决,直到奥泰尔,一个在集装箱码头有丰富应用经验的无线设备与蜂窝技术供应商的出现。

在本文中,我们将描述他们遇到的困难,基本要求,他们所期望的未来,以及奥泰尔室外WiFi设备如何满足他们的现在和未来的要求。

1.问题

那些部署传统mesh AP的网络存在如下至今不能完全克服的问题:

  • WiFi信号被码头和移动起重机所阻挡-通常每个泊位均有几个沿着平行轨道至集装箱货船的码头起重机。最坏的情况发生时,所有的起重机均移至另一端。这将阻挡通往船上和起重机后面检查人员的WiFi信号,并造成传输中断。另一方面移动起重机和其他车辆,将间歇性地阻隔其后的检查人员。

             1:被码头起重机阻挡                                                                        2:被集装箱阻挡
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  • 集装箱堆对WiFi信号的阻挡–在集装箱堆积区域,通常有6个集装箱堆叠至48英尺高(〜15米)。当码头主管在集装箱堆间驾驶时,信号通常变弱并造成传输中断。
  • 多干扰信号的环境–在高峰时可以探测到周边有超过100个AP,即使在夜里也有超过80个。这些干扰AP信号来自附近的写字楼和远处其他的集装箱码头。一些IT管理员尝试增加AP的传输功率,以提高信号强度。然而,这其实并没有多大帮助,因为移动终端的上行功率输出较低。它只能让环境更糟。空间中存在大量干扰信号使接收信号较弱的和传输数据吞吐量较低,并造成了不少延时。
  • AP架设位置有限–通常集装箱码头位于低矮、空旷的区域,可架设的高点有限。通常可用的架设位置是在灯塔顶,灯柱或建筑物的房顶。不过,通常在中小型集装箱码头的2个架设之间的距离在500米之间,大型港口将至1 公里。传统 mesh AP 的NLOS在150米以内,如只架设在灯塔或灯柱上,不可能实现全覆盖。而添加新的杆柱通常是不允许的,且这还涉及大量的安装费用,包括光纤或以太网线缆的敷设。

                                                                  4: 集装箱码头常用的灯塔

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  • 较低的数据吞吐量导致大量的延时–因架设位置的限制和需要有线的回路,如采用mesh回路架构的传统AP需要大量的Hoping。根据mesh技术的回路共享特性,随着节点数量的增加,其传输的数据吞吐量将降低和延迟将增加。噪声信号将导致更低的数据传输吞吐量,因为当AP检测到较大噪声信号时,被迫降低传输速率,而且重传数据将增加更多的流量。这使得传统AP难以支持实时或带宽要求的应用,因此限制了网络的未来扩展。
  • 不稳定的 mesh WiFi服务–集装箱码头的IT管理员发现,通过mesh WiFi设备提供的服务是相当不稳定,即使是仅用于数据传输。虽然信号阻挡和干扰将导致服务的暂时性中断,但射频硬件故障,有线回路和后勤服务器的拥塞也会导致某些地区或整个集装箱码头的服务中断。

2.期望

具有多年的无线网络使用经验,集装箱码头IT管理员现在对WiFi设备有的性能和功能有更多期望:

  • 远超覆盖–因为架设节点平均在500米或以上的间隔,NLOS的覆盖范围半径至少250米,包括集装箱堆下的区域。如包括码头起重机等在空旷区域,最好有超过300米的NLOS半径。
  • 回路弹性–为了尽量减少回路中断的故障,所有AP必须至少有2条回路链路,无论是有线或无线的。当一个回路中断后,它可以自动切换到另一个回路,当链路恢复,将切换回默认链路
  • 多重覆盖–当一个AP的出现故障时,用户可以关联到同处的另一个AP上
  • 链接完整性-既然服务的故障(访问服务器)可能是由于AP(无线电失效)有线回路(以太网或光纤故障)或应用服务器(服务器拥塞)引起的故障,因此系统必须具有检查从无线接到本地服务器的全程检测的功能,如果有Internet或广域网的连接,甚至到外部服务器。网络管理软件可以通知管理员链路是因何故障。故障的AP应能自动释放,使其用户可以切换到另一个正常的AP上。当链路正常后,需要能自动恢复。
  • 减缓干扰–设备应具有自动抗干扰控制功能,能够控制信号的接收和发送方向,以最大限度地减少噪音干扰。系统应具备特殊的滤波电路,以提供更好信噪的信号,良好抗干扰的能力,以及更高的数据传输速率,该系统应该能与其他近频带的系统共同工作,如CDMA和GSM蜂窝电话服务及其它工作在4 GHz频段上的设备。
  • 高数据传输吞吐量和低延时–具有足够的数据传输吞吐量和低延时以支持不仅是数据应用还同时包括高带宽的应用。
  • 移动客户管理–  管理员能够全面知道客户的状态,包括他们当前的信号强度。每个客户的位置以及他所关联的AP。以便客户因信号质量差而无法连接时,管理员能够快速找到问题并解决它。
  • 紧急场所监控–部署WiFi摄像头,管理员在控制室内就可监控外面的情况。这种远程监控功能在突发情况下非常有用,管理员马上能看见发生什么事,需要什么支持。在飓风来来临时,管理员无需出外就能监控集装箱是否遭到损坏。
  • 多媒体终端–老版本的移动终端均是基于文本,最新版本的均具有GUI界面或基于Windows平台。除了数据应用,未来的趋势是集成邮件、语音和其它多媒体应用。因此每个AP需要更高的数据传输吞吐量。
  • 统一消息–为了增强管理员和用户的效率,管理员需要对码头周边所有职员和工人广播如公告、通知、规章和日程等相关信息。工人利用他们的手持终端或职员利用他们的笔记本电脑均可从相关的服务器上接收到这些信息
  1. WiFi解决方案

由于对集装箱码头行业的特别关注,奥泰尔能够实现并超越上述的所有期望。整个解决方案如图5所示:
5: 集装箱码头的整体结构图

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主要覆盖WiFi 蜂窝基站作为主要覆盖。如图6所示,每个点的双重覆盖的设计,每个用户至少能够探测到2个基站的WiFi信号。

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图 7 显示的是链路完整性功能,通过在预定义的间隔Ping预定义的IP地址来完成链路完整性的检测。当一条链路出现故障时,A8将自动切换到另一条回路链路,当两条回路均出现故障时,无线将自动关闭。这样强迫用户关联到另一正常的A8上。链路完整性的检测将一直进行,这样知道链路恢复正常后,将自动打开无线。

 7:图解链路完整性功能下的弹性链路设计
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在实际如图8部署的测试中,A8在35米高的起重架区提供600米的NLOS距离。在30米高的集装箱堆区提供300米的NLOS距离。以上A8是安装在30米的灯塔上。
 8: 一台A8 覆盖起重机上600  集装箱堆上300 米的 NLOS环境

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 WiFi 微AP提供的经济的选择实现盲区的覆盖,如图9所示。它利用内置的平板天线采用802.11a的回路到附近的A8,实现小区域的覆盖。A2也可作为象仓库等大空旷区的室内覆盖。回路和终结点WiFi 网桥,.安装在接近有线终结点旁,假如那个点没有光纤连接,它提供灵活的无线回路,连接 A8内置 的5G Hz 802.1a 频段。甚至通过连接A8的以太网端口,A0可为A8提供备份回路。
9: 图解A2CPE的用处 
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