基于信道仿真的無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)備性能測(cè)試研究

黃東 肖華 曹俊

摘 要：本文應(yīng)用信道仿真儀、USB無(wú)線網(wǎng)卡、射頻器件、屏蔽箱、Chariot網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試軟件和Network Stummer無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)軟件，設(shè)計(jì)了一套無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)備傳輸性能測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)比測(cè)試了無(wú)線網(wǎng)卡在是否運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)信道模型、自定義信道模型狀態(tài)下的性能，分析改變信道參數(shù)對(duì)無(wú)線網(wǎng)卡性能的影響。測(cè)試結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)信道模型下的吞吐量及傳輸速率較無(wú)信道模型狀態(tài)明顯下降;信道模型中，速度變化對(duì)無(wú)線網(wǎng)卡性能的影響較大。

關(guān)鍵詞：信道仿真儀;信道模型;吞吐量;傳輸速率

中圖分類號(hào)：TN929.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）12-0010-03

Research on Performance Test of WLAN Equipment Based

on Channel Simulation

HUANG Dong XIAO Hua CAO Jun

（Zhuzhou CRRC Times Electric Co.， Ltd.，Zhuzhou Hunan 412000）

Abstract： This paper uses channel simulator， USB wireless network card， radio frequency device， shielding box， Chariot network performance test software and Network Stummer wireless network monitoring software to design a set of WLAN equipment transmission performance test system， and comparatively test the performance of the wireless network card in whether the standard channel model and the custom channel model are running， and analyze the impact of changing the channel parameters on the performance of the wireless network card. The test results show that the throughput and transmission rate under the standard channel model are significantly lower than those under the non-channel model; in the channel model， speed changes have a greater impact on the performance of the wireless network card.

Keywords： channel simulator;channel model;throughput;transmission rate

無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）是指以無(wú)線信道作為傳輸媒介的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，具有可移動(dòng)性，能夠快速、方便地解決有線方式不易實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)信道連通問(wèn)題，能夠使用戶真正實(shí)現(xiàn)隨時(shí)、隨地、隨意的寬帶網(wǎng)絡(luò)接入。WLAN具備安裝便捷、覆蓋范圍廣、經(jīng)濟(jì)節(jié)約、易于擴(kuò)展和傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、商場(chǎng)、工廠、學(xué)校等不適合網(wǎng)絡(luò)布線的場(chǎng)合[1]。近年來(lái)，WLAN技術(shù)被廣泛應(yīng)用到鐵路行業(yè)中，如地鐵站、高鐵站、機(jī)務(wù)段等，其在地鐵運(yùn)行中用于車地?cái)?shù)據(jù)通信。WLAN在各行各業(yè)、各種環(huán)境條件下都有廣泛應(yīng)用，其工作性能同樣需要得到保證。

1 信道模型概述

無(wú)線信號(hào)從發(fā)射天線到接收天線的傳輸過(guò)程中，信道對(duì)信號(hào)的衰落影響因素包括信道噪聲、路徑損耗、陰影衰落和多徑衰落[2]。無(wú)線信號(hào)經(jīng)過(guò)多條路徑到達(dá)接收端，由于多徑信號(hào)相位、幅度和到達(dá)時(shí)間隨機(jī)變化，接收信號(hào)包絡(luò)呈現(xiàn)快速起伏，通常被稱為多徑衰落。路徑損耗是指在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的長(zhǎng)距離（幾百或幾千米）上的信號(hào)強(qiáng)度變化，主要受傳播路徑上地形地物的影響。小尺度衰落是指在短距離（幾個(gè)波長(zhǎng)）或短時(shí)間（秒級(jí)）內(nèi)接收信號(hào)強(qiáng)度的快速變化。產(chǎn)生小尺度衰落的主要原因是多徑傳播和多普勒頻移。當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)或反射體運(yùn)動(dòng)時(shí)，信號(hào)會(huì)發(fā)生多普勒頻移[3]。

圖1是一個(gè)測(cè)試WLAN性能的信道模型界面，模型參數(shù)包括運(yùn)行速率、多徑數(shù)、每條多徑的固定衰減和衰落類型等。測(cè)試人員通過(guò)不斷調(diào)整各個(gè)參數(shù)的值來(lái)驗(yàn)證產(chǎn)品的性能，確定在無(wú)線信道環(huán)境下影響產(chǎn)品性能的關(guān)鍵因素，為設(shè)計(jì)人員提供改進(jìn)的依據(jù)。

2 無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)備傳輸性能測(cè)試方案設(shè)計(jì)

2.1 硬件方案

方案主要用來(lái)驗(yàn)證無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)備在信道仿真環(huán)境下的性能，因此，方案中的核心設(shè)備為無(wú)線信道仿真儀，無(wú)線信道仿真儀只能以傳導(dǎo)方式工作在無(wú)線設(shè)備通信過(guò)程中，因此無(wú)線接入點(diǎn)（AP）和無(wú)線終端需要通過(guò)射頻線纜分別連接到信道仿真儀的輸入端口和輸出端口。測(cè)試應(yīng)用的基站和終端都為USB無(wú)線網(wǎng)卡，一塊工作在AP模式，一塊工作在客戶端模式，均通過(guò)測(cè)試計(jì)算機(jī)的USB接口供電。信道仿真儀的最大輸入功率小于20 dBm，而無(wú)線AP和無(wú)線終端正常工作時(shí)的最大功率能達(dá)到24 dBm，因此需要在信道仿真儀的輸入口和輸出口傳入衰減器，本方案中接入的是8 dBm的衰減器。無(wú)線AP和無(wú)線終端都通過(guò)計(jì)算機(jī)的USB口供電工作，因此設(shè)計(jì)的硬件方案如圖2所示。

2.2 軟件方案

目前流行的網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試軟件有Iperf和Chariot，本方案選擇Chariot軟件對(duì)無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)備吞吐量進(jìn)行測(cè)試。在連接AP的測(cè)試計(jì)算機(jī)上安裝Chariot Console和Endpoint應(yīng)用程序，并運(yùn)行這兩個(gè)應(yīng)用程序，搭建測(cè)試的模型，在連接終端的計(jì)算機(jī)上安裝Endpoint應(yīng)用程序并運(yùn)行，如圖3所示。由于信道仿真儀上測(cè)試的功率時(shí)刻在變化，且考慮到外界無(wú)線信號(hào)干擾及線損，在連接終端的計(jì)算機(jī)上安裝監(jiān)測(cè)無(wú)線終端接收靈敏度的軟件，對(duì)被測(cè)器件（DUT）的接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 測(cè)試驗(yàn)證

3.1 選取的信道模型

文中選取的信道模型為信道仿真儀按照標(biāo)準(zhǔn)定義的信道模型，模型包含8條多徑，衰落類型為瑞利衰落。無(wú)線通信信道環(huán)境中，電磁波經(jīng)過(guò)反射、折射、散射等多條路徑傳播到接收機(jī)后，總信號(hào)的強(qiáng)度服從瑞利分布。同時(shí)，由于接收機(jī)的移動(dòng)及其他原因，信號(hào)強(qiáng)度和相位等特性又在起伏變化，用于描述建筑物密集的城鎮(zhèn)中心地帶的無(wú)線信道無(wú)直視信號(hào)。

多普勒頻偏為112.9 Hz，速度為50 km/h，路徑損耗呈線性變化，以4.1 dB逐漸增大，時(shí)延以0.1 μs同步增加，如圖4所示。

確定好加載的信道模型并運(yùn)行，信道模型的8條多徑按圖5所示循環(huán)變化。信道仿真儀支持上下行運(yùn)行不同的信道模型進(jìn)行測(cè)試，圖5中，A1→B1設(shè)置為下行鏈路加載的信道模型，B1→A1為上行鏈路加載的信道模型，后續(xù)測(cè)試用的信道模型基于標(biāo)準(zhǔn)信道模型，改變其參數(shù)生成。

3.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)信道模型對(duì)性能的影響。首先按照?qǐng)D2進(jìn)行信道仿真測(cè)試，加載圖4中的標(biāo)準(zhǔn)信道模型，測(cè)試其平均吞吐量和傳輸時(shí)延，然后停止運(yùn)行的信道模型，通信過(guò)程中，時(shí)變信道模型沒(méi)有變化，測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)Static欄，如表1所示。

從表1數(shù)據(jù)可知，信道模型對(duì)產(chǎn)品的傳輸性能有較大的影響。信道模型的參數(shù)包括移動(dòng)速度、多徑數(shù)、噪聲等，本文主要分析移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速度和多徑數(shù)兩個(gè)參數(shù)對(duì)通信產(chǎn)品性能的影響。

3.2.2 速度對(duì)性能的影響。基于表1測(cè)試結(jié)果，修改標(biāo)準(zhǔn)信道模型的速度參數(shù)，速度在0～300 km/h變化，測(cè)試通信過(guò)程的傳輸性能，如表2所示。

分析表2的數(shù)據(jù)可知，在移動(dòng)速度不斷增加的過(guò)程中，USB無(wú)線網(wǎng)卡的傳輸性能是逐漸下降的。運(yùn)行速度在120 km/h時(shí)，吞吐量下降到1.17 Mbps，傳輸時(shí)延達(dá)到了342 ms。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，城軌車輛運(yùn)行時(shí)要求吞吐量不小于1 Mbps，傳輸時(shí)延不大于500 ms。無(wú)線網(wǎng)卡的性能基本滿足要求，因此，802.11b/g技術(shù)被用作城軌中傳輸車地交互的數(shù)據(jù)。但是，速度高于120 km/h時(shí)，傳輸性能顯著下降，不滿足車地通信性能要求，802.11b/g技術(shù)不適用于動(dòng)車和高鐵[4-5]。

3.2.3 對(duì)比多徑下設(shè)備的性能。選取測(cè)試的信道模型不存在直視徑，按照?qǐng)D4所示，分別設(shè)置多徑數(shù)為1條、2條、3條、5條，然后測(cè)試設(shè)備的平均吞吐量和傳輸時(shí)延，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。圖中，a指吞吐量，b指?jìng)鬏斞訒r(shí)。

從圖6的數(shù)據(jù)分析可知，多徑數(shù)多于2條的仿真環(huán)境下，吞吐量和傳輸時(shí)延較1條仿真環(huán)境有明顯的提升。隨著多徑數(shù)的增加，吞吐量是逐步提升的，而傳輸時(shí)延也有所減小，設(shè)備的整體傳輸性能有所提升。實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)多入多出（MIMO）技術(shù)來(lái)增加多徑數(shù)，達(dá)到改善產(chǎn)品傳輸性能的目標(biāo)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)應(yīng)用信道仿真儀的信道仿真環(huán)境，對(duì)無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)備的吞吐量、傳輸時(shí)延等參數(shù)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。研究結(jié)果表明，無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)備（802.11b/g）在移動(dòng)速度大于120 km/h的環(huán)境中，傳輸性能明顯下降;仿真環(huán)境的多徑數(shù)大于1條的情況下，傳輸性能得到比較明顯的提升。

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