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北京邮电大学硕士学位论文 奠 | i u li i ii iiii i i1 11 1i il 独创性( 或创新性) 声明 y 17 5 7 9 6 3 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：固缸 日期：噬圣：! 兰 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： l 茎j 聋亟 日期：塑! 旦：圣：! 至本人签名： l 兰j 聋圣 日期：塑! 旦：圣：! 至 导师签名：二 亳多状日期：翻卯嘭t 妒 爻0 n 北京邮电大学硕士学位论文 i 稿 4 孵 砖， 一 r - ： 北京邮电大学硕士学位论文 无线网卡接收性能测试系统的设计 摘要 在中国广电行业的双向网改造过程中，“e p o n + e o c ”的改造方式 已经成为了主流方案。伴随着e o c 终端和局端的大量应用，广电运 营商与设备制造商越来越重视对e o c 产品性能的检测。 对于以w l a n 技术为核心技术的e o c 设备，w l a n 无线网卡的 性能直接决定了e o c 设备的性能。本文提出适合实习公司自主研发 的w l a n 无线网卡的网卡接收性能测试系统。具体工作内容如下： 1 分析现有广电双向网改造方案，重点分析改造过程中的设备测 试系统与测试标准，提出适合w t 系列e o c 产品中使用的w l a n 无 线网卡的网卡接收性能测试方案。 2 通过对比分析现有系统，提出接收性能测试系统硬件模块的设 计方案。利用数控衰减芯片与物理衰减模块完成了数控衰减器的设 计，利用单片机实现了对数控衰减器的控制。 3 依据s o c k e t 编程思想，将整个系统分为局端、终端以及链路 三大部分。分别在e c o s 与v s 2 0 0 3 开发平台上，利用c c + + 语言， 实现局端与终端之间的s o c k e t 通信。自定义了特殊的通信数据格式 与接收性能判定方法，方便快捷的实现丢包率计算。 4 在测试过程中，利用第三方串口通信类实现p c 与a t 8 9 c 5 1 单片机的通信。实现衰减的自动设置和网卡接收性能的自动调节功 能。 5 通过网络分析仪对测试系统硬件环境的可靠性进行测试。利用 c h a r i o t 测试软件，从接收性能测试与接收性能提升两个角度验证了 系统的可靠性与实用性。 本系统经过验证可行后，已经用于实际的生产过程中，在产品测 试环节中发挥了重要的作用，提高了产品的生产效率。 关键字：无线网卡接收性能数控衰减器s o c k e t 编程丢包率 北京邮电大学硕士学位论文 一 毋 b - 北京邮电大学硕士学位论文 d e s i g no fr e c e i v e p e r f o r a 删c et e s t i n g s y s t e mo fw i r e l e s sn e t w o k c a r d a b s t r a c t d u r i n gt h et w o d i r e c t i o nr e v o l u t i o no fb r o a d c a s ti n d u s t r yo fc h i n a ， t h e “e p o n + e o c ”t r a n s f o r m i n gm o d eh a sb e c o m et h em a i ns o l u t i o n t h e e o cd e v i c e sa r ew i d e l yu s e d s ot h et e s t i n go fe o cd e v i c eh a sb e c a m e o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt h i n g sf o re q u i p m e n ts u p p l i e r , b e c a u s et h e y n e e dt os h o r t e nt h ec y c l et i m ei no r d e rt or e d u c et h ep r o d u c t i o nc o s t sa n d t a k et h em a r k e t a sak e yp a r to ft h ee o cd e v i c e ，t h ep e r f o r m a n c eo fn e t w o r kc a r d g r e a t l y a f f e c t st h e p e r f o r m a n c e o fd e v i c e at e s t i n g s y s t e m f o r r e c e i v e p e r f o r m a n c eo fw i r e l e s sn e t w o r kc a r di si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h es y s t e mi sd e s i g n e df o rac e r t a i nt y p eo fn e t w o r kc a r d t h em a i n c o n t e n t sa r ef o l l o w s ： 1 a n a l y z e dt h ee x i s t i n gs o l u t i o n so fh f cr e v o l u t i o na n d d e v i c e t e s t i n gs y s t e m an e wd e s i g no ft e s t i n gs y s t e mw h i c hi ss u i t a b l ef o rt h e 7 ts e r i e sw i r e l e s sn e t w o r kc a r di sp r o p o s e d 2 ad e s i g nf o rh a r d w a r em o d u l ei sp r o p o s e dt h r o u g ht h ea n a l y s i s a n dc o m p a r eo fe x i s ts y s t e m t h ec o n t r o lo fn u m e r i c a lc o n t r o la t t e n u a t i o n w h i c hi sd e s i g n e db yu s i n gn ca t t e n u a t i o nc h i pa n dp h y s i c a la t t e n u a t o ri s a c c o m p l i s h e db yu s i n ga t 8 9 c 5 1 m c u 3 b a s e do nt h es o c k e tp r o g r a m m i n gm o d e l ，t h ew h o l es y s t e mi s d i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ：s e r v e r , c l i e n ta n dl i n k t h ec o m m u n i c a t i o n s b e t w e e ns e r v e ra n dc l i e n ta r ea c c o m p l i s h e db yu s i n gc c + + l a n g u a g eo n e c o sa n dv s 2 0 0 3p l a t f o r m i no r d e rt o c a l c u l a t el o s st o l e r f i n c e c o n v e n i e n t l y , as p e c i a ld a t as t r u c t u r ei sd e f i n e da n d ad e t e r m i n i n gm e t h o d f o rr e c e i v e p e r f o r m a n c et e s t i n gi sp r o p o s e d 4 d u r i n gt h et e s t i n gp r o c e s s ，t h ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e np ca n d m c ui sa c h i e v e db yu s i n gt h es e r i a lp o r t sc o m m u n i c a t i n gc l a s s t h e 飞p 北京邮电大学硕士学位论文 d i g i t a l a t t e n u a t i o ni sc o n t r o l l e d a u t o m a t i c a l l y a n dt h e r e c e i v i n g p e r f o r m a n c eo fn e t w o r k c a r di sa d j u s t e da u t o m a t i c a l l y 5 t h ep e r f o r m a n c eo ft h ea t t e n u a t i o ni sc h e c k e d b yu s i n gn e t w o r k a n a l y z e r t h er e l i a b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t yo ft h es y s t e mi sv e r i f i e db y c h a r i o tt e s t i n g a f t e rb e i n gp u ti n t op r a c t i c ef o rap e r i o d ，t h es y s t e mh a sa l r e a d y b e e nu s i n gi nt h em a n u f a c t u r i n ge f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：w i r e l e s sn e t w o r kc a r d ，r e c e i v e p e r f o r m a n c e ，n u m e r i c a l c o n t r o la t t e n u a t i o n ，s o c k e t ，l o s st o l e r a n c e i v 雕lr￥蛉j 11ii 北京邮电大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 课题背景意义1 1 2 国内外技术现状2 1 2 1 国外发展现状2 1 2 2 国内发展现状3 1 3 论文结构安排5 第二章系统的测试方案与测试环境7 2 1 测试指标的选取7 2 2 测试方案的制定7 2 3 测试系统软硬件环境的设计9 2 4 本章小结1 0 第三章测试系统硬件环境的设计1 1 3 i 数控衰减器的设计1 l 3 1 1 衰减器基本参数指标1 1 3 1 2 数控衰减器的设计目标1 2 3 1 3 数控衰减器的设计方案1 2 3 2 数控衰减器各模块的设计1 6 3 2 1m a x 2 3 2 电平变换模块1 6 3 2 2a t 8 9 c 5 1 模块1 7 3 2 3 数码管显示模块1 8 3 2 4 同轴开关模块1 8 3 3 本章小结1 9 第四章系统测试模型的设计2 0 4 1 套接字s o c k e t 编程模型2 0 4 1 1s o c k e t 编程模型简介2 0 4 1 2 基本套接字调用2 l 4 2 基于 嵌入式系统的发送数据包系统的设计一2 3 4 2 1 e c o s e c o s 简介2 3 4 2 2e c o s 实现方案2 5 4 3 终端接收系统的设计2 7 4 4 本章小结2 8 第五章系统的软件控制流程的设计2 9 v 、尊蚺 北京邮电大学硕士学位论文 5 1 人机交互过程2 9 5 2 软件控制流程3 0 5 3 软件控制网卡接收性能3 3 5 4 软件控制衰减器3 6 5 4 1p c 串口简介3 6 5 4 2 串口通信3 7 5 4 3 衰减范围测试过程3 8 5 5 接收标准控制3 9 5 6 扫描过程控制4 0 5 7 最优值选择控制4 0 5 8 本章小结4 2 第六章测试数据分析4 3 6 1 硬件测试数据分析4 3 6 2 软件测试数据分析4 5 6 2 1 网卡性能理论测试数据分析4 5 6 2 2 网卡性能实际测试数据分析4 5 6 2 3 实际应用数据与测试数据对比分析4 7 6 3 本章小结5 0 第七章总结与展望5 1 7 1 主要工作5 1 7 2 研究展望5 1 参考文献5 3 附录5 6 致谢6 1 攻读硕士学位期| 日j 发表的论文6 2 尊 妒 _ 北京邮电大学硕士学位论文 1 1 课题背景意义 第一章绪论 伴随着网络的发展，尤其是宽带网络的发展，电信的交互式网络电视( i p t v ) 技术对广电行业产生了很大的影响。州具有的视频点播技术( v o d ) 和强大 的交互功能，将使得电信的州用户放弃广电的有线电视服务，影响广电行业 的生存。 面对挑战，广电行业的出路是数字化的双向改造。只有实现数字化、交互式、 多功能、多业务，提供个性化需求才能赋予有线电视网络更强的生命力。在国 民经济和社会发展第十一个五年规划纲要中明确指出：“加强宽带通信网、数 字电视网、下一代互联网等基础设施建设，推进三网融合，健全信息安全保 障体系。目前，广电行业所推出的数字电视只是增加了图像清晰度，仍然无法 和电信的i p t v 双向交互相比。同时，直播卫星所具有的广覆盖式的广播电视， 从覆盖范围上也是广电的有线闭路电视无法比拟的。因此，广电有线电视只有实 现双向互动数字电视才能解决行业面临严重的生存问题【。 在我国广电行业双向网改造过程中，主要采用“以太无源光网络( e t h e r n e t p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，e p o n ) + 以太数据通过同轴电缆传输( e t h e r n e to v e r c o a x ，e o c ) 的改造方式1 2 】。北京六合万通微电子技术股份有限公司提出的基 于有线电视同轴电缆的“万通e o c 有线电视双向改造方案”得到广泛试用，并 在全国多个地区成功商用，成为双向改造新兴技术主流方案之一。六合万通公司 自主设计研发的w l a n 无线网卡在w t 系列e o c 终端和局端中大量应用，使得 网卡的接收性能测试工作也成为重点工作之一。 w t 系列e o c 产品中所使用的w l a n 无线网卡，其接收性能主要由两个寄 存器联合控制，可以通过调节寄存器的值来调节网卡的接收性能。目前的网络测 试系统，均采用进口仪器进行检测，只可以对网络( 网卡) 性能进行单一的测试， 而无法通过测试结果对网卡性能进行有针对性的实时调整与改善，无法使网卡实 现最佳接收性能。在测试过程中，一旦测得网卡性能指标不符合应用要求，需要 停止当前测试并且重新设定网卡参数，进行二次测试。不仅增加了测试成本，而 且降低了测试效率。另外，由于测试设备均为国外进口，使用成本高，维护不便， 间接提高了网卡的生产成本。因此，设计一套适合w t 系列w l a n 无线网卡的 接收性能测试系统已成为六合万通公司当前的重点工作之一。 本测试系统主要针对w t 系列e o c 局端终端中所使用的w i a n 无线网卡， 可以有效地实现无线网卡接收性能的测试与调整。不仅简化了测试流程，而且实 现了在网卡接收性能测试的过程中，自动调节接收性能，使接收性能达到较优水 l 北京邮电大学硕士学位论文 平，降低了网卡生产成本，提高了生产效率，必将使w t 系列产品的市场竞争力 大大提高，从而在市场竞争中夺得先机。 1 2 国内外技术现状 在广电行业双向网改造过程中，针对不同的改造方案使用不同的网络设备。 对于每一种改造方案，都应从网络环境与终端网络设备两个层面来验证系统的稳 定性。其中，对网络系统的测试主要包括物理连通性测试、基本功能和一致性测 试、网络系统的规划验证测试、性能测试、流量测试和模型化测试等几个方面； 对网络设备的测试主要包括功能测试、性能测试、一致性和互通性测试等几个方 面【3 】o 网络设备测试的方法和手段因测试目的不同而有所不同。典型的网络设备测 试方法有两大类：第一类是将设备放在一个仿真的网络环境中，通过分析该产品 在网络中的行为对其进行测试；第二类是使用专用的网络测试仪器对产品进行测 试，如专用的性能分析仪器等1 4 j 。 1 2 1 国外发展现状 在欧洲与北美地区双向网改造的过程中，由于人口居住集中程度低，已有广 电网络质量高，当地广电运营商主要采取线缆调制解调器( c a b l em o d e m ，c m ) 技术。1 9 9 3 年1 2 月，美国时代华纳公司在佛罗里达州奥兰多市的有线电视网上进 行模拟和数字电视、数据的双向传输试验成功。在这之后，c m 技术就在国外广 电改造中广泛使用。c m 技术基于d o c s i s v l 0 、d o c s i s v l 1 ( d o c s i s ：交互 式有线电视业务传输系统) 标准，该标准于1 9 9 9 年3 月通过国际电联电信标准部 的测试。d o c s i s 下行物理层技术要求可分为美洲和欧洲两大标准，分别与这两 个地区电缆电视频率计划相适应。这两大标准关键的差别在于下行信道编码不 同，且上下行频带分割不同。 在使用c m 技术时，需要与c m 终端系统( c a b l em o d e mt e r m i n a t i o ns y s t e m ， c m t s ) 设备进行交互。一台前端c m t s 设备可为多个c m 用户提供服务。c m 方 案的最大优势在于：除了前端的c m t s 设备和用户端的c m 以外，没有其他有源 的数据网设备，因此管理、维护比较方便。c m 方案的另一大优势是时间成本低： 一旦部署了c m t s ，就像电信a d s l 一样可以随时开通用户。另外，它的覆盖范 围大，单从宽带接入业务考虑，c m t s 可以分期投资，逐步扩充。c m 的标准化、 成熟度也是其它方案难以比拟利5 。 在c m 设备性能测试的过程中，主要有以下两种测试方案。第一种为利用专 业仪器测试，主要有思博伦通信公司的d o c s i s 验收测试解决方案集( a t s ) 。在 2 气 0 北京邮电人学硕士学位论文 北美、欧洲，它被广泛的用于政府、大学科研机构、各大网络通信公司、运营商 等相关组织q a l 6 1 。用此方法可以对c m 或c m t s 的数据转发能力进行简便高效的校 验测试。d o c s i sa t s 可以提供一系列的测试工具，包括s m a r tc a b l em o d e m t m t e s t ( s c m t ) 和d o c s i sc e r t e s tf o re t h e m e t u s b 。这些工具可以确保系统符合 d o c s i s 和e u r o d o c s i s 的质量认证的要求，从而使厂商为产品质量认证做好准 备。s m a r t b i t s 设备具备独特的能力，能够探测帧丢失、失序帧和溢出帧，能够对 网络进行多种测试，包括吞吐量测试、背对背测试、延时测试、包丢失和队列跟 踪测试等，而且还能对数百个c m 进行同时测试。 另一种方案为利用频谱分析仪进行测试。采用这种方案时，上下行通路相互 独立测试且衰减可调。同时设置上行和下行测试口，通过使用频谱分析仪观察上 行和下行的r f 频谱情况来完成检测。此方案可以实现c m t s 下行输出频率和c m 输入功率和频率范围测试、上行频率范围测试、发送接收电平测试、符号率变 化测试、c m 及c p e 的地址获取测试、c m t s 的s n m p 协议兼容性测试、c m 网络 管理测试与数据发送接收测试1 7 1 。 上述两种测试方案只针对于c m 改造方案，而c m 改造方案在应用时易受干 扰，无法适用于多用户条件，业务承载能力较弱，对基础网络的质量要求高，不 便于在人口密集的区域使用。另外，c m t s 单位带宽成本太高，且存在反向噪声 汇聚，整个系统需要有良好专业素质的维护人员去维护。全球只有北美地区的 c m t s 占据了6 0 以上的市场份额。但是，近两年市场占有率也有下降趋势。在 刚刚结束的美国有线电视技术展览会上，中兴通讯推出了基于d o c s i s 标准的 e p o n 解决方案。该方案让美国有线电视多系统运营商能够构建光分发网络，提 供住宅、商用和移动回程应用，可以帮助运营商在不需改变已有的d o c s i s 后台 系统的基础上，利用现有的光纤资源提供基于e p o n 的多重业务。许多世界级设 备供应商，如s a 、哈雷、华为，都已经停产了c m t s 设备【8 】。 1 2 2 国内发展现状 2 0 0 7 年以来，中国有线数字电视整体转换；2 0 0 8 年，以双向交互为基础的整 体转换势如破竹，进入高速繁荣阶段。在我国双向网改造的过程中，针对当地的 实际情况选择不同的改造方案：部分地区采用c m 改造方案，如山东青岛、山西 朔州与我国南方少数地区。但在大多数区域的改造过程中，由于用户高度集中且 基础网络设施相对薄弱，无法采用c m 技术，因此采用适合我国国情的解决方案 “e p o n + e o c 。 目前我国e o c 解决方案的划分方式有多种，按照频率划分可分为低频与高频 两大类。工作于低频端的e o c 技术主要有：基带e o c 、h o m e p l u g a v 、 3 北京邮电大学硕士学位论文 h o m e p l u g b p l 、家庭电话线网络联盟( h o m ep h o n e l i n en e t w o r ka l l i a n c e ， h o m e p n a ) 技术；工作于高频端e o c 技术主要是无线局域网( w i r e l e s sf i d e l i t y ， w i f i ) 技术和同轴电缆多媒体联盟( m u l t i m e d i ao v e rc o a x a l l i a n c e ，m o c a ) 技 术。其中比较特殊的是m o c a 技术，其既可工作在高频端也可以工作在低频端， 只是很少有基于低频端的需求，m o c a 的芯片厂家e n t r o p i c 还没有推出基于低 频的芯片。通过实际应用中的对比分析，得出以下结论：低频设备的优点是传输 距离长，但是容易受网络干扰的影响，使得许多低频设备存在丢包问题，外加低 频芯片造价难以降低，使得低频方案的推广存在一定的瓶颈；高频w i f i 降频方 案能适用有线电视同轴网络传输，能有效地避免低频方案的干扰问题，对于带宽 问题，芯片商a t h e r o s 定义的s u p p e rg 已经可以有效的解决，而链路传输过程中 衰减大的问题可以通过研发功率放大模块来弥补。当前高频w i f i 降频所面临的 最关键问题为丢包问题，一旦解决此问题，高频e o c 技术在今后发展道路上必然 成为一个很重要的应用技术p 。1 4 。 目前，国内有线电视运营商以及设备提供商在对e o c 局端终端设备进行性能 测试时，主要通过使用专业测试仪器来完成测试工作。其中，应用最广的属思博 伦公司的s m a r t b i t s 系列网络测试仪与l x i a 公司的网络测试仪。 在对大型广电网络进行双向改造时，由于用户数目多，测试标准高，所以在 测试的过程中主要运用s m a r t b i t s 系列网络测试仪进行测试。s m a r t b i t s 系列网络测 试仪提供了以太网业务所必需的测试功能，能快速地验证以太网业务，节省现有 的人力资源，并且使用人员无需很多数据通信方面的经验，可选的p o s 和a t m 接 口卡还可以完成部分s d h 和a t m 的功能及性能测试。对于对a t m 有更深入测试 需求的用户，思博伦公司还提供了更专业的御r m 测试仪表用以满足a t m 测试全 方位的需求。使用s m a r t b i t s 系列测试仪可以帮助用户测试设备及网络性能，如吞 吐量、延迟、丢包等指标，更可以在一个端口中模拟上千万个网络的数量，并可 以对其各自的性能进行分析，测试出不同的服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 下不同流量的表现1 4 j 。 通过近几年的发展，思博伦公司在国内占领了很大的市场份额，成为网络设 备从业人员重要的工具之一，与同类网络测试仪器相比具有绝对优势，逐渐成为 广电系统内最具权威的测试仪器，其测试结果也为各个广电部门视为最准确的结 果。如在吉林省广播电视网络测试、山西省广播电视网测试等项目中，都使用 s m a r t b i t s 系列仪器进行测试。 在中小型网络等更重视实际应用的网络测试过程中，通常采用i x i a 公司的设 备，如广播科学院e o c 入网检测项目。i 】【i a 测试系统可验证复杂的口网络、设备 和应用的功能性和可靠性【1 5 】1 1 6 1 。i x i a 拥有强大而灵活的测试硬件和应用程序，可 4 北京邮电大学硕士学位论文 以高度精确地仿真网络和应用程序数据流，尽其所能对口网络设备和系统进行测 试。i x i a 的测试系统可使用各种行业标准接口，其中包括以太网、s o m 玎和a t m 。 l x i a 测试系统被网络和电话设备制造商、半导体制造商、服务提供商、政府机构 和企业等客户用于对复杂网络、设备和应用进行性能和可靠性测试验证。i x i a 的 产品以s m a r t b i t s 系列产品为原型，在功能与实用性等多方面都很好的实现了对 s m a n b i t s 测试仪的模仿。i x i a 公司的硬件产品主要有o p t i x i a 机箱蝴：o p t i x i a 测试 模块。o p t i x i a 机箱可容纳o p t 政i a 测试模块，具有超高密度和高度灵活性的测试平 台系列。测试模块适用于1 0 1 0 0 1 g 1 0 g 以太网、s o n e t p o s 、a t m 和p o e 1 刀【1 8 l 。 通常将o p t i x i a 澳l j 试模块与其提供的控制软件i x e x p l o r e r - - 起使用。i x e x p l o r e r 控制 硬件流程，它可访问i x i a 所有的硬件功能，直接控$ 0 j l x i a 强大的流引擎以生成并 捕获各种数据，从而完成各种测试功能。 另外，许多内部测试采用g a n y m e d es o f t w a r e 公司c h a r i o t 专业软件。c h a r i o t 是业界著名的多功能网络业务测试软件，主要用于实验室内部测试。现在非常多 的评测实验室都在使用c h a r i o t 软件进行网络设备的性能测试，比如一些千兆以太 网卡横向比较测试和无线局域网产品的横向比较测试。除此之外，还有很多对于 防火墙设备的评测都采用了c h a r i o t 。作为一款被广泛认可的应用层i p 网络及网络 设备的测试软件，c h a r i o t 可提供端到端、多协议测试、多操作系统、多应用模拟 测试，应用范围包括有线网、无线网广域网及各种网络设备，也可以进行网络 故障定位、用户投诉分析、系统评估、网络优化等测试，能从用户角度测试网络 或网络参数，如吞吐量、反应时间、抖动、延时、丢包等【1 9 - 2 2 l 。 上述方法除了无法利用w t 系列网卡的特性进行实时参数调整外，还有以下 缺点：采用s m a r t b i t s 设备或i x i a 设备进行测试时，测试空间占用大、测试时间长， 测试成本高，对于复杂网络需要专业人员进行指导操作；而在使用c h a r i o t 软件测 试时，需要手动调节衰减器的衰减值来验证网卡的工作范围，测试过程无法实现 自动化，需要专门的测试人员对测试过程进行跟踪，测试的效率较低，从而导致 这些方法都无法满足在w t 系列网卡生产过程中高效率，低成本的要求。 1 3 论文结构安排 第一章首先介绍了广电行业的改革情况以及e o c 设备的应用情况，提出项 目研究的必要性，然后对现阶段广电运营商以及广电设备制造商所采取的主要测 试方案进行了综述，并对项目的可行性进行分析，给出了本课题的应用前景与意 义。 第二章概述了基本的测试方案，并提出了测试环境搭建方案。 第三章提出网卡接收性能测试系统的硬件环境，对各模块的设计思路与作用 s 北京邮电大学硕士学位论文 做了详细说明。 第四章提出网卡接收性能测试系统测试环节的设计方案，包括终端与局端两 部分的设计。 第五章详细介绍了网卡接收性能测试系统的软件控制流程，包括测试过程的 各个步骤，各模块的设计思路和功能。 第六章对系统的软硬件模块进行测试，对测试数据进行分析，并与传统的测 试数据相比较，验证系统的可行性。 第七章对全文进行总结，并就进一步研究的问题进行讨论。 6 北京邮电大学硕士学位论文 第二章系统的测试方案与测试环境 本测试系统所测试的w l a n 无线网卡用于e o c 设备中，主要为了解决“最 后一百米的问题。在实际应用的过程中，e o c 设备传输的单向信号工作频率范 围为8 h z - - 8 6 0 m h z ，双向信号工作频率范围为8 6 0 m h z - - 1 5 g h z 2 3 1 。对新一代 接入网的需求调研，可得知e o c 设备将向以下几个方面发展： ( 1 ) 在不低于3 0 的接入率条件下满足入户带宽达到3 0 m b p s 以上。e o c 系统工作频段应尽量规划在高频段，一方面可以避免低频段的干扰且不与c m t s 上行频段发生冲突，另一方面高频段有充分的频段资源用于今后的系统扩容； ( 2 ) 支持8 m h z 的整数倍信道带宽规划方式，以符合行标的频道规划。支 持信道捆绑实现传输带宽的提升； ( 3 ) 支持上下行信道带宽对称月e 对称配置； ( 4 ) 采用抗干扰能力强、频谱利用率高的主流调制技术； ( 5 ) e o c 头端支持的并发用户数尽量高，降低低接入率条件下的接入成本； ( 6 ) 作为使用量大、工作环境差的设备，e o c 设备应满足简单可靠的传输 要求； ( 7 ) 支持配置管理、性能管理、安全管理、故障管理功能。 因此，在网卡测试的过程中，应该按照上述标准，模拟上述的应用条件，实 现测试功能。 2 1 测试指标的选取 通常评价一个网络系统性能好坏的技术指标包括吞吐量、系统平均时延、系 统平均响应时间、系统报文平均队长、最大工作站数、网络吞吐量的最大距离和 可靠性等j 。由于测试网络吞吐量等参数时，不仅涉及网卡的接收性能，还涉 及网卡的发射性能，所以在接收性能测试过程中，测试性能指标采用丢包率。丢 包率( l o s st o l e r a n c e 或p a c k e tl o s sr a t e ) 是指测试中所丢失数据包数量占所发送 数据包的比率，通常在吞吐量范围内测试。丢包率与数据包长度以及包发送频率 相关。在接收性能测试系统中，通过上层软件计算网卡接收过程中的丢包率来判 断网卡工作是否正常。、 ” 2 2 测试方案的制定 w l a n 无线网卡的测试主要有两种方案，一种为无线测试法：即搭建无线 环境，模拟客户在无线局域网内的实际使用形式。此时，测试的信号主要为无线 7 北京邮电大学硕士学位论文 信号。无线信号在信道中传播时，接收信号强度受到许多因素的干扰，存在着功 率的衰弱问题。除了自由空间传输带来的衰减外，还受到以下几方面的因素影响： ( 1 ) 阴影传播：障碍物对信号的阻挡，使信号强度严重变弱； ( 2 ) 反射传播：由于阻挡物吸收部分能量，使得反射信号变弱； ( 3 ) 折射传播：信号从一种介质进入另一种介质时方向发生变化； ( 4 ) 散射传播：入射信号遇到不规则物体时，变为多个较弱的出射信号； ( 5 ) 衍射传播：信号遇到物体边缘时方向发生变化l 矧。 另一种方法为采取有线信道传输环境模拟无线信道传输环境。此方法的前提 是所采用的有线信道必须很好的模拟无线信道的各种特性，包括无线信道的中心 频率、在应用过程中的信道衰减值等指标。 与无线标准、技术和产品相比，对无线网络的规划、验收及运维过程相对复 杂，而这些步骤恰恰是无线网络部署中的关键所在，需要进行仔细的勘查和测试 等工作。其中最主要的问题就在于无线信道干扰，也就是经常被提到的相邻访问 接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 之间的同信道干扰问题。除此之外，用户的无线网 卡之间也会出现相互干扰的情况。比如两台笔记本电脑，如果距离在一米以内， 同样可能产生干扰信号和争夺无线资源的情况。这些干扰的情况都是运维人员在 实际环境中验证的。在生产车间进行网卡接收性能测试的过程中，由于采用多条 测试线同时进行测试，相互之间的干扰将会很严重，因此，采取第二种测试方法 进行测试。 在模拟无线信道的衰减时，采用“同轴电缆+ 数控衰减器 方案，具体的测 试环境如图2 1 所示。其中，待测网卡与终端p c 机之间通过p c i c a r db u s 转接 卡相连接，终端p c 与数控衰减器之间通过r s 2 3 2 串口进行通信。信号发送平 台w a v e p l u s 与金卡( a p 卡) 相连接，用来发送信号。其中，终端p c 机主要负 责计算网卡的丢包率、控制数控衰减器的衰减值，各个模块之间由同轴电缆相互 连接。在本论文中，为了方便描述，所有衰减值都用其绝对值来表示。 p c 转l c 接a r 卡d b 惦l | 待测网卡ii 转接卡卜 1 ”、i p c ( 终) 信号发送平 台w a v e p l u s 数控 衰减器 耍 金卡 图2 - 1 网卡性能测试系统框图 数控衰减器模块需要提供实时、准确的衰减值，其提供的衰减范围应该在 3 0 d b 7 0 d b 之间，从而满足各种测试要求。因此，测试环境采用“同轴电缆+ 数 8 北京邮电大学硕士学位论文 控衰减器 方案时，可以严格的满足测试条件，并且降低对测试环境的要求。 测试网卡的丢包率时，有两种测试方案： 第一种为在物理层协议上对网卡接收性能进行测试。需要对发送端( 局端， 金卡) 的驱动程序进行改写，使其按设定流程工作：当发送端收到发送命令时， 首先按照8 0 2 1 l b ( 1 l g ) 通信协议组建要发送的帧，通常可以使用数据帧进行发 送，在数据帧的自定义数据部分写入自定义的数据结构，并将此数据帧放入发送 寄存器。然后通过使能发送控制寄存器，完成发送过程。在接收端( 终端，待测 网卡) ，一旦测试到有信号来到，就通过接口从接收寄存器中提取接收到的帧， 将帧中包含的数据读出，利用简单判定法则与运算法则对数据进行分析，计算丢 包率。 第二种为利用t c p i p 层来进行测试。在这种测试方式下，接收端与发送端 之间通过s o c k e t 通信模型进行通信，遵循t c p i p 协议。为了方便后续计算，发 送端与接收端需要统一数据格式，在发送端组建需要发送的数据，利用s o c k e t 函数发送，在接收端，对接收到的数据进行分析，计算丢包率1 2 6 。 通过对比上述弧种方案可知，第一种方法从底层着手，可以快速的进行测试。 但是，在操作过程中，需要操作网卡内部的发送、接收寄存器，以及网卡的发送 使能寄存器。因此要求网卡的驱动程序提供这些操作的接口，而这些接口事先并 未提出，并且当测试要求不同或者在今后进行改进工作时，可能会使用新的接口， 就需要更改驱动程序，增加了开发的难度。另外，由于对网卡的操作涉及到较多 的内部硬件操作，对保密性产生一定影响；采用第二种测试方案时，由于在 i s o o s i 七层标准中，上层接口已经实现了对物理层的间接调用f 2 7 】1 2 8 1 ，由网卡本 身在物理层利用8 0 2 1 l b ( 1 l g ) 协议发送接收，所以可以利用上层应用软件方 便的开发应用程序，并且易于更改，可设计针对不同应用的程序。因此，在系统 的实现过程中，采用第二种设计方式。 2 3 测试系统整体设计方案 如图2 1 所示，系统主要分为两大模块：硬件平台模块与上层软件模块。其 中，上层软件模块主要实现以下功能：( 1 ) 设置网卡的初始相关寄存器参数；( 2 ) 控制衰减器的衰减参数；( 3 ) 判断无线网卡的接收范围；( 4 ) 根据测试结果设置 合适的寄存器值。在硬件平台模块中，射频衰减器和衰减器控制电路应能够实现 p c 机自动控制衰减值。整个测试系统可分为信号发送、射频衰减器、衰减器控 制电路、控制软件四部分。 在设计过程中，上层应用软件用v s 2 0 0 3 平台，利用m f c 开发，通过调用 网卡驱动程序所提供的接口函数，实现对网卡寄存器的操作；在硬件平台部分中， 9 北京邮电大学硕士学位论文 电平转化芯片使用m a x 2 3 2 ，数控衰减器芯片采用h i t t i t e 公司的h m g 4 7 0 l p 3 ， 数控衰减芯片的控制由a t 8 9 c 5 1 单片机完成，另外，还设计了一些辅助电路。 2 4 本章小结 本章主要完成了以下工作： 通过分析实际应用环境，提出了几种可以用于模拟无线信道的测试环境方 案，并对这几种测试方案进行分析，选出一种测试成本低，测试速度快，测试精 度高的测试方法。 在i s o o s i 模型基础上，结合网卡本身的特性，提出两种可行的性能测试方 案，并加以分析，选择较为方便和拓展的测试方法。 对所选测试方案所涉及到的软硬件环境进行了初步的分析，完成了基本方案 的制定与测试环境材料的选择。对各个部分的描述将在后续章节中完成。 北京邮电大学硕士学位论文 第三章测试系统硬件环境的设计 3 1 数控衰减器的设计 衰减器广泛使用于需要功率电平调整的各种场合，其主要作用为控制信号功 率的大小，提高系统的动态范围以及通过置换法测增益或插损等。目前衰减器主 要有三种型式：固定型、连续可调型、步进型。固定型是由固定电阻网络组成， 其优点是体积小、成本低，但衰减量不可调节；连续可调型一般是由p i n 管组 成，通过调整偏置电流的大小来改变衰减量的大小，有吸收型和反射型两种，优 点是插损小、成本低，缺点是速度慢；传统的步进型则是用单刀双掷p i n 开关 接通或短接固定衰减芯片而成，其优点是速度快，缺点是插损大，成本高【2 9 】。 3 1 1 衰减器基本参数指标 衰减器的技术指标包括衰减器的工作频带、衰减量、功率容量、回波损耗等。 工作频带：衰减器的工作频带是指在给定频率范围内使用衰减器，衰减器才 能达到指标值。由于射频，微波结构与频率有关，不同频段的元器件，结构不同， 也不能通用。现代同轴结构的衰减器使用的工作频带相当宽，设计或使用中要加 以注意。 衰减量：无论功率衰减的机理和具体结构如何，总是可以用图3 - 1 所示的两 端口网络来