GPRS通信性能檢測系統(tǒng)

葉煥鋒，姜周曙

（杭州電子科技大學(xué) 自動化學(xué)院，浙江 杭州 310018）

0 引言

通用分組無線服務(wù)[1]（GPRS，General Packet Radio Service）由英國BT Cellnet公司提出，它是第二代移動通信技術(shù)向第三代移動通信過渡的一種無線高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。用戶通過GPRS可在移動狀態(tài)下使用各種高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，但數(shù)據(jù)安全可靠傳輸取決于GPRS的通信性能，全文針對該問題研制了GPRS通信性能檢測系統(tǒng)，可檢測時延、丟包率以及傳輸速率三項指標(biāo)[2-3]。

1 檢測平臺

檢測平臺有GPRS數(shù)據(jù)終端和PC機，PC機上裝有GPRS通信測試軟件，它一方面利用串口直接與數(shù)據(jù)終端連接，另一方面通過Internet、GPRS網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)終端連接，構(gòu)成以PC機為測試中心的測試鏈路環(huán)，如圖1示。

2 檢測原理

測試軟件使用C/S（Client/Server）架構(gòu)，PC機作為服務(wù)器，GPRS數(shù)據(jù)終端作為客戶端，當(dāng)服務(wù)器開啟監(jiān)聽后，GPRS數(shù)據(jù)終端主動連接并實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)[4,8]。為滿足測試要求構(gòu)建通信數(shù)據(jù)幀[7]，如表1。

圖1 GPRS通信性能測試鏈路

表1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀格式

表1的數(shù)據(jù)幀在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，下面稱它網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀。此外，為實現(xiàn)檢測目的，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀中的測試數(shù)據(jù)包含了一個幀，下面稱它測試數(shù)據(jù)幀，如表2。

表2 測試數(shù)據(jù)幀格式

用測試數(shù)據(jù)幀可檢測出 GPRS的三項性能指標(biāo)，方法如下。

（1）時延檢測

測試數(shù)據(jù)幀中包含4字節(jié)的發(fā)送時間，它是數(shù)據(jù)幀發(fā)送前PC機的時間，包括分(1Byte)、秒(1Byte)和毫秒(2Byte)。測試數(shù)據(jù)幀攜帶時間從PC機出發(fā)，通過GPRS數(shù)據(jù)終端、GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)后回到PC機，由于起始時間和終止時間在同一臺PC上測出，因此利用時間差就可得出時延。

（2）丟包率檢測

為了在 PC機接收端獲取正確的數(shù)據(jù)幀，表 1和表2的幀格式包含4字節(jié)校驗域（CRC校驗?zāi)Ｊ剑┖?字節(jié)數(shù)據(jù)域長度。將數(shù)據(jù)域長度檢測和CRC檢測相結(jié)合檢測出數(shù)據(jù)幀的完整性。

（3）傳輸速率檢測

測試軟件在發(fā)送測試數(shù)據(jù)前，PC機中另一個數(shù)據(jù)接收線程會立即開啟。只要檢測到緩存中有數(shù)據(jù)就立即接受并解析，最后統(tǒng)計解析出來的字節(jié)量即可。

為完成性能檢測要求，必須有快速可靠的數(shù)據(jù)幀解析機制，先考慮下面兩種情況：

1)PC機用串口將測試數(shù)據(jù)幀發(fā)送到GPRS數(shù)據(jù)終端，GPRS數(shù)據(jù)終端將測試數(shù)據(jù)幀打包成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀，但由于數(shù)據(jù)幀長度限制打包出來的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀會有不同情況：①將n個測試數(shù)據(jù)幀打包成1個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀；②將n+0.5個測試數(shù)據(jù)幀打包成1個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀。

2)網(wǎng)絡(luò)擁堵、時延等原因，PC機緩存中會接收n個或者n+0.5個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀。

以上是數(shù)據(jù)解析的主要問題，下面簡述解決方案。由于完整的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀包含測試數(shù)據(jù)幀，故先解析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀后解析測試數(shù)據(jù)幀，具體如：①遍歷 PC機緩存，提取緩存中所有幀頭和幀尾，并存在幀頭數(shù)組和幀尾數(shù)組中，然后成對提取完整的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀，若出現(xiàn)不完整的幀則先存在臨時數(shù)組中，等待下一次緩存接收另一半網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀并組合成一個完整的幀；②對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行CRC校驗和數(shù)據(jù)域長度比較，得到正確的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀；③解析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀中的測試數(shù)據(jù)，方法和上面一致；④提取測試數(shù)據(jù)幀中的發(fā)送時間并和 PC機當(dāng)前時間比較可檢測時延；統(tǒng)計接收到的測試數(shù)據(jù)幀總數(shù)并和發(fā)送總幀數(shù)比較可檢測丟包率；計算單位時間內(nèi)接收到的字節(jié)數(shù)可檢測傳輸速率。

3 測試軟件

基于以上檢測原理，在微軟.NET Framework平臺上，開發(fā)類似串口調(diào)試工具的測試軟件[5-6]，主界面如圖2。

圖2 測試軟件

軟件有以下功能：①提供串口發(fā)送網(wǎng)絡(luò)接收和網(wǎng)絡(luò)發(fā)送串口接收兩種模式；②提供定時、定次和定長的自動發(fā)送模式和手動發(fā)送模式；③具有可視化監(jiān)控界面，能實時檢測性能狀況；④與數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)，可存儲和查詢測試結(jié)果。

4 測試結(jié)果分析

GPRS性能與網(wǎng)絡(luò)擁塞相關(guān)，現(xiàn)通過不同時間點做大量重復(fù)測試，歸納出三種GPRS數(shù)據(jù)通信性能狀況。測試數(shù)據(jù)采用折線圖形式，坐標(biāo)軸解釋如下：橫坐標(biāo)為測試數(shù)據(jù)發(fā)送周期(ms)；左側(cè)縱坐標(biāo)為平均時延和平均速率(ms和B/s)；右側(cè)縱坐標(biāo)為丟包率(%)。

圖3是網(wǎng)絡(luò)在通暢情況下測出得通信數(shù)據(jù)，圖中展示不同發(fā)送周期下，平均時延、平均速率和累計丟包率三項通信性能指標(biāo)的變化趨勢。由圖知：發(fā)送周期較長時，數(shù)據(jù)傳輸過程中平均時延保持在2 000 ms和4 000 ms之間，此時平均速率慢慢增大，最大達(dá)2 000 B/s，而且沒有出現(xiàn)丟包現(xiàn)象（丟包率為0%）。隨著數(shù)據(jù)發(fā)送周期逐漸縮短，平均時延快速增大，但平均速率沒有一直增大，反而發(fā)送周期在300ms以下時出現(xiàn)了丟包情況。因此，為了使三項通信性能指標(biāo)在數(shù)據(jù)傳輸過程中達(dá)到最優(yōu)，應(yīng)選擇合適的發(fā)送周期。圖3可知，發(fā)送周期低于450 ms后平均時延急劇上升，發(fā)送周期在450 ms到500 ms之間可以使平均速度達(dá)到最大且沒有出現(xiàn)丟包。所以通信時將發(fā)送周期控制在450～500 ms之間有較好的性能。

圖3 網(wǎng)絡(luò)通暢情況下的GPRS數(shù)據(jù)通信特性

圖4是網(wǎng)絡(luò)繁忙情況下測出得通信數(shù)據(jù)，同樣也反應(yīng)了三個指標(biāo)在不同發(fā)送周期下的變化趨勢。對比圖3可知，折線的基本走勢相同，但數(shù)據(jù)傳輸中平均時延高于網(wǎng)絡(luò)暢通的情況，而且在發(fā)送周期為500 ms的時候出現(xiàn)丟包。雖然檢測出來的平均速率最大達(dá)2 000 B/s卻伴隨著較高的數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險，所以通信時將發(fā)送周期控制在600～800 ms之間能夠獲得較好的性能。

圖4 網(wǎng)絡(luò)繁忙情況下的GPRS數(shù)據(jù)傳輸性能圖

除上面兩種情況外，測試中還發(fā)現(xiàn)第三種情況如圖5，此時網(wǎng)絡(luò)非常糟糕復(fù)雜，圖中可知平均時延和丟包率呈現(xiàn)出U型折線圖，即在發(fā)送周期較長時出現(xiàn)了很大的平均時延和較為嚴(yán)重的丟包現(xiàn)象，但當(dāng)發(fā)送周期逐漸縮小時測試出來得性能與前面分析的情況一致，所以為保證通信質(zhì)量應(yīng)將發(fā)送周期控制在800～1 000 ms之間。

圖5 網(wǎng)絡(luò)情況復(fù)雜時的GPRS數(shù)據(jù)傳輸特性圖

5 結(jié)語

全文講訴的GPRS通信性能檢測平臺能夠有效地檢測GPRS網(wǎng)絡(luò)的三項性能指標(biāo)。檢測基本原理是用PC機自發(fā)自收，因此檢測形式方便簡單、數(shù)據(jù)統(tǒng)計比較容易，自主開發(fā)的測試軟件能夠?qū)崟r顯示整個測試過程。但是，檢測平臺也存在缺陷與不足，首先檢測得時延是整個測試鏈路的時延，包括了發(fā)送時延、傳播時延、接收時延等；此外，檢測對象僅僅是華為的GPRS模塊EM310，對其它商家的GPRS模塊并沒有檢測，所以得出的結(jié)論僅限于此。

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