基于信道仿真的无线局域网设备性能测试研究

黄东 肖华 曹俊

摘 要：本文应用信道仿真仪、USB无线网卡、射频器件、屏蔽箱、Chariot网络性能测试软件和Network Stummer无线网络监测软件，设计了一套无线局域网设备传输性能测试系统，对比测试了无线网卡在是否运行标准信道模型、自定义信道模型状态下的性能，分析改变信道参数对无线网卡性能的影响。测试结果表明，标准信道模型下的吞吐量及传输速率较无信道模型状态明显下降;信道模型中，速度变化对无线网卡性能的影响较大。

关键词：信道仿真仪;信道模型;吞吐量;传输速率

中图分类号：TN929.5文献标识码：A文章编号：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

無线局域网（WLAN）是指以无线信道作为传输媒介的计算机局域网络，是计算机网络和无线通信技术结合的产物，具有可移动性，能够快速、方便地解决有线方式不易实现的网络信道连通问题，能够使用户真正实现随时、随地、随意的宽带网络接入。WLAN具备安装便捷、覆盖范围广、经济节约、易于扩展和传输速率高等优点，已经广泛应用于医院、商场、工厂、学校等不适合网络布线的场合[1]。近年来，WLAN技术被广泛应用到铁路行业中，如地铁站、高铁站、机务段等，其在地铁运行中用于车地数据通信。WLAN在各行各业、各种环境条件下都有广泛应用，其工作性能同样需要得到保证。

1 信道模型概述

无线信号从发射天线到接收天线的传输过程中，信道对信号的衰落影响因素包括信道噪声、路径损耗、阴影衰落和多径衰落[2]。无线信号经过多条路径到达接收端，由于多径信号相位、幅度和到达时间随机变化，接收信号包络呈现快速起伏，通常被称为多径衰落。路径损耗是指在发射机与接收机之间的长距离（几百或几千米）上的信号强度变化，主要受传播路径上地形地物的影响。小尺度衰落是指在短距离（几个波长）或短时间（秒级）内接收信号强度的快速变化。产生小尺度衰落的主要原因是多径传播和多普勒频移。当发射机和接收机之间有相对运动或反射体运动时，信号会发生多普勒频移[3]。

图1是一个测试WLAN性能的信道模型界面，模型参数包括运行速率、多径数、每条多径的固定衰减和衰落类型等。测试人员通过不断调整各个参数的值来验证产品的性能，确定在无线信道环境下影响产品性能的关键因素，为设计人员提供改进的依据。

2 无线局域网设备传输性能测试方案设计

2.1 硬件方案

方案主要用来验证无线局域网设备在信道仿真环境下的性能，因此，方案中的核心设备为无线信道仿真仪，无线信道仿真仪只能以传导方式工作在无线设备通信过程中，因此无线接入点（AP）和无线终端需要通过射频线缆分别连接到信道仿真仪的输入端口和输出端口。测试应用的基站和终端都为USB无线网卡，一块工作在AP模式，一块工作在客户端模式，均通过测试计算机的USB接口供电。信道仿真仪的最大输入功率小于20 dBm，而无线AP和无线终端正常工作时的最大功率能达到24 dBm，因此需要在信道仿真仪的输入口和输出口传入衰减器，本方案中接入的是8 dBm的衰减器。无线AP和无线终端都通过计算机的USB口供电工作，因此设计的硬件方案如图2所示。

2.2 软件方案

目前流行的网络性能测试软件有Iperf和Chariot，本方案选择Chariot软件对无线局域网设备吞吐量进行测试。在连接AP的测试计算机上安装Chariot Console和Endpoint应用程序，并运行这两个应用程序，搭建测试的模型，在连接终端的计算机上安装Endpoint应用程序并运行，如图3所示。由于信道仿真仪上测试的功率时刻在变化，且考虑到外界无线信号干扰及线损，在连接终端的计算机上安装监测无线终端接收灵敏度的软件，对被测器件（DUT）的接收信号强度指示（RSSI）进行实时监控。

3 测试验证

3.1 选取的信道模型

文中选取的信道模型为信道仿真仪按照标准定义的信道模型，模型包含8条多径，衰落类型为瑞利衰落。无线通信信道环境中，电磁波经过反射、折射、散射等多条路径传播到接收机后，总信号的强度服从瑞利分布。同时，由于接收机的移动及其他原因，信号强度和相位等特性又在起伏变化，用于描述建筑物密集的城镇中心地帶的无线信道无直视信号。

多普勒频偏为112.9 Hz，速度为50 km/h，路径损耗呈线性变化，以4.1 dB逐渐增大，时延以0.1 μs同步增加，如图4所示。

确定好加载的信道模型并运行，信道模型的8条多径按图5所示循环变化。信道仿真仪支持上下行运行不同的信道模型进行测试，图5中，A1→B1设置为下行链路加载的信道模型，B1→A1为上行链路加载的信道模型，后续测试用的信道模型基于标准信道模型，改变其参数生成。

3.2 测试数据

3.2.1 标准信道模型对性能的影响。首先按照图2进行信道仿真测试，加载图4中的标准信道模型，测试其平均吞吐量和传输时延，然后停止运行的信道模型，通信过程中，时变信道模型没有变化，测试数据对应Static栏，如表1所示。

从表1数据可知，信道模型对产品的传输性能有较大的影响。信道模型的参数包括移动速度、多径数、噪声等，本文主要分析移动台的移动速度和多径数两个参数对通信产品性能的影响。

3.2.2 速度对性能的影响。基于表1测试结果，修改标准信道模型的速度参数，速度在0～300 km/h变化，测试通信过程的传输性能，如表2所示。

分析表2的数据可知，在移动速度不断增加的过程中，USB无线网卡的传输性能是逐渐下降的。运行速度在120 km/h时，吞吐量下降到1.17 Mbps，传输时延达到了342 ms。依据经验数据，城轨车辆运行时要求吞吐量不小于1 Mbps，传输时延不大于500 ms。无线网卡的性能基本满足要求，因此，802.11b/g技术被用作城轨中传输车地交互的数据。但是，速度高于120 km/h时，传输性能显著下降，不满足车地通信性能要求，802.11b/g技术不适用于动车和高铁[4-5]。

3.2.3 对比多径下设备的性能。选取测试的信道模型不存在直视径，按照图4所示，分别设置多径数为1条、2条、3条、5条，然后测试设备的平均吞吐量和传输时延，测试结果如图6所示。图中，a指吞吐量，b指传输延时。

从图6的数据分析可知，多径数多于2条的仿真环境下，吞吐量和传输时延较1条仿真环境有明显的提升。随着多径数的增加，吞吐量是逐步提升的，而传输时延也有所减小，设备的整体传输性能有所提升。实际应用中，可以通过多入多出（MIMO）技术来增加多径数，达到改善产品传输性能的目标。

4 结论

本文通过应用信道仿真仪的信道仿真环境，对无线局域网设备的吞吐量、传输时延等参数进行对比测试。研究结果表明，无线局域网设备（802.11b/g）在移动速度大于120 km/h的环境中，传输性能明显下降;仿真环境的多径数大于1条的情况下，传输性能得到比较明显的提升。

参考文献：

[1]代帆.802.11无线局域网定位系统的设计与验证[D].长沙：国防科学技术大学，2012：1-2.

[2]吴凯.无线衰落信道模拟的仿真研究与实现[D].长春：吉林大学，2014：12-13.

[3]丁奇.大话无线通信[M].北京：人民邮电出版社，2010：64-66.

[4]金心宇，吴端坡，吴砥柱.列车高速移动过程中多普勒频偏及误码率分析[J].铁道学报，2012（4）：47-50.

[5]李美艳.基于LTE技术的高铁无线通信方案[J].广东通信技术，2011（7）：24-26.