WLAN鏈路質(zhì)量的評估與分析

【摘要】無線網(wǎng)絡(luò)，是利用無線電波作為信息傳輸?shù)拿浇闃?gòu)成的無線局域網(wǎng)。隨著無線通信改變?nèi)藗兩罘绞降耐瑫r，人們對無線網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量的要求越來越高，因而大量研究人員對無線鏈路質(zhì)量測量問題展開了深入的研究?，F(xiàn)有的研究中衡量無線鏈路質(zhì)量指標(biāo)有多種，本文采用通過MATLAB對這些指標(biāo)進(jìn)行分析，進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量的評估分析，主要是針對無線鏈路質(zhì)量測量的方法進(jìn)行整理及對比，通過對無線鏈路質(zhì)量指標(biāo)的測量分析來評估質(zhì)量的好壞。

【關(guān)鍵詞】無線網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量指標(biāo)接收概率

一、引言

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)按照通信范圍的不同可以分為局域網(wǎng)、城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)三類；在局域網(wǎng)領(lǐng)域中，按照傳輸介質(zhì)的不同可以分為有線局域網(wǎng)和無線局域網(wǎng)。無線局域網(wǎng)是指以無線信道來代替?zhèn)鹘y(tǒng)傳輸介質(zhì)所構(gòu)成的局域網(wǎng)絡(luò)，WLAN的出現(xiàn)能夠使網(wǎng)絡(luò)上的各種終端設(shè)備擺脫有線連接介質(zhì)的束縛，使其有更多的移動性，并能夠?qū)崿F(xiàn)與有線網(wǎng)絡(luò)之間的溝通[1]。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和承載業(yè)務(wù)的更新，以及外界復(fù)雜環(huán)境的各種干擾，無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展得到了限制。本文就是為了獲取當(dāng)前的鏈路質(zhì)量，選擇一種簡單、直觀的測量方法對無線鏈路進(jìn)行準(zhǔn)確的測量、分析和評估，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。

二、WLAN鏈路質(zhì)量測量評估方法

鏈路質(zhì)量的精確測定最重要的是確保該功能，例如智能路由負(fù)載平衡，功率控制和頻率選擇有效地運(yùn)行。捕獲一個無線鏈路質(zhì)量的主要指標(biāo)有4個：RSSI，SNR，PDR和BER。Angelos Vlavianos等人通過進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來評估每項(xiàng)指標(biāo)的相對精度，實(shí)驗(yàn)室對多個傳輸速率和在不同干擾水平上大規(guī)模的鏈接。每項(xiàng)指標(biāo)都有優(yōu)勢和一個或者多個限制，仔細(xì)考慮這些限制因素是很必要的，會提供對每項(xiàng)指標(biāo)的適用性指導(dǎo)[5]。

三、Roofnet無線網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量評估

Roofnet是在實(shí)驗(yàn)IEEE 802.11b網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)鏈路測量中收集的信息數(shù)據(jù)，該實(shí)驗(yàn)是有麻省理工學(xué)院進(jìn)行的，在劍橋提供寬帶上網(wǎng)用戶。目前約20主動節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)上，其中分布情況如圖1所示。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(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。

圖中每一個圓圈代表一個節(jié)點(diǎn)。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)測量Roofnet時路由關(guān)閉，因此沒有用戶流量。這個實(shí)驗(yàn)是在凌晨實(shí)施，所以論文的數(shù)據(jù)分析中忽略了無線電活動的影響。

本文中大部分的roofnet數(shù)據(jù)是來自一個單一的實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中，每個節(jié)點(diǎn)依次以最快的速度發(fā)送1500字節(jié)的802.11廣播數(shù)據(jù)包，而其余的節(jié)點(diǎn)被動的接收。每個發(fā)件人發(fā)送每個廣播數(shù)據(jù)包為90s。實(shí)驗(yàn)使用的是802.11廣播包，它的特點(diǎn)是沒有鏈路的確認(rèn)和重傳。

每個數(shù)據(jù)包包括一個唯一的序列號，發(fā)件人記錄了發(fā)送每個數(shù)據(jù)包的時間，以及所有節(jié)點(diǎn)每個接收包的序列號，抵達(dá)時間，信號強(qiáng)度，噪聲的數(shù)據(jù)。

這個數(shù)據(jù)集用到的無線鏈路質(zhì)量測量方法是基于廣播的探測包法。該方法是通過UDP廣播探測包計(jì)算出兩節(jié)點(diǎn)之間無線信道的丟包率，并從硬件上獲取如RSSI，SNR等相關(guān)信息，從而可以完成對無線信道質(zhì)量的評估。

由于無線網(wǎng)絡(luò)中的鏈路都是雙向的，所以在用基于廣播探測包的方法測量鏈路的丟包率時要考慮鏈路兩個方向的丟包率。鏈路中的一個端點(diǎn)可以在向?qū)Ψ桨l(fā)送探測包時，捎帶傳送它統(tǒng)計(jì)的對鏈路的測量數(shù)據(jù)。根據(jù)802.11技術(shù)，我們知道基于廣播的探測包沒有重傳和確認(rèn)，一個節(jié)點(diǎn)測量的鏈路的丟包率信息都是基于自己和鄰居節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)的信息，即對于一個節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B之間的鏈路，設(shè)df為前向包交付率（A→B），dr為反向包交付率（B→A），則數(shù)據(jù)在鏈路AB上成功交付的概率可表示為p=pf×pr，通常這條鏈路的丟包率就為1-p。

Prism 2.5芯片組提供RSSI和沉默值的每幀測量。RSSI反映了當(dāng)接收每幀信號時，無線電硬件提供的總功率，包括信號、干擾和背景噪聲。沉默值反映了在幀開始之前的總功率。通過頻譜分析儀對比分析，RSSI和沉默值的準(zhǔn)確性是小于4分貝的，本文是從RSSI和沉默值來派生信號噪聲比。

四、鏈路質(zhì)量評估

在本節(jié)中主要根據(jù)有關(guān)鏈路質(zhì)量的衡量指標(biāo)，針對發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析。這個數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)是分別在不同的比特率，不同的發(fā)送節(jié)點(diǎn)，以及在相同的發(fā)送節(jié)點(diǎn)不同的接收節(jié)點(diǎn)的情況下，測量得到的。先對數(shù)據(jù)進(jìn)行總體分析，再選擇其中一條或幾條鏈路，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析鏈路的質(zhì)量，并分析對鏈路質(zhì)量的影響因素。

4.1接收概率的空間分布

圖2顯示了節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)包roofnet在不同的802.11傳輸速率接收概率分布。每個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)在一個特定比特率的發(fā)送器和接收器。該圖僅包括節(jié)點(diǎn)對之間至少有一個包被接收到，從而反映不同的比特率對不同節(jié)點(diǎn)對。

不僅在接收點(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)境中的障礙物等不同因素造成的，并不是通過空間路徑損耗?？梢耘袛嚯S著距離的增大，接收概率呈現(xiàn)降低趨勢。

4.2接收概率時間變化

實(shí)驗(yàn)中顯示了三條roofnet鏈路在1Mbit/s時發(fā)送1500字節(jié)數(shù)據(jù)包的概率隨著時間的變化。在連續(xù)200毫秒間隔的接收概率在50%附近，最后一個節(jié)點(diǎn)的接收概率可達(dá)到100%。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(zhǔn)確。

除此之外，還可以利用方差的方法來分析接收概率的分布情況，通過分析以200 ms為間隔的每秒的方差。在不同的節(jié)點(diǎn)，接收概率隨著時間的變化是不同的。在相同的傳輸情況下，為什么會有如此差別，雖然上文已經(jīng)介紹了距離對于接收概率的影響，但是影響并不會造成如此大的差異。同時在某時間段出現(xiàn)斷點(diǎn)，通過分析發(fā)現(xiàn)，在這時間段沒有接受到數(shù)據(jù)包。

4.3信號強(qiáng)度及噪聲的影響

損失率的另一個可能原因是在許多環(huán)節(jié)都有信噪比引起的。隨著時間的變化，信號越強(qiáng)，接收率越大，因此信號強(qiáng)度是影響重要因素之一。在傳輸數(shù)據(jù)包的時候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(dǎo)致接收概率浮動的重要原因。從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)傳輸過程中，噪聲干擾幾乎為零。接收概率隨著時間的變化和信噪比的變化趨勢是相似的。因此，在相同的傳輸速率條件下，可以判斷信噪比對接收概率的影響比較大。

4.4發(fā)送比特率的影響

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、2，及5.5Mbit/s時，接收率也是呈現(xiàn)上升趨勢，但是在11Mbit/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。

在低比特率的表現(xiàn)沒有一個很好的高接收率的性能，例如，有很多鏈接在1Mbit/s的高損失率，將有比11Mbit/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(yù)測。

五、總結(jié)

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)的不斷提高，人們越來越希望能夠方便快捷的接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的傳輸和分享，在這種環(huán)境的督促下，無線網(wǎng)絡(luò)也有了很大的發(fā)展。同時，隨著無線網(wǎng)絡(luò)中各種業(yè)務(wù)的不斷增加，對無線網(wǎng)絡(luò)的鏈路質(zhì)量也有了比較高的要求，特別是在傳輸數(shù)據(jù)時丟失率的問題。在本文中，總結(jié)了在無線網(wǎng)絡(luò)中鏈路測量方法及質(zhì)量評估方法。并針對鏈路質(zhì)量衡量指標(biāo)分析roofnet無線網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。分析在不同的信號強(qiáng)度、不同的距離、不同的傳輸速率等條件下，數(shù)據(jù)包接收概率的分布情況。在處理數(shù)據(jù)的時候，不同的參數(shù)及參數(shù)之間關(guān)系，可以選擇合適的處理方法，常用的數(shù)據(jù)分析，是數(shù)字特征。為了更能清楚地知道兩個參數(shù)的關(guān)系，可以利用擬合曲線來表明兩者趨勢，例如最小二乘擬合曲線。在繪制圖形中，可以根據(jù)所給出的數(shù)據(jù)，畫出散點(diǎn)圖、直方圖等。

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