（通信与信息系统专业论文）快速移动下无线局域网视频综合处理技术研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 随着城市公共交通网络的发展，轨道交通已经成为了公共交通网络的骨干， 然而轨道列车作为高流动性的、人员高度集中的公共场所，存在诸多客观的不 安全因素，特别是列车车厢在列车运行过程中成为了监控盲区，轨道交通的安 全防范问题不容忽视。通过建立车地间基于无线局域网的视频监控系统可以有 效覆盖车厢内的监控盲区，但当列车在快速移动下在接入点之间进行切换时， 由于切换带来的数据传输中断会产生视频图像传输中断和时延，从而无法实现 列车的无缝切换。 本文结合上海申通轨道交通研究咨询有限公司和上海大学通信与信息工程 学院关于轨道交通车载视频监控系统研究的课题，受上海欣民通信技术有限公 司委托，展开对轨道交通无线视频综合处理系统的方案设计与适用性研究。本 文重点研究分析了轨道交通中无线局域网的不同切换方案并设计实现了快速移 动下双路径口软切换方案。 本文使用o p n e t 仿真并分析了无线局域网的m a c 竞争机制，分析了无线 局域网技术在轨道交通的适用性问题。 通过分析和比较预扫描硬切换和双网络接口软切换，本文提出了双路径m 软切换方案并设计了双路径p 软切换算法，整个算法包括车载部分的二次封装 算法和轨旁及控制中心部分的解封装和数据还原算法。 基于双路径m 软切换方案，本文设计了适用于轨道交通车地间的无线视频 综合处理系统，包括车载部分的嵌入式系统设计和轨旁及控制中心部分的视频 服务器设计，并基于嵌入式系统通过软件编程实现双路径p 软切换算法。通过 大量系统切换性能实验表明，基于双路径i p 软切换方案和嵌入式的无线视频综 合处理系统通过嵌入式系统实现，在实现快速移动下能够实现平均传输速率为 3 m b p s 的无缝切换，切换过程数据传输平稳，没有传输中断。理论研究和系统 实验结果表明，本文提出的双路径口软切换方案和嵌入式系统实现可以有效解 决轨道交通中无线局域网的切换所带来的数据传输中断和时延，实现无缝切换。 v 上海大学硕士学位论文 关键词：无线局域网，双路径口，嵌入式系统，软切换，视频监控 v i 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm u n i c i p a lp u b l i ct r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k ，m e t r o l i n eh a sb e c o m et h eb a c k b o n eo ft h i sn e t w o r k s i n c em e t r ol i n ei sa p u b l i cp l a c ew i t h m 曲p e r s o n n e lf l o wa n dc o n c e n t r a t i o n ，t h e r ea r em a n yi n s e c u r ef a c t o r s e s p e c i a l l y , m e t r ol i n et r a i nw i l lb e c o m et h eb l i n da r e ao fv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e md u r i n g m o v e m e n t s ow es h o u l dn o tn e g l e c tm e t r ol i n es e c u r i t y b ye s t a b l i s h i n gw i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) v i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mb e t w e e nt r a i na n d g r o u n d ，t h e b l i n da r e ac o u l db ec o v e r e de f f e c t i v e l y b u tt h ed a t at r a n s m i s s i o nw i l lb ec u to f f w h e nt h et r a i n p e r f o r m sh a n d o v e rb e t w e e nd i f f e r e n t a c c e s sp o i n t su n d e rf a s t m o v e m e n t t h i sw i l lc a u s et h ei n t e r r u p t i o na n dd e l a yo fv i d e od a t at r a n s m i s s i o n ， t h u st h et r a i nc o u l dn o tp e r f o r ms e a m l e s sh a n d o v e rb e t w e e na c c e s sp o i n t su n d e rf a s t t h i sp a p e ri sb a s e do nt h er e s e a r c hp r o j e c to fm e t r ol i n ev i d e os u r v e i l l a n c e s y s t e mo fs h a n g h a is h e n t o n gr a i lt r a n s i tr e s e a r c h c o n s u l t a n c yc o l t da n d s h a n g h a iu n i v e r s i t ys c h o o lo fc o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g ， e n t r u s t e db ys h a n g h a ix i n m i nc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yc o l t dt od e s i g na s c h e m eo fm e t r ol i n ei n t e g r a t e dw i r e l e s sv i d e op r o c e s s i n gs y s t e ma n dt os t u d yi t s a p p l i c a b i l i t y t h i sp a p e rm a k e sa l li n d e p t hr e s e a r c ha n da n a l y s i so fd i f f e r e n tm e t r o l i n ew l a nh a n d o v e rs c h e m e s ，a n dd e s i g n sa n dr e a l i z e st w op a t h si ps o f th a n d o v e r s c h e m eu n d e rf a s tm o v e m e n t t h i sp a p e rp e r f o r m st h es i m u l a t i o na n da n a l y s i so fw l a nm a cl a y e r c o n t e n t i o nm e c h a n i s mu s i n go p n e ta n da n a l y z e st h ea p p l i c a b i l i t yo fw l a n t e c h n o l o g yo nm e t r ol i n e t h e na ni n d e p t ha n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nb e t w e e na n t i c i p a t e dh a r dh a n d o v e r a n dt w on e t w o r ki n t e r f a c e ss o f th a n d o v e ra r ep e r f o r m e d b a s e do nt h a t ，w ep r o p o s e t w op a t h si ps o f th a n d o v e ra n di t sa l g o r i t h m t h ee n t i r ea l g o r i t h mi n c l u d e ss e c o n d c a p s u l a t i o na l g o r i t h mo ft r a i np a r ta n dd e c a p s u l a t i o na n dd a t ar e c o v e r ya l g o r i t h mo f v i i 上海大学硕士学位论文 r a i l w a ya n dc o n t r o lc e n t e rp a r t b a s e do nt h es c h e m eo ft w op a t h si ps o f th a n d o v e r , a ni n t e g r a t e dw l a n v i d e o p r o c e s s i n gs y s t e mb e t w e e nt r a i na n dg r o u n da l ed e s i g n e d ，i n c l u d i n ge m b e d d e d s y s t e mo ft r a i na n dv i d e os e r v e ro fr a i l w a ya n dc o n t r o lc e n t e r b a s e do ne m b e d d e d s y s t e m ，w er e a l i z et w op a t h si ps o f th a n d o v e ra l g o r i t h mb ys y s t e ms o f t w a r e a l a r g en u m b e ro fs y s t e mh a n d o v e rp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n tr e s u l t s d e m o n s t r a t et h a tt h ei n t e g r a t e dw l a nv i d e op r o c e s s i n gs y s t e mw h i c hi sb a s e do n t w op a t h si ps o f th a n d o v e rs c h e m ea n de m b e d d e ds y s t e mc o u l dp e r f o r ms e a m l e s s h a n d o v e ru n d e rf a s tm o v e m e n ta n dm a i n t a i na na v e r a g et r a n s m i s s i o ns p e e da ta b o u t 3 m b p s d u r i n gh a n d o v e rp r o c e s s ，d a t at r a n s m i s s i o ni ss t a b l ea n dn ot r a n s m i s s i o n i n t e r r u p t i o nh a p p e n s t h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n ds y s t e mp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt w op a t h si ps o f th a n d o v e rs c h e m ea n de m b e d d e ds y s t e m r e a l i z a t i o nt h i sp a p e rp r o p o s e dc o u l ds o l v et h ep r o b l e mo fd a t at r a n s m i s s i o n i n t e r r u p t i o na n dd e l a yo fm e t r ol i n ew l a ns y s t e md u r i n gh a n d o v e rp r o c e s s ，a n d a c h i e v es e a m l e s sh a n d o v e r k e y w o r d s ：w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) ，t w op a t h si p , e m b e d d e ds y s t e m ，s o f th a n d o v e r , v i d e os u r v e i l l a n c e 上海大学硕士学位论文 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：煎壅整e l 期：羔垒垒鳘：兰) g 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) i i 上海大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 本课题来源于上海申通轨道交通研究咨询有限公司与上海大学通信与信息 工程学院关于轨道交通车载视频监控系统研究以及5 8 g h z 无线频段车地视频 传输研究的课题，轨道交通车载视频监控系统研究的课题已通过上海市建设和 交通委员会科学技术成果鉴定。 随着上海公共交通网络的发展，轨道交通已成为现代化城市理想的交通工 具。目前上海已建成5 条轨道交通，总运营长度为1 2 3 公里，日均客流量达到 1 8 0 万人。在2 0 1 0 年世博会召开前，上海将建成1 1 条轨道交通，总长度超过 4 0 0 公里。随着轨道交通网络的高速发展，越来越多的市民选择乘坐轨道交通 出行。与传统的公共交通工具相比，轨道交通具有更高效、更便捷、更快速的 优点，轨道交通已经成为上海公共交通网络的骨干。 然而，轨道列车作为高流动性的、人员高度集中的公共场所，仍然存在诸 多客观的不安全因素，轨道交通的安全防范问题不容忽视。近年来，国外发生 多起轨道交通意外事故和针对地铁的恐怖事件【1 】，由于列车车厢是地面监控的 盲区，车地之间信息的滞后以及缺乏实时处理的能力严重妨碍了乘客的疏散以 及事故应急处理，造成了人民的生命和国家的财产的重大损失。 增强轨道交通的安全防范，解决轨道列车这一监控盲区问题已成为当务之 急。根据俄罗斯、法国和新加坡等国针对轨道交通安全防范采取的措施和经验， 在轨道交通中建立列车和地面之间的实时无线视频监控系统是最有效、最直接 的增强轨道交通安全防范的方案。通过建立无线视频监控系统，轨道列车的摄 像头实时采集视频并通过轨道列车和轨旁的无线网络将视频数据传送到地面控 制中心，实时监控车厢内的状况。通过无线视频监控系统，控制中心不但可以 及时了解轨道列车状况，一旦发生破坏造成严重后果，视频监控的录像信息也 可以作为事后处理的证据 2 】。无线视频监控系统能够使地面控制中心对车厢内 的突发事故、人为破坏、恐怖袭击、应急救援等事件实现预判以及快速分析、 上海大学硕士学位论文 实时处理。 由此可见，无线视频监控对于轨道交通的安全有着至关重要的意义，而目 前国内尚未有自主研发的轨道交通无线视频监控系统。本课题将就在轨道交通 中建立无线视频监控系统进行研究，从理论分析和系统设计两方面，充分研究 其可行性和适用性。 作为无线视频监控系统中的数据传输通道，无线网络需要承载大量视频数 据的传输，传统的无线移动通信技术如g s m r 、t e t r a 等系统往往只能满足 音频所需的带宽，显然难以提供视频监控所需要的传输带宽 3 】。通过在车地之 间建立8 0 2 1 l g 无线局域网能够提供最高5 4 m b p s 的传输速率，足够承载大量视 频数据传输，是无线视频监控系统理想的无线传输介质。然而，列车在快速移 动中不断的在不同的轨旁无线接入点之间进行切换，在切换过程中网络接口和 接入点之间无法正常收发数据，从而产生切换时的数据传输中断，影响实时的 视频监控。 目前国内对于轨道交通中无线局域网无缝切换的研究尚未有可行的方案， 本课题受上海欣民通信技术有限公司委托，针对快速移动下的无线局域网中切 换问题进行理论研究和分析，提出创新的双路径口软切换方案，实现列车快速 移动下的无缝切换，并在此基础上进行基于8 0 2 1 1 9 无线局域网的无线视频综 合处理系统的设计与嵌入式实现，通过大量实验对理论进行实践和检验。本课 题为轨道交通无线视频监控提出了创新的方案，并对其的可行性和适用性进行 了分析和研究，对轨道交通的安全防范有着重要的意义，填补了目前国内轨道 交通无线视频监控研究的空白。 2 蹲大学碗学位论文 1 2 课题研究内容及目标 闰l1 无线视频综合处理系统框图 本课题研究的主要目标是建立一个轨道交通无线视频综合处理系统，系统 结构如图1 1 所示。分为车载和轨旁及控制中心两个部分，两部分之间通过无 线局域网相互连接，并在系统中使用双路径i p 软切换算法实现在无线局域网中 快速移动下的软切换，做到无缝漫游。系统实物如图1 2 、l ，3 所示。 圈1 , 2 无线税蟪睬台处理系统实物图 t 海大学硕士学位论立 删1 3 无线视频练合处理系统实物圈 车载部分代表实际列车车厢内的设备。车载摄像头负责采集视频信号，视 频编码器将模拟信号编码为m p e g - 4 数字视频信号，同时采用嵌入式w m d o w s c e 系统实现数字视频信号的二次封装和车头及车尾的转发。轨旁及控制中心部 分代表实际轨道中和控制中心的设备。控制中心视频服务器基于l i n u x 操作系 统，通过轨旁覆盖的无线局域网接入点和车载部分实现互连，并对接收到的数 据进行解封装和数据还原，视频解码器负责对还原后的m p e g - 4 数据解码，显 示器将解码后的模拟视频信号进行显示。 目前国内外关于优化改进无线局域网切换的方案主要有预扫描硬切换4 1 和双网络接e l 软切换 5 6 。预扫描硬切换由于在切换过程中仍会出现数据传输 中断，无法实现无缝切换。而双网络接口软切换虽能实现无缝切换，但系统和 协调控制复杂。本文基于这两种切换方案的思想，创新的提出双路径i p 软切换 方案。在整个系统中通过使用职路径口软切换算法和嵌入式系统实现解决快速 移动下无线局域网的无缝切换问题，实现双路径口软切换，整个算法包括车载 部分的二次封装算法和转发算法、控制中心部分的解封装和数据还原算法。 车载嵌入式系统使用二次封装算法对视频数据二次封装，经由车头与车尾 的天线和轨旁的无线局域网传输到控制中心，并在控制中心l i a u x 系统中应用 上海大学硕上学位论文 解封装和数据还原算法，还原视频数据，实现双路径i p 软切换，使列车在8 0 k m h 的快速移动下实现无缝漫游和切换，从而保证视频实时传输，同时提供3 m b p s 的车地之间视频传输通道。 课题研究的具体内容包括： ( 1 ) 研究8 0 2 1 l g 相关标准和切换机制，分析并设计双路径口软切换以及 双路径口软切换算法，包括发送端的二次封装算法、接收端的解封装算法和数 据还原算法 ( 2 ) 熟悉嵌入式w i n d o w sc e5 0 操作系统架构和层次，应用程序开发流 程 ( 3 ) 搭建w i n d o w sc e5 0 集成开发环境和内核定制环境 ( 4 ) 设计并实现车载部分w i n d o w sc e5 0 应用程序，实现并优化二次封 装算法，并在开发过程中对程序进行不断的优化、修改和调试 ( 5 ) 设计并实现控制中心部分l i n u x 应用程序，实现并优化解封装和数据 还原算法，并进行整个无线视频综合处理系统的调试和优化。 1 3 课题创新点 本课题结合上海申通轨道交通研究咨询有限公司与上海大学通信与信息工 程学院关于轨道交通车载视频监控系统研究以及5 8 g h z 无线频段车地视频传 输研究的课题，受上海欣民通信技术股份有限公司委托，展开对轨道交通无线 视频综合处理系统的方案设计与适用性研究。 本课题的创新点包括： ( 1 ) 应用8 0 2 1 1 9 无线局域网作为轨道交通无线视频综合处理系统的传输 网络。目前国内外在快速移动下应用无线局域网技术尚在探索阶段，国内更是 没有独立研发的快速移动下无线局域网通信系统。本课题在无线视频综合处理 系统中应用无线局域网，并通过大量实验肯定其可行性。 ( 2 ) 设计并应用双路径口软切换方案实现快速移动下无线局域网的无缝 切换。轨道列车在快速移动过程中不断在轨旁接入点间进行切换，在切换过程 中数据传输中断，影响系统的实时数据传输。通过应用双路径p 软切换方案， 5 上海大学硕士学位论文 实现快速移动下列车的无缝切换，保证数据传输的实时性。 ( 3 ) 设计并应用嵌入式系统实现系统车载部分硬件和软件。和普通x 8 6 架 构的计算机相比较，嵌入式系统具有可靠性高、工作稳定、体积小、低能耗等 特点，充分满足车载系统对于性能和可靠性的要求。 1 4 论文的结构安排 本文针对快速移动下无线局域网切换问题展开研究，通过分析比较国内外 切换方案，提出双路径i p 软切换方案，并基于该方案设计实现了应用于轨道交 通的无线视频综合处理系统，最后通过实验验证了方案的可行性。 论文的第二章介绍了无线局域网o f d m 系统的原理和结构，对预扫描硬切 换和双网络接口软切换进行了深入的分析比较，并提出了双路径口软切换方 案。 第三章介绍了w i n d o w sc e 5 0 的系统结构和嵌入式开发工具e m b e d d e d v i s u a lc + + ，分析对其和嵌入式l i n u x 对了分析和比较。 第四章分析并设计了无线视频综合处理系统车载部分和轨旁及控制中心部 分的硬件及其实现，车载部分使用嵌入式系统实现，控制中心视频服务器使用 l i n u x 操作系统实现，完成双路径口软切换方案的硬件设计与实现。 第五章设计实现了无线视频综合处理系统的软件，通过车载部分视频流封 装嵌入式模块实现二次封装算法，控制中心部分视频服务器解二次封装和数据 还原算法，完成整个双路径i p 软切换方案的软件设计与实现。最后对整个系统 进行了干扰性能和切换性能测试，通过大量实验数据验证无线视频综合处理系 统能够满足列车在快速移动下3 m b p s 稳定的传输带宽，达到设计目的 第六章对论文的工作进行了总结和展望。 第二章轨道交通中无线局域网适用性问题 无线视频综合处理系统车地之间使用8 0 2 1 l g 无线局域网实现数据通信， 而在列车快速移动过程中需要接入点之间的切换，在切换过程中列车无线网络 6 上海大学硕士学位论文 接口和接入点之间数据传输中断，从而影响列车正常的数据传输。 通过在系统中使用双路径软切换方案，可以保证列车在切换过程中始终 保持至少一条口传输路径正常工作，从而避免切换时延，实现无缝切换。 2 1 无线局域网8 0 2 1 1 标准 无线局域网( w i r e l e s sl a n ) 指在一个有限地域范围内使用射频( r a d i o f r e q u e n c y ) 、微波( m i c r o w a v e ) 、红外线( i n f r a r e d ) 作为传输媒体，进行不同设备 之间通信的系统。从另外一个角度讲，无线局域网就是通过无线信道来实现不 同设备之间的通信。无线局域网既可以当作有线局域网的扩展来使用，也可以 作为其替代设施。 i e e e 为无线局域网制定了一系列的标准，如表2 1 所示。8 0 2 1 1 规定了 i s o o s i r m 七层模型的物理层和m a c 层( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，介质访 问控制) 7 。 第一个无线局域网的标准是8 0 2 1 1 1 8 ，定义了使用红外线、直接序列扩频 ( d s s s ，d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 、跳频扩频( f h s s ，f r e q u e n c yh o p p i n g s p r e a ds p e c t r u m ) 三种技术的无线局域网，传输速率为1 m b p s 和2 m b p s 。 表2 1 无线局域网主要标准比较 w l a n 数据速率信道数带宽频率( g h z )扩频方式最大传输 标准 ( m b p s ) ( m h z )距离( m ) 8 0 2 1 1 b1 、2 、5 5 、 1 3 ( 3 个不 8 3 52 4 0 0 0 d s s s1 0 0 1 l 重叠信道)2 4 8 3 5 8 0 2 1 l g l 、2 、5 5 、 1 3 ( 3 个不 8 3 52 4 0 0 0 d s s s、1 5 0 1 l 、6 、9 、重叠信道)2 4 8 3 5o f d m 1 2 、1 8 、2 4 、 3 6 、4 8 、5 4 8 0 2 1 l a6 、9 、1 2 、 9 个不重叠 3 0 05 1 5 5 3 5o f d m7 0 1 8 、2 4 、3 6 、信道5 7 2 5 5 8 2 5 4 8 、5 4 7 上海大学硕士学位论文 第二个标准为8 0 2 1 l b 9 ，该标准使用了直接序列扩频技术，采用补码键控 ( c o m p l e m e n t a r yc o d ek e y i n g ) 的调制方式，工作频段为2 4 - 2 4 8 3 5 g h z 的i s m 频段，传输速率为1 m b p s 、2 m b p s 、5 5 m b p s 和l l m b p s 1 0 ，可以根据实际的 无线使用环境自动切换。当无限环境中干扰变强，无线局域网信号变弱时，自 动降低传输速率以保证通信的可靠性。8 0 2 1 l b 是第一个成熟应用的无线局域网 标准，将最高传输速率提高到了11 m b p s ，并被大多数厂商所采用。直接序列扩 频技术在发射端使用一串伪随机二进制扩频码将原始数据的频谱扩展到更高的 频段，使其带宽远大于原始数据的带宽。在接收端使用和发送端相同的伪随机 二进制扩频码对数据进行解扩，从而得到原始数据。直接序列扩频的抗选择性 衰落能力较强，保密性较强。 第三个标准是8 0 2 1 1 a 1 1 1 2 ，其工作频段为5 1 5 5 8 2 5g h z 的u n i i 频段， 其中5 1 5 5 2 5 g h z 分配了1 0 0 m h z ，最大输出功率限制在5 0 m w ，5 2 5 5 3 5 g h z 分配了1 0 0 m h z ，最大输出功率限制在2 5 0 r o w ，5 7 2 5 5 8 2 5 g h z 分配了1 0 0 m h z ， 作为室外应用，最大输出功率限制在l w 。8 0 2 1 l a 使用正交频分复用( o f d m ) 技术，最高传输速率提高到了5 4 m b p s 。该标准是i e e e8 0 2 1 1 的一个补充，扩 充了标准的物理层。正交频分复用技术将原始数据编码到彼此之间相互正交的 子信道，累积成高速数据传输速率。每2 0 m h z 的高速载波分成5 2 个子信道， 其中4 8 个信道用于传输数据，4 个用于导频，每个信道带宽约为3 0 0 k h z 。 第四个标准是8 0 2 1 1 9 1 3 1 4 ，其工作频段为2 4 2 4 8 3 5 g h z 的i s m 频段， 最高传输速率为5 4 m b p s 。8 0 2 1 l g 采用了直接序列扩频和o f d m ( o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，正交频分复用) 技术 1 5 】，向下兼容8 0 2 1 l b 标准，兼容8 0 2 1 l b 的设备，是目前最成熟，使用最广泛的无线局域网标准。 其他一些8 0 2 1 1 标准有增强m a c 层q o s 能力的8 0 2 1 l e 和增强认证安全和密 钥管理的8 0 2 1 l i 等，由于技术还未成熟，价格高，通用性差等原因，这些标准并 未广泛的应用。 2 2 无线局域网物理层o f d m 原理的研究 在无线通信系统中，信号通过无线电波来传送。由于无线电波在空间中传 上海大学硕士学位论文 播存在反射、折射、衍射等现象，一个无线信号经过会经过多条路径到达同一 个接收端，每个信号分量到达时的时延、相位和衰落都不相同，在接收端处叠 加后会造成同相信号叠加相互增强、异相信号叠加相互减弱的现象，严重影响 了原始信号的正确接收，这种现象成为多径衰落。加上移动站本身如果处于不 断移动状态中，多径衰落的现象更为严重。多径衰落是无线通信系统中影响系 统性能的主要因素。 对于无线局域网而言，由于通信速率较大，多径衰落会引起严重的i s i ( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ，码间干扰) ，造成信号严重失真，系统性能下降。早期的 8 0 2 1 l b 标准物理层定义了使用单载波的c c k 调制技术，为了降低i s i 对通信 的影响接收端采用信道均衡算法，而使用均衡算法会增加系统的复杂度。虽然 采用了信道均衡，但由于8 0 2 1 l b 系统是单载波系统，一次多径衰落就可能会 对整个通信系统产生影响。 为了克服多径衰落引起的i s i ，在8 0 2 1 l g 标准中物理层定义了使用o f d m 调制技术，同时兼容8 0 2 1 l b 的c c k 调制技术。o f d m 是一种多载波的调制技 术，通过将高速串行数据分解为若干个低速并行数据，并使用相互正交的子载 波分别调制，达到克服多径衰落的目的 1 6 。 在8 0 2 1 1 9 的o f d m 系统中，高速的串行数据被分解为多路的并行数据， 并行数据的速率比串行数据的速率明显降低，不容易产生i s i 。随后分别使用相 互正交的子载波来调制各路并行数据，最后各路子载波被合成后一起发送，如 图所示。各子载波的频谱相互之间有1 2 的重叠，并且各子载波在1 厂r 的整数 倍处都为零点，t 为一个o f d m 符号周期，如图2 1 所示。 i 1 二：么二巡，7 一、少厂、p ，v 、；八 0 一、二心 f fjf i ， ii 1 歹叨乙l ，、 ，、 jil ，、，、 i t ? 二氏1 一j 一 、，、，、，、， 、 ，、，、，、 、，、， 图2 1o f d m 系统频谱 9 上海大学硕士学位论文 在o f d m 系统中，每一子载波的最大值处对于其他子载波是频谱的零点， 在解调时计算每个子载波的频谱最大值，由于其他子载波在该处为零点，因此 可以从多个子载波的合成信号中解调出每个子载波的数据而不受其他子载波的 干扰。 一 串行， 一 信道 串行数据 并行 s ( t ) 数据 转换 旦屯 图2 2o f d m 调制系统框图 o f d m 调制系统框图如图2 2 所示，从f = t s 时刻开始一个周期t 内的 o f d m 信号s ( t ) 可以表示为： s ： 酗i v - - l e x p u 2 万( 删卜u )挺眦 】 ( 2 - 1 ) 【0 t ( ，t ，) u ( f ，+ 丁，+ ) 其中n 为子载波的个数，即子信道的个数，d ，( i = 0 , 1 ，2 n 1 ) 是分配给第 i 个子载波的数据符号，z 是第i 个子载波的频率，z = 兀+ 睾，i = o ，1 ，2 n 1 ， 厶是最低子载波的频率。这样，各个子载波相互正交，即满足： j 1p ( 2 须，) e x p ( 一_ ，2 矾d 出= ；re x p ( 2 万( 与与，渺= 三；三；( 2 - 2 ) 其中z 是第i 个子载波的频率，六是第j 个子载波的频率。 利用各子载波的正交性在o f d m 系统解调时分别用各路子载波解调出原 1 0 上海大学硕士学位论文 始的并行数据，最后将并行数据重新组合为高速串行数据，如图2 3 所示。 国厂 d o 7 彳e x p ( - j 2 m o t ) = i ! r 9 - 卜 并行| 信道 2 删吁 串行 串行数据 数据 转换 n 厂_ d ：。 7 州2 0 l r 图2 3o f d m 系统解调框图 对收到的叠加信号s ( f ) 的第j 个子载波进行解调，即在一个o f d m 周期t 内积分，根据式( 2 2 ) ，解调后的第j 个子载波的数据符号孑，可以表示为： t = 打r e x p ( 啊姒+ 争训静e x p ( 胁( 厶+ 争_ ) 渺 = ；静r e x p 万( 争( 舻d ， ( 2 - 3 ) 其中孑，为接收端恢复的第j 个子载波的数据符号。可以发现，在接收端对 第j 个子载波进行解调即可恢复出发送端第j 个子载波的数据符号d ，而其余 的子载波由于相互正交，其积分的结果为零。 然而，当o f d m 系统的n 很大时，整个系统将变得非常复杂，对硬件的需 求会变得很高。为了提高o f d m 系统的实用性，使用离散傅立叶逆变换( i d f t ， i n v e r s e d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 实现多载波的调制，使用离散傅立叶变换 ( d f t ，d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ) 实现多载波的解调，通过使用i d f t 和d f t 完成信号的调制和解调。 假设厶= o ，= 。，对式( 2 1 ) e es ( f ) 进行速率为万t 的采样，即f = 以万t 上海大学硕士学位论文 ( 以= 0 , 1 ，2 n - 1 ) ，采样后的o f d m 信号s 。可表示为： s n - s c 以争酗n - i 唧万争斋= 篓如则2 万尹i n = 酗n - ! 咿， 其中刀= o ，1 ，2 一一1 ，= e x p ( 二笋) ，由i d f t 的定义可知 1 7 】： i d f t x i 】= 万1 毛n - i 以陈h 行= 。，1 ，2 一1 ( 2 - 5 ) 因此采样后的o f d m 信号s 。可以表示为： = n i d f t d ，】 ，l = 0 , 1 ，2 n 一1( 2 6 ) 可见对d ，进行离散傅立叶逆变换并乘以n 即完成了o f d m 的调制。同样， 对鼠进行离散傅立叶变换即可完成解调，即： ( 2 7 ) 由此可见，n 点的i d f t 和d f t 可以分别完成o f d m 系统中的调制与解调， 通过使用快速傅立叶变换( f f t ，f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 及逆变换完成i d f t 和d f t 可以进一步提高整个o f d m 系统的性能。 8 0 2 1 1 9 标准定义的物理层通过使用o f d m 调制技术，降低了单个载波的 数据速率，有效减小由于多径衰落产生的i s i ，同时可以降低接收端均衡算法的 复杂度，提高整个系统的性能。同时，在传统的f d m a 系统中，并行传输数据 的不同的子频带相互不能相交，这样导致了频谱利用率低，而在o f d m 系统中， 由于各子载波相互正交，允许个子信道相互重叠而对整个系统不产生影响，如 图所示，提升了一倍的频谱利用率 1 8 。 通过使用o f d m 技术，8 0 2 1 1 9 标准定义的物理层理论最高传输速率可以 达到5 4 m b p s 。o f d m 技术极大的提升了无线局域网的无线传输性能。 1 2 j m 瑚 = s j = o忙 蝶 m 脚 d 瑚 = 略吐 瑚州枷 = &研 必 上海大学硕士学位论文 2 3 无线局域网m a c 层多节点竞争研究 i e e e8 0 2 1 1 的m a c 层提供分布协调运行( d c f ) 以及点协调运行( p c f ) 两种 访问机制，d c f 基于冲突避免的载波监听多路访问技术( c s m a c a ) ，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8 0 2 1 1 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澳j j ( c d ) 机制，而使用冲突避免( c a ) 机制。当目的移动 站成功收到数据后发送一个响应帧( a c k ) ，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( a r q ) ，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a c k 不正常的情况。 i e e e8 0 2 1 1 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。8 0 2 1 1 通过使用不同 的帧间距( i f s ) 来区分不同帧的优先级。帧间距是各帧之间的帧间间隔，8 0 2 1 1 定义了几种不同的i f s ，分别为s i f s 、p i f s 、d i f s 、e i f s ，如式2 8 、2 9 、2 1 0 所示。s l o tt i m e 是在两个节点之间传输最大理论距离长度所需的时间。 p i f s = s i f s + s l o tt i m e ( 2 - 8 ) d i f s = s i f s + 2s l o t t i m e ( 2 9 ) e i f s = s i f s + 8a c k + p r e a m b l el e n g t h + p l c ph e a d e rl e n g t h + d i f s ( 2 - 1 0 ) 控制帧如r t s 、c t s 和a c k 等的帧间距为s i f s ，时间最短，故优先级最 高。p i f s 用于实时性要求强的数据帧的情况，优先级其次。d i f s 用于一般异 步数据传输帧，优先级再次。e i f s 仅在当m a c 协议数据单元传输出错重传时 使用，优先级最低。在8 0 2 1 1 中，信道竞争则引起数据冲突，导致数据传输失 败。d c f 方式通过竞争共享信道，使用r t s 、c t s 、a c k 等控制帧。 上海大学硕士学位论文 p i f $ 信忙谨 s i f s s l o t t i m e l 图2 4d c f 退避机制 在d c f 中的c s m a c a 中，移动站在发送数据前首先监听信道，如图2 4 所示。如果信道忙，则继续监听。如果信道持续一个d i f s 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b a c k o f rt i m e 作为本次发送过程的退避计数器的初始值，b a c k o f ft i m e 是开始发送数据之前移动站所必须等待的退避时间。 b a c k o i t i i m e = r a m d o m s l o t t i m e ( 2 - 11 ) 其中r a n d o m 是分布在 o ，c w 的一个伪随机数，c w 取自于最小竞争窗口 c w i n i l l 与最大竞争窗口c w 一之间。在第一次数据发送中，c w 取值为c w l i l i n ， 如果数据发送失败重传，则c w 以2 的指数方式递增直至c w 。懈。如果信道继 续空闲，则每经过一个s l o tt i m e 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r t s 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d i f s 及其下一个s l o tt i m e 内持续保持空闲后继续递减。 由于无法采取冲突检测机制，多个移动站产生的竞争使无线网络介质访问 时延上升，吞吐量下降，网络性能下降。文献 1 9 】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q o s ，文献 2 0 分析无线局域网中的 竞争公平性问题。通过优化竞争窗、s i f s 和s l o tt i m e ，本文使用o p n e t 对无 线局域网的竞争环境进行仿真和分析。