基于Ad hoc组网的移动WLAN传输性能分析

刘 洋

（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

无线网络技术是当前获得迅速发展的技术，它允许移动用户采用更加灵活方便的方式接入网络。

由于节点的无线通信距离有限，Ad hoc 网络中的节点不一定都在其他所有节点的直接通信范围之内，而且受电磁干扰，地形干扰或天气影响，节点的通信距离也会有所改变[1]。所以Ad hoc 网络的信道接入协议要充分考虑多跳带来的隐终端、暴露终端[2]和公平性等问题[3]。节点的移动性造成网络的拓扑结构不断变化，这对接入协议和路由协议都提出了新的要求，也会影响网络的性能[4-5]。由于影响Ad hoc 性能的因素很多，并且错综复杂，所以Ad hoc 网络性能测试系统需要对网络进行全面的分析与理解，根据网络特性确定测试内容，有针对性地选择测试方法，进而构建与具体网络应用相适应的网络测试环境。

Ad hoc网络不需要有线基础设备的支持，通过移动主机自由的组网实现通信。它的出现推进了人们实现在任意环境下的自由通信的进程，同时它也为军事通信、灾难救助和临时通信提供了有效的解决方案[6-7]。

由于Ad hoc网络的特殊特点使它都具有很强的实用性。但是，Ad hoc网络的这些特殊性以及它在很多技术方面尚未成熟，使得研究高速移动条件下Ad hoc网络的性能变得极其重要，原因如下：

1）由于无线信道共享、动态拓扑和能量受限等特性，使有限环境下的TCP协议在无线Ad hoc网络环境中，面临着吞吐率随移动速度增加而急剧下降的尴尬局面，并且，当搭建Ad hoc这类无线局域网时，涉及到 802.11g协议中的正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplex）技术，高速移动条件下，多普勒效应明显，会使子载波的正交性受到影响，从而使得子信道中的信号相互干扰，影响通信的质量。这也是在不同的高速移动条件下进行Ad hoc网络通信性能测试的切入点。

2）国内学者所发表的Ad hoc网络的研究的主要成果基本上集中在路由协议的一些改进[8-9]，而在高速移动条件下的研究基本上停留在仿真层面。

3）由于Ad hoc网络复杂的动态特性，加上基于固定网络的网络测量技术难以适应动态的Ad hoc网络测量和评估，国内外尚未出现这种有效的测试方法。如何对Ad hoc网络进行有效的测量仍然是该领域所面临瓶颈之一[10-11]。因此，在学习网络传输性能测试方法的基础上，找到一个对无线Ad hoc网络的信号强度以及网络传输性能评估的有效方法具有重要的实用价值。

实验在公开场合、非涉密环境下，采用基于网卡的系统自带或第三方开发信号测试工具进行公开实验数据测量，结合实际环境中的测试数据，总结出高速移动条件下基于Ad hoc组网方式的无线局域网（WLAN,Wireless Local Area Networks)传输性能的特点变化，得出研究结论。

1 测试分析

1.1 测试环境说明

实验旨在考察不同移动场景下，节点间位置关系对信号强度和平均传输速率的影响，同时为了不依靠昂贵的信号测试仪器，采用基于网卡的系统自带或第三方开发信号测试工具以及网络通信测试程序，如Network Stumbler, Wireless Net View等，在公开场合、非涉密环境下进行公开实验数据的测试。

1.1.1 实验一：火车上的Ad hoc网络测试

嘉阳小火车是一辆运行在四川南部的犍为县城的一条只有19.84千米的窄轨铁路火车。 据资料统计，弯道约占轨道全长的45%。

环境参数：轨道全长：19.84公里；轨距:762 mm；弧线：109段；最小转弯半径：70 m；隧道6座，最大坡度：36‰；高差:238 m。

（1）测试场景

①火车在轨道上行驶，时速20 km，普通直道；②火车在轨道上行驶，时速 20 km，有弯道；③火车在轨道上行驶，时速 20 km，有隧道；④火车在轨道上行驶，时速 20 km，突然减速至停止；⑤在长为200 m的隧道里，以两个移动节点之间的距离为变量进行测试。

（2）测试步骤

①根据Ad hoc网络搭建步骤，正确搭建好网络；②打开局域网软件，同时双线进行文件传输；③结束文件传输，记录平均传输速率；④打开 Network Stumbler软件，进行网络信号强度的数据收集；⑤打开Netmeeting软件，进行音频测试并记录语音和视频通信状况；⑥保存网络信号强度的数据信息；⑦在其他情况下，重复步骤2至步骤6。

1.1.2 实验二：动车上的Ad hoc网络测试

成都都江堰铁路是“5·12”汶川大地震灾后重建工程，其主线全长约66.2 km，主线设12个车站。平均站间距6.0 km，最大站间距13.22 km，最小站间距0.94 km，其主要技术标准如表1所示。

表1 成灌铁路主要技术标准

（1）测试场景

①动车静止在轨道中，两个移动终端分别在车厢内外，选取车厢门为临界点进行测试；②动车在轨道上行驶，启动，时速从0 km到190 km；③火车在轨道上行驶，时速190 km；④火车在轨道上行驶，时速89 km；

注：场景二、场景三分为在同一个车厢、隔一个车厢、隔两个车厢、隔三个车厢进行测试；（2）测试步骤同实验一

1.1.3 实验三：地铁上的Ad hoc网络测试

广州地铁三号线采用大站距快速线的设计思路，车厢长度为22 m，三号线全长36.86公里，共设18座车站。全线平均站间距为2.3 km，列车最高运行速度为120 km/h，旅行速度为57.5 km/h，比常规地铁高45%左右，快速效果明显。

（1）测试场景

①地铁行驶和停止过程中，在同一个车厢，地铁时速 100～120 km；②地铁行驶过程中，在相邻车厢，地铁时速100～120 km；③地铁行驶过程中，中间隔着一个车厢，地铁时速100～120 km；

（2）测试步骤同实验一

1.1.4 实验四：普通机动车上的Ad hoc网络测试

测试地点：①电子科技大学清水河校区西门外的公路；②高新西区派出所外的两条相互垂直的公路；③电子科技大学清水河校区西门加油站旁边的桥梁；

选取原因：早上 8:00～早上 10:00车辆流量较小，对实验测量影响较小。

（1）测试场景

①两个移动节点相向而行，车速一致，分别为20 km/h或者40 km/h；（4-1,4-2）；②两个移动节点背道而行，车速一致，分别为20 km/h或者40 km/h；(4-3,4-4)；③两个移动终端保持距离在5 m左右，一起向前行驶，车速一致，为30 km/h；(4-5)；④一个移动节点静止在路旁，另一个移动节点以 20 km/h或者40 km/h远离或者靠近；(4-6)；⑤一个移动节点静止在桥下，另一个移动节点以20 km/h或者40 km/h上桥或者下桥；(4-7)；⑥一个移动节点静止在路旁，另一个移动节点仍然静止，开窗或者关窗；(4-8～4-12)。

（2）测试步骤

同实验一

1.2 实验数据分析

1.2.1 实验数据统计方法

统计工具：Network Stumbler软件，Matlab软件，OriginPro 8软件。

统计步骤：

1）用Network Stumbler软件打开记录的原始数据NS2文件。

2）用截图软件截取得到的信号强度的波形图。

3）将NS2文件导出到txt格式，并用OriginPro 8软件提取TXT文件中的有用信息，将其记录到原始数据的Excel表中。由于无法做到对实际信噪比的精确测量，均使用软件给得的相对值进行测试比较。

4）使用OriginPro 8软件进行数据统计，得到以下结果(注：由于Sig和Noise以dBm为单位，故不能直接进行算术平均值和相对的标准差的统计，需要利用 Excel表对数据进行单位转换和统计)。dBm是一个考征功率绝对值的值，计算公式为：

5）将得到结果记录到Excel中，并利用相关软件画出信号强度的变化图。

6）将测试过程中，利用局域网通信软件进行文件传输，得到的平均传输速率同时记录到统计数据的Excel表格中，以便进行后期的分析对比；

7）将测试过程中的实验现象，突发情况，以及在较好的通信环境下进行语音视频通信测试的情况同时记录到对应的统计表格中。

1.2.2 实验结果及数据分析

经过统计整理，得到实验数据如表2所示。

表2 测试数据

实验结果：

1）通过实验，大量数据反映出火车、动车和地铁三种测试环境下，Ad hoc网络传输性能的不同。具体表现在几个方面：信号的干扰程度：地铁＞动车＞火车。在高速移动的火车内部，动车环境对电磁传播影响最小，地铁其次，火车影响最大。

2）隧道中的网络传输性能：由实验1-10～1-14可得，在隧道中步行进行Ad hoc网络传输性能测试，隧道里无任何其他信号干扰，在隧道入口和出口之间，相距200 m的距离下，网络传输性能仍然良好，可以进行正常的数据传输，信噪比为31 dB，数据传输率为853 Kb/s。

3）Ad hoc网络信号能被探测到的最大距离：由实验2-7和3-3可得，在动车上相距34.5 m左右，信噪比降为8 dB；在地铁中相距49 m左右，信噪比约为1 dB；然而这时仍然可以进行数据通信。

4）由实验4-1～4-4可以得出，同一种场景下，移动终端在20 km/h速度下与在40 km/h速度下组建的Ad hoc有较大差异。具体表现在：速度越小，信号强度平均值更低，信号强度相对标准差更小，数据平均传输速率更大，信号中断时距离出发点更近。

5）由图1和实验4-6、4-7可以看出，节点直线远离模型与上桥模型相比，上桥时的网络传输性能比直线远离模型的网络传输性能更差，信噪比相差4 dB，平均数据传输率小250 Kb/s左右。

图1 机动车辆网络传输性能测试直方图

6）由实验 4-8～4-12可以得出，节点车窗关闭或打开，对网络传输性能有较大的影响。车窗打开时，信号强度上升19 dBm，信号波动变大，平均传输速率由1.9 Mb/s增大到2.1 Mb/s，实验表明，电磁波穿过汽车车体材料时，会有很大一部分能量反射。

2 结语

通过对在高速移动下基于 Ad hoc组网方式的WLAN传输性能：信号强度、信噪比以及平均传输速率的测试和评估，在多种测试场景下进行实验，并运用相关软件收集数据，对测试结果进行对比分析，从而对移动速度变化、移动区域变化、周围环境等影响Ad doc网络传输性能的因素进行了研究。结果表明：地铁环境、隧道中湿度很大的岩石结构、火车车厢隔离材料和汽车车体材料分别对电磁传播影响有不同程度的影响。同时，初步验证了移动端点以不同的轨迹和速度运动时，信号衰落情况的不同。

在今后的研究中，可以扩展到多个移动终端，考虑在高速移动条件下其Ad hoc网络拓扑结构的变化，进而影响网络传输性能的各项指标，并对测试数据进行更深入分析，为基于WiFi的无线网络部署和优化提供参考。

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