关键字：无线局域网;介质访问时延;802.11
Cai wei-hao, Zheng guo-xin, He hui, Zhou xiang-wei
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
轨道交通目前已成为现代化城市理想的交通工具，各种控制和服务系统如基于通信的列车控制系统CBTC（Communication-Based Train Control）、列车视频监控系统、乘客信息系统（PIS）、多媒体服务等都用无线局域网（WLAN）完成数据传输。IEEE802.11是WLAN的标准，它目前主要用于小范围内的固定无线网络应用，如无线上网等，将它应用于轨道交通车地通信时，由于电磁波在空间中传送数据，其抗干扰能力较差，但来介质访问时延大，误码率高，吞吐量小等问题。
为了提高无线局域网的吞吐量，减少介质访问时延。文献[1]提出针对不同接入应用使用不同竞争窗参数，提高网络吞吐量，保证QoS，文献[2]分析无线局域网中的竞争公平性问题。本文通过优化竞争窗、SIFS（Short Inter-Frame Space）和时隙时间（Slot Time），使用OPNET对不同竞争强度情况下的轨道通信环境进行软件仿真，通过分析提出结合竞争窗和SIFS的优化方法，提高无线网络的性能，使无线局域网能在轨道交通的更好的应用。
本文第二部分介绍无线局域网在城市轨道交通中的应用，第三部分对两个移动站之间轨道通信进行仿真并分析了结果。第四部分对多个移动站在轨道通信环境随机通信进行仿真。第五部分给出针对不同竞争强度的竞争窗和SIFS优化方法。
2. 无线局域网在城市轨道交通中的应用
目前无线局域网在上海地铁六、九、十号线已被应用于CBTC列车控制系统，CBTC系统能够通过无线网络进行即时的列车移动权限更新，缩短列车行车间隔，加大列车密度，提高运输效率。无线局域网也应用于PIS乘客信息系统，实时视频监控系统中，为乘客提供必要的信息，对列车车厢进行视频监控，避免了轨道监控的盲点。
CBTC列车控制系统和无线视频监控系统采用相似的系统结构。不同的是CBTC系统有车载记轴器，应答器等列车信号控制设备，用来管理列车的控制信息。而视频监控系统有车载摄像头，视频编码器和车载服务器的数据处理设备，用来处理列车视频信息。
CBTC系统中车载服务器将列车信息通过车载天线发送至轨道两边的接入点，通过有线网络送至控制中心，由控制中心通过轨旁的信号机、轨道电路及道岔转辙机等设备对列车进行可靠、高效、安全、准确的控制。
视频监控系统中列车内的视频采集系统将图像实时进行视频编码和信道编码，由车载服务器从多个车载天线通过无线局域网发送到轨旁无线接入点，通过轨旁服务器对数据进行处理后，通过地面有线网络发送到控制中心，实现对列车的视频监控。
两个系统主要是车载设备的不同，在控制中心进行不同的处理。而无线局域网的数据传输和有线网络的数据转发基本相同。
3. 双移动站下的信道分析及参数优化
由地铁车地无线通信特点可知，由于车载网络具有多个收发天线，产生的竞争使无线网络介质访问时延上升，吞吐量下降，无法满足视频监控系统所需的带宽和时延要求。首先通过双移动站对网络的传输过程进行分析。
IEEE 802.11的MAC层提供分布协调运行（DCF）以及点协调运行（PCF）两种访问机制，DCF基于冲突避免的载波监听多路访问技术（CSMA/CA），移动站在发送数据前监听同一信道的其他站是否正在发送数据，如果有其他站正在发送数据，则继续监听。一旦信道空闲，则进入退避过程，等退避过程结束，则发送数据。由于在802.11中移动站发送数据的同时无法监听其信道是否有冲突，所以采用无法使用冲突检测（CD）机制，而使用冲突避免（CA）机制。当目的移动站成功收到数据后发送一个响应帧（ACK），源移动站收到后则确认发送成功，否则认为产生冲突，对数据重新发送，从而避免了冲突。这个过程成为自动重发请求（ARQ），常用于由于接收端噪声、电磁波干扰、空间移动、数据冲突等差错导致ACK不正常的情况。
IEEE 802.11支持3种不同类型的帧：管理帧、控制帧和数据帧。管理帧用于站点与接入点的连接和分离、定时和同步、身份认证。控制帧用于竞争期间的握手通信和正向确认、结束非竞争期。数据帧用于在竞争期和非竞争期间传输数据。
在竞争的环境下，不同类型的帧的优先级是不同的。802.11通过使用不同的帧间距（IFS）来区分不同帧的优先级。帧间距是各帧之间的帧间间隔，802.11定义了几种不同的IFS，分别为SIFS、PIFS、DIFS、EIFS。Slot Time是在两个节点之间传输最大理论距离长度所需的时间。
PIFS = SIFS + Slot Time
DIFS = SIFS + 2 Slot Time
EIFS = SIFS + 8 ACK + Preamble Length + PLCP Header Length + DIFS
控制帧如RTS、CTS和ACK等的帧间距为SIFS，时间最短，故优先级最高。PIFS用于实时性要求强的数据帧的情况，优先级其次。DIFS用于一般异步数据传输帧，优先级再次。EIFS仅在当MAC协议数据单元传输出错重传时使用，优先级最低。在802.11中，信道竞争则引起数据冲突，导致数据传输失败。DCF方式通过竞争共享信道，使用RTS、CTS、ACK等控制帧。
如图1所示，在DCF中的CSMA/CA中，移动站在发送数据前首先监听信道，如果信道忙，则继续监听。如果信道持续一个DIFS的空闲时间，则移动站进入一个动态的退避过程。移动站在每次发送数据之前都会随机选择一个整数的Backoff Time作为本次发送过程的退避计数器的初始值，Backoff Time是开始发送数据之前移动站所必须等待的退避时间。
Backoff Time = Random ＊ Slot Time
其中Random是分布在[0, CW]的一个伪随机数，CW取自于最小竞争窗口CWmin与最大竞争窗口CWmax之间。在第一次数据发送中，CW取值为CWmin，如果数据发送失败重传，则CW以2的指数方式递增直至CWmax。如果信道继续空闲，则每经过一个Slot Time的时间，移动站会将自己的退避计数器值减1，退避计数器递减到0表示已经完成了退避过程，可以立即开始发送RTS控制帧或数据帧。如果在退避过程中信道被占用，移动站就停止退避时间递减，等待信道在DIFS及其下一个Slot Time内持续保持空闲后继续递减。
图1 DCF退避机制
PCF方式则通过轮询的机制，每个节点在被询问到以后才能进行数据收发，从而避免竞争。DCF效率更高，是802.11主要方式，而PCF由于效率低，实现较为复杂，通常只是一种可选方式。
仿真工具采用OPNET，移动站模型采用跳频扩频的物理层调制方式，其MAC层中规定了Slot Time、SIFS、CWmax、CWmin等参数都为固定值。通过对MAC层处理模型进行自定义修改，将这些参数改为变量，对网络模型进行优化。
首先构建一个双移动站的轨道通信环境，将移动站的数据源参数按照表1进行设置，产生850kbps左右的数据流，相互之间发送接收数据。仿真时间为80秒。
表1 数据源参数
在仿真过程中，移动站的平均介质访问时延被收集用作网络性能分析。介质访问时延就是指数据包从进入排队到被物理层发送之间时间的总和。时延越短说明网络性能越好。采用三种方案进行仿真：
a. 采取减小Slot Time以及SIFS的方法仿真平均介质访问时延，分析Slot Time以及SIFS对网络性能的影响。
b. 采取减小最小竞争窗口CWmin。减小CWmin也就减小了移动站的退避时间。
c. 同时减小CWmin、Slot Time和SIFS，分析网络性能。具体参数设置如表2
表2 MAC参数设置
图2 双移动站的平均介质访问时延 图3 双移动站的平均吞吐量
对平均介质访问时延进行仿真，结果可见图2，横轴表示仿真的时间，纵轴表示时延，单位都为S。当网络负载较轻，低竞争的时候，标准的802.11的平均介质访问时延为0.38ms，减小Slot Time以及SIFS的平均介质访问时延大约为0.23ms，如果减小CWmin，即减小竞争窗，时延大约为0.3ms。当结合减小CWmin、Slot Time和SIFS时平均介质访问时延下降到大约为0.19ms，减小为原来的一半，改善了网络的性能。
按照以上方法再进行移动站平均吞吐量的仿真，见图3。吞吐量指上层收到由Mac层传递的数据总和。由仿真结果可见，四种方法的平均吞吐量基本相同，大约在800kbps左右。在网络低负载的时候，使用结合减小CWmin、Slot Time和SIFS的方法可以减小平均介质访问时延，而不能改善网络的平均吞吐量。
4. 多移动站下的信道分析及参数优化
多移动站轨道交通仿真环境由8个移动站构成，每个移动站随机选择目的移动站发送数据，数据速率为850kbps。模拟在网络负载较高时的网络状态。移动站的性能指标被收集，用来对网络性能进行分析。
图4 多移动站的平均介质访问时延 图5 多移动站的平均吞吐量
各参数设置和双移动站环境下相同，平均介质访问时延仿真结果可见图4，由于移动站数量增加，信道中由于各移动站随机发送数据包产生的竞争也增加，平均介质访问时延和双移动站相比显著增加。标准的平均介质访问时延为0.42s左右，通过减小Slot Time以及SIFS时延减小为0.25s，而通过减小CWmin的时延大约为0.38s，介质访问时延改善并不明显，不如在双移动站环境下的减小CWmin效果明显。同时减小CWmin、Slot Time和SIFS的时延大约为0.29s，相比减小Slot Time和SIFS的方法时延反而增加。这是由于在高竞争环境下，减小最小竞争窗CWmin缩短了退避时间，而导致了数据包的重复碰撞，使网络的性能变差。
对平均吞吐量进行仿真见图5，由仿真结果可见，在多节点竞争环境下标准的平均吞吐量为580kbps左右，采用减小Slot Time以及SIFS平均吞吐量为640kbps，提高了网络的平均吞吐量，而减小CWmin的平均吞吐量为550kbps，和标准的吞吐量相比有所下降。减小最小竞争窗口CWmin使得每个移动站在发现信道忙时的退避时间减小，而由于多节点竞争加剧，每个移动站的等待退避时间减小使得平均吞吐量降低。由两个仿真结果，可见高竞争网络环境下通过减小CWmin对网络性能进行并不有效。
5. 结束语
本文分别构建了双移动站和多移动站两个不同的轨道交通无线通信网络模型，分析不同的竞争强度下网络的性能。在低竞争的轨道环境下，通过减小CWmin、Slot Time、SIFS可以明显改善网络的时延，优化网络的性能。而在高竞争下，减小CWmin会使网络中数据包碰撞加剧，降低吞吐量。而通过减小Slot Time和SIFS可以减少时延，增加吞吐量。针对不同的网络情况和轨道交通应用特性选用不同的参数可以有效的改善无线局域网的平均介质访问时延以及平均吞吐量，提高网络的性能。无线网络在轨道交通的实时监控、控制、多媒体信息服务等方面有广阔的发展和应用前景。
本文作者创新点是使用软件分析和优化了无线局域网在轨道交通中的性能。
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