WLAN鏈路質量的評估與分析

【摘要】無線網絡，是利用無線電波作為信息傳輸的媒介構成的無線局域網。隨著無線通信改變人們生活方式的同時，人們對無線網絡鏈路質量的要求越來越高，因而大量研究人員對無線鏈路質量測量問題展開了深入的研究。現有的研究中衡量無線鏈路質量指標有多種，本文采用通過MATLAB對這些指標進行分析，進行無線網絡鏈路質量的評估分析，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。

【關鍵詞】無線網絡鏈路質量指標接收概率

一、引言

計算機網絡按照通信范圍的不同可以分為局域網、城域網和廣域網三類；在局域網領域中，按照傳輸介質的不同可以分為有線局域網和無線局域網。無線局域網是指以無線信道來代替傳統傳輸介質所構成的局域網絡，WLAN的出現能夠使網絡上的各種終端設備擺脫有線連接介質的束縛，使其有更多的移動性，并能夠實現與有線網絡之間的溝通[1]。隨著網絡技術的發展和承載業務的更新，以及外界復雜環境的各種干擾，無線網絡的發展得到了限制。本文就是為了獲取當前的鏈路質量，選擇一種簡單、直觀的測量方法對無線鏈路進行準確的測量、分析和評估，將其應用于上層協議設計和模型優化，必將顯著改善系統的性能。

二、WLAN鏈路質量測量評估方法

鏈路質量的精確測定最重要的是確保該功能，例如智能路由負載平衡，功率控制和頻率選擇有效地運行。捕獲一個無線鏈路質量的主要指標有4個：RSSI，SNR，PDR和BER。Angelos Vlavianos等人通過進行實驗來評估每項指標的相對精度，實驗室對多個傳輸速率和在不同干擾水平上大規模的鏈接。每項指標都有優勢和一個或者多個限制，仔細考慮這些限制因素是很必要的，會提供對每項指標的適用性指導[5]。

三、Roofnet無線網絡鏈路質量評估

Roofnet是在實驗IEEE 802.11b網狀網絡鏈路測量中收集的信息數據，該實驗是有麻省理工學院進行的，在劍橋提供寬帶上網用戶。目前約20主動節點在網絡上，其中分布情況如圖1所示。主要有該地區集中在三、四層樓的房子，大多數天線安裝在房子的煙囪上方兩三英尺處。在這個區域也有一些很高的建筑物，7個節點位于這類建筑物中。其中并不是所有節點都在房頂安裝全向性天線，有少數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點。所有節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，所以論文的數據分析中忽略了無線電活動的影響。

本文中大部分的roofnet數據是來自一個單一的實驗，在實驗中，每個節點依次以最快的速度發送1500字節的802.11廣播數據包，而其余的節點被動的接收。每個發件人發送每個廣播數據包為90s。實驗使用的是802.11廣播包，它的特點是沒有鏈路的確認和重傳。

每個數據包包括一個唯一的序列號，發件人記錄了發送每個數據包的時間，以及所有節點每個接收包的序列號，抵達時間，信號強度，噪聲的數據。

這個數據集用到的無線鏈路質量測量方法是基于廣播的探測包法。該方法是通過UDP廣播探測包計算出兩節點之間無線信道的丟包率，并從硬件上獲取如RSSI，SNR等相關信息，從而可以完成對無線信道質量的評估。

由于無線網絡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。鏈路中的一個端點可以在向對方發送探測包時，捎帶傳送它統計的對鏈路的測量數據。根據802.11技術，我們知道基于廣播的探測包沒有重傳和確認，一個節點測量的鏈路的丟包率信息都是基于自己和鄰居節點統計的信息，即對于一個節點A和節點B之間的鏈路，設df為前向包交付率（A→B），dr為反向包交付率（B→A），則數據在鏈路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、鏈路質量評估

在本節中主要根據有關鏈路質量的衡量指標，針對發送和接收數據包進行分析。這個數據包的數據是分別在不同的比特率，不同的發送節點，以及在相同的發送節點不同的接收節點的情況下，測量得到的。先對數據進行總體分析，再選擇其中一條或幾條鏈路，對相關數據進行處理，分析鏈路的質量，并分析對鏈路質量的影響因素。

4.1接收概率的空間分布

圖2顯示了節點間數據包roofnet在不同的802.11傳輸速率接收概率分布。每個節點對應在一個特定比特率的發送器和接收器。該圖僅包括節點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點對。

不僅在接收點和發送點的不同外，也可能是由于環境的阻礙，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。可以判斷隨著距離的增大，接收概率呈現降低趨勢。

4.2接收概率時間變化

實驗中顯示了三條roofnet鏈路在1Mbit/s時發送1500字節數據包的概率隨著時間的變化。在連續200毫秒間隔的接收概率在50%附近，最后一個節點的接收概率可達到100%。利用中位數的分析方法，系統是穩定的。對于在分析短時間內的鏈路質量，選擇平均值較準確。

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。在不同的節點，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斷點，通過分析發現，在這時間段沒有接受到數據包。

4.3信號強度及噪聲的影響

損失率的另一個可能原因是在許多環節都有信噪比引起的。隨著時間的變化，信號越強，接收率越大，因此信號強度是影響重要因素之一。在傳輸數據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致接收概率浮動的重要原因。從發送節點到接收節點傳輸過程中，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發送比特率的影響

發送數據包和接收數據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，接收率也是呈現上升趨勢，但是在11Mbit/s時，發送和接收數據包的數量以及接收率都發生了明顯的變化。所以在數據包傳輸過程中，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，而不是間接預測。

五、總結

隨著計算機網絡與通信技術的不斷提高，人們越來越希望能夠方便快捷的接入網絡進行信息的傳輸和分享，在這種環境的督促下，無線網絡也有了很大的發展。同時，隨著無線網絡中各種業務的不斷增加，對無線網絡的鏈路質量也有了比較高的要求，特別是在傳輸數據時丟失率的問題。在本文中，總結了在無線網絡中鏈路測量方法及質量評估方法。并針對鏈路質量衡量指標分析roofnet無線網絡的質量。分析在不同的信號強度、不同的距離、不同的傳輸速率等條件下，數據包接收概率的分布情況。在處理數據的時候，不同的參數及參數之間關系，可以選擇合適的處理方法，常用的數據分析，是數字特征。為了更能清楚地知道兩個參數的關系，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，可以根據所給出的數據，畫出散點圖、直方圖等。

參考文獻

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