1、地礦測繪 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無線局域網數據傳輸在導航定位系統中的時延分析*顧 青1,李 寶1,潘洪松2(1.中國船舶重工集團公司750試驗場,云南昆明 650051;2.北京七維航測科技發展有限公司,北京 100080摘要:首先介紹了集群式車船G PS導航定位系統各移動站實現數據共享的無線數據通訊方法,并通過試驗對無線網絡進行數據傳輸產生的時間延遲進行了測試,同時給出了具體的試驗方案,最終通過對試驗數據的

2、分析,得出了一些有益的結論。關鍵詞:導航定位系統;無線數據傳輸;時延中圖分類號:P228 4;T P391 文獻標識碼:B 文章編號: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 引言各無線數據通信系統對于多個目標測量數據的傳輸方式從原理上可以劃分為頻分多址、碼分多址、時分

5、多址和無線網絡等4種。傳統采用的手段主要是頻率分割體制,即給多個目標分別分配不同的頻點。為防止多個頻率信號互相干擾,通常相鄰點頻之間必須留有足夠的隔離空間,隨著測量目標數的增加,需要占用的射頻帶寬急劇增加。而國際電聯分配的S頻段頻率范圍是22002400M H z,采用頻分多址不僅在有限的頻帶內可支持的目標數有限,同時給資源的合理分配帶來極大困難。而直接序列擴頻和多載波直擴慢跳頻等碼分多址技術因其大容量及高速率數據傳輸等特點,在移動通信和多媒體通信領域已廣泛應用,但該技術多徑傳播引起的頻率選擇性衰落也會因此而變得明顯,更為關鍵的是其建設和日常維護成本較高,因此在用戶不多的通訊系統中很少采用。傳

6、統的時分多址技術通過進行時間片的分割完成多目標測量數據的無線傳輸。由于其占用頻點較少,設計簡單且時延較小得到了很多小規模無線數傳系統的采用。但目標增多后受數據刷新頻率的要求限制,經過精細分割的時間段內已無法保證數據的傳輸。但在新一代指揮調度系統中,要實現上千臺車輛或船只等移動站的導航定位和數據共享,并且在進行RTK差分的同時將多運動目標的定位信息、速度、航向角、定位狀態和交通報告等信息通過無線數據傳輸系統以110H z的頻率發布給指控調度中心以及其他目標。由于應用中定位目標數目多,相應需要傳輸的信息量就大,對無線數據傳輸系統提出了新的要求,以往應用于系統的TDM A模式不利于數據傳輸量大的傳輸

7、。本文提出一種長距離、高速率和多協議的無線網絡解決方案,即在GPS導航定位系統中數據的無線傳輸采用網絡電臺。該方案可以應用于數據傳輸量大、距離遠、網絡中既有串口設備又有以太網設備的系統?；谀壳安捎肦TK差分車/船的精度都可以達到亞米級,對于車/船的實時動態定位精度完全可以滿足要求,因此在方案中重點關注采用無線網絡進行數據傳輸方式下的系統時間延遲情況,并通過試驗對各種使用情況進行測試。1 測試系統構成系統由指揮控制中心、RTK差分基準站和多個車/船載G PS 移動站構成,系統構成框圖,見圖1。無線數據傳輸網絡系統覆蓋了包括指揮調度中心、差分基準站和多個移動站在內的串口設備和以太網設備,基于點對

8、點(移動站到基準站和點對多點(基準站到移動站的組網方式?；鶞收竟潭ㄔO在地理位置較13*收稿日期:2010-09-04高的地點,移動站活動于400k m 2范圍的區域。網絡電臺采用目前較為通用的350MH z 的M DS 數傳電臺。數據傳輸協議有TCP 和U DP 兩種,為有效保障系統的可靠性,基準站的差分數據和指揮中心的命令采用U DP 協議傳輸,各移動站的定位和導航數據以及報警信息采用TCP /I P 協議進行向基準站的單向傳輸,基準站將各移動站的有效數據進行打包再采用TCP /IP 協議發往有選則性的IP 地址(移動站 。圖1 系統構成框圖F i g .1 B l ock d i agra

9、 m o f syste m for m ation2 網絡時延測試數據傳輸的網絡化解決了數據傳輸量大,傳輸速率高的問題。然而,網絡時延成為系統的關鍵問題。網絡時延的計算一直以來都比較復雜,為了驗證數據傳輸過程中的時間延遲現象和分析造成網絡時延的因素,針對時延做了一系列的試驗測試。試驗中用4個移動站和一個基準站組成的數據傳輸系統模擬實際應用系統,在移動站以不同頻率輸出本站信息、基準站以不同頻率輸出差分信息的情況下,分別測試網絡時延。2.1 試驗1UD P 協議數據頻率2H z ,各移動站數據以20H z 的頻率上傳。試驗準備:1按照圖2配置移動站和基準站,完成硬件連接;2用網絡監控軟件W il

10、 dP ackets EtherPeek NX 監控網絡上固定IP 地址的TCP /IP 協議數據包,并記錄下每個數據包發生時刻;3網絡延時估計:利用網絡監控軟件監控到的兩個相鄰數據包發生時刻差估計網絡延時,相鄰兩包數據時間差減去1/數據輸出率,即為數據在傳播路徑上的延時。4個移動站20H z 的數據輸出模擬實際應用系統全部的數據傳量,驗證系統數據滿荷傳輸對系統的影響。按照圖2配置移動站及基準站硬件,設置基準站通過串口發送差分信息,移動站通過網口回傳20H z 的本站信息數據。試驗步驟如下:1直接將移動站GPS 網口與筆記本電腦網口連接,檢測由移動站網口發送的20H z 數據語句在未經電臺傳輸

11、時的延遲情況。由W ildPacke ts E the rPeek NX 軟件得到的筆記本網口相鄰兩包數據時間延遲曲線,如圖3(a所示。2步驟1的基礎上將1#移動站GPS 接收機網口與1#移動站網絡電臺的網口連接;將筆記本電腦的網口與2#移動站網絡電臺的網口連接。檢測移動站數據在經過M DS 電臺網絡的傳輸后的延遲情況。由W ildPacke ts E t herP eek NX 軟件得到的筆記本網口相鄰兩包數據時間延遲曲線如圖3(b所示。3在步驟2的基礎上將1#移動站GPS 接收機和1#移動站M DS 網絡電臺之間加上路由器;將2#移動站M DS 網絡電臺和筆記本電腦之間加上路由器。檢測路由

12、器對整個傳輸鏈路延遲的影響。由W ildPacke ts E t herP eek NX 軟件得到的筆記本網口相鄰兩包數據時間延遲曲線如圖3(c所示。4保持步驟3的連接狀態不變,打開基準站GPS 轉發軟件。2#移動站的筆記本電腦改為接收基準站上發的打包語句。檢測基準站軟件對整個鏈路傳輸延遲的影響。由W il dP ackets E the r P eek NX 軟件得到的筆記本網口相鄰兩包數據時間延遲曲線,如圖3(d所示。5保持步驟4的狀態不變,設置基準站GPS 接收機的COM 2口發送RTK 差分語句。將基準站、1#移動站、2#移動站的GPS 接收機COM 2口與M D S 網絡電臺的COM

13、 2口連接。檢測基準站在發送差分信息(即UDP 廣播時對整個鏈路傳輸延遲的影響。由W ildPacke ts E t herP eek NX 軟件得到的筆記本網口相鄰兩包數據時間延遲曲線,如圖3(e 所示。圖2 移動站及基準站硬件配置圖F i g .2 H ard w are con figuration o fm obil e station and reference station14 地礦測繪 2010年12月圖3 相鄰兩包數據時間延遲曲線F ig.3 T i m e de l ay curve o f t wo bags o f da ta w hich adjacent試驗數據對比

14、,見表1。表1 試驗數據對比T ab.1 T esti ng data contrast圖 號說 明百分比/%>0.25s>0.3s>0.4s>0.5s圖3(aGPS網口輸出0.02000圖3(dGPS+電臺+路由+基準站打包軟件圖3(eGPS+電臺+路由+基準站打包軟件+UDP2.2 試驗2UD P協議數據頻率2H z,各移動站數據以2H z的頻率上傳。移動站2H z數據輸出即以實際應用系統的數據輸出率,用筆記本電腦代替移動站接收機模擬數據輸出,驗證實際數據輸出率時對系統的影響。對設備進行必要設置,試驗過程如下:1將1#站PC網口與1#移動站網絡電臺的網口連接;將2#

15、站PC的網口與2#移動站網絡電臺的網口連接。設置1#筆記本網口發送2H z的best xy z b數據。同時打開1#站PC和2#站PC 的E t herP eek NX軟件。檢測移動站數據在經過M DS電臺網絡的傳輸后的延遲情況。圖4為未經M DS電臺傳輸相鄰兩包數據時間延遲曲線,圖5為經過M DS電臺傳輸后相鄰兩包數據時間延遲曲線。試驗數據對比,見表2 。圖4 未經M D S電臺傳輸相鄰兩包數據時間延遲曲線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圖5 經過M D S電臺傳輸相鄰兩包數據時間延遲曲線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期顧 青,李 寶,潘洪松:無線局域網數據傳輸在導航定位系統中的時延分析 表2 試驗數據對比T ab .2 T esti ng data contrast圖號說 明百分比/%經電臺傳輸48.740.09372保持步驟1的狀態不變,設置G PS 接收機的COM 2口發

17、送RTK 差分語句。將基準站、1#移動站、2#移動站的GPS 接收機COM 2口與M DS 網絡電臺的COM 2口連接。檢測基準站在發送差分信息(即UDP 廣播時對整個鏈路傳輸延遲的影響。圖6為未經M D S 電臺傳輸相鄰兩包數據時間延遲曲線,圖7為經過M DS 電臺傳輸后相鄰兩包數據時間延遲曲線。圖6 未經M DS 電臺傳輸相鄰兩包數據時間延遲曲線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圖7 經過

18、M DS 電臺傳輸相鄰兩包數據時間延遲曲線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 試驗數據對比,見表3。表3 數據對比T ab .3 Da ta contrast圖號說 明百分比/%>0.5s>0.55s>0.6s 圖6發送端數據18.8500圖7經電臺傳輸+UDP49.00.10252.3 試驗3 改變U DP 協議數據頻率:1移動站以20H z 輸出數據,基準站以1H z

19、 輸出差分信息時,試驗過程及結果如試驗1中的第5步。2移動站以2H z 輸出數據,基準站以1H z 輸出差分信息時,試驗過程及結果如試驗2中的第2步。3移動站以20H z 輸出數據,基準站以0.1H z 輸出差分信息,筆記本電腦檢測2#移動站電臺網口接收到的相鄰兩包數據間隔時間。由W il dP ackets EtherPeek NX 軟件得到的筆記本網口相鄰兩包數據時間延遲曲線,如圖8(a所示。4移動站以20H z 輸出數據,基準站發送以0.2H z 發送差分信息時,筆記本電腦檢測2#移動站電臺網口接收到的相鄰兩包數據間隔時間。由W il dP ackets EtherPeek NX 軟件得

20、到的筆記本網口相鄰兩包數據時間延遲曲線,如圖8(b所示。圖8 相鄰兩包數據時間延遲曲線F i g .8 T i m e delay curve of ad j acen t t wo bags o f da ta試驗數據對比,見表4。表4 數據對比T ab .4 D ata contrast說 明百分比/%>0.25s >0.3s>0.4s >0.5s GPS 網口輸出0.0750.0160.005GPS+電臺+基準站打包軟件+1H z 差分(UDP16 地礦測繪 2010年12月3 網絡時延分析3.1 數據傳輸網絡鏈路的理論分析本系統中移動站數據傳輸鏈路從G PS接收

21、機網口輸出,經路由器、網絡電臺、空中傳輸、基站網絡電臺、基站打包轉發、基站網絡電臺、空中傳輸至各移動站網絡電臺到應用終端;基準站信息從基準站接收機串口出,經基準站網絡電臺、空中傳輸、各移動站網絡電臺、各移動站接收機串口。理想狀況下,即不考慮數據的網絡擁塞、數據排隊延時等因素,以單幀移動站信息80B、單幀基站差分信息150B計算,網絡有線部分數據達10M b/s,這部分傳輸延時可忽略,空中傳輸速率256K b/s,則移動站信息空中傳輸時延為80B/256K b/s=2.5m s,差分信息傳輸時延為150B/256K b/s=4.69m s,差分信息串口傳輸時延為150B/119200b/s=10

22、.07m s。路由器、網絡電臺設備等轉換時間均不超過10m s,由此可知:單幀移動站信息經網絡鏈路傳輸延時約為10+10+2 5+10+10+10+2 5+10=65m s,單幀差分信息經網絡鏈路傳輸時延約為10 07+10+4 69+10+ 10 07=44.83m s。3.2 試驗數據分析網絡延時驗證試驗中,都是對數據信息進行持續地監控和紀錄,用數據統計的方法對試驗數據進行分析。從文中統計數據可以看出:1移動站以20H z輸出數據時,從接收機網口出來的數據間隔應為50m s,而試驗結果卻約為200m s。這是因為移動站信息以TCP協議打包傳輸,TCP協議是面向連接的可靠傳輸,數據發出后需收到接收方確認后才發送下一次數據,而接收端收到數據后要等待一個時間才向發送端發送接收確認信息,這樣就造成了大約200m s的延時。而移動站以2H z輸出數據時就不存在這種延時。2基準站不發送差分信息的情況下,移動站信息經整個網絡傳輸鏈路傳輸后的延時約為30m s,與理論計算較為符合(按照試驗2第1步的硬件配置理論值約為22.5m s。3基準站發送差分信息的頻率對移動站信息傳輸延時影響較大,從試驗數據看,以0.1H z頻率發送差分信息時,移動站數據傳輸的延時可控制在40m s范圍內。