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地铁移动无线通信网络切换机制的研究与实现

作　者: 赵立芳
导　师: 陈兵
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 无线通信网络 切换 延迟 丢包率 链路层缓冲 信道质量指示
分类号: TN929.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


随着无线通信技术和城市轨道交通的发展,无线局域网已经越来越多地应用到地铁环境中。在慢速移动环境中,无线局域网可以满足联网访问的要求;但在快速移动环境中,无线局域网对移动性的支持有所欠缺。如何提高快速移动环境中的服务质量,尤其是减少高速移动中的切换延迟和网络丢包,成为亟待解决的问题。本课题来源于江苏省重大成果转化专项“城市轨道交通列车自动控制系统”的子项目“IEEE802.11a/b/g标准、通用化的无线电台的工程化研发”。如何保证无线切换过程中的车-地通信是整个通信系统的首要问题,切换性能直接影响到无线网络的服务质量。本文首先介绍了地铁通信环境中的无线网络构成,分析了当前移动无线通信环境中存在的问题;然后对当前无线切换方案进行了比较研究,针对地铁移动无线通信环境,分别就车载无线站(STA)采用单、双无线网卡环境提出了相应的切换方案;最后分别对两种切换方案进行了系统实现和测试。在STA单无线网卡环境中,本文分别对切换过程中的延迟和丢包提出了改进方法。针对切换延迟问题,结合地铁应用环境,采用了缩减扫描信道数的方法,有效降低了扫描延迟;针对丢包现象,提出了一种数据链路层的缓冲算法——Layer2-Buff算法。该算法在数据链路层指导网络数据的传输,通过专用缓冲区进行存储转发,以降低切换过程中的丢包率,提高网络服务质量。最后采用Ixchariot和smokeping测试软件,从切换延迟、网络吞吐量和丢包率三方面对单无线网卡切换方案进行测试分析,结果表明该方案大幅降低了网络延迟,切换过程中的丢包数目也随之降低,有效提高了切换过程中的网络吞吐量。在STA双无线网卡环境中,本文控制STA的两块无线网卡协同工作,实现了软切换。首先将信道质量指示引入到无线切换中,根据列车行驶的历史数据,得到切换过程中信道质量指示的变化,以此确定更换工作网卡的时机;然后对数据传输过程进行监控,到某阈值即更换工作网卡,协调两块无线网卡共同实现软切换功能。正常情况下,一块无线网卡进行数据传输,另一块网卡做辅助功能完成切换;若出现切换异常或网卡异常,则采用单无线网卡切换机制。实验结果表明,该方案在单无线网卡切换机制的基础上,进一步解决了网络延迟问题,最大程度上保证了地铁移动通信网络环境中数据传输的可靠性。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-12
第一章 绪论  12-22
  1.1 研究背景与意义  12-13
  1.2 地铁无线网络环境  13-14
    1.2.1 无线局域网概述  13
    1.2.2 地铁WLAN 的局限性  13-14
  1.3 无线切换研究现状  14-20
    1.3.1 切换延迟  15-18
    1.3.2 平滑切换  18-19
    1.3.3 移动预测  19-20
  1.4 课题主要研究内容  20-21
  1.5 论文结构  21-22
第二章 地铁移动无线通信切换机制的总体架构  22-27
  2.1 地铁无线通信系统需求  22
  2.2 地铁无线通信系统构成  22-24
    2.2.1 功能构成  22-23
    2.2.2 硬件构成  23-24
  2.3 地铁移动无线通信的切换机制设计  24-26
    2.3.1 单无线网卡切换机制  24-25
    2.3.2 双无线网卡切换机制  25-26
  2.4 本章小结  26-27
第三章 单无线网卡切换机制的设计与实现  27-47
  3.1 问题描述  27-28
  3.2 无线信道扫描过程的改进  28-30
  3.3 Layer2-Buff 算法的设计与实现  30-37
    3.3.1 网络设备驱动程序  30-32
    3.3.2 数据缓冲区的构建  32-35
    3.3.3 缓存数据的发送  35-37
  3.4 改进信道扫描延迟的测试  37-44
    3.4.1 测试环境  37-40
    3.4.2 测试方法  40-42
    3.4.3 测试结果与分析  42-44
  3.5 Layer2-Buff 算法的测试  44-46
    3.5.1 测试环境与方法  44
    3.5.2 测试结果与分析  44-46
  3.6 本章小结  46-47
第四章 双无线网卡软切换机制设计与实现  47-58
  4.1 问题描述  47-48
  4.2 数据迁移时机  48-52
    4.2.1 天线模型  48-49
    4.2.2 信道质量建模  49
    4.2.3 获取CQI  49-51
    4.2.4 阈值判定  51-52
  4.3 数据业务迁移  52-54
  4.4 双无线网卡软切换测试  54-57
    4.4.1 测试环境与方法  54-55
    4.4.2 测试结果与分析  55-57
  4.5 本章小结  57-58
第五章 总结和展望  58-60
  5.1 论文主要工作及贡献  58-59
  5.2 下一步工作的思考  59-60
参考文献  60-64
致谢  64-65
在学期间的研究成果及发表的论文  65

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线通信 > 移动通信
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