摘 要： 主要針對無線鏈路質量測量的方法進行整理及對比,，通過對無線鏈路質量指標的測量分析來評估質量的好壞,。通過對美國某實驗室針對roofnet無線網(wǎng)絡鏈路質量測量統(tǒng)計出的數(shù)據(jù)進行分析，提取表征鏈路質量的參數(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量的相關因素。
關鍵詞： 無線網(wǎng)絡,；鏈路質量指標,；評估；roofnet
近二十年來,，計算機網(wǎng)絡和無線通信技術發(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量不穩(wěn)定，所以,，在實際環(huán)境中對無線鏈路質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量,，收集分析相關的鏈路質量反映參數(shù)，總結無線鏈路傳輸規(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 衡量鏈路質量指標及測量方法
目前,，大量研究人員對無線鏈路質量測量問題展開了深入研究,。衡量無線鏈路質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量的量度,。
進行無線鏈路質量測量的方法還有基于IEEE 802.11無線網(wǎng)卡和MadWifi驅動，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,，獲取鏈路質量指標[5],。
EAR方案[6]將以上幾種方案結合到一起，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主動探測相結合，提出了突發(fā)鏈路感知的測量方法——EasiLQE[7],，此方法結合被動感知和長,、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的相關性,，提出了SNR到PDR的映射方法。將多種探測方式相結合,，選取多種鏈路質量測度指標,，是今后鏈路質量測量方法發(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系,，圖2顯示了發(fā)送節(jié)點23 633的接收概率與距離的關系。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量測量的方法進行整理及對比,，通過對無線鏈路質量指標的測量分析來評估質量的好壞。通過對美國某實驗室針對roofnet無線網(wǎng)絡鏈路質量測量統(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量的相關因素,。
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