基于802.11协议的CBTC系统中流量整形与越区切换的研究

论文摘要

基于通信的列车控制系统(Communication Based Train Control,CBTC)能够有效地解决传统的轨道电路列车控制系统的诸多问题,具有安全高效、灵活通用的特点,因此在城市轨道交通系统中获得了广泛的应用。目前的CBTC系统大多采用成熟的基于IEEE 802.11协议的无线局域网技术作为其数字通信传输系统,为系统中信息数据流的传输提供有效的支持。但是随着人们对列车控制系统的性能和信息服务多样化的需求不断提高,在基于802.11协议的CBTC系统中也存在一些尚待解决的问题。例如,目前的CBTC通信系统仅能传输低带宽的列车运行信息和控制信令,如果能够通过实时传输高带宽的多媒体应用数据流,不仅能够使地面工作人员更加及时地掌握列车运行状况,而且能够为旅客提供多样化的信息服务。本文针对在CBTC系统中传输视频数据的若干问题进行讨论,并提出可行的解决方案。本文首先提出传统的CBTC系统在传输视频数据时需要解决的两个问题:一是如何利用有限的系统资源在保证基本的运行控制信息传输的同时高效的传输视频数据;二是如何解决CBTC移动节点(列车)越区切换频繁所造成的数据流传输中断的问题。针对上述第一个问题,本文在研究现有的数字通信网络流量整形及QoS保证机制的基础上提出了通过在网络接口层配置优先级队列来实现利用一个无线网络接口同时传输运行控制信息和视频信息的方案。该方案在系统的网络接口层配置流量整形系统,根据不同数据流的属性(例如目的端口)对数据包进行分类,并维护具有不同优先级的发送队列。在网络发生拥塞时,高优先级的控制信息能够保证获得需要的带宽,而低优先级的视频数据队列自适应的调整发送速率来充分利用剩余网络带宽。本文通过使用网络配置工具iproute2在基于Linux系统的测试平台上进行试验测试,说明了该方案可以有效地保证高优先级的网络流量的带宽和时延要求,同时低优先级的网络可以充分利用剩余带宽,从而解决了上述利用有限的系统资源传输多种网络数据的问题。针对上述第二个问题,本文首先讨论了传统的越区切换方案的不足、IAPP协议和Mobile IP快速切换协议在实现快速平滑切换方面所作的改进以及这些协议应用于CBTC系统的不足之处,指出视频流通过无连接的UDP协议由列车向地面单向传输的特点会使这些协议失效。文本接着讨论了CBTC系统的两个显著特点以及由此带来的设计决策:CBTC系统中移动节点运动方式的简单性使实现简单有效的运动估计(Movement Detection)算法成为可能;CBTC系统中同一AP服务区域内移动节点的稀疏性使在一个移动节点上同时使用两个无线网络接口成为可能。在综合考虑这两个特点的基础上本文提出了双信道异步越区切换方案。在该方案中,一个移动节点同时使用两个独立的无线网络接口与地面控制系统通信。通过配置越区切换算法中的参数,两个网络接口分别进行“提前”切换和“滞后”切换,使得在移动节点在跨越不同服务区域的过程中始终有一个网络接口处于正常工作状态,从而实现了视频数据流的不间断传输。本文通过在基于NS2的仿真平台上的仿真,比较了传统的切换方案与本文中的双信道异步切换方案在性能上的区别,验证了本方案的有效性,并通过仿真结果分析了切换算法中的关键参数对算法性能的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引论
• 1.1 选题的目的和意义
• 1.2 论文结构
• 第二章 背景介绍与问题提出
• 2.1 CBTC 系统结构概述
• 2.1.1 CBTC 系统的结构与特性
• 2.1.2 CBTC 数据通信系统
• 2.2 IEEE 802.11 无限局域网技术
• 2.2.1 802.11 无线局域网的主要组件
• 2.2.2 802.11 无线局域网的网络类型
• 2.2.3 802.11 无线局域网的工作方式
• 2.3 几种本文中涉及的传输层及应用层协议
• 2.3.1 传输控制协议TCP
• 2.3.2 用户数据报协议UDP
• 2.3.3 实时传输协议RTP
• 2.3.4 RTP 控制协议RTCP
• 2.4 本文需要解决的问题
• 第三章 网络接口层流量整形方案
• 3.1 方案设计需求
• 3.2 方案设计概述
• 3.3 iproute2 简介
• 3.3.1 iproute2 中的数据报队列
• 3.3.2 Linux 系统中队列机制的实现
• 3.4 流量整形机制在CBTC 系统中的应用
• 3.4.1 流量整形与QoS 保证的具体实现
• 3.5 实验测试环境与实验测试结果
• 3.5.1 实验测试环境
• 3.5.2 吞吐量的比较
• 3.5.3 延迟的比较
• 3.6 本章小结
• 第四章 双信道异步越区切换方案
• 4.1 传统的802.11WLAN 的越区切换方式
• 4.1.1 越区切换过程
• 4.1.2 越区切换算法
• 4.1.3 传统越区切换方式的不足之处
• 4.2 IEEE AP 间协议（IAPP 协议）
• 4.2.1 IAPP 协议的越区切换过程
• 4.2.2 IAPP 协议的实现
• 4.3 Mobile IP 及其快速切换协议
• 4.3.1 Mobile IP 协议的主要内容
• 4.3.2 预兆型快速切换协议
• 4.3.3 反应型快速切换协议
• 4.4 双信道异步切换方案
• 4.4.1 IAPP 协议及Mobile IP 快速切换协议应用于CBTC 系统时的不足之处
• 4.4.2 双信道异步切换方案
• 4.4.3 CBTC 系统的特点及其对方案设计的影响
• 4.4.4 双信道异步切换方案中的越区切换算法
• 4.5 仿真验证与结果分析
• 4.5.1 N52 简介
• 4.5.2 仿真平台对N52 的扩充
• 4.5.3 仿真场景
• 4.5.4 传统的切换方案
• 4.5.5 双信道异步切换方案（α= 2/3）
• 4.5.6 双信道异步切换方案（α= 1/3）
• 4.5.7 切换因数α的取值对系统性能的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 后续工作
• 5.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录