CN101674596B

CN101674596B - 无线mesh网络在线测量方法

Info

Publication number: CN101674596B
Application number: CN2009101910111A
Authority: CN
Inventors: 胡致远; 胡松华; 王景; 唐军; 黄东; 张贤; 郭建丁; 邓建良
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2029-09-29
Also published as: CN101674596A

Abstract

本发明提供一种无线MESH网络在线测量方法，应用于无线通信技术领域。所述的方法由无线MESH网络的通信设备实体中所嵌入的测量信号产生单元，测量信号采集单元，测量信号分析单元构成分布式的测量体系；所述方法通过独立的测量系统同步，测量信号流跟踪与反馈调整形成闭合的测量方法。本发明的显著效果是：解决无线MESH网络的在线测量实现问题，为无线MESH网络的在线优化控制提供网络状态信息。

Description

无线mesh网络在线测量方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及无线MESH网络的在线测量方法，包括无线MESH网络测量系统中的测量信号源产生、测量信息的采集和处理方法。

背景技术

无线MESH网络是一种具备高带宽和可靠性、低建网和维护费用的通信网络。然而，因为无线MESH网络采用了无线传输介质和网状拓扑结构，其无线链路之间存在严重的随机干扰，业务承载变化也使无线MESH网络呈现显著的时变特性。实现无线MESH网络的性能优化将依赖于对该网络特征的准确辨识，这就是需要设计一种无线MESH网络的测量方法以满足如下要求：首先，测量目标不仅是能够获得无线MESH网络的业务承载状况，而且要提取包括链路状态、缓存资源和控制能力的网络特征，从而支持网络优化算法；另一方面，测量信号源在能够有效地激励网络特征的同时，需要降低对其网络承载的不利影响，并且保持与该网络特征的时变性尺度相适应；最后，无线MESH网络是一种分布式网络架构，其测量系统也是嵌入网络中的分布式测量单元，需要有效的信息采集和处理方法。

IEEE工作组发布的802.11h和802.11k标准都从物理层和MAC子层分别详细叙述了基本测量，空闲信道评估测量，接收功率指数噪声图测量，Beacon测量，信道负载测量，噪声时间柱状图，站点统计测量，位置信息测量，邻居站点测量，链路测量的具体实现过程；这些测量侧重于底层协议的参数测量，包括系统中的接受信号电平，接收信号质量，载波干扰水平参数；无线MESH网络面临更多的网络承载业务和更复杂的无线环境，从而不仅需要网络测量特征量的增加，也需要这种测量特征的细分；但是，上述标准文件中没有规范测量的持续时间、测量结果的有效性，这些问题制约了无线测量的可用性；上述标准文件中规定的测量方式是基于请求/报告机制的站站间的单跳测量，这样的测量结果并不能准确反映多跳链路和全网的关键特征。

无线测量有其有效性，准确性和测量代价限制；有线网络设备和其链路的工作状态都相对稳定，如Internet网络状态更新可选择为分钟级别；但是，无线网络的设备工作状态的变化，无线信道的衰落特性都使得无线MESH网络测量信息的时间有效性远小前者；对于无线MESH网络来说，这种有效性对不同网络位置区域的节点也是不同的，并且不同测量信息需要的精度也不同；最后，由于无线网络信道资源受限，尤其是测量的通信代价也是一个不可忽略的因素。

综上所述：无线MESH网络是一个时变的分布式网络，需要一种系统的网络在线测量方法以合理的测量代价来保障对无线MESH网络特征测量的准确性和有效性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：解决无线MESH网络的在线测量实现问题，提供有效的测量信号产生、测量信号采集与分析方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：采用了适应无线MESH网络的分布式和分层次的测量系统，根据测量需求和代价限制构建测量信号源，实时分析所采集的测量信号并调整测量尺度；其特征在于：系统的无线MESH网络在线测量体系架构，包括以下步骤：

A、通过网络管理系统配置无线MESH网络的通信设备实体中所嵌入的测量信号产生单元、测量信号采集单元和测量信号分析单元，构成分布式的测量系统；测量信号产生单元由标准测量信号发生器、测量信号分类器和在线测量信号合成器组成；

B、标准测量信号发生器按照测量需求构建标准测量信号流；标准测量信号流依次通过测量信号分类器和在线测量信号合成器，产生测量信号流进入无线MESH网络；

C、测量信号采集单元捕获测量信号流，并根据测量信号分析单元的需求，将所提取的测量信号送到不同的测量信号分析单元；测量信号分析单元依据获得的测量信号以及测量信号中所包括的相关信息，分析无线MESH网络运行状况并调整步骤B的测量信号产生单元。

该方法是通过同步分布式的测量系统，测量信号流跟踪与反馈调整形成闭合的测量方法。

所述步骤A中，独立分布在无线MESH网络中的测量信号产生单元、测量信号采集单元和测量信号分析单元之间建立与无线MESH网络独立的分布式的测量系统的同步体系；分布式的测量系统实现无线MESH网络协议层次特征的测量，通过不同协议层次的分布式的测量系统同步过程实现层次化网络特征的提取。

其中，独立分布在无线MESH网络中的测量信号产生单元、测量信号采集单元、测量信号分析单元参与测量信号流跟踪以及调整反馈过程，形成闭合的测量方法。

所述步骤B中，标准测量信号发生器按照测量需求构建标准测量信号流，每个标准测量信号流必须具备产生时刻、持续时间、源地址和目的地址的基本属性，并且具备所测量无线MESH网络的协议层次特征属性。

所述步骤B中，测量信号流分类器根据网络测量时间尺度要求、精度要求以及标准测量流的基本属性，对标准测量信号流分类排序并且推送到虚拟输出优先级队列。

所述步骤B中，在线测量信号合成器混合主动测量信号流和被动测量信号流，输出测量信号流；被动测量信号流由业务信号流附加测量信号流功能所构成，无线MESH网络的业务信号流与虚拟输出优先级队列中的标准测量信号流比较，当基本属性相匹配，则标记该业务信号流为被动测量信号流并且附加标准测量信号流的属性，然后从虚拟输出优先级队列中删除相匹配的标准测量信号流；当标准测量信号流在队列生存时间内没有相匹配的业务信号流，则在虚拟输出队列中等待时间上限到达时刻弹出该标准测量信号流，构成主动测量信号流。

所述步骤C中，独立分布的测量信号采集单元捕获测量信号流，并根据测量信号分析单元的需求，将提取的测量信号以及测量信号中所包括的相关信息送到不同的测量信号分析单元。

所述步骤C中，测量信号分析单元依据从不同的测量信号采集单元获得的测量信号以及测量信号中所包括的相关信息，通过信息综合判断无线MESH网络运行状况；测量信号分析单元依据测量目标以及获得的无线MESH网络运行状况，反馈调整测量信号产生单元，实现闭合的变尺度测量。

本发明的有益效果为：提出一种无线MESH网络在线测量方法，通过嵌入在无线MESH网络通信设备实体中独立的测量信号产生单元，测量信号采集单元，测量信号分析单元构成分布式的测量体系；同时，通过测量系统同步，在线测量流的合理设计，测量信息的综合与变尺度的实时测量，构成具备层次化和分布化特征的闭合测量体系。

附图说明

图1为无线MESH网络在线测量系统架构；

图2为嵌入测量单元的无线MESH网络体系架构；

图3为一种时间优先级虚拟队列；

图4为无线MESH网络在线测量系统的同步体系；

图5为包对时延测量实例；

图6为丢包率测量实例；

图7为测量流程图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

参考图1，此分布式的无线MESH网络在线测量系统由测量信号产生单元、测量信号采集单元和测量信号分析单元组成，而且测量信号产生单元反馈测量信号产生单元构成闭环，测量信号产生单元包括标准测量信号发生器，测量信号分类器和在线测量信号合成器；标准测量信号发生器产生激励网络特征的测量信号流，输入到测量信号分类器；测量信号分类器分类排序不同优先级的测量信号流，并推送到虚拟缓存队列中，输入到在线测量信号合成器；在线测量信号合成器在规定时间范围内对比在线业务流和虚拟缓存队列中的测量信号流，选择在线实时标记主被动测量信号流，并发送主被动测量信号流到无线MESH网络；测量信号采集单元获取无线MESH网络中的主被动在线测量信号流，提取测量信息，并输入到测量信号分析单元；测量信号分析单元协同无线MESH网络的在线测量，并融合各站点的测量信息对网络特征做出评估，对比评估数据和测量需求，输入到标准测量信号发生器和测量信号分类器，改变无线测量的时间尺度和精度要求，控制测量信号流的产生和分类。

无线MESH网络站点的网络管理系统根据站点内嵌的在线测量系统配置设备的测量模式，包括主动测量，被动测量和控制信息监视；如图2所示，无线MESH网络中不同的设备内嵌的在线测量系统单元是不同的，这种差异性确定各网内设备的测量模式，R1、R2、R8和C1内嵌的在线测量系统包括测量信号产生单元，测量信号采集单元和测量信号分析单元，可选择的测量模式包括主动测量，被动测量和控制信息监视，C5内嵌的在线测量系统包括测量信号采集单元和测量信号分析单元，可选择的测量模式包括被动测量和控制信息监视，其他网内设备内嵌的在线测量系统仅包括测量信号采集单元，可选择的测量模式包括控制信息监视；主动测量由测量用户的测量信号产生单元主动发送测量包，通过测量信号采集单元收集被动测量用户返回的测量信息，并由测量信号分析单元对其进行分析以得到网络性能参数和网络行为参数；被动测量通过测量用户的测量信号采集单元捕获无线MESH网络中附带标识的测量包和其他测量用户发送的测量信息，并由测量信号分析单元综合收集到的测量信息，被动地获知无线MESH网络的行为状况；控制信息监视可由测量信号采集单元获取主动测量用户发出的测量包和各种网络控制信息，包括路由更新信息，网络管理信息和链路利用率。

标准测量信号发生器根据测量需求产生测量信号流，如为测量无线MESH网络信道受外部环境的影响程度，评估链路的状态，需要测量单跳包对时延(PktPair)，测试源标准发生模块选择连续发送一短数据包和一长数据包，短数据包在长数据包之前设置一个时间参考点，各邻居测量系统计算接收这两个数据包的时间差作为单跳包对时延；测量信号流是由周期性发送的测量包组成的，测量包格式遵循被测量的无线MESH网络的规定，如被测量的无线MESH网络是一个基于802.11b的多跳网络，而且遵循802.11k标准文件中的关于无线资源测量的规定，标准测量信号发生器可选择发送管理帧或者数据帧执行无线资源测量请求等；标准测量信号发生器产生的测量包的可控属性包括产生时刻，持续时间，源地址和目的地址等，根据实际测量的网络特征设置合适的业务属性，如测量数据包在两站间经历的跳数，标准测量信号发生器可以构造一个1500字节的数据包，设置固定产生时刻和源地址和目的地址信息作为测量信号采集单元收集跳数信息的参考。

测量信号分类器根据构建的标准测量业务流的优先级将它们分类进不同的虚拟输出缓存队列中，优先级的划分标准包括持续时间、业务类型、发送时刻、发射频点、传输路径等业务属性，如根据数据包的长度划分优先级，越短优先级越高，反之亦然；测量信号分类器中配置多个虚拟输出缓存队列，不同的虚拟输出缓存队列也按照业务的的优先级别分类，保存相同优先级别的测量业务流，而且不同的虚拟输出缓存队列被允许向无线MESH网络发送业务流的时刻也是不同的，越高优先级越先被发送，如拓扑变化测量流优先于节点维护信息测量流；在线测量信号合成器对比在线业务流和队列中的测量业务流的属性，如图3所示，在测量信号分类器上维护N个虚拟输出缓存队列，按测量业务流的持续时间划分优先级，根据输出目的地址的不同分类具有相同优先级的虚拟输出缓存队列，Q(x，y)指示不同的虚拟输出缓存队列，其中x代表优先级别，y代表目的地址分类，当有在线业务流到达的时候，在规定时间范围内测量信号合成器对比具有相同目的地址和不同优先级的虚拟输出缓存队列中的测量信号流，当它们的业务属性相匹配，则标记该在线业务流为被动测量信号流，同时删除对应虚拟输出缓存队列中的测量信号流，否则弹出虚拟缓存队列中的测量信号流为主动测量信号流，并注入无线MESH网络；如对比在线业务流和测试业务流的包长特征，当在规定的时延范围内在线业务包与缓存队列中的测量包相匹配，则给匹配的在线业务流标记一个全局识别戳，同时清空相对应队列中的测试业务流，并将该在线业务流作为被动测试业务流注入无线MESH网络中；否则将队列中的测试业务流标记全局识别戳，并作为主动测试业务流注入无线MESH网络中。

此无线MESH网络在线测量系统是一个分布式系统，测量信息的获取需要系统间的协同，要求实现较严格的系统间的同步，分布式系统的同步方式包括主从同步、外基准同步和相互同步，无线MESH网络在线测量系统选择利用BITS，GPS，GLONASS，北斗同步网或无线MESH网络的同步时钟，建立无线MESH网络在线测量系统的同步体系；如图4所示，通过网络管理系统配置无线MESH网络分布式的在线测量单元的同步方式，1代表的实线箭头指示同步方式配置过程，2代表的虚线箭头指示主从同步方向，3代表的虚线双箭头指示互同步方向，位于主动测量实体层的测量信号产生单元T1和T2同步于无线MESH网络中的同步时钟，而且它们共存工作的时候采用互同步方式修正，在测量信号产生单元发射的测量信号接收范围之内，位于被动接收测量实体层的测量信号采集单元R1，R2，R4与测量信号分析单元R3从同步于测量信号产生单元T1。

独立分布的测量信号采集单元负责在规定的测量时间内捕获无线MESH网络内携带测量标记的在线测量信号包和控制信息，并根据测量信号分析单元的需求，将所提取的测量信号或者是测量信号中所包括的相关信息送到不同的测量信号分析单元。

无线MESH网络在线测量系统的测量信号分析单元采用多点测量信息融合的方式改善无线资源单点测量的有效性和可靠性，结合数据融合方式评估测量数据，如考虑测量结果的有效性，通过给定测量置信度计算测量结果的置信区间，设置参考门限，选择部分测量结果；考虑测量结果的可靠性，无线MESH网络层的路由协议支持网络多路径选择，提高了通信的可靠性，同时也给链路中的无线测量带来冗余信息，结合网络协议，选择可靠性高的路径或者节点产生的测量结果；测量信号分析单元采用软判决的决策融合机制处理收集的测量结果，尽可能地容忍无线MESH网络在线测量的不确定性，携带其参与计算直至最终结果，如在规定的虚警概率PF下，根据最大似然比方法计算来自不同站点的测量结果Yj的权重系数ωj，最终得到融合结果

测量信号分析单元根据测量信号采集单元产生的评估信息，对比测量需求，改变时间尺度、空间尺度和精度要求，反馈测量信号产生单元调整标准测量信号发生器和测量信号分类器的配置参数，如通过改变站点间测试业务流的发送路径，实现跳数的变空间尺度的测量；通过业务流的预期传输计数值测量取代跳数测量，可以在长时间尺度范围内跟踪信道的可变性，实现变时间尺度的测量。

下面结合实例描述此分布式的无线MESH网络在线测量系统的实现过程。

测量无线MESH网络包对时延，描述此分布式的无线MESH网络在线测量系统的实现过程。如图5所示，发起站ST1内嵌测量信号产生单元，测量信号采集单元和测量信号分析单元，测量站ST2，ST3，ST4，ST5，ST6内嵌测量信号采集单元，3代表的虚线箭头指示同步方向，4代表的实线双箭头指示测量的执行过程，通过网络管理功能配置各分布式在线测量系统的测量模式，站点ST1设为发起站，同步于无线MESH网络的同步时钟，其他站点均设为测量站，而且都从同步于发起站ST1。站点ST1内嵌的标准测量信号发生器产生一组大小不同的probe包，小包为137字节，大包为1000字节，而且每2s产生一组，即时发送，全网广播。测量信号分类器根据包大小划分优先级，包越小优先级越高，将这些测量包按照不同优先级别装入缓存队列中。在线测量信号合成器对比缓存队列中的包与在线业务包的大小，当在1s内发现有包大小匹配的业务包，就在在线业务包的头部加入被动测量信号的标识(用01表示)，否则在测量包的头部加入主动测量信号的标识(用10表示)，并注入无线MESH网络，发送主被动测量包的同时删除队列中已发送的包信息。测量站接收有包头标识01或10的测量包，并记录大小包的到达时间差，然后将信息反馈给发起站。发起站的测量信号采集单元记录各测量站反馈的测量信息，分别计算与各站间的包对时延的指数权重滑动平均值(EWMA)，得到各单跳链路的估计时间差。测量信号分析单元可以根据单跳链路的估计时间差的大小，反馈标准测量信号发生器和测量信号分类器调整两个包的大小，发射周期和优先级；测量信号分析单元产生的评估包对时延可以作为路由选择指标传递到网络层，提供路由协议的判断参数。

测量无线MESH网络丢包率，如图6所示，站点ST1，ST2，ST3，ST4，ST5，ST6都内嵌测量信号产生单元，测量信号采集单元和测量信号分析单元，5代表的虚线箭头指示同步方向，6代表的实线双箭头指示测量的执行过程，网内所有站点采用Round-robin轮循方式依次充当发起站，同时其他站点作为测量站点负责接收发送的测量包。首先配置站点ST1作为发起站，其他站点作为测量站，测量过程结束后依次配置其他站点作为发起站，所有站点选择利用GPS的同步时钟构建无线MESH网络在线测量系统的同步体系；站点ST1内嵌的标准测量信号发生器分别构建发射速率为1，2，5.5和11Mb/s的包长为1500字节的广播包，即时发送，不同发射速率下的广播包连续发送90s。测量信号分类器根据发射速率的不同划分优先级，发射速率越低优先级越高，将这些广播包按照优先级别装入缓存队列中。在线测量信号合成器对比缓存队列中的包与在线业务包的大小，当在一个队列发射周期90s内有发射速率和包大小相匹配的在线业务包，就在在线业务包的头部加入被动测量信号的标识(用01表示)，否则在测量包的头部加入主动测量信号的标识(用10表示)，并注入无线MESH网络，一个队列发射周期结束时删除相对应队列中已发送的包信息。测量站接收有包头标识01或10的测量包，并记录在测量周期范围内接收到的不同发射速率包的数量，然后将信息反馈给发起站ST1。发起站ST1的测量信号采集单元记录各测量站反馈的测量信息，计算本站到各测量站间链路的丢包率和传输概率。测量信号分析单元可以根据单跳链路的丢包率和传输概率的大小，反馈标准测量信号发生器和测量信号分类器调整广播包的大小，发射时间间隔和优先级；测量信号分析单元评估的丢包率和传输概率可以作为链路状态指标传递到数据链路层和传输层，提供链路性能判断和流量控制。

本发明提出一种无线MESH网络在线测量方法，通过嵌入在无线MESH网络多个通信设备实体中独立的测量信号产生单元，测量信号采集单元，测量信号分析单元构成分布式的测量体系，协同各系统间的无线测量信息，提高了测量的有效性和可靠性，实现了变尺度实时测量。

Claims

1.一种无线MESH网络在线测量方法，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的无线MESH网络在线测量方法，其特征在于：所述步骤A中，独立分布在无线MESH网络中的测量信号产生单元、测量信号采集单元和测量信号分析单元之间建立与无线MESH网络独立的分布式的测量系统的同步体系；分布式的测量系统实现无线MESH网络协议层次特征的测量，通过不同协议层次的分布式的测量系统同步过程实现层次化网络特征的提取。

3.根据权利要求1所述的无线MESH网络在线测量方法，其特征在于：独立分布在无线MESH网络中的测量信号产生单元、测量信号采集单元、测量信号分析单元参与测量信号流跟踪以及调整反馈过程，形成闭合的测量方法。

4.根据权利要求1所述的无线MESH网络在线测量方法，其特征在于：所述步骤B中，标准测量信号发生器按照测量需求构建标准测量信号流，每个标准测量信号流必须具备产生时刻、持续时间、源地址和目的地址的基本属性，并且具备所测量无线MESH网络的协议层次特征属性。

5.根据权利要求1所述的无线MESH网络在线测量方法，其特征在于：所述步骤B中，测量信号流分类器根据网络测量时间尺度要求、精度要求以及标准测量流的基本属性，对标准测量信号流分类排序并且推送到虚拟输出优先级队列。

6.根据权利要求1所述的无线MESH网络在线测量方法，其特征在于：所述步骤B中，在线测量信号合成器混合主动测量信号流和被动测量信号流，输出测量信号流；被动测量信号流由业务信号流附加测量信号流功能所构成，无线MESH网络的业务信号流与虚拟输出优先级队列中的标准测量信号流比较，当基本属性相匹配，则标记该业务信号流为被动测量信号流并且附加标准测量信号流的属性，然后从虚拟输出优先级队列中删除相匹配的标准测量信号流；当标准测量信号流在队列生存时间内没有相匹配的业务信号流，则在虚拟输出队列中等待时间上限到达时刻弹出该标准测量信号流，构成主动测量信号流。

7.根据权利要求1所述的无线MESH网络在线测量方法，其特征在于：所述步骤C中，独立分布的测量信号采集单元捕获测量信号流，并根据测量信号分析单元的需求，将提取的测量信号以及测量信号中所包括的相关信息送到不同的测量信号分析单元。

8.根据权利要求1所述的无线MESH网络在线测量方法，其特征在于：所述步骤C中，测量信号分析单元依据从不同的测量信号采集单元获得的测量信号以及测量信号中所包括的相关信息，通过信息综合判断无线MESH网络运行状况；测量信号分析单元依据测量目标以及获得的无线MESH网络运行状况，反馈调整测量信号产生单元，实现闭合的变尺度测量。