CN100521629C - 一种测量切换时间的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
一种测量切换时间的方法和设备，发送端确定数据发送间隔和数据包大小，采用精确定时技术发送固定大小数据包，并在包头加上包序号，接收端接收数据包，从正确数据包中提取并存储包序号，对所有包序号重新排序以后，根据包序号是否连续判断丢包，并根据丢包数目以及之前设定的丢包门限值确定切换时间。本发明能自由调整测量精度，可用于无线和有线网络切换时间的测量，也应用于冗余备份链路启用时间、断网恢复时间的测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量切换时间的方法和设备，涉及通信系统中通信链路切换时间的测量方法和设备，属于通信系统技术领域。
背景技术
为同时满足覆盖范围和频率复用的要求，现有的无线通信系统通常采用蜂窝小区机制，当移动用户从一个小区移动到另一个小区时，移动台需要与原小区的基站断开连接，与目标小区的基站建立新的连接，这一过程叫做“信道切换”。信道切换的方式有“硬切换”和“软切换”两种。
硬切换是指移动台需要切换时，先与原基站断开连接再与目标基站建立新的连接。硬切换将导致一定时间的通信中断。频分多址(Frequency DivisionMultiple Access，FDMA)和时分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)系统采用硬切换。
软切换是码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)通信系统中所采用的切换方式之一。在软切换过程中移动台可以同时与多个基站保持连接，软切换是“无缝”切换，不会导致通信中断。
无线局域网遵循IEEE 802.11协议，采用站点主动切换技术，即在一个扩展服务集(ESS)内，站点(Station，STA)根据接收信号质量，选择其中信号最强的接入点(Access Point，AP)为切换的目标AP。STA在AP间移动时，采用接入点间切换协议(Inter Access Point Protocol，IAPP)或采用可管理快速切换(Managed Fast Handover，MFHO)协议来实现与不同AP之间的通信链路的切换。无论采用哪种切换协议，STA在切换过程中都会先与其中一个AP断开关联，再与另一个建立新的关联，这一过程必将造成一定时间的通信中断。
在存在物理环路的以太网中，为避免网络风暴的产生，往往在以太网交换机之间启用生成树协议(Spanning Tree Protocol，STP)或者快速生成树协议(Rapid Spanning Tree Protocol，RSTP)，STP或者RSTP使用户能在网络设计中部署备份线路，并且保证：在主线路正常工作时，备份线路是关闭的，当主线路出现故障时自动使能备份线路，切换数据流。切换数据流的过程就是网络拓扑的切换过程中，在这一切换过程中，如果以太网上的终端设备在切换前后由不同的通信链路连接，这两个终端设备之间的数据通信也必然会出现中断问题。
综上所述，通信链路的切换可能导致一定时间的通信中断。对于通信质量要求不高的环境下，短时间的通信中断是可以接受的，但是对于通信可靠性，实时性较高的工业控制领域，对于通信的中断时间有严格的限制要求，在工业实时通信网络中，实时数据可以细分为信号，命令，状态，事件，以及请求，在这些实时数据中，非周期性的网络控制或报警优先级最高，约占9.5％；非周期性的处理数据或事件，优先级次之，约占10％；周期性的请求和响应处理优先级再次之，约占监控数据量的80％，周期性的文件传输信息，优先级为第四位，约占0.5％；其他非实时的数据优先级最低。实时数据信息对于控制的“稳，快，准”有着重要的意义，如果因为通信的突然中断而导致实时信息没有实时送达，那将导致整个控制系统不能完成预期的控制目标，严重的还将造成人员的伤亡。
系统设计人员往往只给出一个切换时间的大概值，如GSM系统有200ms的切换时间，TACS有500ms左右的切换时间，等等，目前业界对于通信链路的切换时间往往采用专用的昂贵测量设备，对于小企业和部门而言，使用这些设备的代价显得太大。
发明内容
为了克服上述现有技术结构的不足，针对通信系统中信道切换可能造成的通信中断时间，本发明提供一种测量切换时间的方法和设备。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种测量切换时间的方法，包括以下步骤：
发送端确定数据发送间隔和数据包大小的步骤；
发送端采用精确定时技术，按照固定时间间隔，发送指定大小的数据包，并在数据包头加上包序号的步骤；
接收端接收数据包，将包序号存储在指定空间的步骤；
接收端对存储的包序号排序，根据排序结果，判断通信过程中是否出现大量连续丢包的步骤；
根据连续丢包数目和发送间隔确定切换时间的步骤。
发送端设定的通信间隔和数据包大小满足在正常通信过程中不会产生大量连续丢包的要求。切换所引入的通信中断将导致大量连续丢包的发生，接收端根据连续丢包的数目来判定切换时间，通过采用精确定时技术来保证测量的精度。
一种测量切换时间的设备，包括发送设备和接收设备，
发送设备包括：
完成精确定时功能的定时器；
完成每包数据的包头序号计算的包序号生成单元；
将包序号插入到数据包头的包序号插入单元；
完成数据发送的发送装置；
定时器连接包序号生成单元，包序号生成单元连接包序号插入单元，包序号插入单元连接发送装置，发送装置与定时器连接；
接收设备包括：
完成数据接收的接收装置；
从数据包中提取包序号的包序号提取单元；
将包序号存入固定存储空间的存储装置；
完成固定存储空间的包序号排序，针对排序结果统计丢包，根据所设定的门限值，确定最终的切换时间的统计输出单元；
接收装置连接包序号提取单元，包序号提取单元连接存储装置，存储装置连接统计输出单元。
本发明具有以下效果：
1)本发明中所采用的精确定时技术能使测到的切换时间精确到1us。
2)发送数据时的数据包大小和数据发送间隔都是可调的，这样可以在无线链路状态不好的时候，减小数据包的大小，增大发送间隔，虽然降低了测量精度，但是仍然能够测出系统的切换时间。
3)本发明有较广的应用范围，可用于无线和有线网络切换时间的测量，也应用于冗余链路启用时间、断网恢复时间的测量。
附图说明
图1是该发明应用于测量802.11无线局域网STA与不同AP建立链路时切换时间测量的原理图；
图2是发明应用于环形以太网拓扑结构切换时间测量的原理图；
图3是发送设备结构框图；
图4是接收设备结构框图。
具体实施方式
本发明针对通信系统中信道切换造成的通信中断，提出了测量切换时间的方法和设备。该方法通过以下步骤来实现：
发送端确定发送间隔和数据包大小
发送端采用无应答的发送模式，根据网络当前支持的最大的吞吐量，确定数据包大小和发送间隔，数据的发送速率远小于网络能承受的最大吞吐量，确保在非切换时间内不会有大量连续丢包的情况发生。
1.发送端采用精确定时技术发送数据包
发送端采用无应答模式，以指定时间间隔发送指定大小的数据包。为提高测量结果的精度，发送端采用精确定时技术，当需要完成间隔是T1的精确定时时，发送端读取发送设备CPU定时计数器的计数频率，然后读取定时开始时定时计数器的初值，定时开始以后，发送端不断更新定时器计数器的当前值，计算当前定时时间如下式：
T2＝(C2-C1)/F (1)
其中T2是当前的定时时间，C1是定时计数器的初值，C2是定时器计数器的当前值，F是定时计数器的计数频率。
当当前定时间隔T2>＝T1时，定时结束，只要发送端使用的CPU有足够高的性能，这种定时精度能达到1us。
发送端在数据包头插入包序号，包序号依次递增。
2.接收端接收数据，存储包序号
接收端接收数据包，提取正确接收数据包的包序号，将包序号存储在指定位置。
3.接收端对包序号排序，检测连续丢包的发生
接收端对存储的包序号进行排序，针对排序操作的结果，判断是否有连续丢包的情况发生，记录连续丢包的个数。
4.接收端根据丢包数目和发送间隔确定切换时间。
接收端根据所测量网络切换时间的大致范围估计通信中断时间可能导致连续丢包的数目，设定门限值，如果连续丢包的数目小于这一门限值，则判定该连续丢包不是由切换引起，可能是由传输差错或网络拥塞导致。如果连续丢包的数目大于或等于设定的门限值，则判定该连续丢包由切换引起，根据连续丢包的数目和发送间隔确定切换时间如下式所示：
T＝Ts*N (2)
其中T是切换时间，Ts是发送间隔，N是大于门限值的丢包数目；
实施例1：
本发明用于对基于802.11g的无线局域网的STA(移动站点)在不同AP之间切换时的切换时间的测量。图1给出了该切换的拓扑图，以及测试平台搭建示意图。
802.11g无线局域网在物理层采用OFDM调制技术，最大的物理层未编码数据速率可以达到54Mbps，考虑到无线情况信号不稳定，无线网络的最小物理层通信速率是6Mbps，为了确保在非切换时间内没有大量的数据丢包，规定本次测量发送设备发送的数据包大小为100byte，发送数据包间隔是1ms，这样数据的发送速率是800kbps，大大小于无线局域网的最大吞吐量，并且数据包大小选择100byte，小数据包传错的概率比较小。
发送设备和接收设备采用UDP通信，发送端采用精确定时技术，读取发送设备CPU的精确定时器的定时频率，和计数器的值，用两次定时器的差值除以定时器的定时频率就是定时间隔，一旦定时间隔等于所设定的1ms发送间隔，发送端就发送数据，按照上述所确定的发送参数，每次发送100byte的数据包，每次包头的4个字节用来填写包序号，包序号从1开始，依次递增，包序号的值代表数据包的发送次序。
接收端接收数据包，提取正确接收数据包的包序号，将包序号存储在指定位置，待实验结束以后，将指定空间中的包序号从小到大序号排序，然后统计序号不连续的情况，根据序号差值确定丢包数目，并对丢包数目进行统计，从而确定切换时间。
实验采用某公司AP和STA，根据802.11协议中的的切换机制，该公司给出STA在不同AP之间的切换时间大于50ms，实验中，数据的发送间隔是1ms，因此对所有的丢包进行判断的时候，门限值设为50，一旦数据包一次丢失超过50个时，被认为出现切换。
对由该公司AP设备构建的基于802.11g的无线局域网测试结果如下：
测试过程中偶尔有一个到两个的丢包，但是有一次最大的丢包是81个数据包，没有其他大于50次丢包的现象，由于发送端设定的发送间隔是1毫秒，因此可以得出在基于802.11g的无线局域网中，STA在不同AP间移动时，发生切换的切换时间就是81*1＝81ms。
实施例2：
以太网交换机串接成的环形以太网，由于交换机在启动后会启动生成树协议，因此在网络正常时，只有一条通信链路，另一条是备用链路，当通信链路因为某种原因故障时，备用链路开始启用的时间就是环形以太网的链路切换时间，本发明用于对这一切换时间的测量。图2给出了该切换的拓扑图，以及测试平台搭建示意图。
目前的有线以太网能达到100Mbps的带宽，而且信号稳定，对这一网络的切换时间测量，要求测量切换时间的精度是1ms的时候，发送间隔就定为1ms，发送数据包大小选择小数据包100byte。选择这两个参数时，数据的发送速率是800kbps，远小于有线以太网的最大吞吐量。
发送设备和接收设备采用udp通信，发送端采用精确定时技术，读取发送设备CPU的精确定时器的定时频率，和计数器的值，用两次定时器的差值除以定时器的定时频率就是定时间隔，一旦定时间隔等于所设定的10ms发送间隔，发送端就发送数据，按照上述所确定的发送参数，每次发送100byte的数据包，每次包头的4个字节用来填写包序号，包序号从1开始，依次递增，包序号的值代表数据包的发送次序。
接收端接收数据包，提取包序号，将正确数据包的包序号存储至指定位置，实验结束后，对存储的包序号进行排序，然后统计序号不连续的情况，根据序号差值确定丢包数目，并对丢包数目进行统计，从而确定切换时间。
本次实验采用某公司的交换机，根据快速生成树协议机制，生产厂商给出备用链路的启用时间大致是100ms，由于数据发送间隔是1ms，因此设定连续丢包数目的门限是50，如果一次连续丢包的数目大于或等于50，则认为出现了切换。
对由某公司交换机构建的基于快速生成树算法的环形以太网的通信链路切换时间测量如下：
测试过程中只出现了一次连续丢包，丢包的个数是60个，由于数据包的发送间隔是1ms，得到环形以太网的链路切换时间是60ms。
本发明给出了测量通信系统链路切换时间的发送设备和接收设备。
1)发送设备
如图3所示，该设备由下述功能模块组成：定时器，包序号生成单元，包序号插入单元，发送装置；定时器完成精确定时功能，发送设备的其他功能都在定时器控制之内，只有在定时时间到达以后，发送设备的其他功能模块才能开始工作；包序号生成单元完成每包数据的包头序号计算，发送装置每发送一包数据，包序号加1，包序号插入单元的功能是将包序号插在数据包头；发送装置完成一包数据的发送。
2)接收设备
如图4所示，该设备主要由下述功能模块组成：接收装置，包序号提取单元，存储装置，统计输出单元；接受装置完成对发送端数据的接收，包序号提取单元提取包序号以后，存储装置将包序号存入指定位置，统计输出单元完成对所有包序号的重新排序，并且统计丢包数目，结合门限值确定通信链路的切换时间。
Claims (10)
1、一种测量切换时间的方法，其特征在于包括以下步骤：发送端确定数据发送间隔和数据包大小；
发送端采用精确定时技术，按照固定时间间隔，发送指定大小的数据包，并在数据包头加上包序号；
接收端接收数据包，将包序号存储在指定空间；
接收端对存储的包序号排序，根据排序结果，判断通信过程中是否出现大量连续丢包；根据连续丢包数目和发送间隔确定切换时间。
2、根据权利要求1所述的一种测量切换时间的方法，其特征在于接收端根据连续丢包数目的门限值，判定是否发生了切换。
3、根据权利要求1所述的一种测量切换时间的方法，其特征在于：发送端采用无应答模式发送数据包。
4、根据权利要求1所述的一种测量切换时间的方法，其特征在于：发送端采用读取CPU定时计数器的方法实现发送间隔的精确定时。
5、根据权利要求1所述的一种测量切换时间的方法，其特征在于：发送端根据被测网络的最大吞吐量，确定发送间隔和数据包大小，所设定的发送间隔和数据包大小满足在非切换的通信过程中不发生大量连续丢包的情况。
6、根据权利要求1所述的一种测量切换时间的方法，其特征在于：发送端在数据包插入包序号，包序号依次累加。
7、根据权利要求1所述的一种测量切换时间的方法，其特征在于：接收端提取正确接收数据包的包序号，将包序号存储至指定位置。
8、根据权利要求1所述的一种测量切换时间的方法，其特征在于：接收端根据包序号判断是否出现连续丢包，记录连续丢包的数目。
9、根据权利要求1所述的一种测量切换时间的方法，其特征在于：接收端根据连续丢包的数目及发送间隔确定通信链路的切换时间。
10、一种测量切换时间的设备，其特征在于包括发送设备和接收设备，
发送设备包括：
完成精确定时功能的定时器；
完成每包数据的包头序号计算的包序号生成单元；
将包序号插入到数据包头的包序号插入单元；
完成数据发送的发送装置；
定时器连接包序号生成单元，包序号生成单元连接包序号插入单元，包序号插入单元连接发送装置，发送装置与定时器连接；
接收设备包括：
完成数据接收的接收装置；
从数据包中提取包序号的包序号提取单元；
将包序号存入固定存储空间的存储装置；
完成固定存储空间的包序号排序，针对排序结果统计丢包，根据所设定的门限值，确定最终的切换时间的统计输出单元；
接收装置连接包序号提取单元，包序号提取单元连接存储装置，存储装置连接统计输出单元。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY ASSETS MANAGEMENT CO., Free format text: FORMER OWNER: BEIJING COMMUNICATION UNIV. Effective date: 20110905 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20110905 Address after: 100044 Beijing city Haidian District sorghum Bridge Street No. 44 Building Room 806 Patentee after: Beijing Jiaotong University Address before: 100044 Beijing Xizhimen Shangyuan Village No. 3 Patentee before: Beijing Jiaotong University |
|
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: BEIJING TRAFFIC CONTROL TECHNOLOGY CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY ASSET MANAGEMENT CO., LTD. Effective date: 20120809 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 100044 HAIDIAN, BEIJING TO: 100070 FENGTAI, BEIJING |
|
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20120809 Address after: 100070 Beijing science and Technology Park of Fengtai District Haiying Road No. 6 hospital of Beijing, the headquarters of the International 2 Building No. 3 Patentee after: Beijing Traffic Control Technology Co., Ltd. Address before: 100044, room 44, science building, 806 Jiao Feng street, Haidian District, Beijing Patentee before: Beijing Jiaotong University |
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| C56 | Change in the name or address of the patentee | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 100070 Beijing science and Technology Park of Fengtai District Haiying Road No. 6 hospital of Beijing, the headquarters of the International 2 Building No. 3 Patentee after: TRAFFIC CONTROL TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 100070 Beijing science and Technology Park of Fengtai District Haiying Road No. 6 hospital of Beijing, the headquarters of the International 2 Building No. 3 Patentee before: Beijing Traffic Control Technology Co., Ltd. |
|
| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 100070 Beijing science and Technology Park of Fengtai District Seahawks Hospital No. 6 2, No. 3 (Park) Patentee after: TRAFFIC CONTROL TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 100070 Beijing science and Technology Park of Fengtai District Haiying Road No. 6 hospital of Beijing, the headquarters of the International 2 Building No. 3 Patentee before: TRAFFIC CONTROL TECHNOLOGY Co.,Ltd. |