（信号与信息处理专业论文）无线atc系统中ieee80211b的性能研究与改进.pdf

上海大学硕士学位论文 无线a t c 系统中i e e e 8 0 2 1 1 b 的性能研究与改进 摘要 城市轨道交通由于其运行快捷、方便，成为城市重要的交通工具之一。列车 自动控制系统( a t c ) 是保证列车运行安全，实现行车指挥和运行自动化，提高 运输效率的关键系统。传统的列车自动控制系统以轨道电路作为信息传输载体， 具有较大的局限性，不利于提高运行效率。无线a t c 系统由于具有诸多优点， 是a t c 系统的发展方向。本文主要研究无线a t c 系统中i e e e 8 0 2 1 1 b 协议。 本文简要介绍了无线a t c 系统的发展概况和i e e e 8 0 2 1 1 系列协议，通过对 i e e e 8 0 2 1 1 b 协议和无线a t c 系统的分析，阐明了将i e e e 8 0 2 1 1 b 协议用于无线 a t c 系统中有待改进的三个方面：降低误码率、缩短切换时延以及提高安全性。 针对这三个方面，本文开展了研究。首先，为了降低误码率，本文从两个方面对 i e e e 8 0 2 1 l b 协议作了改进：第一，根据无线a t c 系统的信息传输率特点，本文 基于i e e e 8 0 2 1 1 b 协议提出了改进的信道编码方案：采用混合差错控制方式，在 c r c 检错码的基础上增加了r s c c 码，明显地改善系统的误码性能；第二，本 文提出了新的频点配置方案、选用r n 序列为扩频序列以及采用r a k e 接收机， 有效地提高了系统的抗干扰性能。其次，为了缩短切换时延和提高安全性，本文 根据无线a t c 系统中a p 呈线型分布的特点，提出了虚拟探测和封闭认证算法， 既减小了切换时延，同时还保证了系统安全。 关键词：无线a t c 系统，i e e e 8 0 2 1 l b 协议，信道编码，无线传输机制，切换和 安全机制 v 上海大学硕士学位论文无线a t c 系统中i e e e 8 0 2 1i b 的性能研究与改进 a b s t r a c t f o ri t ss p e e d ya n dc o n v e n i e n c e ，c i t yr a i l w a yt r a f f i ch a sb e c o m eo n eo ft h em o s t i m p o r t a n tt r a n s p o r to fc i t y a t cs y s t e mi st h ek e ys y s t e mt oe n s u r et h es a f e t yo f 仙1 a c h i e v ea u t o m a t i cc o m m a n da n dr u n ，a n di m p r o v et r a n s p o r t a t i o ne f f i c i e n c y f o ru s i n g r a i l w a yc i r c u i ta si n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nc a r r i e r , t r a d i t i o n a la t cs y s t e mh a sal o to f d i s a d v a n t a g e s ，a n dt r a n s p o r t a t i o ne f f i c i e n c yc a n tb ei m p r o v e de a s i l y h a v i n gal o to f a d v a n t a g e s ，w i r e l e s sa t cs y s t e mh a sb e c o m et h et r e n do fa t cs y s t e md e v e l o p m e n t t h es t u d yo b j e c to f t h i sd i s s e r t a t i o ni si e e e 8 0 2 1l bp r o t o c o li nw i r e l e s sa t c s y s t e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h eg e n e r a ld e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fw i r e l e s sa t c s y s t e m a n di e e e 8 0 2 11s e r i e sa l ei n t r o d u c e db r i e f l yi nt h eb e g i n n i n g b a s e do nt h ea n a l y s i s o fi e e e 8 0 2 1l bp r o t o c o la n dw i r e l e s sa t cs y s t e m ，t h r e ea r e a sn e e dt ob ei m p r o v e d i fp e o p l ew a n tt ou s ei e e e 8 0 2 1l bp r o t o c o li nw i r e l e s sa t cs y s t e md i r e c t l y ： r e d u c i n gb e r ，s h o r t e n i n gh a n d o f fd e l a ya n ds t r e n g t h e n i n gs e c u r i t y t oa c h i e v et h e s e g o a l s ，r e s e a r c hi sm a d ei nt h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t ，b e ri sr e d u c e di nt w os i d e s o n e s i d e ，i e e e 8 0 2 1l bp r o t o c o li si m p r o v e di nc h a n n e lc o d eb a s e do nt h es m a l ll o a db y u s i n gh e c a n da d d i n gr s c co nt h eb a s eo fc r c ，a sar e s u l t ，b e rb e c o m e ss m a l l e r ； t h eo t h e rs i d e ，i e e e 8 0 2 1l bp r o t o c o li si m p r o v e di nt h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o n m e c h a n i s mb ya d o p t i n gan e ws c h e m et od i v i d eb a n d ，s e l e c t i n gm s e r i e sa ss p r e a d s e q u e n c ea n da d o p t i n gr a k er e c e i v e r , a n dt h ea n t i - i n t e r f e r e n c ep r o p e r t yi si m p r o v e d r e m a r k a b l y s e c o n d ，t os h o r t e nh a n d o f fd e l a ya n ds t r e n g t h e ns e c u r i t y , t w oa l g o r i t h m s b r o u g h tu p ：v i r t u a lp r o b ea n dc l o s e da u t h e n t i c a t i o n ，b a s e do nt h e f e a t u r eo fa p d i s t r i b u t i o ni nw i r e l e s sa t cs y s t e m ，a n dt h e nt h eh a n d o f f d e l a yb e c o m e ss h o r t e ra n d t h es e c u r i t yb e c o m e s s t r o n g e r k e y w o r d s ：w i r e l e s sa t cs y s t e m ，i e e e 8 0 2 1l bp r o t o c o l ，c h a n n e lc o d e ，w i r e l e s s t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m ，h a n d o f fa n ds e c u r i t ym e c h a n i s m v i 上海大学硕士学位论文无线a t c 系统中i e e e 8 0 2 1l b 的性能研究与改进 缩略语 缩略语英文解释中文解释 心a c c e s sp o i n t 接入点 a t ca u t o m a t i ct h i i lc o n t r o l 列车自动控制 a t oa u t o m a t i ct r a i no p e r a t i o n 列车自动驾驶 a u t o m a t i ct r a i np r o t e c t i o n列车自动防护系统 b p s k b i n a r yp h a s es h i f t k e y i n g 二进制移相键控 c b t cc o m m u n i c a t i o n b a s e dt r a i nc o n t r o ls y s t e m 基于通信的列车控制系统 c r c c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k 循环冗余码校验 c f pc o n t e n t i o nf r e ep e r i o d 非竞争周期 c pc o n t e n t i o np e r i o d 竞争周期 c s m a ，c ac a r t i e rs e n s em u l t i a c c e s s c o l l i s i o na v o i d a n c e载波侦听多路访问冲突避免 c s m a ，c dc a r t i e rs e n s em u l t i a c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t e d载波侦听多路访问冲突检测 c t sc l e a rt os e n d 请求清除 d c fd i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n 分布式协调功能 d s s sd i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m 直接序列扩频 f h s s f r e q u e n c yh o p p i n gs p e c t r u ms p r e a d i n g 跳频扩频 m a cm e d i u ma c c e s sc o n t r o l 媒介接入控制层 p c fp o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n 点协调功能 q o sq u a l i t yo fs e r v i c e服务质量 q p s kq u a r t e r e dp h a s e s h i f tk e y i n g正交相移键控 r t s r e q u i r et os e n d 请求发送 s s i ds e r v i c es e ti d e n t i f i e r 服务区标识符匹配 s t a s t a t i o n站点 t s s st i m eh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m 跳时扩频 w e pw i r e de q u i v a l e n tp r i v a c y 有线对等保密协议 w l a nw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k 无线局域网 无线a t c 系统中i e e e 8 0 2 1 l b 的性能研究与改进 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：互! 垒幺日期垄型兰! ，。乙 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：j 数导师签名：抛日期： 圳d 、，- 可o 上海大学硕士学位论文无线a t c 系统中i e e e 8 0 2 1l b 的性能研究与改进 第一章绪论 本章提要： 无线a t c 的发展概况 i e e e 8 0 2 1 1 系列协议 令论文研究的内容和意义 夺论文的内容安排及创新点 1 1 无线a t c 的发展概况 城市轨道交通由于具有载客量大、行车速度快、效率高等特点，成为众多城 市解决交通拥堵的有效途径。信号系统是城市轨道交通的重要基础设施之一，它 对于确保列车的运行安全和提高行车效率起到必不可少的作用。从上世纪中、后 期开始，随着计算机技术和微电子技术的飞速发展，以及数字技术和自动化技术 的介入，信号系统发生了本质上的变化，技术上日趋成剥1 1 。 国内的城市轨道交通，如北京、上海、广州和天津的地铁，从9 0 年代起，开 始引进国外先进的地铁信号系统设备。北京地铁l 号线引进英国w e s t i n g h o u s e 公司设备，上海地铁1 号线引进美国g r s 公司设备，广州地铁1 号线引进 德国s i e m e n s 公司设备，上海地铁2 号线引进美国u s s 公司设备，上海明珠线 一期引进法国a l s t o n 公司的设备，莘闵线引进德国s i e m e n s 公司的设备。国 产信号系统由于多种原因，至今尚未形成完整的产品。目前已经可以投入使用， 而且有应用实例的只有a t s 子系统。微机联锁设备虽然从八十年代开始研发，而 且在大铁路应用成功，但是因为没有与轨道交通a t p 子系统成熟的接口，所以与 地铁建设无缘。 轨道交通信号系统由列车自动控制( a t c ) 系统和联锁设备两大部分组成。 其中a t c 系统又可分为列车自动防护( a t p ) 子系统、列车自动运行( a t o ) 子 系统和列车自动监控( a t s ) 子系统三个子系统。a t c 系统历来是铁路科技发展 的重点，它对保证运输安全、扩大运输能力、以及节约能源等方面起着关键作用。 上海大学硕士学位论文无线a t c 系统中i e e e s 0 2 1 1 b 的性能研究与改进 当前，a t c 系统大体上分为两种制式，即基于数字轨道电路的准移动闭塞和 基于感应环线通信的移动闭塞制式c b t c 系统，或基于无线通信虚拟闭塞制式 c b t c 系统。由于城市轨道交通领域业内人士对系统可靠性、安全性的认可，对 互联互通和对无线通信接口的标准的统一，发展移动闭塞是今后a t c 系统的主流 已经成为共识。 传统的a t c 是依靠轨道电路来传输控制信息，存在许多缺陷，如不易维护等， 因而无法适应列车运行速度越来越高的发展趋势。采用其它传输线路是一种替代 轨道电路的方案，例如漏泄电缆，但它的造价太高、容易破坏。因此在城市轨道 交通上采用无线a t c 是一个明智的解决方案，它依靠无线信道传输列车控制信 息，不仅传输速率高，而且安全可靠、造价不会很高，是一项增值性能良好的高 科技产品。 无线a t c 主要功能就是建立列车与调度中心之间的联系，双向传输列车控制 信息，并对信息传输通道进行不间断地监测，以便保证安全可靠。为了确保信息 传输，其控制覆盖区间应合理配置，减少盲区或死区，同时要有越区切换能力。 随着无线a t c 技术的发展，欧美各国先后提出多种方案进行竞争。例如为了 解决欧洲高速铁路网在过境点的信号兼容问题，英国铁路对西海岸干线的信号系 统进行改造，正式使用欧洲列车控制系统，称为e t c s 。德国铁路公司则研帛i j f f b 无线列车运行控制系统，它采用蜂窝式数字移动通信网来传输列车控制信息，完 全取消地面信号，以及传统的区间闭塞和车站联锁设备。美国联合太平洋铁路和 北方圣太菲铁路正在研制试验p t s y w j 车精确间隔控制系统，它在中央计算机和车 载计算机之间采用无线数据传输系统取得联系，并由全球卫星定位系统( g p s ) 和其它导航设备对列车精确测速和定位。列车由中央计算机授权运行，并由超速 防护装置来保证安全。该系统已在华盛顿州到俄勒冈州之间1 3 7 0 公里的线路上试 用，其结果表明p t s 系统能提高线路通过能力3 0 。此外，在日本、瑞典、法国 等都在研制试验各有特色的无线a t c 技术。 1 2i e e e 8 0 2 1 1 系列协议 1 9 9 7 年，i e e e d x 组推出了其第一个无线局域网标准8 0 2 1 1 【2 】，工作在 2 4 g h z 频段，主要用于解决办公室局域网和校园网中，用户通过无线接入，业 2 上海大学硕士学位论文 无线a t c 系统中i e e e 8 0 2 1 1 b 的性能研究与改进 务主要限于数据存取，速率最高只能达至l j 2 m b p s 。8 0 2 1 1 在速率和传输距离上都 不能满足人们的需要，因此，i e e e t j 、组又相继推出了其它一系列标准。 1 9 9 9 年，i e e e 通过了8 0 2 1l b t 3 】草案标准。该标准其实是8 0 2 1 1 物理层的改进 版本，同样工作在2 4 g h z 频段，除了1 m b p s 和2 m b p s 夕b ，还支持5 5 m b p s 和11 m b p s 两个新速率。8 0 2 1 1 b 在兼容8 0 2 1 1d s s s 技术基础上，融入了补码键控( c c k ) 的 调制方式，打破了以太网1 0 m b p s 速率的纪录，将数据速率提高到11 m b p s 。目前， 8 0 2 1 1 b 已经成为w l a n 市场上的主流标准，被多数厂商采用。 8 0 2 1 1 a t 4 j 对8 0 2 1 1 的物理层做了较大改变，它工作在5 g h z 频段，射频采用多 载波调制技术正交频分复用( o f d m ) 调制技术来传输数据，支持的速率有6 、 9 、1 2 、1 8 、2 4 、3 6 、4 8 、5 4 m b p s 。根据不同速率需求，o f d m 子载波可采用b p s k 、 d p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 调制方法进行调制。由于8 0 2 1 1 a 工作在5 g h z 波段， 既不能与8 0 2 11 b 兼容，也不能与最初的8 0 2 1 1 兼容，并且在许多国家，5 g h z 还 是受限制的频段，使得8 0 2 1 1 a 技术的普及仍需一段时间。 由于8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1 1 a 标准互不兼容，面对市场上现存的两种产品，一些终 端用户对于使用哪种技术更能满足他们的未来需要很是迷惑，而网络制造商也不 能确定哪种标准最有益于指导他们的生产。 在这种情况下，8 0 2 1 1 9 应运而生， 它融合了8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1 1 a ，为w l a n 市场持续、快速的发展提供了一个美好的 前景。t i 公司提出的p b c c 2 2 方案，工作在2 4 g h z 波段，能提供2 2 m b p s 数据速 率和更大的覆盖范围，与现存的w i f i 设备无缝兼容。这有效地保护了用户的投 资，从这一点看来p b c c = i , o f d m 技术优越。i n t e r s i l 公司的方案是c c k - o f d m ， 建议利用类似8 0 2 11 a 的o f d m 调制技术来获得5 4 m b p s 的数据速率。o f d m 技术 性能优越，与t i 公司的p b c c 技术相比，已经得到工业界更为广泛的支持。 2 0 0 1 年，i e e e 折衷了这两个公司的建议，通过8 0 2 11 9 5 】标准。8 0 2 1 l g 规定 8 0 2 1 1 b 为必备的执行模式，同时规定o f d m 为必备的调制技术，在2 4 g h z 波段 提供8 0 2 1 1 a 的速率。并提供可选模式c c k o f d m 和p b c c 2 2 方式。通过采用两 种调制方式，既达到了用2 4 g h z 频段实现8 0 2 1 1 a 水平的数据传输速率，也确保 了与8 0 2 1 1 b 产品的兼容。8 0 2 1 l g 其实相当于8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 1 b 的混合标准，使得 w l a n 的传输速率和距离又向前迈进了一大步。它的最大优点在于与现有 8 0 2 1 1 b 的设备兼容，使得在保留现有设备的情况下提高了设备连接速率。 上海大学硕士学位论文无线a t c 系统中i e e e 8 0 2 1 l b 的性能研究与改进 除此之3 r , i e e e 还出台了修正现存协议缺陷的一些加强版本，作为以上协议 的补充。 8 0 2 1 l c ，该协议致力于8 0 2 1 1 网络和普通以太网之间的互通，现己包含在大 多数产品中。 8 0 2 1 l d t 6 1 ，该协议致力于开发工作在其他频率的8 0 2 1 1 b 版本，使其在许多 没有2 4 g h z 波段的国家和地区也可以使用。 8 0 2 1 1 e 忉，该协议将q o s 功能加入到8 0 2 1 1 网络，为重要的数据的传输提供 q o s 保证。 8 0 2 1 1 f 8 1 ，该协议是为了改善8 0 2 1 1 中的切换机制而制定的，以使用户能够 在两个不同的交换分区( 无线信道) 之间切换，或两个不同网络之间漫游时保持连 接功能。 8 0 2 1l h 9 1 ，该协议的主要目的是对8 0 2 1 1 a 的传输功率和无线信道选择增加 更好的控制功能，即动态频率选择( d f s ) 和传输功率控带i j ( t p c ) ，适用于欧洲地区。 8 0 2 1l i t m 】，该协议负责处理8 0 2 1 1 网络最明显的一个问题：安全性。它不是 w e p 的加强版本，而是建立在美国的官方加密系统( a e s ) 上的一个全新标准。 8 0 2 1 1 j 【1 1 1 ，该协议的主要目的是在4 9g h z 至l j 5 0g h z 之间的这个无线频率范 围内增加信道，适用于日本。 1 3 论文研究的内容和意义 作为重要的现代化基础设施，城市轨道交通具有运量大、速度快、安全可靠、 污染低、受其它交通方式干扰小等特点，是许多城市不可或缺的交通工具。我国 北京、天津、上海、广州、深圳、南京已建成多条地铁线，并进行扩展和延伸； 武汉高架快速轨道线、重庆单轨运输线、大连轻轨线、长春轻轨线已建成通车； 成都、昆明、沈阳、青岛、西安、哈尔滨、杭州等城市轨道交通也已报批。我国 城市轨道交通已出现建设高潮，前景十分广泛。在这大好的形势下，对轨道交通 进行相关研究是非常有利的，也是非常必要的。 a t c 系统是保证列车运行安全，实现行车指挥和列车运行自动化，提高运输 效率的关键系统。传统的列车自动控制系统以轨道电路作为信息传输载体，具有 较大的局限性，不利于提高运行效率。随着计算机技术、通信技术和控制技术的 4 上海大学硕士学位论文 无线a t c 系统中i e e e 8 0 2 1 l b 的性能研究与改进 飞跃发展，无线a t c 系统应运而生。与传统的列车自动控制系统相比，无线a t c 系统具有运能大、硬件少、工程建设周期短、系统灵活性大、兼容性高、基建投 资少等特点，是a t c 系统的发展方向。 无线a t c 系统通常采用基于8 0 2 1 1 b 协议的无线局域网进行通信。8 0 2 11 b 作 为当前主流的w l a n 标准，工作在2 4 g h z 频段，数据传输速率最高可达11 m b p s ， 传输距离为5 0 1 5 0 m ，已被多数厂商所采用，所推出的产品广泛应用于办公室、 家庭、宾馆、车站、机场等众多场合。然而，目前8 0 2 1 1 b 仍然仅限于一般通信， 在一些对可靠性要求较高的领域，如工业控制，还存在许多不足。将8 0 2 1 1 b 直 接用于无线a t c 系统中同样存在许多需要改进的方面。本文根据无线a t c 系统的 特点，对8 0 2 1 1 b 协议进行相应的研究和改进，具有很强的现实意义。 1 4 论文的内容安排及创新点 论文的具体内容安排如下： 第一章绪论。本章介绍了无线a t c 系统的发展概况、i e e e 8 0 2 1 1 系列协议、 论文的研究内容和意义以及本文的创新点。 第二章无线a t c 系统中i e e e 8 0 2 1 l b 协议分析。本章首先介绍了8 0 2 1 l b 协议及无线a t c 系统的特点；针对无线a t c 系统的特点，阐明了将8 0 2 1 1 b 协 议用于无线a t c 系统中有待改进的方面：最后讨论了无线局域网的关键技术， 为8 0 2 1 1 b 协议指出了改进方向。 第三章一种无线a t c 系统中i e e e 8 0 2 1 l b 的信道编码方案。本章首先对 8 0 2 1 l b 协议的信道编码方案进行了误码率分析，之后，提出了改进的信道编码 方案：采用混合差错控制方式，在c r c 检错码的基础上增加了r s c c 编码；最 后对提出的信道编码方案进行了分析。 第四章一种无线a t c 系统中i e e e 8 0 2 1 1 b 的无线传输机制。本章结合无线 a t c 系统的特点提出了8 0 2 1 1 b 无线传输机制的改进方案：提出了新的频点配置方 案、选用m 序列为扩频序列以及采用r a k e 接收机；之后，从抗噪声能力和抗多 径干扰能力两方面分析了改进后系统的性能。 第五章一种无线a t c 系统中i e e e 8 0 2 1 i b 的切换和安全机制。本章首先介 绍了8 0 2 1 1 b 切换和安全机制；之后，根据无线a t c 系统的特点，提出了虚拟探 5 上海大学硕士学位论文无线a t c 系统中i e e e 8 0 2 1l b 的性能研究与改进 测和封闭认证算法；最后，对所做的改进进行了详细地分析。 本论文的创新之处： 1 ) 根据无线a t c 系统的特点，提出了8 0 2 1 1 b 改进的信道编码方案：采用混合 差错控制方式，在c r c 检错码的基础上增加了r s c c 码，仿真表明，系统 的误码性能得到明显改善。 2 ) 无线a t c 系统中，由于任一a p ，与之相邻的a p 不超过两个，使得a p 相互 间的干扰不强。基于这一特点，本文对8 0 2 1 1 b 的无线传输机制作了改进： 提出了新的频点配置方案、选用m 序列为扩频序列以及采用r a k e 接收机。 研究表明，通过改进，系统的抗干扰性能得到显著的提高。 3 ) 无线a t c 系统中，a p 呈线型分布，有很强的规律性。基于这一特点，本文 对8 0 2 1 1 b 的切换和安全机制作了改进：提出了虚拟探测和封闭认证算法， 既减小了切换时延，同时还保证了系统安全。 6 上海大学硕士学位论文无线a t c 系统中i e e e 8 0 2 1 1 b 的性能研究与改进 第二章无线a t c 系统中i e e e 8 0 2 1 l b 协议分析 本章提要： i e e e 8 0 2 1 l b 协议 无线a t c 系统的特点 令需要改进的方面 令无线局域网的关键技术 令小结 i e e e 8 0 2 1 1 b 协议凭借其灵活性、开放性、可伸缩性等特点被广泛应用于无 线局域网领域，是目前使用最多的无线局域网协议之一。然而，i e e e 8 0 2 1 l b 协 议仍只适用于一些对可靠性要求不是很高的领域，将i e e e 8 0 2 1 l b 协议用于无线 a t c 系统中存在哪些不足，有哪些需要改进的方面呢? 接下来，本章将 i e e e 8 0 2 1 1 b 协议与无线a t c 系统联系起来，对i e e e 8 0 2 1 1 b 协议进行详细地分 析。 2 1i e e e 8 0 2 1 l b 协议 i e e e 8 0 2 1 l b 协议包括两部分：媒介接入控制( m a c ) 层协议和物理( p h y ) 层协议。m a c 层首先为m a c 层用户提供可靠的数据传输，其次对数据传输提供 保护；而p h y 层则是将m a c 层数据转换成p h y 层适合的格式后通过无线媒介发 送或者接收到数据后转换成m a c 层适合的格式传给m a c 层，实现数据在不同站 点间的传输。 2 1 1m a c 层 8 0 2 1 i b 的m a c 层包括两种接入方式：分布式协调功能d c f ( d i s t r i b u t e d c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 和点协调功能p c f ( p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 。d c f l l 2 】 向上提供竞争服务，适用于对传输时延不敏感的数据业务。p c f t ”1 是可选的，使 用集中控制的接入算法( 一般由接入点a p 实现集中控制) ，用类似于探询的方法 7 上海大学硕士学位论文无线a t c 系统中i e e e 8 0 2 1 l b 的性能研究与改进 将发送数据权轮流交给各个终端，从而避免了碰撞的产生，适合于时延敏感业务， 如分组语音视频等等。d c f 和p c f 并不相互排斥【1 4 】，可以在同一个b s s 内交替使 用。终端可以在竞争周期c p ( c o n t e n t i o np e r i o d ) 期间工作于d c f 模式，而在非 竞争周期c f p ( c o n t e n t i o nf r e ep e r i o d ) 期间切换至u p c f 模式。 8 0 2 1 1 b 无线局域网与我们熟悉的8 0 2 3 以太网的原理类似，均采用载波侦听 的方式来控制网络中信息的传送。不同之处在于以太网m a c 层的标准协议是载 波侦听多点接入冲突检测c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s sw i t hc o l l i s i o n d e t e c t i o n ) 。网络上所有工作站都侦听网络中有无信息发送，当发现网络空闲时 即发出自己的信息，如同抢答一样，只能有一台工作站抢到发言权，而其余工作 站需要继续等待。一旦有两台以上的工作站同时发出信息，网络将发生冲突，冲 突后所有信息都会丢失，各工作站则将继续抢夺发言权。然而，由于无线产品的 适配器不易检测信道是否存在冲突，8 0 2 1 1 b 定义了一种新的协议，即载波侦听 多点接入避免冲撞c s m 刖c a ( w i t hc o l l i s i o n a v o i d a n c e ) b 5 。一方面，通过载波 侦听，查看介质是否空闲；另一方面，通过退避机制避免冲撞，使冲突发生的概 率减到最小。c s m a c d 与c s m c a 的检测方式也不同。c s m a c d 通过电缆中 电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化；而 c s m a c a 采用能量检测、载波检测和能量载波混合检测等三种方式检测信道是 否空闲。 l j i r s p i f s 1 b u s y卜刊l b a c k o f f n e x t f r a m e 图2 1c s m a c a 接入方式 c s m a c a 是d c f 的基本访问机制，除此之外，还有可选的r t s c t s ( r e q u e s t t os e n d c l e a rt os e n d ) 访问机制。r t s c t s 协议即请求发送允许发送协议，相 当于一种握手协议，主要用于大数据量传输。采用r t s c t s 访问机制时，每个终 端在发送数据之前，先要发送r t s 帧，在接收至i c t s 帧后，才可发送数据，若在 规定时间内未接收至i j c t s 帧，则表明信道忙，时延一段时间后继续发送r t s 帧， 直到接收至u c t s 帧。 8 上海大学硕士学位论文无线a t c 系统中i e e e s 0 2 1 1 b 的性能研究与改进 1 2 i f sr t s s i f s c t ss i f sd a t as i f sa c kl 卜二划 一一f _ i ：昔lb 。仃ln e x t - f r 。n 。l 一 图2 2r t s c t s 接入方式 由于d c f 并不提供任何时延或带宽的保证，很难满足那些对时延和带宽敏感 的业务的要求。为此，8 0 2 1 1 b 定义了一种可选的访问方法p c f 用以支持用户终端 的面向连接、无竞争的数据传输。p c f 方式通过一个通常运行在接入点a p 上的协 调点p c ( p o i n tc o o r d i n a t o r ) 来决定b s s 中各个终端的发送权利。p c f 机制实质上 是轮询操作，p c 担任轮询控制器的角色，通过集中控制终端数据帧的传送以消 除有限时间段内的竞争。它使用访问优先权机制辅助的虚拟载波监听机制，即通 过在信标帧中发布信息来设置各个终端的网络分配向量，从而决定各个终端对信 道的访问控制。 2 1 2p h y 层 8 0 2 1 l b 的物理层分为物理汇聚子层( p l c p ) 和物理媒介依赖子层( p m d ) 。 p l c p 定义了将m a c 层协议数据单元( m p d u ) 转换为适合与在两个或多个使用 相关p m d 系统的s t a 间发送和接收用户数据和管理信息的帧格式的方法。p m d 定义了两个或多个s t a 之间通过无线媒介( w m ) 发送和接收数据的方法及其特 性。 在协议中，物理层收敛协议服务数据单元( p s d u ) 与物理层收敛协议数据 单元( p p d u ) 相互转换。发送期间，p s d u 被添加一个p l c p 前导和头部，形成 p p d u 。协议定义了两种不同的前导和头部：强制性要求支持的长前导和头部、 可选的短前导和头部。 9 上海大学硕士学位论文无线a t c 系统中i e e e 8 0 2 1 l b 的性能研究l _ 改进 图2 3p l c pp p d u 长帧 图2 - 4p l c pp p d u 短帧 p p d u 长帧和短帧不同之处在于长帧同步域包含被扰码器扰乱的1 2 8 b i t s “l ”， 短帧同步域包含被扰码器扰乱的5 6 b i t s “0 ”。使用短帧格式的发信机只能给支持 这种短帧格式的接收机发送数据。 8 0 2 1 1 b 将2 4 0 0 2 4 8 3 5 g h z 的频段划分成1 3 个相互重叠的信道，每个信道的 中心频率间隔为5m h z ，选择其中三个互不重叠的信道传输信号，每个信道带宽 为2 2 m h z t l 6 】，具体信道分配如下图所示。 2 4 0 0 m h z“1 22 4 1 7m 2 22 4 2 72 4 3 22 4 3 72 a 4 22 4 4 72 4 5 22 4 5 72 , 1 6 22 4 6 72 4 7 2 2 4 8 35 m h z 图2 - 5 所有信道 图2 - 6 非重叠信道 1 0 上海大学硕士学位论文 无线a t c 系统中i e e e 8 0 2 1 l b 的性能研究与改进 8 0 2 1l b 只提供一种扩频方式- d s s s ，物理层规定了4 种调制方式和数据传 输率 17 1 ，具体如表2 1 所示。 表2 18 0 2 1 1 b 的调制方式和数据传输率 数据传输率调制方式d s s s 扩频序列 ( m b p s ) 1d b p s k1 1b i t sb a r k e r 码 2 d q p s k 1 lb i t sb a r k e r 码 5 5c c k8b i t s 补码 1 1 c c k8b i t s 补码 8 0 2 1 l b 之所以能够获得高传输速率，是因为它采用了更为先进的c c k 调制 方式。在这个编码中，8 比特的c c k 串序列取代了8 0 2 1 1 b 标准中1 1 位的b a r k e r 码 序列，c c k 编码支持5 5 m b p s 和1 1m b p s 两种工作速率，在5 5 m b p s 速率中，使用 c c k 串来携带4 位数字信息；在1 1 m b p s 速率中，使用c c k 串来携带8 位数字信息。 这两种速率都采用q p s k 调制，调制速率为1 3 7 5 m b p s 。 c c k t l 8 】【1 9 】的扩频序列是8 位的补码，码片速率为1 1 m c h i p s ，符号持续时间等 于8 个复数码片的长度。8 个复数码片的c c k 码字通过下面的功能公式计算得到： c = 竹场+ 伤+ 仡，一研+ 码坳，砚+ 讫坛，一卿+ 钏，竹坳场，砚坳，一卿地，p 厕) ( 2 1 ) 其中c 表示一个符号，仍，仍，仍，纸的取值由输入数据决定( 扩频前需将输入 的串行数据转化为4 位( 5 5 m b p s ) 或8 位( 1 1 m b p s ) - - 组的并行数据d 0 ，d 1 ，d 2 ， d 3 或d o ，d 1 ，d 2 ，d 3 ，d 4 ，d 5 ，d 6 ，d 7 ) 。式( 2 1 ) 用来产生8 个复数码片 c o ， c 1 ，c 2 ，c 3 ，“，c 5 ，c 6 ，c 7 ) ，复数码片中c o 将被首先发送。 表2 2c c k 编码表 d o ，d l 仍 偶数符号奇数符号 0 00 7 0 l兀 2 一巧f2 1 1 万 o 1 0一兀| 2瓦| 2 ( b ) i _ 1 ，2 ，3 d ( 2 i ) ，d ( 2 i + 1 ) 仍+ 1 0 0 0 0 l 万 2 l l 万 1 0一万2 上海大学硕士学位论文无线a t c 系统中i e e e 8 0 2 1 l b 的性能研究与改进 在5 5 m b p s 的传输速度下，仍由表2 - 2 ( a ) 所示决定，仍，伤和纸分别由以下 三式决定：仍= ( d 2 幸万) + 万2 ，仍= 0 ，纯= d 3 * 7 r 。在1 lm b p s 的传输速度下，鲲 仍由表2 2 ( a ) 所示决定，仍，仍和吼由数据对( d 2 ，d 3 ) ，( d 4 ，d 5 ) 和( d 6 ，d 7 ) 由 表2 2 ( b ) 所示决定。 2 2 无线a t c 系统的特点 无线a t c 系统的结构【2 0 】 2 1 1 如图2 7 所示。 图2 - 7 无线a t c 系统 本文研究无线a t c 系统中8 0 2 1 1 b 协议，因此有必要了解无线a t c 系统的特 点。无线a t c 与地上环境相比，有很大差异，具体表现为： 1 ) 干扰大，衰减快 电磁波在地铁隧道中的衰减要比地上快，这是由多种因素造成，包括列车运 行时产生的多普勒频移、多径效应、直流干扰等。文献 2 2 1 给出了矿井巷道中直 道( 含纵向导体) 、弯道和坡道的无线传输情况，其中频率为2 4 g h z 时，直道的 传输距离小于1 5 0 m ，弯道的信号衰减介于7 4 1 7 7 6 d b 之间，坡道的信号衰减介 于1 0 5 1 5 7 d b 之间，衰减很快。地铁隧道与上述的矿井巷道类似，同样存在纵向 直道、弯道和坡道，且列车的高速运行会加速信号的衰减。因此，我们可以得出 1 2 上海大学硕士学位论文 无线a t c 系统中i e e e 8 0 2 1 l b 的性能研究与改进 地铁隧道的信号衰减同样很快。传播环境比较恶劣。 2 ) 信息量小 8 0 2 1 1 b 提供了四种的数据传输率：1 m b p s 、2 m b p s 、5 5 m b p s 、l l m b p s ；而 无线a t c 系统的信息速率一般不超过l k b p s 瞄1 ，远低于1 m b p s 。 3 ) a p 线型分布 民用无线局域网中，a p 的分布是蜂窝状的，规律性不强；而无线a t c 系统 中a p 的分布是线型的，具有很强的规律。 f ，对其中的连续两个码 组而言，错误数已远远大于纠错能力t ，因而无法正确对出错码组进行纠错。交 织后，虽然总的错误比特数不变，但错误均匀分配到f 个码组，此时每个码组的 1 9 肿 m 用 哪如如；如1， 4 4 4 ；4：2，- 4 4 4 ；4 4 4 4 ；4 上海大学硕士学位论文无线a t c 系统中i e e e 8 0 2 1l b 的性能研究与改进 错误比特数可能正好落在分组码的纠错能