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無線網絡鏈路質量測量統計出的數據進行分析，提取表征鏈路質量的參數信息，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： 無線網絡；鏈路質量指標；評估；roofnet
近二十年來，計算機網絡和無線通信技術發展得越來越快，給人們的生活帶來了更多的便利，用戶數量也因此急劇增多。無線網絡在滿足人們寬帶接入網絡需求的同時，承載的業務也越來越豐富，除了傳統的電子郵件、網頁瀏覽、DNS等應用功能外，像視頻點播、VoIP、大型實時游戲、遠程醫療和IPTV等應用也在不斷涌現[1]。
由于在無線網絡中是采用無線信道作為傳輸媒介，先天性地有著不穩定的特點，因此與傳統的有線網絡傳輸相比更加不可靠，更容易受到物理環境和同頻率無線網絡的影響。在無線局域網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，就是在無線局域網中的丟包率、誤幀率和重傳次數會根據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、環境噪聲、信道干擾和周圍的人員移動等復雜環境因素的影響，節點之間的無線鏈路質量不穩定，所以，在實際環境中對無線鏈路質量進行測量和分析顯得尤為重要。而現在大多數對無線鏈路質量的研究都是在仿真中實現的，在實際環境中研究的很少，這就要求我們要更多地在實際環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，總結無線鏈路傳輸規律，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，將其應用于上層協議設計和模型優化，必將顯著改善系統的性能[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據包大小的情況下，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無線網卡和MadWifi驅動，采用主動發送探測數據包或被動監聽實際通信數據包的方式獲得無線信號，數據包可以是單播，也可以是廣播，采集段時間內的無線信號，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、自適應地采用其中的一種方案，盡可能利用實際通信數據包，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展的一個趨勢。
2 roofnet無線網絡
roofnet是在實驗IEEE 802.11b網狀網絡鏈路測量中收集的信息數據，該實驗是由麻省理工學院進行的，在劍橋提供寬帶上網用戶。目前在網絡上約有20個主動節點，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[8]。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的，所以論文的數據分析中忽略了無線電活動的影響。
搜集相關數據集[9-13]，這些實驗數據是來自美國一個實驗組，在每次實驗中，一個roofnet節點以盡可能快的速率發送（90 s發送1 500 B的廣播報文）。同時，網絡中所有其他節點收取并記錄它們收到的數據包。
該文件中包含發送數據包和接收數據包，發送數據包文件中列出了所有被發送的數據包，并羅列了實驗編號以及每個廣播輪的次序、測試相位、發送節點、發送數據包的序列號和發送時間。在接收數據包中除了包含編號、廣播輪次序和測試相位外，還包含了發送及接收節點、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個相近的發送節點中，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顯示了發送節點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，接收概率呈現降低趨勢。
除了是由于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時發送1 500 B數據包的概率隨著時間的變化。圖中所示是連續200 ms間隔的接收概率，在前兩幅圖中，接收概率在50%附近，最后一個節點的接收概率可達到100%。圖3（b）是3個節點接收概率的直方圖，根據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，節點23 741是分散的，其他兩個節點比較集中。
在節點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。但是兩個圖都顯示了在23 741節點出現間隙，這個間隙產生的原因只能從其他參數來分析。
通過圖5可知，第二個節點比較分散。節點23 741的方差最大，節點41 123的方差很小，幾乎可以忽略不計。可見在不同的節點，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）中間節點會有那么大的波動？圖6顯示的是在傳輸數據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 發送比特率的影響
通過分析圖8、圖9可知，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 Mb/s、2 Mb/s，及5.5 Mb/s時，接收率也是呈現上升趨勢，但是在11 Mb/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。
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無線網絡鏈路質量測量統計出的數據進行分析，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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