一種基于用戶感知的WLAN網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評(píng)估方法

【摘要】中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司（以下簡(jiǎn)稱廣東移動(dòng)）的WLAN（無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)，Wireless Local Area Networks）網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量評(píng)估通常有多種評(píng)估指標(biāo)，單一評(píng)估指標(biāo)容易導(dǎo)致結(jié)果不客觀。本文通過(guò)對(duì)WLAN網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評(píng)估各種指標(biāo)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一套不以單一的某項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)估WLAN的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，而是用一套新的評(píng)估方案，整合6個(gè)影響用戶使用感知的關(guān)鍵指標(biāo)，通過(guò)層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的計(jì)算，逐步得出量化的值來(lái)評(píng)估WLAN網(wǎng)絡(luò)的好壞和用戶使用的滿意度的評(píng)估算法。能夠較全面地評(píng)估WLAN網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，有效地指導(dǎo)WLAN網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

【關(guān)鍵詞】WLAN網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評(píng)估用戶感知BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

An evaluation method of WLAN network based on user perceived quality Huangguowen Linwenfeng （China Mobile Group Guangdong Co.Ltd， NMC Guangzhou 510623，China）[Abstract]Quality evaluation of wireless local area networks usually has a variety of evaluation index in GMCC， and a single evaluation index is easy to cause the results not objective.In this paper，through the analysis of various indicators to assess WLAN network quality，design a set of not a single index to evaluate the quality of WLAN network，but with a new evaluation scheme，integrating the 6 key factors to affect the user’s perception，through the analytic calculation method and the neural network algorithm，step by step to obtain quantitative value evaluation algorithm for WLAN network quality and user satisfaction.To comprehensively evaluate the quality of WLAN network，effectively guide the WLAN network optimization.[

Key words]WLAN；network quality assessment；user perception；BP neural network

無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)（Wireless Local Area Networks；WLAN）是相當(dāng)便利的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它利用射頻（Radio Frequency；RF）的技術(shù)，使得無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)能利用簡(jiǎn)單的存取架構(gòu)讓用戶透過(guò)它，達(dá)到“信息隨身化、便利走天下”的理想境界。隨著國(guó)內(nèi)3大運(yùn)營(yíng)商逐步向綜合運(yùn)營(yíng)商轉(zhuǎn)變，WLAN網(wǎng)絡(luò)的好壞對(duì)TD網(wǎng)絡(luò)尚未完全成熟的中國(guó)移動(dòng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評(píng)估是WLAN網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的第一步，承擔(dān)著找問(wèn)題和檢驗(yàn)優(yōu)化效果兩個(gè)重要作用。評(píng)估指標(biāo)往往是從WLAN設(shè)備（無(wú)線控制器或無(wú)線AP）獲取到的各種性能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以通過(guò)設(shè)備的命令行獲取，也可以通過(guò)SNMP網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議從設(shè)備獲取。建立一種關(guān)注用戶感受的、可量化的、多維度的WLAN網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評(píng)估體系至關(guān)重要，因?yàn)橹挥型ㄟ^(guò)合理的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評(píng)估體系，才能準(zhǔn)確地了解WLAN網(wǎng)絡(luò)空口的基本運(yùn)行狀況，才能協(xié)助網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化人員發(fā)現(xiàn)薄弱區(qū)域，確認(rèn)需要補(bǔ)點(diǎn)的位置；也才能協(xié)助網(wǎng)優(yōu)人員確認(rèn)體驗(yàn)差用戶及可能原因，最終為后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化指明方向。

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有WLAN網(wǎng)絡(luò)的的各種評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行分析，通過(guò)整合6個(gè)影響用戶使用感知的關(guān)鍵指標(biāo)，利用層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的計(jì)算，逐步得出量化的值來(lái)評(píng)估WLAN網(wǎng)絡(luò)的好壞和用戶使用的滿意度。

一、現(xiàn)狀分析

目前廣東移動(dòng)在日常的WLAN網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中，通過(guò)以下幾種不同的測(cè)量指標(biāo)評(píng)估WLAN的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量[1，2]：

（1）信號(hào)強(qiáng)度：無(wú)線適配器接收到的信號(hào)的強(qiáng)度，即值WLAN網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的強(qiáng)弱，以decibel-milliwatts（DBm）計(jì)量，絕對(duì)值越大，表示信號(hào)越強(qiáng)。在實(shí)際中可以用百分率來(lái)比較信號(hào)的強(qiáng)度，100%即為滿信號(hào)，0%為無(wú)信號(hào)。（2）帶寬：又叫頻寬，是指在固定的的時(shí)間可傳輸?shù)馁Y料數(shù)量，亦即在傳輸管道中可以傳遞數(shù)據(jù)的能力。在數(shù)字設(shè)備中，頻寬通常以bps表示，即每秒可傳輸之位數(shù)。在模擬設(shè)備中，頻寬通常以每秒傳送周期或赫茲（Hz）來(lái)表示。（3）連接耗時(shí)：搜索到WLAN信號(hào)后，開(kāi)始連接到連接上AP的耗時(shí)，單位為毫秒或者秒，時(shí)間越長(zhǎng)用戶感知越差。（4）掉線次數(shù)：是指在使用WLAN過(guò)程中因網(wǎng)絡(luò)原因掉線的次數(shù)，次數(shù)越多，用戶感知越差。（5）在網(wǎng)時(shí)長(zhǎng)：使用WLAN在網(wǎng)的時(shí)間，計(jì)算用戶感知時(shí)，掉線次數(shù)要與在網(wǎng)時(shí)間結(jié)合考慮，即掉線頻率。（6）重連成功率：在因意外原因與網(wǎng)絡(luò)斷連后自動(dòng)成功建立連接的比率，比率越低，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)的感知越差。（7）平均速率：使用WLAN時(shí)的平均下載速率，速率越高表明用戶對(duì)帶寬的需求越高。

2.2運(yùn)用層次分析法估算準(zhǔn)則層對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重初始值

（1）構(gòu)造成對(duì)比較矩陣

對(duì)四類準(zhǔn)則：速度、穩(wěn)定性、易用性、其他因素，進(jìn)行成對(duì)比較，對(duì)用戶質(zhì)量感知進(jìn)行相對(duì)評(píng)估，得出相對(duì)評(píng)估值，確定它們對(duì)于質(zhì)量感知影響的優(yōu)劣順序，然后運(yùn)用成對(duì)比較的結(jié)果構(gòu)造矩陣A。

注：是通過(guò)大量問(wèn)卷調(diào)查得出來(lái)的。具體方法是：1）受調(diào)查人員對(duì)速度（S）、穩(wěn)定性（P）、易用性（C）、其他因素（O）四個(gè)準(zhǔn)則對(duì)于質(zhì)量感知影響的優(yōu)劣程度進(jìn)行一個(gè)排序。例如：某位受訪用戶認(rèn)為，最影響WLAN上網(wǎng)感知的因素是速度（S），其次是穩(wěn)定性（P），易用性（C），則S>P>C>O。2）按上述方式，對(duì)大量用戶進(jìn)行調(diào)查，可以得出N個(gè)調(diào)查的結(jié)果，例如，調(diào)查5個(gè)用戶得到的結(jié)果：表15個(gè)用戶結(jié)果。3）對(duì)上述調(diào)查結(jié)果，進(jìn)行準(zhǔn)則的成對(duì)比較，得出相對(duì)評(píng)估值，即。例如，即速度（S）和穩(wěn)定性（P）的成對(duì)比較結(jié)果，為4：1。

（2）對(duì)矩陣A進(jìn)行一致性檢驗(yàn)

對(duì)于的成對(duì)比較矩陣，將它的一致性指標(biāo)與同階（指n相同）的隨機(jī)一致性指標(biāo)之比稱為一致性比率，當(dāng)時(shí)，認(rèn)為矩陣A通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

通過(guò)一次性檢驗(yàn)。即此特征向量可作為各項(xiàng)準(zhǔn)則在綜合評(píng)估中的權(quán)重。

2.3運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法估算指標(biāo)層對(duì)于準(zhǔn)則層的權(quán)重

根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三層結(jié)構(gòu)[3，4]，輸入層、隱含層、輸出層映射到指標(biāo)層、準(zhǔn)則層及目標(biāo)層，即

指標(biāo)層———輸入層；

準(zhǔn)則層———隱含層；

目標(biāo)層———輸出層。

BP網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過(guò)程主要由輸入信息的正向傳播和誤差的反向傳播組成。在正向傳播過(guò)程中，輸入信息從輸入層到隱含層再到輸出層經(jīng)過(guò)逐層求解，得到一個(gè)實(shí)際輸入，如果實(shí)際輸入與期望輸出不一致，則計(jì)算輸出誤差，轉(zhuǎn)入誤差的反向傳播過(guò)程，反向修正各個(gè)神經(jīng)元的連接權(quán)值，以使誤差達(dá)到最小。

根據(jù)調(diào)查得到的用戶數(shù)據(jù)，可以把用戶體驗(yàn)WLAN的感知?jiǎng)澐譃樗念愝斎氤觯翰睢⒁话恪⒑谩⒑芎茫磾?shù)值劃分為為差，為一般，為好，為很好。

BP網(wǎng)絡(luò)的輸入層有6個(gè)參數(shù)，分別為信號(hào)強(qiáng)度、平均速率、帶寬、掉線頻率、連接耗時(shí)、重連成功率。需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行歸一化處理。

設(shè)為樣本矩陣；為樣本組數(shù)；為隱含層與輸入層的權(quán)值矩陣；為隱含層與輸入出層的權(quán)值矩陣；為迭代次數(shù)，取值10000；為期望值；為實(shí)際輸出值；為輸出層誤差；為每組輸入節(jié)點(diǎn)；為隱含層節(jié)點(diǎn)；為輸出層節(jié)點(diǎn)；為sigmoid函數(shù)。

采用BP網(wǎng)絡(luò)計(jì)算各層的權(quán)值矩陣的步聚為：

（1）對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化。初始化，其中可以取一組之間的隨機(jī)數(shù)，而已經(jīng)由第二節(jié)利用調(diào)查問(wèn)卷的方式通過(guò)層次分析方法估算到初始值。（2）初始化隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)，根據(jù)公式，其中，取，因此隱含層個(gè)數(shù)為4。另外，取學(xué)習(xí)效率為，精度要求取。

2.4定義指標(biāo)的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

將指標(biāo)層的各項(xiàng)實(shí)采數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理：

信號(hào)強(qiáng)度：這里信號(hào)強(qiáng)度以百分率來(lái)表示，100%即表示滿信號(hào)，此時(shí)信號(hào)最強(qiáng)，0%表示無(wú)信號(hào)，信號(hào)最弱，我們用0—1的區(qū)間來(lái)表示信號(hào)強(qiáng)度的0%—100%，即0=0%的信號(hào)強(qiáng)度，1=100%的信號(hào)強(qiáng)度，0.65=65%的信號(hào)強(qiáng)度，以此類推。

帶寬：以B表示即時(shí)的帶寬，Bmax表示使用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)最大帶寬，如802.11b/g技術(shù)的最大帶寬為54Mbps，即Bmax=54Mbps，B=0表示無(wú)帶寬，我們同樣用0—1的區(qū)間表示帶寬大小，即1=Bmax，0=0Mbps，0.5=0.5Bmax，以此類推。

連接耗時(shí)：假設(shè)連接耗時(shí)為T(mén)，Tmax為一般人無(wú)法忍受的最長(zhǎng)耗時(shí)，即超過(guò)這個(gè)時(shí)間用戶就會(huì)認(rèn)為已經(jīng)無(wú)法連接，同樣用0—1的區(qū)間表示來(lái)接耗時(shí)的大小，即1=連接耗時(shí)T趨向于0，0=實(shí)際耗時(shí)≥Tmax，0.5=0.5Tmax，以此類推。

掉線頻率：假設(shè)掉線頻率為F，F(xiàn)max為一般人無(wú)法忍受的最大掉線頻率，如12次/小時(shí)，即超過(guò)這個(gè)極限用戶就不會(huì)使用WLAN網(wǎng)絡(luò)，用0—1的區(qū)間表示掉線頻率，則1=掉線頻率為0，0=實(shí)際掉線頻率≥Fmax，0.5=0.5Fmax，以此類推。

重連成功率：重連成功率用百分比表示，并且跟掉線頻率相關(guān)，如果掉線頻率為0，我們認(rèn)為重連成功率為100%。用0—1區(qū)間表示重連成功率，則1=100%，0=0%，0.5=50%，以此類推。

平均速率：我們假設(shè)使用時(shí)最大的平均速率可以達(dá)到理論值帶寬，即Vmax=Bmax，同樣用0—1的區(qū)間表示平均速率的大小，即1=Vmax，0=平均速率為0，0.5=0.5Vmax，以此類推。

其它特性：直接用0—1區(qū)間的數(shù)值表示。

2.5計(jì)算絕對(duì)評(píng)估值

將待評(píng)估方案的指標(biāo)數(shù)值乘以各準(zhǔn)則在綜合評(píng)估中的權(quán)重并求和，即為待評(píng)估方案綜合絕對(duì)評(píng)價(jià)的分值，即用戶質(zhì)量感知。

三、模型訓(xùn)練與驗(yàn)證

根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的WLAN網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評(píng)估模型[5]，利用MATLAB的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱建立一個(gè)輸入層、隱含層和輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為7、4、1的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，用于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和檢驗(yàn)。

本文事先采集到20個(gè)WLAN覆蓋點(diǎn)的用戶網(wǎng)絡(luò)感知評(píng)價(jià)的實(shí)際數(shù)據(jù)和結(jié)果，通過(guò)對(duì)指標(biāo)的歸一化處理整理成為訓(xùn)練和檢驗(yàn)的基本數(shù)據(jù)（表2）。

將其中第1、2、3、4、6、7、8、10、11、12、13、15、16、17、18、20個(gè)WLAN覆蓋點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中權(quán)值的訓(xùn)練，可以得到輸入層與隱含層、隱含層與輸出層之間的權(quán)值和閾值。該網(wǎng)絡(luò)經(jīng)初始化，預(yù)設(shè)誤差為0.01，當(dāng)訓(xùn)練到3509步之后，網(wǎng)絡(luò)誤差達(dá)到了設(shè)定的誤差要求。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完成之后，將第5、9、14、19個(gè)WLAN覆蓋點(diǎn)作為驗(yàn)證樣本，輸入驗(yàn)證樣本以驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性，網(wǎng)絡(luò)輸出的結(jié)果如表3所示，網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證的結(jié)果和預(yù)期評(píng)價(jià)結(jié)果比較為表4所示。

從驗(yàn)證及比較的結(jié)果可以看出，模型評(píng)估的結(jié)果和實(shí)際評(píng)估的結(jié)果基本上是一致的，這標(biāo)志著基于用戶感知的WLAN網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評(píng)估模型已經(jīng)成功建成，學(xué)習(xí)樣本的訓(xùn)練也已結(jié)束。以后在對(duì)WLAN覆蓋點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，只需輸入被評(píng)估樣本的標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)數(shù)據(jù)，就可以得到的輸出結(jié)果逼近真實(shí)用戶感知。

四、應(yīng)用效果

選擇廣東移動(dòng)某地市公司，把本文提出的算法結(jié)合到windows、iphone、ipad、Anroid、Windows Mobile、Symbiam等平臺(tái)的WLAN客戶端軟件進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)目前WLAN覆蓋點(diǎn)多數(shù)問(wèn)題點(diǎn)主要集中在下載速率慢和設(shè)備故障類等，經(jīng)過(guò)反饋及處理，目前已全部解決。

通過(guò)以上測(cè)試結(jié)果分析，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評(píng)估模型提供了一套新的的模型（算法），整合影響用戶使用感知的關(guān)鍵指標(biāo)，通過(guò)層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的計(jì)算，逐步得出量化的值來(lái)評(píng)估WLAN網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量，為網(wǎng)優(yōu)提供可靠數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，及時(shí)優(yōu)化升級(jí)存在的問(wèn)題，提升用戶滿意度。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)WLAN網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評(píng)估各種指標(biāo)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一套不以單一的某項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)估WLAN的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，而是用一套新的評(píng)估方案，整合6個(gè)影響用戶使用感知的關(guān)鍵指標(biāo)，通過(guò)層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的計(jì)算，逐步得出量化的值來(lái)評(píng)估WLAN網(wǎng)絡(luò)的好壞和用戶使用的滿意度的評(píng)估算法。本文所提出的評(píng)估方案和指標(biāo)評(píng)估體系，能夠較全面地評(píng)估WLAN網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，有效地指導(dǎo)WLAN網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。本文提出的評(píng)估算法也具備一定的通用性，根據(jù)不同無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)，對(duì)評(píng)估算法進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，可應(yīng)用于其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量評(píng)估，為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供一定的技術(shù)參考。

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