基于Ad hoc組網(wǎng)的移動(dòng)WLAN傳輸性能分析

劉 洋

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是當(dāng)前獲得迅速發(fā)展的技術(shù)，它允許移動(dòng)用戶采用更加靈活方便的方式接入網(wǎng)絡(luò)。

由于節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信距離有限，Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)不一定都在其他所有節(jié)點(diǎn)的直接通信范圍之內(nèi)，而且受電磁干擾，地形干擾或天氣影響，節(jié)點(diǎn)的通信距離也會(huì)有所改變[1]。所以Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)的信道接入?yún)f(xié)議要充分考慮多跳帶來(lái)的隱終端、暴露終端[2]和公平性等問(wèn)題[3]。節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性造成網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化，這對(duì)接入?yún)f(xié)議和路由協(xié)議都提出了新的要求，也會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的性能[4-5]。由于影響Ad hoc 性能的因素很多，并且錯(cuò)綜復(fù)雜，所以Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試系統(tǒng)需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面的分析與理解，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)特性確定測(cè)試內(nèi)容，有針對(duì)性地選擇測(cè)試方法，進(jìn)而構(gòu)建與具體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用相適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試環(huán)境。

Ad hoc網(wǎng)絡(luò)不需要有線基礎(chǔ)設(shè)備的支持，通過(guò)移動(dòng)主機(jī)自由的組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信。它的出現(xiàn)推進(jìn)了人們實(shí)現(xiàn)在任意環(huán)境下的自由通信的進(jìn)程，同時(shí)它也為軍事通信、災(zāi)難救助和臨時(shí)通信提供了有效的解決方案[6-7]。

由于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的特殊特點(diǎn)使它都具有很強(qiáng)的實(shí)用性。但是，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的這些特殊性以及它在很多技術(shù)方面尚未成熟，使得研究高速移動(dòng)條件下Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的性能變得極其重要，原因如下：

1）由于無(wú)線信道共享、動(dòng)態(tài)拓?fù)浜湍芰渴芟薜忍匦?，使有限環(huán)境下的TCP協(xié)議在無(wú)線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，面臨著吞吐率隨移動(dòng)速度增加而急劇下降的尷尬局面，并且，當(dāng)搭建Ad hoc這類(lèi)無(wú)線局域網(wǎng)時(shí)，涉及到 802.11g協(xié)議中的正交頻分復(fù)用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplex）技術(shù)，高速移動(dòng)條件下，多普勒效應(yīng)明顯，會(huì)使子載波的正交性受到影響，從而使得子信道中的信號(hào)相互干擾，影響通信的質(zhì)量。這也是在不同的高速移動(dòng)條件下進(jìn)行Ad hoc網(wǎng)絡(luò)通信性能測(cè)試的切入點(diǎn)。

2）國(guó)內(nèi)學(xué)者所發(fā)表的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的研究的主要成果基本上集中在路由協(xié)議的一些改進(jìn)[8-9]，而在高速移動(dòng)條件下的研究基本上停留在仿真層面。

3）由于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)特性，加上基于固定網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)難以適應(yīng)動(dòng)態(tài)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和評(píng)估，國(guó)內(nèi)外尚未出現(xiàn)這種有效的測(cè)試方法。如何對(duì)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效的測(cè)量仍然是該領(lǐng)域所面臨瓶頸之一[10-11]。因此，在學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)傳輸性能測(cè)試方法的基礎(chǔ)上，找到一個(gè)對(duì)無(wú)線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度以及網(wǎng)絡(luò)傳輸性能評(píng)估的有效方法具有重要的實(shí)用價(jià)值。

實(shí)驗(yàn)在公開(kāi)場(chǎng)合、非涉密環(huán)境下，采用基于網(wǎng)卡的系統(tǒng)自帶或第三方開(kāi)發(fā)信號(hào)測(cè)試工具進(jìn)行公開(kāi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量，結(jié)合實(shí)際環(huán)境中的測(cè)試數(shù)據(jù)，總結(jié)出高速移動(dòng)條件下基于Ad hoc組網(wǎng)方式的無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN,Wireless Local Area Networks)傳輸性能的特點(diǎn)變化，得出研究結(jié)論。

1 測(cè)試分析

1.1 測(cè)試環(huán)境說(shuō)明

實(shí)驗(yàn)旨在考察不同移動(dòng)場(chǎng)景下，節(jié)點(diǎn)間位置關(guān)系對(duì)信號(hào)強(qiáng)度和平均傳輸速率的影響，同時(shí)為了不依靠昂貴的信號(hào)測(cè)試儀器，采用基于網(wǎng)卡的系統(tǒng)自帶或第三方開(kāi)發(fā)信號(hào)測(cè)試工具以及網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試程序，如Network Stumbler, Wireless Net View等，在公開(kāi)場(chǎng)合、非涉密環(huán)境下進(jìn)行公開(kāi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)試。

1.1.1 實(shí)驗(yàn)一：火車(chē)上的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

嘉陽(yáng)小火車(chē)是一輛運(yùn)行在四川南部的犍為縣城的一條只有19.84千米的窄軌鐵路火車(chē)。 據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，彎道約占軌道全長(zhǎng)的45%。

環(huán)境參數(shù)：軌道全長(zhǎng)：19.84公里；軌距:762 mm；弧線：109段；最小轉(zhuǎn)彎半徑：70 m；隧道6座，最大坡度：36‰；高差:238 m。

（1）測(cè)試場(chǎng)景

①火車(chē)在軌道上行駛，時(shí)速20 km，普通直道；②火車(chē)在軌道上行駛，時(shí)速 20 km，有彎道；③火車(chē)在軌道上行駛，時(shí)速 20 km，有隧道；④火車(chē)在軌道上行駛，時(shí)速 20 km，突然減速至停止；⑤在長(zhǎng)為200 m的隧道里，以兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的距離為變量進(jìn)行測(cè)試。

（2）測(cè)試步驟

①根據(jù)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)搭建步驟，正確搭建好網(wǎng)絡(luò)；②打開(kāi)局域網(wǎng)軟件，同時(shí)雙線進(jìn)行文件傳輸；③結(jié)束文件傳輸，記錄平均傳輸速率；④打開(kāi) Network Stumbler軟件，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度的數(shù)據(jù)收集；⑤打開(kāi)Netmeeting軟件，進(jìn)行音頻測(cè)試并記錄語(yǔ)音和視頻通信狀況；⑥保存網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度的數(shù)據(jù)信息；⑦在其他情況下，重復(fù)步驟2至步驟6。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)二：動(dòng)車(chē)上的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

成都都江堰鐵路是“5·12”汶川大地震災(zāi)后重建工程，其主線全長(zhǎng)約66.2 km，主線設(shè)12個(gè)車(chē)站。平均站間距6.0 km，最大站間距13.22 km，最小站間距0.94 km，其主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 成灌鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）測(cè)試場(chǎng)景

①動(dòng)車(chē)靜止在軌道中，兩個(gè)移動(dòng)終端分別在車(chē)廂內(nèi)外，選取車(chē)廂門(mén)為臨界點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試；②動(dòng)車(chē)在軌道上行駛，啟動(dòng)，時(shí)速?gòu)? km到190 km；③火車(chē)在軌道上行駛，時(shí)速190 km；④火車(chē)在軌道上行駛，時(shí)速89 km；

注：場(chǎng)景二、場(chǎng)景三分為在同一個(gè)車(chē)廂、隔一個(gè)車(chē)廂、隔兩個(gè)車(chē)廂、隔三個(gè)車(chē)廂進(jìn)行測(cè)試；（2）測(cè)試步驟同實(shí)驗(yàn)一

1.1.3 實(shí)驗(yàn)三：地鐵上的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

廣州地鐵三號(hào)線采用大站距快速線的設(shè)計(jì)思路，車(chē)廂長(zhǎng)度為22 m，三號(hào)線全長(zhǎng)36.86公里，共設(shè)18座車(chē)站。全線平均站間距為2.3 km，列車(chē)最高運(yùn)行速度為120 km/h，旅行速度為57.5 km/h，比常規(guī)地鐵高45%左右，快速效果明顯。

（1）測(cè)試場(chǎng)景

①地鐵行駛和停止過(guò)程中，在同一個(gè)車(chē)廂，地鐵時(shí)速 100～120 km；②地鐵行駛過(guò)程中，在相鄰車(chē)廂，地鐵時(shí)速100～120 km；③地鐵行駛過(guò)程中，中間隔著一個(gè)車(chē)廂，地鐵時(shí)速100～120 km；

（2）測(cè)試步驟同實(shí)驗(yàn)一

1.1.4 實(shí)驗(yàn)四：普通機(jī)動(dòng)車(chē)上的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

測(cè)試地點(diǎn)：①電子科技大學(xué)清水河校區(qū)西門(mén)外的公路；②高新西區(qū)派出所外的兩條相互垂直的公路；③電子科技大學(xué)清水河校區(qū)西門(mén)加油站旁邊的橋梁；

選取原因：早上 8:00～早上 10:00車(chē)輛流量較小，對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量影響較小。

（1）測(cè)試場(chǎng)景

①兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)相向而行，車(chē)速一致，分別為20 km/h或者40 km/h；（4-1,4-2）；②兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)背道而行，車(chē)速一致，分別為20 km/h或者40 km/h；(4-3,4-4)；③兩個(gè)移動(dòng)終端保持距離在5 m左右，一起向前行駛，車(chē)速一致，為30 km/h；(4-5)；④一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)靜止在路旁，另一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)以 20 km/h或者40 km/h遠(yuǎn)離或者靠近；(4-6)；⑤一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)靜止在橋下，另一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)以20 km/h或者40 km/h上橋或者下橋；(4-7)；⑥一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)靜止在路旁，另一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)仍然靜止，開(kāi)窗或者關(guān)窗；(4-8～4-12)。

（2）測(cè)試步驟

同實(shí)驗(yàn)一

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

1.2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

統(tǒng)計(jì)工具：Network Stumbler軟件，Matlab軟件，OriginPro 8軟件。

統(tǒng)計(jì)步驟：

1）用Network Stumbler軟件打開(kāi)記錄的原始數(shù)據(jù)NS2文件。

2）用截圖軟件截取得到的信號(hào)強(qiáng)度的波形圖。

3）將NS2文件導(dǎo)出到txt格式，并用OriginPro 8軟件提取TXT文件中的有用信息，將其記錄到原始數(shù)據(jù)的Excel表中。由于無(wú)法做到對(duì)實(shí)際信噪比的精確測(cè)量，均使用軟件給得的相對(duì)值進(jìn)行測(cè)試比較。

4）使用OriginPro 8軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，得到以下結(jié)果(注：由于Sig和Noise以dBm為單位，故不能直接進(jìn)行算術(shù)平均值和相對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計(jì)，需要利用 Excel表對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換和統(tǒng)計(jì))。dBm是一個(gè)考征功率絕對(duì)值的值，計(jì)算公式為：

5）將得到結(jié)果記錄到Excel中，并利用相關(guān)軟件畫(huà)出信號(hào)強(qiáng)度的變化圖。

6）將測(cè)試過(guò)程中，利用局域網(wǎng)通信軟件進(jìn)行文件傳輸，得到的平均傳輸速率同時(shí)記錄到統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的Excel表格中，以便進(jìn)行后期的分析對(duì)比；

7）將測(cè)試過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，突發(fā)情況，以及在較好的通信環(huán)境下進(jìn)行語(yǔ)音視頻通信測(cè)試的情況同時(shí)記錄到對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)表格中。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)整理，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)，大量數(shù)據(jù)反映出火車(chē)、動(dòng)車(chē)和地鐵三種測(cè)試環(huán)境下，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的不同。具體表現(xiàn)在幾個(gè)方面：信號(hào)的干擾程度：地鐵＞動(dòng)車(chē)＞火車(chē)。在高速移動(dòng)的火車(chē)內(nèi)部，動(dòng)車(chē)環(huán)境對(duì)電磁傳播影響最小，地鐵其次，火車(chē)影響最大。

2）隧道中的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能：由實(shí)驗(yàn)1-10～1-14可得，在隧道中步行進(jìn)行Ad hoc網(wǎng)絡(luò)傳輸性能測(cè)試，隧道里無(wú)任何其他信號(hào)干擾，在隧道入口和出口之間，相距200 m的距離下，網(wǎng)絡(luò)傳輸性能仍然良好，可以進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)傳輸，信噪比為31 dB，數(shù)據(jù)傳輸率為853 Kb/s。

3）Ad hoc網(wǎng)絡(luò)信號(hào)能被探測(cè)到的最大距離：由實(shí)驗(yàn)2-7和3-3可得，在動(dòng)車(chē)上相距34.5 m左右，信噪比降為8 dB；在地鐵中相距49 m左右，信噪比約為1 dB；然而這時(shí)仍然可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

4）由實(shí)驗(yàn)4-1～4-4可以得出，同一種場(chǎng)景下，移動(dòng)終端在20 km/h速度下與在40 km/h速度下組建的Ad hoc有較大差異。具體表現(xiàn)在：速度越小，信號(hào)強(qiáng)度平均值更低，信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差更小，數(shù)據(jù)平均傳輸速率更大，信號(hào)中斷時(shí)距離出發(fā)點(diǎn)更近。

5）由圖1和實(shí)驗(yàn)4-6、4-7可以看出，節(jié)點(diǎn)直線遠(yuǎn)離模型與上橋模型相比，上橋時(shí)的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能比直線遠(yuǎn)離模型的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能更差，信噪比相差4 dB，平均數(shù)據(jù)傳輸率小250 Kb/s左右。

圖1 機(jī)動(dòng)車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)傳輸性能測(cè)試直方圖

6）由實(shí)驗(yàn) 4-8～4-12可以得出，節(jié)點(diǎn)車(chē)窗關(guān)閉或打開(kāi)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸性能有較大的影響。車(chē)窗打開(kāi)時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度上升19 dBm，信號(hào)波動(dòng)變大，平均傳輸速率由1.9 Mb/s增大到2.1 Mb/s，實(shí)驗(yàn)表明，電磁波穿過(guò)汽車(chē)車(chē)體材料時(shí)，會(huì)有很大一部分能量反射。

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)在高速移動(dòng)下基于 Ad hoc組網(wǎng)方式的WLAN傳輸性能：信號(hào)強(qiáng)度、信噪比以及平均傳輸速率的測(cè)試和評(píng)估，在多種測(cè)試場(chǎng)景下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并運(yùn)用相關(guān)軟件收集數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從而對(duì)移動(dòng)速度變化、移動(dòng)區(qū)域變化、周?chē)h(huán)境等影響Ad doc網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的因素進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：地鐵環(huán)境、隧道中濕度很大的巖石結(jié)構(gòu)、火車(chē)車(chē)廂隔離材料和汽車(chē)車(chē)體材料分別對(duì)電磁傳播影響有不同程度的影響。同時(shí)，初步驗(yàn)證了移動(dòng)端點(diǎn)以不同的軌跡和速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，信號(hào)衰落情況的不同。

在今后的研究中，可以擴(kuò)展到多個(gè)移動(dòng)終端，考慮在高速移動(dòng)條件下其Ad hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的各項(xiàng)指標(biāo)，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入分析，為基于WiFi的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)部署和優(yōu)化提供參考。

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