摘 要：目前無線局域網（Wireless LAN）正在作為城市軌道交通車載監控系統、乘客信息系統的車地間通信系統加以研究，為使無線局域網提供的吞吐量、誤碼率、傳輸時延、抗干擾能力滿足車地通信要求，本文模擬雙移動站和多移動站不同的軌道交通通信環境，分析和討論無線局域網的性能。通過對MAC層參數進行優化，有效的減少了傳輸中的介質訪問時延和沖突，提高了網絡的吞吐量。 關鍵字：無線局域網;介質訪問時延;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代化城市理想的交通工具，各種控制和服務系統如基于通信的列車控制系統CBTC（Communication-Based Train Control）、列車視頻監控系統、乘客信息系統（PIS）、多媒體服務等都用無線局域網（WLAN）完成數據傳輸。IEEE802.11是WLAN的標準，它目前主要用于小范圍內的固定無線網絡應用，如無線上網等，將它應用于軌道交通車地通信時，由于電磁波在空間中傳送數據，其抗干擾能力較差，但來介質訪問時延大，誤碼率高，吞吐量小等問題。 　　為了提高無線局域網的吞吐量，減少介質訪問時延。文獻[1]提出針對不同接入應用使用不同競爭窗參數，提高網絡吞吐量，保證QoS，文獻[2]分析無線局域網中的競爭公平性問題。本文通過優化競爭窗、SIFS（Short Inter-Frame Space）和時隙時間（Slot Time），使用OPNET對不同競爭強度情況下的軌道通信環境進行軟件仿真，通過分析提出結合競爭窗和SIFS的優化方法，提高無線網絡的性能，使無線局域網能在軌道交通的更好的應用。 　　本文第二部分介紹無線局域網在城市軌道交通中的應用，第三部分對兩個移動站之間軌道通信進行仿真并分析了結果。第四部分對多個移動站在軌道通信環境隨機通信進行仿真。第五部分給出針對不同競爭強度的競爭窗和SIFS優化方法。 2. 無線局域網在城市軌道交通中的應用 　　目前無線局域網在上海地鐵六、九、十號線已被應用于CBTC列車控制系統，CBTC系統能夠通過無線網絡進行即時的列車移動權限更新，縮短列車行車間隔，加大列車密度，提高運輸效率。無線局域網也應用于PIS乘客信息系統，實時視頻監控系統中，為乘客提供必要的信息，對列車車廂進行視頻監控，避免了軌道監控的盲點。 　　CBTC列車控制系統和無線視頻監控系統采用相似的系統結構。不同的是CBTC系統有車載記軸器，應答器等列車信號控制設備，用來管理列車的控制信息。而視頻監控系統有車載攝像頭，視頻編碼器和車載服務器的數據處理設備，用來處理列車視頻信息。 　　CBTC系統中車載服務器將列車信息通過車載天線發送至軌道兩邊的接入點，通過有線網絡送至控制中心，由控制中心通過軌旁的信號機、軌道電路及道岔轉轍機等設備對列車進行可靠、高效、安全、準確的控制。 　　視頻監控系統中列車內的視頻采集系統將圖像實時進行視頻編碼和信道編碼，由車載服務器從多個車載天線通過無線局域網發送到軌旁無線接入點，通過軌旁服務器對數據進行處理后，通過地面有線網絡發送到控制中心，實現對列車的視頻監控。 　　兩個系統主要是車載設備的不同，在控制中心進行不同的處理。而無線局域網的數據傳輸和有線網絡的數據轉發基本相同。 3. 雙移動站下的信道分析及參數優化 　　由地鐵車地無線通信特點可知，由于車載網絡具有多個收發天線，產生的競爭使無線網絡介質訪問時延上升，吞吐量下降，無法滿足視頻監控系統所需的帶寬和時延要求。首先通過雙移動站對網絡的傳輸過程進行分析。 　　IEEE 802.11的MAC層提供分布協調運行（DCF）以及點協調運行（PCF）兩種訪問機制，DCF基于沖突避免的載波監聽多路訪問技術（CSMA/CA），移動站在發送數據前監聽同一信道的其他站是否正在發送數據，如果有其他站正在發送數據，則繼續監聽。一旦信道空閑，則進入退避過程，等退避過程結束，則發送數據。由于在802.11中移動站發送數據的同時無法監聽其信道是否有沖突，所以采用無法使用沖突檢測（CD）機制，而使用沖突避免（CA）機制。當目的移動站成功收到數據后發送一個響應幀（ACK），源移動站收到后則確認發送成功，否則認為產生沖突，對數據重新發送，從而避免了沖突。這個過程成為自動重發請求（ARQ），常用于由于接收端噪聲、電磁波干擾、空間移動、數據沖突等差錯導致ACK不正常的情況。 　　IEEE 802.11支持3種不同類型的幀：管理幀、控制幀和數據幀。管理幀用于站點與接入點的連接和分離、定時和同步、身份認證。控制幀用于競爭期間的握手通信和正向確認、結束非競爭期。數據幀用于在競爭期和非競爭期間傳輸數據。 　　在競爭的環境下，不同類型的幀的優先級是不同的。802.11通過使用不同的幀間距（IFS）來區分不同幀的優先級。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是在兩個節點之間傳輸最大理論距離長度所需的時間。 　　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，時間最短，故優先級最高。PIFS用于實時性要求強的數據幀的情況，優先級其次。DIFS用于一般異步數據傳輸幀，優先級再次。EIFS僅在當MAC協議數據單元傳輸出錯重傳時使用，優先級最低。在802.11中，信道競爭則引起數據沖突，導致數據傳輸失敗。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，移動站在發送數據前首先監聽信道，如果信道忙，則繼續監聽。如果信道持續一個DIFS的空閑時間，則移動站進入一個動態的退避過程。移動站在每次發送數據之前都會隨機選擇一個整數的Backoff Time作為本次發送過程的退避計數器的初始值，Backoff Time是開始發送數據之前移動站所必須等待的退避時間。 　　Backoff Time = Random ＊ Slot Time 　　其中Random是分布在[0, CW]的一個偽隨機數，CW取自于最小競爭窗口CWmin與最大競爭窗口CWmax之間。在第一次數據發送中，CW取值為CWmin，如果數據發送失敗重傳，則CW以2的指數方式遞增直至CWmax。如果信道繼續空閑，則每經過一個Slot Time的時間，移動站會將自己的退避計數器值減1，退避計數器遞減到0表示已經完成了退避過程，可以立即開始發送RTS控制幀或數據幀。如果在退避過程中信道被占用，移動站就停止退避時間遞減，等待信道在DIFS及其下一個Slot Time內持續保持空閑后繼續遞減。 [align=center] 圖1 DCF退避機制[/align] 　　PCF方式則通過輪詢的機制，每個節點在被詢問到以后才能進行數據收發，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，實現較為復雜，通常只是一種可選方式。 　　仿真工具采用OPNET，移動站模型采用跳頻擴頻的物理層調制方式，其MAC層中規定了Slot Time、SIFS、CWmax、CWmin等參數都為固定值。通過對MAC層處理模型進行自定義修改，將這些參數改為變量，對網絡模型進行優化。 　　首先構建一個雙移動站的軌道通信環境，將移動站的數據源參數按照表1進行設置，產生850kbps左右的數據流，相互之間發送接收數據。仿真時間為80秒。 　　表1 數據源參數 　　在仿真過程中，移動站的平均介質訪問時延被收集用作網絡性能分析。介質訪問時延就是指數據包從進入排隊到被物理層發送之間時間的總和。時延越短說明網絡性能越好。采用三種方案進行仿真： 　　a. 采取減小Slot Time以及SIFS的方法仿真平均介質訪問時延，分析Slot Time以及SIFS對網絡性能的影響。 　　b. 采取減小最小競爭窗口CWmin。減小CWmin也就減小了移動站的退避時間。 　　c. 同時減小CWmin、Slot Time和SIFS，分析網絡性能。具體參數設置如表2 　　表2 MAC參數設置 [align=center] 圖2 雙移動站的平均介質訪問時延 圖3 雙移動站的平均吞吐量[/align] 　　對平均介質訪問時延進行仿真，結果可見圖2，橫軸表示仿真的時間，縱軸表示時延，單位都為S。當網絡負載較輕，低競爭的時候，標準的802.11的平均介質訪問時延為0.38ms，減小Slot Time以及SIFS的平均介質訪問時延大約為0.23ms，如果減小CWmin，即減小競爭窗，時延大約為0.3ms。當結合減小CWmin、Slot Time和SIFS時平均介質訪問時延下降到大約為0.19ms，減小為原來的一半，改善了網絡的性能。 　　按照以上方法再進行移動站平均吞吐量的仿真，見圖3。吞吐量指上層收到由Mac層傳遞的數據總和。由仿真結果可見，四種方法的平均吞吐量基本相同，大約在800kbps左右。在網絡低負載的時候，使用結合減小CWmin、Slot Time和SIFS的方法可以減小平均介質訪問時延，而不能改善網絡的平均吞吐量。 4. 多移動站下的信道分析及參數優化 　　多移動站軌道交通仿真環境由8個移動站構成，每個移動站隨機選擇目的移動站發送數據，數據速率為850kbps。模擬在網絡負載較高時的網絡狀態。移動站的性能指標被收集，用來對網絡性能進行分析。 [align=center] 圖4 多移動站的平均介質訪問時延 圖5 多移動站的平均吞吐量[/align] 　　各參數設置和雙移動站環境下相同，平均介質訪問時延仿真結果可見圖4，由于移動站數量增加，信道中由于各移動站隨機發送數據包產生的競爭也增加，平均介質訪問時延和雙移動站相比顯著增加。標準的平均介質訪問時延為0.42s左右，通過減小Slot Time以及SIFS時延減小為0.25s，而通過減小CWmin的時延大約為0.38s，介質訪問時延改善并不明顯，不如在雙移動站環境下的減小CWmin效果明顯。同時減小CWmin、Slot Time和SIFS的時延大約為0.29s，相比減小Slot Time和SIFS的方法時延反而增加。這是由于在高競爭環境下，減小最小競爭窗CWmin縮短了退避時間，而導致了數據包的重復碰撞，使網絡的性能變差。 　　對平均吞吐量進行仿真見圖5，由仿真結果可見，在多節點競爭環境下標準的平均吞吐量為580kbps左右，采用減小Slot Time以及SIFS平均吞吐量為640kbps，提高了網絡的平均吞吐量，而減小CWmin的平均吞吐量為550kbps，和標準的吞吐量相比有所下降。減小最小競爭窗口CWmin使得每個移動站在發現信道忙時的退避時間減小，而由于多節點競爭加劇，每個移動站的等待退避時間減小使得平均吞吐量降低。由兩個仿真結果，可見高競爭網絡環境下通過減小CWmin對網絡性能進行并不有效。 5. 結束語 　　本文分別構建了雙移動站和多移動站兩個不同的軌道交通無線通信網絡模型，分析不同的競爭強度下網絡的性能。在低競爭的軌道環境下，通過減小CWmin、Slot Time、SIFS可以明顯改善網絡的時延，優化網絡的性能。而在高競爭下，減小CWmin會使網絡中數據包碰撞加劇，降低吞吐量。而通過減小Slot Time和SIFS可以減少時延，增加吞吐量。針對不同的網絡情況和軌道交通應用特性選用不同的參數可以有效的改善無線局域網的平均介質訪問時延以及平均吞吐量，提高網絡的性能。無線網絡在軌道交通的實時監控、控制、多媒體信息服務等方面有廣闊的發展和應用前景。 　　本文作者創新點是使用軟件分析和優化了無線局域網在軌道交通中的性能。 參考文獻 　　1 Aad I, Castelluccia C. 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