摘  要： 主要針對(duì)無線鏈路質(zhì)量測(cè)量的方法進(jìn)行整理及對(duì)比，通過對(duì)無線鏈路質(zhì)量指標(biāo)的測(cè)量分析來評(píng)估質(zhì)量的好壞。通過對(duì)美國(guó)某實(shí)驗(yàn)室針對(duì)roofnet無線網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量測(cè)量統(tǒng)計(jì)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取表征鏈路質(zhì)量的參數(shù)信息，運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)其進(jìn)行仿真，分析無線鏈路信道的特征及其影響無線鏈路質(zhì)量的相關(guān)因素。
關(guān)鍵詞： 無線網(wǎng)絡(luò)；鏈路質(zhì)量指標(biāo)；評(píng)估；roofnet

　近二十年來，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和無線通信技術(shù)發(fā)展得越來越快，給人們的生活帶來了更多的便利，用戶數(shù)量也因此急劇增多。無線網(wǎng)絡(luò)在滿足人們寬帶接入網(wǎng)絡(luò)需求的同時(shí)，承載的業(yè)務(wù)也越來越豐富，除了傳統(tǒng)的電子郵件、網(wǎng)頁瀏覽、DNS等應(yīng)用功能外，像視頻點(diǎn)播、VoIP、大型實(shí)時(shí)游戲、遠(yuǎn)程醫(yī)療和IPTV等應(yīng)用也在不斷涌現(xiàn)[1]。
　由于在無線網(wǎng)絡(luò)中是采用無線信道作為傳輸媒介，先天性地有著不穩(wěn)定的特點(diǎn)，因此與傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)傳輸相比更加不可靠，更容易受到物理環(huán)境和同頻率無線網(wǎng)絡(luò)的影響。在無線局域網(wǎng)中作為傳輸載體的無線信道有著時(shí)變性的特點(diǎn)。時(shí)變性是指?jìng)鬏斆浇榈馁|(zhì)量容易隨著時(shí)間的變化而有很大的不同。具體來說，就是在無線局域網(wǎng)中的丟包率、誤幀率和重傳次數(shù)會(huì)根據(jù)時(shí)間段的不同而有很大的不同，從而對(duì)服務(wù)質(zhì)量造成很大的影響[2]。加上信號(hào)衰落、環(huán)境噪聲、信道干擾和周圍的人員移動(dòng)等復(fù)雜環(huán)境因素的影響，節(jié)點(diǎn)之間的無線鏈路質(zhì)量不穩(wěn)定，所以，在實(shí)際環(huán)境中對(duì)無線鏈路質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量和分析顯得尤為重要。而現(xiàn)在大多數(shù)對(duì)無線鏈路質(zhì)量的研究都是在仿真中實(shí)現(xiàn)的，在實(shí)際環(huán)境中研究的很少，這就要求我們要更多地在實(shí)際環(huán)境中測(cè)量無線鏈路質(zhì)量，收集分析相關(guān)的鏈路質(zhì)量反映參數(shù)，總結(jié)無線鏈路傳輸規(guī)律，為上層應(yīng)用提供參考。此外，如果能對(duì)鏈路的質(zhì)量進(jìn)行合理分析和準(zhǔn)確評(píng)估，將其應(yīng)用于上層協(xié)議設(shè)計(jì)和模型優(yōu)化，必將顯著改善系統(tǒng)的性能[3]。
1 衡量鏈路質(zhì)量指標(biāo)及測(cè)量方法
　目前，大量研究人員對(duì)無線鏈路質(zhì)量測(cè)量問題展開了深入研究。衡量無線鏈路質(zhì)量的測(cè)度指標(biāo)有多種，如信號(hào)強(qiáng)度RSSI（Received Signal Strength Indication）、信噪比SNR（Signal-to-Noise Ratio）、接收率PDR（Packet-Delivery Ratio）、誤碼率BER（Bit-Error Rate）和鏈路質(zhì)量指示LQI（Link Quality Indication），通過對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行分析對(duì)比，指出在固定的通信速率和數(shù)據(jù)包大小的情況下，測(cè)量PDR簡(jiǎn)單且易操作[4]。因此，它常被用來作為衡量無線鏈路質(zhì)量的量度。
　進(jìn)行無線鏈路質(zhì)量測(cè)量的方法還有基于IEEE 802.11無線網(wǎng)卡和MadWifi驅(qū)動(dòng)，采用主動(dòng)發(fā)送探測(cè)數(shù)據(jù)包或被動(dòng)監(jiān)聽實(shí)際通信數(shù)據(jù)包的方式獲得無線信號(hào)，數(shù)據(jù)包可以是單播，也可以是廣播，采集段時(shí)間內(nèi)的無線信號(hào)，獲取鏈路質(zhì)量指標(biāo)[5]。
　EAR方案[6]將以上幾種方案結(jié)合到一起，動(dòng)態(tài)、自適應(yīng)地采用其中的一種方案，盡可能利用實(shí)際通信數(shù)據(jù)包，最大化測(cè)量的準(zhǔn)確程度，并利用單播流量使測(cè)量的開銷最小化。為了將RSSI被動(dòng)探測(cè)和PDR主動(dòng)探測(cè)相結(jié)合，提出了突發(fā)鏈路感知的測(cè)量方法——EasiLQE[7]，此方法結(jié)合被動(dòng)感知和長(zhǎng)、短周期主動(dòng)探測(cè)機(jī)制來測(cè)量無線鏈路的質(zhì)量，對(duì)突發(fā)性鏈路的測(cè)量效果顯著，通過尋找SNR與PDR的相關(guān)性，提出了SNR到PDR的映射方法。將多種探測(cè)方式相結(jié)合，選取多種鏈路質(zhì)量測(cè)度指標(biāo)，是今后鏈路質(zhì)量測(cè)量方法發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。
2 roofnet無線網(wǎng)絡(luò)
　roofnet是在實(shí)驗(yàn)IEEE 802.11b網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)鏈路測(cè)量中收集的信息數(shù)據(jù)，該實(shí)驗(yàn)是由麻省理工學(xué)院進(jìn)行的，在劍橋提供寬帶上網(wǎng)用戶。目前在網(wǎng)絡(luò)上約有20個(gè)主動(dòng)節(jié)點(diǎn)，主要有該地區(qū)集中在三四層樓的房子，大多數(shù)天線安裝在房子的煙囪上方兩三英尺處。在這個(gè)區(qū)域也有一些很高的建筑物，7個(gè)節(jié)點(diǎn)位于這類建筑物中。其中并不是所有節(jié)點(diǎn)都在房頂安裝全向性天線，有少數(shù)用戶更適合放置或者掛窗外天線[8]。所有節(jié)點(diǎn)位于志愿者的公寓，沒有特殊安排，超越了基本的無線電連接。實(shí)驗(yàn)測(cè)量roofnet時(shí)路由關(guān)閉，因此沒有用戶流量。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是在凌晨實(shí)施的，所以論文的數(shù)據(jù)分析中忽略了無線電活動(dòng)的影響。
　搜集相關(guān)數(shù)據(jù)集[9-13]，這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是來自美國(guó)一個(gè)實(shí)驗(yàn)組，在每次實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)roofnet節(jié)點(diǎn)以盡可能快的速率發(fā)送（90 s發(fā)送1 500 B的廣播報(bào)文）。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中所有其他節(jié)點(diǎn)收取并記錄它們收到的數(shù)據(jù)包。
該文件中包含發(fā)送數(shù)據(jù)包和接收數(shù)據(jù)包，發(fā)送數(shù)據(jù)包文件中列出了所有被發(fā)送的數(shù)據(jù)包，并羅列了實(shí)驗(yàn)編號(hào)以及每個(gè)廣播輪的次序、測(cè)試相位、發(fā)送節(jié)點(diǎn)、發(fā)送數(shù)據(jù)包的序列號(hào)和發(fā)送時(shí)間。在接收數(shù)據(jù)包中除了包含編號(hào)、廣播輪次序和測(cè)試相位外，還包含了發(fā)送及接收節(jié)點(diǎn)、接收到的序列號(hào)、接收時(shí)間、接收信號(hào)強(qiáng)度以及噪聲大小。
3 鏈路質(zhì)量評(píng)估
3.1 接收概率的空間分布
　圖1說明了在3個(gè)相近的發(fā)送節(jié)點(diǎn)中，平均接收率為50%左右。它們3個(gè)模式是相似的，在某種程度上，距離越近接收概率越大。為了清晰分析一條鏈路接收概率與距離的關(guān)系，圖2顯示了發(fā)送節(jié)點(diǎn)23 633的接收概率與距離的關(guān)系。通過最小二乘曲線擬合，可以判斷隨著距離的增大，接收概率呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。
　除了是由于接收點(diǎn)和發(fā)送點(diǎn)的不同外，也可能是由于環(huán)境的阻礙，導(dǎo)致接收率的不同。例如，不同的天線高度、多徑衰落，環(huán)境中的障礙物等因素，并不是通過空間路徑損耗。

3.2 接收概率時(shí)間變化
　圖3（a）顯示了3條roofnet鏈路在1 Mb/s時(shí)發(fā)送1 500 B數(shù)據(jù)包的概率隨著時(shí)間的變化。圖中所示是連續(xù)200 ms間隔的接收概率，在前兩幅圖中，接收概率在50%附近，最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)的接收概率可達(dá)到100%。圖3（b）是3個(gè)節(jié)點(diǎn)接收概率的直方圖，根據(jù)這個(gè)直方圖可以很清晰地知道接收概率的分布情況。通過圖3（b）可以知道，節(jié)點(diǎn)23 741是分散的，其他兩個(gè)節(jié)點(diǎn)比較集中。

　在節(jié)點(diǎn)23 740和23 741中，接收概率的輪廓比較模糊，選擇求取間隔200 ms中每秒的平均值來進(jìn)行分析。通過圖4（a）可以清晰地看出接收概率隨著時(shí)間的變化情況。通過圖4（a）和圖4（b）的比較可知，利用中位數(shù)的分析方法，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。對(duì)于在分析短時(shí)間內(nèi)的鏈路質(zhì)量，選擇平均值較準(zhǔn)確。但是兩個(gè)圖都顯示了在23 741節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)間隙，這個(gè)間隙產(chǎn)生的原因只能從其他參數(shù)來分析。
　通過圖5可知，第二個(gè)節(jié)點(diǎn)比較分散。節(jié)點(diǎn)23 741的方差最大，節(jié)點(diǎn)41 123的方差很小，幾乎可以忽略不計(jì)。可見在不同的節(jié)點(diǎn)，接收概率隨著時(shí)間的變化是不同的。

3.3 信號(hào)強(qiáng)度及噪聲的影響
　給出的信號(hào)強(qiáng)度隨著時(shí)間的變化，接收節(jié)點(diǎn)依次是23 740、23 741、41 123。通過圖6的分析可知，信號(hào)越強(qiáng)，接收率越大，因此信號(hào)強(qiáng)度是影響重要因素之一。當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度基本處于均勻變化，為什么在圖3（a）中間節(jié)點(diǎn)會(huì)有那么大的波動(dòng)？圖6顯示的是在傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)受到噪聲的干擾情況。通過對(duì)噪聲干擾分析，噪聲的干擾的變化是導(dǎo)致接收概率浮動(dòng)的重要原因。

3.4 發(fā)送比特率的影響
　通過分析圖8、圖9可知，發(fā)送數(shù)據(jù)包和接收數(shù)據(jù)包總體是隨著比特率的增大而呈上升趨勢(shì)。同時(shí)在1 Mb/s、2 Mb/s，及5.5 Mb/s時(shí)，接收率也是呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但是在11 Mb/s時(shí)，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量以及接收率都發(fā)生了明顯的變化。所以在數(shù)據(jù)包傳輸過程中，每種速率的效率是不一樣的，并不是說速率越快效率越高。
　通過圖8和圖9顯示了802.11比特率選擇算法的影響。在低比特率時(shí)沒有一個(gè)很好的高接收率的性能，例如，有很多鏈接在1 Mb/s比11 Mb/s更高的吞吐量。這意味著比特率的選擇必須基于不同的接收率對(duì)吞吐量的明確測(cè)量，而不是間接預(yù)測(cè)。

　本文主要是針對(duì)無線鏈路質(zhì)量測(cè)量的方法進(jìn)行整理及對(duì)比，通過對(duì)無線鏈路質(zhì)量指標(biāo)的測(cè)量分析來評(píng)估質(zhì)量的好壞。通過對(duì)美國(guó)某實(shí)驗(yàn)室針對(duì)roofnet無線網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量測(cè)量統(tǒng)計(jì)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選擇其中的一條或幾條鏈路作為研究對(duì)象，提取PDR、RSSI、SNR等表征鏈路質(zhì)量的參數(shù)信息，運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)其進(jìn)行仿真，分析無線鏈路信道的特征及其影響無線鏈路質(zhì)量的相關(guān)因素。
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