GPRS通信性能檢測系統

葉煥鋒，姜周曙

（杭州電子科技大學 自動化學院，浙江 杭州 310018）

0 引言

通用分組無線服務[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向第三代移動通信過渡的一種無線高速數據傳輸技術。用戶通過GPRS可在移動狀態下使用各種高速數據業務，但數據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，可檢測時延、丟包率以及傳輸速率三項指標[2-3]。

1 檢測平臺

檢測平臺有GPRS數據終端和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據終端連接，另一方面通過Internet、GPRS網絡與數據終端連接，構成以PC機為測試中心的測試鏈路環，如圖1示。

2 檢測原理

測試軟件使用C/S（Client/Server）架構，PC機作為服務器，GPRS數據終端作為客戶端，當服務器開啟監聽后，GPRS數據終端主動連接并實現數據收發[4,8]。為滿足測試要求構建通信數據幀[7]，如表1。

圖1 GPRS通信性能測試鏈路

表1 網絡數據幀格式

表1的數據幀在網絡中傳輸，下面稱它網絡數據幀。此外，為實現檢測目的，網絡數據幀中的測試數據包含了一個幀，下面稱它測試數據幀，如表2。

表2 測試數據幀格式

用測試數據幀可檢測出 GPRS的三項性能指標，方法如下。

（1）時延檢測

測試數據幀中包含4字節的發送時間，它是數據幀發送前PC機的時間，包括分(1Byte)、秒(1Byte)和毫秒(2Byte)。測試數據幀攜帶時間從PC機出發，通過GPRS數據終端、GPRS網絡和Internet網絡后回到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據幀，表 1和表2的幀格式包含4字節校驗域（CRC校驗模式）和2字節數據域長度。將數據域長度檢測和CRC檢測相結合檢測出數據幀的完整性。

（3）傳輸速率檢測

測試軟件在發送測試數據前，PC機中另一個數據接收線程會立即開啟。只要檢測到緩存中有數據就立即接受并解析，最后統計解析出來的字節量即可。

為完成性能檢測要求，必須有快速可靠的數據幀解析機制，先考慮下面兩種情況：

1)PC機用串口將測試數據幀發送到GPRS數據終端，GPRS數據終端將測試數據幀打包成網絡數據幀，但由于數據幀長度限制打包出來的網絡數據幀會有不同情況：①將n個測試數據幀打包成1個網絡數據幀；②將n+0.5個測試數據幀打包成1個網絡數據幀。

2)網絡擁堵、時延等原因，PC機緩存中會接收n個或者n+0.5個網絡數據幀。

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

3 測試軟件

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

圖2 測試軟件

軟件有以下功能：①提供串口發送網絡接收和網絡發送串口接收兩種模式；②提供定時、定次和定長的自動發送模式和手動發送模式；③具有可視化監控界面，能實時檢測性能狀況；④與數據庫關聯，可存儲和查詢測試結果。

4 測試結果分析

GPRS性能與網絡擁塞相關，現通過不同時間點做大量重復測試，歸納出三種GPRS數據通信性能狀況。測試數據采用折線圖形式，坐標軸解釋如下：橫坐標為測試數據發送周期(ms)；左側縱坐標為平均時延和平均速率(ms和B/s)；右側縱坐標為丟包率(%)。

圖3是網絡在通暢情況下測出得通信數據，圖中展示不同發送周期下，平均時延、平均速率和累計丟包率三項通信性能指標的變化趨勢。由圖知：發送周期較長時，數據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2 000 B/s，而且沒有出現丟包現象（丟包率為0%）。隨著數據發送周期逐漸縮短，平均時延快速增大，但平均速率沒有一直增大，反而發送周期在300ms以下時出現了丟包情況。因此，為了使三項通信性能指標在數據傳輸過程中達到最優，應選擇合適的發送周期。圖3可知，發送周期低于450 ms后平均時延急劇上升，發送周期在450 ms到500 ms之間可以使平均速度達到最大且沒有出現丟包。所以通信時將發送周期控制在450～500 ms之間有較好的性能。

圖3 網絡通暢情況下的GPRS數據通信特性

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

圖4 網絡繁忙情況下的GPRS數據傳輸性能圖

除上面兩種情況外，測試中還發現第三種情況如圖5，此時網絡非常糟糕復雜，圖中可知平均時延和丟包率呈現出U型折線圖，即在發送周期較長時出現了很大的平均時延和較為嚴重的丟包現象，但當發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，所以為保證通信質量應將發送周期控制在800～1 000 ms之間。

圖5 網絡情況復雜時的GPRS數據傳輸特性圖

5 結語

全文講訴的GPRS通信性能檢測平臺能夠有效地檢測GPRS網絡的三項性能指標。檢測基本原理是用PC機自發自收，因此檢測形式方便簡單、數據統計比較容易，自主開發的測試軟件能夠實時顯示整個測試過程。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，所以得出的結論僅限于此。

[1] 鐘章隊,蔣文怡,李紅君.GPRS通用分組無線業務[M].北京:人民郵電出版社,1-9.

[2] 張科峰,陳莉華.GPRS網絡性能測試[J].現代電信科技,2002(01):21-24.

[3] 文志成.通用分組無線業務——GPRS[M].北京:電子工業出版社,128-133.

[4] 劉永錄,衣紅鋼,鞏憲,等.基于GSM/GPRS的無線數據采集系統[J].信息安全與通信保密,2005(11):112-114.

[5] 馬俊.C#網絡應用編程[M].北京:人民郵電出版社,2010:82-147.

[6] 明日科技.C#開發經驗技巧寶典[M].北京:人民郵電出版社,2007:2-200.

[7] 張紅霞,王亞微,郭佳,等.基于GPRS通信技術的遠程抄表系統設計[J].通信技術,2008,41(08):207-209.

[8] 常琨,馬天光,史琳.TCP/IP在GPRS/EGPRS網絡中的應用及影響[J].通信技術,2010,43(12):112-114.