摘 要：目前無(wú)線局域網(wǎng)（Wireless LAN）正在作為城市軌道交通車載監(jiān)控系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)的車地間通信系統(tǒng)加以研究，為使無(wú)線局域網(wǎng)提供的吞吐量、誤碼率、傳輸時(shí)延、抗干擾能力滿足車地通信要求，本文模擬雙移動(dòng)站和多移動(dòng)站不同的軌道交通通信環(huán)境，分析和討論無(wú)線局域網(wǎng)的性能。通過(guò)對(duì)MAC層參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，有效的減少了傳輸中的介質(zhì)訪問(wèn)時(shí)延和沖突，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。 關(guān)鍵字：無(wú)線局域網(wǎng);介質(zhì)訪問(wèn)時(shí)延;802.11 [b][align=center]WLAN Performance Analysis and Optimization in Metro Line Communication Cai wei-hao, Zheng guo-xin, He hui, Zhou xiang-wei[/align][/b] Abstract: At present, WLAN is being researched as the train-ground communication system for metro line onboard surveillance system、passenger information system. To meet the demand of train-ground communication for throughput、BER、transmission delay、anti-jamming ability provided by WLAN, we simulate different metro line communication environments of two mobile stations and multi mobile station, analyze and discuss WLAN performance. By optimizing the MAC layer parameters, we effectively reduce the media access delay and collision, thus improving the network throughput. Key words: WLAN; media access delay; 802.11 1.引言 　　軌道交通目前已成為現(xiàn)代化城市理想的交通工具，各種控制和服務(wù)系統(tǒng)如基于通信的列車控制系統(tǒng)CBTC（Communication-Based Train Control）、列車視頻監(jiān)控系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)（PIS）、多媒體服務(wù)等都用無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）完成數(shù)據(jù)傳輸。IEEE802.11是WLAN的標(biāo)準(zhǔn)，它目前主要用于小范圍內(nèi)的固定無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如無(wú)線上網(wǎng)等，將它應(yīng)用于軌道交通車地通信時(shí)，由于電磁波在空間中傳送數(shù)據(jù)，其抗干擾能力較差，但來(lái)介質(zhì)訪問(wèn)時(shí)延大，誤碼率高，吞吐量小等問(wèn)題。 　　為了提高無(wú)線局域網(wǎng)的吞吐量，減少介質(zhì)訪問(wèn)時(shí)延。文獻(xiàn)[1]提出針對(duì)不同接入應(yīng)用使用不同競(jìng)爭(zhēng)窗參數(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，保證QoS，文獻(xiàn)[2]分析無(wú)線局域網(wǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)公平性問(wèn)題。本文通過(guò)優(yōu)化競(jìng)爭(zhēng)窗、SIFS（Short Inter-Frame Space）和時(shí)隙時(shí)間（Slot Time），使用OPNET對(duì)不同競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度情況下的軌道通信環(huán)境進(jìn)行軟件仿真，通過(guò)分析提出結(jié)合競(jìng)爭(zhēng)窗和SIFS的優(yōu)化方法，提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能，使無(wú)線局域網(wǎng)能在軌道交通的更好的應(yīng)用。 　　本文第二部分介紹無(wú)線局域網(wǎng)在城市軌道交通中的應(yīng)用，第三部分對(duì)兩個(gè)移動(dòng)站之間軌道通信進(jìn)行仿真并分析了結(jié)果。第四部分對(duì)多個(gè)移動(dòng)站在軌道通信環(huán)境隨機(jī)通信進(jìn)行仿真。第五部分給出針對(duì)不同競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度的競(jìng)爭(zhēng)窗和SIFS優(yōu)化方法。 2. 無(wú)線局域網(wǎng)在城市軌道交通中的應(yīng)用 　　目前無(wú)線局域網(wǎng)在上海地鐵六、九、十號(hào)線已被應(yīng)用于CBTC列車控制系統(tǒng)，CBTC系統(tǒng)能夠通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行即時(shí)的列車移動(dòng)權(quán)限更新，縮短列車行車間隔，加大列車密度，提高運(yùn)輸效率。無(wú)線局域網(wǎng)也應(yīng)用于PIS乘客信息系統(tǒng)，實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，為乘客提供必要的信息，對(duì)列車車廂進(jìn)行視頻監(jiān)控，避免了軌道監(jiān)控的盲點(diǎn)。 　　CBTC列車控制系統(tǒng)和無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用相似的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。不同的是CBTC系統(tǒng)有車載記軸器，應(yīng)答器等列車信號(hào)控制設(shè)備，用來(lái)管理列車的控制信息。而視頻監(jiān)控系統(tǒng)有車載攝像頭，視頻編碼器和車載服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理設(shè)備，用來(lái)處理列車視頻信息。 　　CBTC系統(tǒng)中車載服務(wù)器將列車信息通過(guò)車載天線發(fā)送至軌道兩邊的接入點(diǎn)，通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)送至控制中心，由控制中心通過(guò)軌旁的信號(hào)機(jī)、軌道電路及道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)等設(shè)備對(duì)列車進(jìn)行可靠、高效、安全、準(zhǔn)確的控制。 　　視頻監(jiān)控系統(tǒng)中列車內(nèi)的視頻采集系統(tǒng)將圖像實(shí)時(shí)進(jìn)行視頻編碼和信道編碼，由車載服務(wù)器從多個(gè)車載天線通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)發(fā)送到軌旁無(wú)線接入點(diǎn)，通過(guò)軌旁服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過(guò)地面有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到控制中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的視頻監(jiān)控。 　　兩個(gè)系統(tǒng)主要是車載設(shè)備的不同，在控制中心進(jìn)行不同的處理。而無(wú)線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸和有線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)基本相同。 3. 雙移動(dòng)站下的信道分析及參數(shù)優(yōu)化 　　由地鐵車地?zé)o線通信特點(diǎn)可知，由于車載網(wǎng)絡(luò)具有多個(gè)收發(fā)天線，產(chǎn)生的競(jìng)爭(zhēng)使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問(wèn)時(shí)延上升，吞吐量下降，無(wú)法滿足視頻監(jiān)控系統(tǒng)所需的帶寬和時(shí)延要求。首先通過(guò)雙移動(dòng)站對(duì)網(wǎng)絡(luò)的傳輸過(guò)程進(jìn)行分析。 　　IEEE 802.11的MAC層提供分布協(xié)調(diào)運(yùn)行（DCF）以及點(diǎn)協(xié)調(diào)運(yùn)行（PCF）兩種訪問(wèn)機(jī)制，DCF基于沖突避免的載波監(jiān)聽多路訪問(wèn)技術(shù)（CSMA/CA），移動(dòng)站在發(fā)送數(shù)據(jù)前監(jiān)聽同一信道的其他站是否正在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有其他站正在發(fā)送數(shù)據(jù)，則繼續(xù)監(jiān)聽。一旦信道空閑，則進(jìn)入退避過(guò)程，等退避過(guò)程結(jié)束，則發(fā)送數(shù)據(jù)。由于在802.11中移動(dòng)站發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)無(wú)法監(jiān)聽其信道是否有沖突，所以采用無(wú)法使用沖突檢測(cè)（CD）機(jī)制，而使用沖突避免（CA）機(jī)制。當(dāng)目的移動(dòng)站成功收到數(shù)據(jù)后發(fā)送一個(gè)響應(yīng)幀（ACK），源移動(dòng)站收到后則確認(rèn)發(fā)送成功，否則認(rèn)為產(chǎn)生沖突，對(duì)數(shù)據(jù)重新發(fā)送，從而避免了沖突。這個(gè)過(guò)程成為自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求（ARQ），常用于由于接收端噪聲、電磁波干擾、空間移動(dòng)、數(shù)據(jù)沖突等差錯(cuò)導(dǎo)致ACK不正常的情況。 　　IEEE 802.11支持3種不同類型的幀：管理幀、控制幀和數(shù)據(jù)幀。管理幀用于站點(diǎn)與接入點(diǎn)的連接和分離、定時(shí)和同步、身份認(rèn)證?？刂茙糜诟?jìng)爭(zhēng)期間的握手通信和正向確認(rèn)、結(jié)束非競(jìng)爭(zhēng)期。數(shù)據(jù)幀用于在競(jìng)爭(zhēng)期和非競(jìng)爭(zhēng)期間傳輸數(shù)據(jù)。 　　在競(jìng)爭(zhēng)的環(huán)境下，不同類型的幀的優(yōu)先級(jí)是不同的。802.11通過(guò)使用不同的幀間距（IFS）來(lái)區(qū)分不同幀的優(yōu)先級(jí)。幀間距是各幀之間的幀間間隔，802.11定義了幾種不同的IFS，分別為SIFS、PIFS、DIFS、EIFS。Slot Time是在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間傳輸最大理論距離長(zhǎng)度所需的時(shí)間。 　　PIFS = SIFS + Slot Time 　　DIFS = SIFS + 2 Slot Time 　　EIFS = SIFS + 8 ACK + Preamble Length + PLCP Header Length + DIFS 　　控制幀如RTS、CTS和ACK等的幀間距為SIFS，時(shí)間最短，故優(yōu)先級(jí)最高。PIFS用于實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)的數(shù)據(jù)幀的情況，優(yōu)先級(jí)其次。DIFS用于一般異步數(shù)據(jù)傳輸幀，優(yōu)先級(jí)再次。EIFS僅在當(dāng)MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元傳輸出錯(cuò)重傳時(shí)使用，優(yōu)先級(jí)最低。在802.11中，信道競(jìng)爭(zhēng)則引起數(shù)據(jù)沖突，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失敗。DCF方式通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)共享信道，使用RTS、CTS、ACK等控制幀。 　　如圖1所示，在DCF中的CSMA/CA中，移動(dòng)站在發(fā)送數(shù)據(jù)前首先監(jiān)聽信道，如果信道忙，則繼續(xù)監(jiān)聽。如果信道持續(xù)一個(gè)DIFS的空閑時(shí)間，則移動(dòng)站進(jìn)入一個(gè)動(dòng)態(tài)的退避過(guò)程。移動(dòng)站在每次發(fā)送數(shù)據(jù)之前都會(huì)隨機(jī)選擇一個(gè)整數(shù)的Backoff Time作為本次發(fā)送過(guò)程的退避計(jì)數(shù)器的初始值，Backoff Time是開始發(fā)送數(shù)據(jù)之前移動(dòng)站所必須等待的退避時(shí)間。 　　Backoff Time = Random ＊ Slot Time 　　其中Random是分布在[0, CW]的一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)，CW取自于最小競(jìng)爭(zhēng)窗口CWmin與最大競(jìng)爭(zhēng)窗口CWmax之間。在第一次數(shù)據(jù)發(fā)送中，CW取值為CWmin，如果數(shù)據(jù)發(fā)送失敗重傳，則CW以2的指數(shù)方式遞增直至CWmax。如果信道繼續(xù)空閑，則每經(jīng)過(guò)一個(gè)Slot Time的時(shí)間，移動(dòng)站會(huì)將自己的退避計(jì)數(shù)器值減1，退避計(jì)數(shù)器遞減到0表示已經(jīng)完成了退避過(guò)程，可以立即開始發(fā)送RTS控制幀或數(shù)據(jù)幀。如果在退避過(guò)程中信道被占用，移動(dòng)站就停止退避時(shí)間遞減，等待信道在DIFS及其下一個(gè)Slot Time內(nèi)持續(xù)保持空閑后繼續(xù)遞減。 [align=center] 圖1 DCF退避機(jī)制[/align] 　　PCF方式則通過(guò)輪詢的機(jī)制，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在被詢問(wèn)到以后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，從而避免競(jìng)爭(zhēng)。DCF效率更高，是802.11主要方式，而PCF由于效率低，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，通常只是一種可選方式。 　　仿真工具采用OPNET，移動(dòng)站模型采用跳頻擴(kuò)頻的物理層調(diào)制方式，其MAC層中規(guī)定了Slot Time、SIFS、CWmax、CWmin等參數(shù)都為固定值。通過(guò)對(duì)MAC層處理模型進(jìn)行自定義修改，將這些參數(shù)改為變量，對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行優(yōu)化。 　　首先構(gòu)建一個(gè)雙移動(dòng)站的軌道通信環(huán)境，將移動(dòng)站的數(shù)據(jù)源參數(shù)按照表1進(jìn)行設(shè)置，產(chǎn)生850kbps左右的數(shù)據(jù)流，相互之間發(fā)送接收數(shù)據(jù)。仿真時(shí)間為80秒。 　　表1 數(shù)據(jù)源參數(shù) 　　在仿真過(guò)程中，移動(dòng)站的平均介質(zhì)訪問(wèn)時(shí)延被收集用作網(wǎng)絡(luò)性能分析。介質(zhì)訪問(wèn)時(shí)延就是指數(shù)據(jù)包從進(jìn)入排隊(duì)到被物理層發(fā)送之間時(shí)間的總和。時(shí)延越短說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)性能越好。采用三種方案進(jìn)行仿真： 　　a. 采取減小Slot Time以及SIFS的方法仿真平均介質(zhì)訪問(wèn)時(shí)延，分析Slot Time以及SIFS對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。 　　b. 采取減小最小競(jìng)爭(zhēng)窗口CWmin。減小CWmin也就減小了移動(dòng)站的退避時(shí)間。 　　c. 同時(shí)減小CWmin、Slot Time和SIFS，分析網(wǎng)絡(luò)性能。具體參數(shù)設(shè)置如表2 　　表2 MAC參數(shù)設(shè)置 [align=center] 圖2 雙移動(dòng)站的平均介質(zhì)訪問(wèn)時(shí)延 圖3 雙移動(dòng)站的平均吞吐量[/align] 　　對(duì)平均介質(zhì)訪問(wèn)時(shí)延進(jìn)行仿真，結(jié)果可見圖2，橫軸表示仿真的時(shí)間，縱軸表示時(shí)延，單位都為S。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕，低競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)候，標(biāo)準(zhǔn)的802.11的平均介質(zhì)訪問(wèn)時(shí)延為0.38ms，減小Slot Time以及SIFS的平均介質(zhì)訪問(wèn)時(shí)延大約為0.23ms，如果減小CWmin，即減小競(jìng)爭(zhēng)窗，時(shí)延大約為0.3ms。當(dāng)結(jié)合減小CWmin、Slot Time和SIFS時(shí)平均介質(zhì)訪問(wèn)時(shí)延下降到大約為0.19ms，減小為原來(lái)的一半，改善了網(wǎng)絡(luò)的性能。 　　按照以上方法再進(jìn)行移動(dòng)站平均吞吐量的仿真，見圖3。吞吐量指上層收到由Mac層傳遞的數(shù)據(jù)總和。由仿真結(jié)果可見，四種方法的平均吞吐量基本相同，大約在800kbps左右。在網(wǎng)絡(luò)低負(fù)載的時(shí)候，使用結(jié)合減小CWmin、Slot Time和SIFS的方法可以減小平均介質(zhì)訪問(wèn)時(shí)延，而不能改善網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐量。 4. 多移動(dòng)站下的信道分析及參數(shù)優(yōu)化 　　多移動(dòng)站軌道交通仿真環(huán)境由8個(gè)移動(dòng)站構(gòu)成，每個(gè)移動(dòng)站隨機(jī)選擇目的移動(dòng)站發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)速率為850kbps。模擬在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高時(shí)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。移動(dòng)站的性能指標(biāo)被收集，用來(lái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行分析。 [align=center] 圖4 多移動(dòng)站的平均介質(zhì)訪問(wèn)時(shí)延 圖5 多移動(dòng)站的平均吞吐量[/align] 　　各參數(shù)設(shè)置和雙移動(dòng)站環(huán)境下相同，平均介質(zhì)訪問(wèn)時(shí)延仿真結(jié)果可見圖4，由于移動(dòng)站數(shù)量增加，信道中由于各移動(dòng)站隨機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包產(chǎn)生的競(jìng)爭(zhēng)也增加，平均介質(zhì)訪問(wèn)時(shí)延和雙移動(dòng)站相比顯著增加。標(biāo)準(zhǔn)的平均介質(zhì)訪問(wèn)時(shí)延為0.42s左右，通過(guò)減小Slot Time以及SIFS時(shí)延減小為0.25s，而通過(guò)減小CWmin的時(shí)延大約為0.38s，介質(zhì)訪問(wèn)時(shí)延改善并不明顯，不如在雙移動(dòng)站環(huán)境下的減小CWmin效果明顯。同時(shí)減小CWmin、Slot Time和SIFS的時(shí)延大約為0.29s，相比減小Slot Time和SIFS的方法時(shí)延反而增加。這是由于在高競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，減小最小競(jìng)爭(zhēng)窗CWmin縮短了退避時(shí)間，而導(dǎo)致了數(shù)據(jù)包的重復(fù)碰撞，使網(wǎng)絡(luò)的性能變差。 　　對(duì)平均吞吐量進(jìn)行仿真見圖5，由仿真結(jié)果可見，在多節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下標(biāo)準(zhǔn)的平均吞吐量為580kbps左右，采用減小Slot Time以及SIFS平均吞吐量為640kbps，提高了網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐量，而減小CWmin的平均吞吐量為550kbps，和標(biāo)準(zhǔn)的吞吐量相比有所下降。減小最小競(jìng)爭(zhēng)窗口CWmin使得每個(gè)移動(dòng)站在發(fā)現(xiàn)信道忙時(shí)的退避時(shí)間減小，而由于多節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)加劇，每個(gè)移動(dòng)站的等待退避時(shí)間減小使得平均吞吐量降低。由兩個(gè)仿真結(jié)果，可見高競(jìng)爭(zhēng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下通過(guò)減小CWmin對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行并不有效。 5. 結(jié)束語(yǔ) 　　本文分別構(gòu)建了雙移動(dòng)站和多移動(dòng)站兩個(gè)不同的軌道交通無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)模型，分析不同的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度下網(wǎng)絡(luò)的性能。在低競(jìng)爭(zhēng)的軌道環(huán)境下，通過(guò)減小CWmin、Slot Time、SIFS可以明顯改善網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的性能。而在高競(jìng)爭(zhēng)下，減小CWmin會(huì)使網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包碰撞加劇，降低吞吐量。而通過(guò)減小Slot Time和SIFS可以減少時(shí)延，增加吞吐量。針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)情況和軌道交通應(yīng)用特性選用不同的參數(shù)可以有效的改善無(wú)線局域網(wǎng)的平均介質(zhì)訪問(wèn)時(shí)延以及平均吞吐量，提高網(wǎng)絡(luò)的性能。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在軌道交通的實(shí)時(shí)監(jiān)控、控制、多媒體信息服務(wù)等方面有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是使用軟件分析和優(yōu)化了無(wú)線局域網(wǎng)在軌道交通中的性能。 參考文獻(xiàn) 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