摘 要：目前無線局域網(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，分析和討論無線局域網(wǎng)的性能。通過對(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)訪問時(shí)延和沖突，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。 關(guān)鍵字：無線局域網(wǎng);介質(zhì)訪問時(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)的固定無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如無線上網(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，但來介質(zhì)訪問時(shí)延大，誤碼率高，吞吐量小等問題。 　　為了提高無線局域網(wǎng)的吞吐量，減少介質(zhì)訪問時(shí)延。文獻(xiàn)[1]提出針對(duì)不同接入應(yīng)用使用不同競爭窗參數(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，保證QoS，文獻(xiàn)[2]分析無線局域網(wǎng)中的競爭公平性問題。本文通過優(yōu)化競爭窗、SIFS（Short Inter-Frame Space）和時(shí)隙時(shí)間（Slot Time），使用OPNET對(duì)不同競爭強(qiáng)度情況下的軌道通信環(huán)境進(jìn)行軟件仿真，通過分析提出結(jié)合競爭窗和SIFS的優(yōu)化方法，提高無線網(wǎng)絡(luò)的性能，使無線局域網(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)不同競爭強(qiáng)度的競爭窗和SIFS優(yōu)化方法。 2. 無線局域網(wǎng)在城市軌道交通中的應(yīng)用 　　目前無線局域網(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)能夠通過無線網(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)器將列車信息通過車載天線發(fā)送至軌道兩邊的接入點(diǎn)，通過有線網(wǎng)絡(luò)送至控制中心，由控制中心通過軌旁的信號(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)車載天線通過無線局域網(wǎng)發(fā)送到軌旁無線接入點(diǎn)，通過軌旁服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過地面有線網(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)生的競爭使無線網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問時(shí)延上升，吞吐量下降，無法滿足視頻監(jiān)控系統(tǒng)所需的帶寬和時(shí)延要求。首先通過雙移動(dòng)站對(duì)網(wǎng)絡(luò)的傳輸過程進(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）兩種訪問機(jī)制，DCF基于沖突避免的載波監(jiān)聽多路訪問技術(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)入退避過程，等退避過程結(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)無法監(jiān)聽其信道是否有沖突，所以采用無法使用沖突檢測（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。控制幀用于競爭期間的握手通信和正向確認(rèn)、結(jié)束非競爭期。數(shù)據(jù)幀用于在競爭期和非競爭期間傳輸數(shù)據(jù)。 　　在競爭的環(huán)境下，不同類型的幀的優(yōu)先級(jí)是不同的。802.11通過使用不同的幀間距（IFS）來區(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，信道競爭則引起數(shù)據(jù)沖突，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失敗。DCF方式通過競爭共享信道，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取自于最小競爭窗口CWmin與最大競爭窗口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方式則通過輪詢的機(jī)制，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在被詢問到以后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，從而避免競爭。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) 　　在仿真過程中，移動(dòng)站的平均介質(zhì)訪問時(shí)延被收集用作網(wǎng)絡(luò)性能分析。介質(zhì)訪問時(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. 采取減小最小競爭窗口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，低競爭的時(shí)候，標(biāo)準(zhǔn)的802.11的平均介質(zhì)訪問時(shí)延為0.38ms，減小Slot Time以及SIFS的平均介質(zhì)訪問時(shí)延大約為0.23ms，如果減小CWmin，即減小競爭窗，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)訪問時(shí)延下降到大約為0.19ms，減小為原來的一半，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)生的競爭也增加，平均介質(zhì)訪問時(shí)延和雙移動(dòng)站相比顯著增加。標(biāo)準(zhǔn)的平均介質(zhì)訪問時(shí)延為0.42s左右，通過減小Slot Time以及SIFS時(shí)延減小為0.25s，而通過減小CWmin的時(shí)延大約為0.38s，介質(zhì)訪問時(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。這是由于在高競爭環(huán)境下，減小最小競爭窗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)競爭環(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。減小最小競爭窗口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)競爭加劇，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，可見高競爭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下通過減小CWmin對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行并不有效。 5. 結(jié)束語 　　本文分別構(gòu)建了雙移動(dòng)站和多移動(dòng)站兩個(gè)不同的軌道交通無線通信網(wǎng)絡(luò)模型，分析不同的競爭強(qiáng)度下網(wǎng)絡(luò)的性能。在低競爭的軌道環(huán)境下，通過減小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。而在高競爭下，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)可以有效的改善無線局域網(wǎng)的平均介質(zhì)訪問時(shí)延以及平均吞吐量，提高網(wǎng)絡(luò)的性能。無線網(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)化了無線局域網(wǎng)在軌道交通中的性能。 參考文獻(xiàn) 　　1 Aad I, Castelluccia C. 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