摘 要： 主要針對無線鏈路質(zhì)量測量的方法進行整理及對比，通過對無線鏈路質(zhì)量指標的測量分析來評估質(zhì)量的好壞。通過對美國某實驗室針對roofnet無線網(wǎng)絡鏈路質(zhì)量測量統(tǒng)計出的數(shù)據(jù)進行分析，提取表征鏈路質(zhì)量的參數(shù)信息，運用MATLAB軟件對其進行仿真，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；鏈路質(zhì)量指標；評估；roofnet
近二十年來，計算機網(wǎng)絡和無線通信技術(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)絡在滿足人們寬帶接入網(wǎng)絡需求的同時，承載的業(yè)務也越來越豐富，除了傳統(tǒng)的電子郵件、網(wǎng)頁瀏覽、DNS等應用功能外，像視頻點播、VoIP、大型實時游戲、遠程醫(yī)療和IPTV等應用也在不斷涌現(xiàn)[1]。
由于在無線網(wǎng)絡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，因此與傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡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變性的特點。時變性是指傳輸媒介的質(zhì)量容易隨著時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)會根據(jù)時間段的不同而有很大的不同，從而對服務質(zhì)量造成很大的影響[2]。加上信號衰落、環(huán)境噪聲、信道干擾和周圍的人員移動等復雜環(huán)境因素的影響，節(jié)點之間的無線鏈路質(zhì)量不穩(wěn)定，所以，在實際環(huán)境中對無線鏈路質(zhì)量進行測量和分析顯得尤為重要。而現(xiàn)在大多數(shù)對無線鏈路質(zhì)量的研究都是在仿真中實現(xiàn)的，在實際環(huán)境中研究的很少，這就要求我們要更多地在實際環(huán)境中測量無線鏈路質(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，為上層應用提供參考。此外，如果能對鏈路的質(zhì)量進行合理分析和準確評估，將其應用于上層協(xié)議設計和模型優(yōu)化，必將顯著改善系統(tǒng)的性能[3]。
1 衡量鏈路質(zhì)量指標及測量方法
目前，大量研究人員對無線鏈路質(zhì)量測量問題展開了深入研究。衡量無線鏈路質(zhì)量的測度指標有多種，如信號強度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），通過對這些指標進行分析對比，指出在固定的通信速率和數(shù)據(jù)包大小的情況下，測量PDR簡單且易操作[4]。因此，它常被用來作為衡量無線鏈路質(zhì)量的量度。
進行無線鏈路質(zhì)量測量的方法還有基于IEEE 802.11無線網(wǎng)卡和MadWifi驅(qū)動，采用主動發(fā)送探測數(shù)據(jù)包或被動監(jiān)聽實際通信數(shù)據(jù)包的方式獲得無線信號，數(shù)據(jù)包可以是單播，也可以是廣播，采集段時間內(nèi)的無線信號，獲取鏈路質(zhì)量指標[5]。
EAR方案[6]將以上幾種方案結(jié)合到一起，動態(tài)、自適應地采用其中的一種方案，盡可能利用實際通信數(shù)據(jù)包，最大化測量的準確程度，并利用單播流量使測量的開銷最小化。為了將RSSI被動探測和PDR主動探測相結(jié)合，提出了突發(fā)鏈路感知的測量方法——EasiLQE[7]，此方法結(jié)合被動感知和長、短周期主動探測機制來測量無線鏈路的質(zhì)量，對突發(fā)性鏈路的測量效果顯著，通過尋找SNR與PDR的相關(guān)性，提出了SNR到PDR的映射方法。將多種探測方式相結(jié)合，選取多種鏈路質(zhì)量測度指標，是今后鏈路質(zhì)量測量方法發(fā)展的一個趨勢。
2 roofnet無線網(wǎng)絡
roofnet是在實驗IEEE 802.11b網(wǎng)狀網(wǎng)絡鏈路測量中收集的信息數(shù)據(jù)，該實驗是由麻省理工學院進行的，在劍橋提供寬帶上網(wǎng)用戶。目前在網(wǎng)絡上約有20個主動節(jié)點，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。在這個區(qū)域也有一些很高的建筑物，7個節(jié)點位于這類建筑物中。其中并不是所有節(jié)點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。實驗測量roofnet時路由關(guān)閉，因此沒有用戶流量。這個實驗是在凌晨實施的，所以論文的數(shù)據(jù)分析中忽略了無線電活動的影響。
搜集相關(guān)數(shù)據(jù)集[9-13]，這些實驗數(shù)據(jù)是來自美國一個實驗組，在每次實驗中，一個roofnet節(jié)點以盡可能快的速率發(fā)送（90 s發(fā)送1 500 B的廣播報文）。同時，網(wǎng)絡中所有其他節(jié)點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，并羅列了實驗編號以及每個廣播輪的次序、測試相位、發(fā)送節(jié)點、發(fā)送數(shù)據(jù)包的序列號和發(fā)送時間。在接收數(shù)據(jù)包中除了包含編號、廣播輪次序和測試相位外，還包含了發(fā)送及接收節(jié)點、接收到的序列號、接收時間、接收信號強度以及噪聲大小。
3 鏈路質(zhì)量評估
3.1 接收概率的空間分布
圖1說明了在3個相近的發(fā)送節(jié)點中，平均接收率為50%左右。它們3個模式是相似的，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。
除了是由于接收點和發(fā)送點的不同外，也可能是由于環(huán)境的阻礙，導致接收率的不同。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 接收概率時間變化
圖3（a）顯示了3條roofnet鏈路在1 Mb/s時發(fā)送1 500 B數(shù)據(jù)包的概率隨著時間的變化。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，最后一個節(jié)點的接收概率可達到100%。圖3（b）是3個節(jié)點接收概率的直方圖，根據(jù)這個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23 741是分散的，其他兩個節(jié)點比較集中。
在節(jié)點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行分析。通過圖4（a）可以清晰地看出接收概率隨著時間的變化情況。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。對于在分析短時間內(nèi)的鏈路質(zhì)量，選擇平均值較準確。但是兩個圖都顯示了在23 741節(jié)點出現(xiàn)間隙，這個間隙產(chǎn)生的原因只能從其他參數(shù)來分析。
通過圖5可知，第二個節(jié)點比較分散。節(jié)點23 741的方差最大，節(jié)點41 123的方差很小，幾乎可以忽略不計?？梢娫诓煌墓?jié)點，接收概率隨著時間的變化是不同的。
3.3 信號強度及噪聲的影響
給出的信號強度隨著時間的變化，接收節(jié)點依次是23 740、23 741、41 123。通過圖6的分析可知，信號越強，接收率越大，因此信號強度是影響重要因素之一。當信號強度基本處于均勻變化，為什么在圖3（a）中間節(jié)點會有那么大的波動？圖6顯示的是在傳輸數(shù)據(jù)包時受到噪聲的干擾情況。通過對噪聲干擾分析，噪聲的干擾的變化是導致接收概率浮動的重要原因。
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。同時在1 Mb/s、2 Mb/s，及5.5 Mb/s時，接收率也是呈現(xiàn)上升趨勢，但是在11 Mb/s時，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。在低比特率時沒有一個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吞吐量的明確測量，而不是間接預測。
本文主要是針對無線鏈路質(zhì)量測量的方法進行整理及對比，通過對無線鏈路質(zhì)量指標的測量分析來評估質(zhì)量的好壞。通過對美國某實驗室針對roofnet無線網(wǎng)絡鏈路質(zhì)量測量統(tǒng)計出的數(shù)據(jù)進行分析，選擇其中的一條或幾條鏈路作為研究對象，提取PDR、RSSI、SNR等表征鏈路質(zhì)量的參數(shù)信息，運用MATLAB軟件對其進行仿真，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。
參考文獻
[1] 斯桃枝.局域網(wǎng)技術(shù)與局域網(wǎng)組建[M].北京：人民郵電出版社，2009.
[2] HAYKIN S， Moderm wireless communications[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.
[3] 張輝，曹麗娜.現(xiàn)代通信原理與技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學出版社，2002.
[4] 萬蓄，匡鏡明.GSM系統(tǒng)中高效數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務的實現(xiàn)[J].通信學報，2001，22（4），112-116.
[5] 鄭洪明，朱為君，畢光國.基于智能天線陣接收的蜂窩CDMA網(wǎng)絡性能分析[J].通信學報，2001，22（4）：19-25.
[6] BANSAL N， LIU Z. Capacity， delay and mobility in wireless ad-hoc networks[C]. INFOCOM 2003， Twenty-Second Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies， IEEE， 2003（2）：1553-1563.
[7] HU Y C， JOHNSON D B. Caching strategies in on-demand ruting protocols for wireless ad hc networks[C].Proceedings of the Annual International Conference on Mobile Computing and Networking（MOBICOM），New York，2000： 231-242.
[8] JAIN R， PURI A， SENGUPTA R. Geographical routing using partial information for wireless ad hoc networks[C].IEEE Personal Communication，2001，8（1）：48-57.
[9] GILMAN T， DAVID C． Design of an application-cooperative management system for wireless sensor networks[C]. Proceedings of EWSN′05， IEEE Press，2005：121-132．
[10] SINHA P， KRISHNAMURTHY S V， DAO S. Scalable unidirectional routing with zone routingprotocol（ZRP）extensions for mobile ad-hoc networks[C]. Wireless Communications and Networking Conference， WCNC，2000（3）：23-28.
[11] RFC3561， Ad hoc on-demand distance vector （AODV） Routing. in IETF2003.
[12] WENNSTROM A， BRUNSTROM A， RENDON J. Impact of GPRS buffering on TCP performance[J]. Electronics Letters， 2004， 40（20）： 1279-1281.
[13] PADHYE J， FIROIU V， TOWSLEY D， et al. Modeling TCP throughput： a simple model and its empirical validation[C]. Proceedings of the ACM SIGCOMM′98 Conference on Applications， Technologies， Architectures， and Protocols for Computer Communication，1998：303-314.