无线局域网数据传输在导航定位系统中的时延分析_图文

1、地矿测绘 2010,26(4:1317CN53-1124/TD ISSN1007-9394 Survey i ng andM app i ng of G eo l ogy and M i neral R esources无线局域网数据传输在导航定位系统中的时延分析*顾 青1,李 宝1,潘洪松2(1.中国船舶重工集团公司750试验场,云南昆明 650051;2.北京七维航测科技发展有限公司,北京 100080摘要:首先介绍了集群式车船G PS导航定位系统各移动站实现数据共享的无线数据通讯方法,并通过试验对无线网络进行数据传输产生的时间延迟进行了测试,同时给出了具体的试验方案,最终通过对试验数据的

2、分析,得出了一些有益的结论。关键词:导航定位系统;无线数据传输;时延中图分类号:P228 4;T P391 文献标识码:B 文章编号:1007-9394(201004-0013-05W LAN Data Transfer T i m e D el ay Analysis of GPS N avi gationand Positi oni ng Syste mGU Q ing1,LI Bao1,PAN H ong song2(1.K unm ing Shi p borne E qu i pm ent T est and R esearch C enter,CSIC,K un m i ng Yun

3、nan650051,China;2.B eij i ng SD I T ech.D evelopm ent Co ,L t d,B eij i ng100080,ChinaAbst ract:F irs,t this paper i n troduce a W LAN based GPS navigati n g and position i n g syste m,and d iscusses data shari n g co mm unication m ethod o fm ob il e rad i o stati o ns,and testes ti m e de lay when

4、 WLAN da ta transfer,m eanwh ile the autho rs g i v es a concrete study sche m e,and las,t ge ts so m e o f beneficia l conclusions through ana lysis o f test data.K ey w ords:nav i g ati o n position i n g syste m;w ireless data transfer;ti m e delay0 引言各无线数据通信系统对于多个目标测量数据的传输方式从原理上可以划分为频分多址、码分多址、时分

5、多址和无线网络等4种。传统采用的手段主要是频率分割体制,即给多个目标分别分配不同的频点。为防止多个频率信号互相干扰,通常相邻点频之间必须留有足够的隔离空间,随着测量目标数的增加,需要占用的射频带宽急剧增加。而国际电联分配的S频段频率范围是22002400M H z,采用频分多址不仅在有限的频带内可支持的目标数有限,同时给资源的合理分配带来极大困难。而直接序列扩频和多载波直扩慢跳频等码分多址技术因其大容量及高速率数据传输等特点,在移动通信和多媒体通信领域已广泛应用,但该技术多径传播引起的频率选择性衰落也会因此而变得明显,更为关键的是其建设和日常维护成本较高,因此在用户不多的通讯系统中很少采用。传

6、统的时分多址技术通过进行时间片的分割完成多目标测量数据的无线传输。由于其占用频点较少,设计简单且时延较小得到了很多小规模无线数传系统的采用。但目标增多后受数据刷新频率的要求限制,经过精细分割的时间段内已无法保证数据的传输。但在新一代指挥调度系统中,要实现上千台车辆或船只等移动站的导航定位和数据共享,并且在进行RTK差分的同时将多运动目标的定位信息、速度、航向角、定位状态和交通报告等信息通过无线数据传输系统以110H z的频率发布给指控调度中心以及其他目标。由于应用中定位目标数目多,相应需要传输的信息量就大,对无线数据传输系统提出了新的要求,以往应用于系统的TDM A模式不利于数据传输量大的传输

7、。本文提出一种长距离、高速率和多协议的无线网络解决方案,即在GPS导航定位系统中数据的无线传输采用网络电台。该方案可以应用于数据传输量大、距离远、网络中既有串口设备又有以太网设备的系统。基于目前采用RTK差分车/船的精度都可以达到亚米级,对于车/船的实时动态定位精度完全可以满足要求,因此在方案中重点关注采用无线网络进行数据传输方式下的系统时间延迟情况,并通过试验对各种使用情况进行测试。1 测试系统构成系统由指挥控制中心、RTK差分基准站和多个车/船载G PS 移动站构成,系统构成框图,见图1。无线数据传输网络系统覆盖了包括指挥调度中心、差分基准站和多个移动站在内的串口设备和以太网设备,基于点对

8、点(移动站到基准站和点对多点(基准站到移动站的组网方式。基准站固定设在地理位置较13*收稿日期:2010-09-04高的地点,移动站活动于400k m 2范围的区域。网络电台采用目前较为通用的350MH z 的M DS 数传电台。数据传输协议有TCP 和U DP 两种,为有效保障系统的可靠性,基准站的差分数据和指挥中心的命令采用U DP 协议传输,各移动站的定位和导航数据以及报警信息采用TCP /I P 协议进行向基准站的单向传输,基准站将各移动站的有效数据进行打包再采用TCP /IP 协议发往有选则性的IP 地址(移动站 。图1 系统构成框图F i g .1 B l ock d i agra

9、 m o f syste m for m ation2 网络时延测试数据传输的网络化解决了数据传输量大,传输速率高的问题。然而,网络时延成为系统的关键问题。网络时延的计算一直以来都比较复杂,为了验证数据传输过程中的时间延迟现象和分析造成网络时延的因素,针对时延做了一系列的试验测试。试验中用4个移动站和一个基准站组成的数据传输系统模拟实际应用系统,在移动站以不同频率输出本站信息、基准站以不同频率输出差分信息的情况下,分别测试网络时延。2.1 试验1UD P 协议数据频率2H z ,各移动站数据以20H z 的频率上传。试验准备:1按照图2配置移动站和基准站,完成硬件连接;2用网络监控软件W il

10、 dP ackets EtherPeek NX 监控网络上固定IP 地址的TCP /IP 协议数据包,并记录下每个数据包发生时刻;3网络延时估计:利用网络监控软件监控到的两个相邻数据包发生时刻差估计网络延时,相邻两包数据时间差减去1/数据输出率,即为数据在传播路径上的延时。4个移动站20H z 的数据输出模拟实际应用系统全部的数据传量,验证系统数据满荷传输对系统的影响。按照图2配置移动站及基准站硬件,设置基准站通过串口发送差分信息,移动站通过网口回传20H z 的本站信息数据。试验步骤如下:1直接将移动站GPS 网口与笔记本电脑网口连接,检测由移动站网口发送的20H z 数据语句在未经电台传输

11、时的延迟情况。由W ildPacke ts E the rPeek NX 软件得到的笔记本网口相邻两包数据时间延迟曲线,如图3(a所示。2步骤1的基础上将1#移动站GPS 接收机网口与1#移动站网络电台的网口连接;将笔记本电脑的网口与2#移动站网络电台的网口连接。检测移动站数据在经过M DS 电台网络的传输后的延迟情况。由W ildPacke ts E t herP eek NX 软件得到的笔记本网口相邻两包数据时间延迟曲线如图3(b所示。3在步骤2的基础上将1#移动站GPS 接收机和1#移动站M DS 网络电台之间加上路由器;将2#移动站M DS 网络电台和笔记本电脑之间加上路由器。检测路由

12、器对整个传输链路延迟的影响。由W ildPacke ts E t herP eek NX 软件得到的笔记本网口相邻两包数据时间延迟曲线如图3(c所示。4保持步骤3的连接状态不变,打开基准站GPS 转发软件。2#移动站的笔记本电脑改为接收基准站上发的打包语句。检测基准站软件对整个链路传输延迟的影响。由W il dP ackets E the r P eek NX 软件得到的笔记本网口相邻两包数据时间延迟曲线,如图3(d所示。5保持步骤4的状态不变,设置基准站GPS 接收机的COM 2口发送RTK 差分语句。将基准站、1#移动站、2#移动站的GPS 接收机COM 2口与M D S 网络电台的COM

13、 2口连接。检测基准站在发送差分信息(即UDP 广播时对整个链路传输延迟的影响。由W ildPacke ts E t herP eek NX 软件得到的笔记本网口相邻两包数据时间延迟曲线,如图3(e 所示。图2 移动站及基准站硬件配置图F i g .2 H ard w are con figuration o fm obil e station and reference station14 地矿测绘 2010年12月图3 相邻两包数据时间延迟曲线F ig.3 T i m e de l ay curve o f t wo bags o f da ta w hich adjacent试验数据对比

14、,见表1。表1 试验数据对比T ab.1 T esti ng data contrast图 号说 明百分比/%>0.25s>0.3s>0.4s>0.5s图3(aGPS网口输出0.02000图3(dGPS+电台+路由+基准站打包软件图3(eGPS+电台+路由+基准站打包软件+UDP2.2 试验2UD P协议数据频率2H z,各移动站数据以2H z的频率上传。移动站2H z数据输出即以实际应用系统的数据输出率,用笔记本电脑代替移动站接收机模拟数据输出,验证实际数据输出率时对系统的影响。对设备进行必要设置,试验过程如下:1将1#站PC网口与1#移动站网络电台的网口连接;将2#

15、站PC的网口与2#移动站网络电台的网口连接。设置1#笔记本网口发送2H z的best xy z b数据。同时打开1#站PC和2#站PC 的E t herP eek NX软件。检测移动站数据在经过M DS电台网络的传输后的延迟情况。图4为未经M DS电台传输相邻两包数据时间延迟曲线,图5为经过M DS电台传输后相邻两包数据时间延迟曲线。试验数据对比,见表2 。图4 未经M D S电台传输相邻两包数据时间延迟曲线F i g.4 T i m e de lay curve of t wo bags o f data w hich ad jacentw ithout MD S broadcasti ng

16、 stati on transferr i ng图5 经过M D S电台传输相邻两包数据时间延迟曲线F i g.5 T i m e de lay curve o f t wo bags of da ta wh i ch adjacenttransferred by M DS broadcasti ng stati on15第26卷第4期顾 青,李 宝,潘洪松:无线局域网数据传输在导航定位系统中的时延分析 表2 试验数据对比T ab .2 T esti ng data contrast图号说 明百分比/%经电台传输48.740.09372保持步骤1的状态不变,设置G PS 接收机的COM 2口发

17、送RTK 差分语句。将基准站、1#移动站、2#移动站的GPS 接收机COM 2口与M DS 网络电台的COM 2口连接。检测基准站在发送差分信息(即UDP 广播时对整个链路传输延迟的影响。图6为未经M D S 电台传输相邻两包数据时间延迟曲线,图7为经过M DS 电台传输后相邻两包数据时间延迟曲线。图6 未经M DS 电台传输相邻两包数据时间延迟曲线F ig .6 T i m e delay curv e o f t w o bag s of data wh i ch adjacent w ithoutM DS broadcasti ng stati on transferri ng图7 经过

18、M DS 电台传输相邻两包数据时间延迟曲线F ig .7 T i m e delay curv e o f adjacent t w o bag s o f data which adjacen t transferred by M DS broadcasti ng stati on 试验数据对比,见表3。表3 数据对比T ab .3 Da ta contrast图号说 明百分比/%>0.5s>0.55s>0.6s 图6发送端数据18.8500图7经电台传输+UDP49.00.10252.3 试验3 改变U DP 协议数据频率:1移动站以20H z 输出数据,基准站以1H z

19、 输出差分信息时,试验过程及结果如试验1中的第5步。2移动站以2H z 输出数据,基准站以1H z 输出差分信息时,试验过程及结果如试验2中的第2步。3移动站以20H z 输出数据,基准站以0.1H z 输出差分信息,笔记本电脑检测2#移动站电台网口接收到的相邻两包数据间隔时间。由W il dP ackets EtherPeek NX 软件得到的笔记本网口相邻两包数据时间延迟曲线,如图8(a所示。4移动站以20H z 输出数据,基准站发送以0.2H z 发送差分信息时,笔记本电脑检测2#移动站电台网口接收到的相邻两包数据间隔时间。由W il dP ackets EtherPeek NX 软件得

20、到的笔记本网口相邻两包数据时间延迟曲线,如图8(b所示。图8 相邻两包数据时间延迟曲线F i g .8 T i m e delay curve of ad j acen t t wo bags o f da ta试验数据对比,见表4。表4 数据对比T ab .4 D ata contrast说 明百分比/%>0.25s >0.3s>0.4s >0.5s GPS 网口输出0.0750.0160.005GPS+电台+基准站打包软件+1H z 差分(UDP16 地矿测绘 2010年12月3 网络时延分析3.1 数据传输网络链路的理论分析本系统中移动站数据传输链路从G PS接收

21、机网口输出,经路由器、网络电台、空中传输、基站网络电台、基站打包转发、基站网络电台、空中传输至各移动站网络电台到应用终端;基准站信息从基准站接收机串口出,经基准站网络电台、空中传输、各移动站网络电台、各移动站接收机串口。理想状况下,即不考虑数据的网络拥塞、数据排队延时等因素,以单帧移动站信息80B、单帧基站差分信息150B计算,网络有线部分数据达10M b/s,这部分传输延时可忽略,空中传输速率256K b/s,则移动站信息空中传输时延为80B/256K b/s=2.5m s,差分信息传输时延为150B/256K b/s=4.69m s,差分信息串口传输时延为150B/119200b/s=10

22、.07m s。路由器、网络电台设备等转换时间均不超过10m s,由此可知:单帧移动站信息经网络链路传输延时约为10+10+2 5+10+10+10+2 5+10=65m s,单帧差分信息经网络链路传输时延约为10 07+10+4 69+10+ 10 07=44.83m s。3.2 试验数据分析网络延时验证试验中,都是对数据信息进行持续地监控和纪录,用数据统计的方法对试验数据进行分析。从文中统计数据可以看出:1移动站以20H z输出数据时,从接收机网口出来的数据间隔应为50m s,而试验结果却约为200m s。这是因为移动站信息以TCP协议打包传输,TCP协议是面向连接的可靠传输,数据发出后需收到接收方确认后才发送下一次数据,而接收端收到数据后要等待一个时间才向发送端发送接收确认信息,这样就造成了大约200m s的延时。而移动站以2H z输出数据时就不存在这种延时。2基准站不发送差分信息的情况下,移动站信息经整个网络传输链路传输后的延时约为30m s,与理论计算较为符合(按照试验2第1步的硬件配置理论值约为22.5m s。3基准站发送差分信息的频率对移动站信息传输延时影响较大,从试验数据看,以0.1H z频率发送差分信息时,移动站数据传输的延时可控制在40m s范围内。