复杂无线信道轻量化探测方法研究

胡梦晨 解文博 魏子忠

（重庆金美通信有限责任公司北京技术分公司 北京市 100000）

无线通信中主要采用短波、超短波、卫星、微波等作为主要通信手段[1]，这些无线信道通过带宽、时延、误码率等参数进行特征描述。无线通信机制不同，受时空、天气、地理位置、干扰等影响也不同，信道参数体现动态变化的特性。无线信道需要支撑的作战业务主要包括指挥控制、态势感知、行动控制、支援保障等，这些业务对时效性、可靠性、容量、传输方式等有着不同的传输要求，在关键业务传输前进行无线信道探测，根据探测结果配置相应的业务传输策略是十分必要的。

商用网络测速方法通常采用发送大量数据报文占满带宽的方式进行信道质量探测，该方法发送数据量大、探测时间长，容易造成信道阻塞，无法满足无线信道探测准确性和即时性要求。本文通过调研分析，设计实现一种满足无线通信要求的轻量化探测方法。

1 探测方法概述

无线信道探测包括被动探测和主动探测两种方法。被动探测是通过收集历史信息计算得到的，准确性较高，但是只能反映过去的一段时间的信道特性，并且探测到的信息是局部的（一般是单跳的）。主动探测是通过在网络中发送探测报文，根据统计探测报文传输情况计算得到的。主动探测的准确性一般，但是即时性较高，同时探测到的信息是整体性的（可以是包含多跳的端到端路径）。本文描述无线信道轻量化探测方法采用主动探测的方法。

信道探测内容包括可用带宽探测、时延探测和丢包率探测3个主要部分。本文的思路是，通过设计一个探测序列，将可用带宽、时延、丢包率进行统一探测，减少探测报文（及反馈报文）的数据量。可用带宽探测中，Packet Dispersion[2]是一种比较成熟的探测技术，主要思想是利用探测报文之间的间隔来估计一条路径的带宽属性。大多数探测算法都借鉴了这种思想，区别主要在于发送探测报文的时间间隔、探测报文大小（以及是否固定不变）、带宽的统计和计算方法等。

时延探测主要通过计算RTT（Round Trip Time）[3]，即发送端从发送一个报文开始到收到它的ACK报文之间所耗费的时间。丢包率探测的方法主要分为两类：第一类方法主要以丢失报文个数除以总报文个数等于丢包率原理为基础；第二类方法通过研究链路的接收速率、RTT、带宽、丢包率等之间的关系，间接计算出丢包率。考虑到算法的准确性，本文的丢包率探测采用第一类方法进行改进。

2 实现机制

不同类型的无线信道之间信道质量差异较大，短波、超短波、卫星等信道的带宽在2kpbs到20kpbs之间，往返时间在2秒到3秒之间。而微波等信道的带宽可以达到8Mbps，往返时间可以低于20毫秒。无线信道带宽的差异决定了，在探测带宽精确度不变的情况下，使用同一方法，探测用时和探测对无线信道影响是互斥的[4]。例如，探测方法考虑到高带宽无线信道的存在，如果想要探测用时短，则需要发送大量探测报文。如果此时信道为低带宽信道，探测报文会造成信道堵塞。

本文提出的探测方法为实现轻量化探测要求，即同时满足探测用时短和探测对无线信道影响小的要求。将无线信道分为两类，低带宽无线信道和高带宽无线信道。针对不同类型的无线信道，采用原理相异的带宽探测方法。往返时延探测方法和丢包率探测方法与无线信道差异性相关性低，所以不同类型的无线信道采用相同的时延探测方法和丢包率探测方法。

2.1 低带宽无线信道带宽探测方法

低带宽探测方法参考无线信道的经验带宽值，设置多个参考值，如2kbps、20kbps和64kpbs，由低到高依次进行探测，获得当前信道的探测带宽值，避免过大的探测流量堵塞无线信道。低带宽无线信道带宽探测方法的步骤。

（1）首先根据实际场景设置多个待确定带宽值和探测时需要的参数：探测持续时间、探测报文长和探测发送速率；

（2）探测端获取到首个或下一个待确定带宽值、探测持续时间、探测报文长度和探测发送速率；

（3）探测端根据探测参数发送探测报文，探测报文中携带发送时间戳等信息；

（4）目的端收到探测报文后，反馈应答报文，探测报文中携带探测报文发送时间戳等信息；

（5）探测结束后，计算探测带宽值。如果探测带宽值大于待确定带宽值，则执行（2）继续探测。如果探测带宽值小于待确定带宽值，则探测带宽值即为当前无线信道的可用带宽，探测结束；

（6）如果没有待确定带宽值，则说明当前信道的可用带宽大于待确定带宽值。进入高带宽无线信道探测。

低带宽无线信道探测带宽计算方法采用Packet Dispersion的思想[5]，利用探测报文之间的间隔来估计一条路径的带宽属性。探测带宽计算公式如下：

其中：

A：本阶段探测得到的带宽值，单位为bps；

L：探测报文的大小，单位为比特；

2.2 高带宽无线信道带宽探测方法

高带宽无线信道带宽探测，采用TCP慢启动思想，使探测带宽值快速收敛。为应对无线信道的高丢包率，不采用“发生丢包”作为探测带宽值收敛的标志，采用“探测带宽值不再增大”作为探测带宽值收敛的标志，增加探测带宽值的准确性。高带宽无线信道带宽探测方法的步骤

（1）首先初始化探测时需要的参数：探测带宽值、发送速率增益系数等；

（2）根据探测带宽值和发送速率增益系数计算发送速率；

（3）探测端根据发送速率发送探测报文，探测报文中携带发送时间戳、上次收到应答报文的时间戳等信息；

（4）目的端收到探测报文后反馈应答报文，探测报文中携带探测报文发送时间戳、上次收到应答报文的时间戳等信息；

（5）探测端收到应答报文后，计算探测带宽值，如果探测带宽值增大，则执行（2）继续探测。如果探测带宽值不再增大，则探测带宽值即为当前无线信道的可用带宽，探测结束。

高带宽无线信道探测带宽计算方法采用带宽等于阶段内传输数据量和阶段时间长度之商的思想[6]。探测带宽计算公式如下：

其中：

定理 1 设(U,A∪D)是一个覆盖决策系统,U={x1,x2,…,xn}, U/D={k=1,2,…,l}。 如果θ=1,则

A：本阶段探测得到的带宽值，单位为bps；

Δdelivered：两次应答报文之间目的端接收的数据量，单位为比特；

Δt：两次应答报文的时间间隔，单位为秒。

2.3 无线信道时延探测方法

无线信道时延探测方法使用探测端发送探测报文时间戳和接收应答报文时间戳计算信道时延。具体计算公式如下：

D =Ts-Tr

其中：

D：信道探测时延，单位为秒；

Ts：探测端发送探测报文的时间戳；

2.4 无线信道丢包率探测方法

无线信道丢包率探测方法使用探测端发送探测报文个数和目的端接收探测报文个数计算信道丢包率，具体计算公式如下：

其中：

L：信道探测丢包率，单位为%；

Cs：探测端发送探测报文个数，单位为个；

Cr：目的端接收探测报文个数，单位为个。

3 仿真与分析

在不同类型的无线信道下进行实验，分析上述无线信道轻量化探测方法的准确性和带宽占用。图1是高带宽无线信道的带宽探测结果，图2是低带宽无线信道的带宽探测结果，通过结果图可以看出，无线信道轻量化探测方法的带宽探测相对准确。当真实带宽值为8192kpbs时，探测带宽值和真实带宽值的绝对差值最大，此时平均探测带宽值为8817，绝对误差仅为7%。

图1：高带宽无线信道带宽探测结果图

图2：低带宽无线信道带宽探测结果图

通过结果可以看出，无线信道轻量化探测方法的时延探测和丢包率探测准确性极高。时延探测最大绝对差值仅为3ms，此时的相对误差为1%。丢包率的探测最大绝对误差仅为0.07%，此时的相对误差为2%。

通过可以看出，无线信道轻量化探测方法探测不同类型的无线信道时，探测用时快速且稳定，平均用时13秒，最长用时18秒。通过无线信道的带宽值和探测使用的数据量的比较，可以得出无线信道轻量化探测方法对无线信道的侵入性较小，探测使用的数据量平均是无线信道带宽值的1倍，最大是无线信道带宽值的5倍。即探测时平均使用无线信道2秒的流量值。最大使用无线信道6秒的流量值。

根据测试结果可以得出，无线信道轻量化探测方法具备误差小、探测用时短和探测传输流量少的特点。在差异较大的无线链路中表现稳定。

4 结束语

本文主要阐述了复杂无线信道轻量化探测方法的实现机制，通过对已知的信道类型进行分档，从低速信道向高速信道逐步过度，并对低速信道和高速信道采用两种不同的探测算法。通过控制发送数据报文的大小、间隔和数量，控制探测报文的数量，并优化探测结果的反馈时间。该方法兼顾了准确性和即时性问题，实现复杂度低，简洁高效。本文给出了不同无线信道的仿真和分析结果，满足传输业务过程中实时探测信道特性的使用要求。后续将结合工程实践和无线信道的多样性，进一步优化探测算法的参数，提升信道探测的准确性和效率。