CN102415058A - 用于计算随机访问网络通信链路信道损失率和冲突损失率的设备和方法 - Google Patents

Abstract

用于在线计算在使用随机访问MAC协议的网络(WN)的节点(N1，N2)之间建立的至少一条通信链路上的信道损失率和冲突损失率的一种方法。该方法包括以下步骤：i)将时间分割成探测窗口，并在每个探测窗口期间，将选定的S个探测分组从发送器节点(N1)发送给与发送器节点链接的接收器节点(N2)；ii)根据在探测窗口期间在该通信链路上损失的探测分组，测量分组损失率；iii)是用更小的滑动窗口扫描每个探测窗口，来识别其中只发生信道损失的滑动窗口，每个滑动窗口的尺寸Wk都小于S，然后，根据所识别的该滑动窗口，计算该通信链路上的信道损失率；iv)通过从测量的分组损失率中减去计算的信道损失率，来计算该通信链路上的冲突损失率。

Description

用于计算随机访问网络通信链路信道损失率和冲突损失率的设备和方法

技术领域

本发明涉及随机访问网络，更具体而言，涉及这种网络操作期间的分组损失计算。

例如，在此“随机访问网络”表示这样一种网络，其中节点基于随机访问(或基于竞争)MAC(媒体访问控制)协议如ALOHA或CSMA(载波侦听多路访问)进行操作。因此，它可以是固定(通信)网络或无线(通信)网络，尤其是IEEE 802.11网络(即WLAN(无线局域网)，例如WiFi类型的WLAN)，或IEEE 802.15.4网络(或ZigBee)，或卫星网络。在ALOHA MAC协议中，节点只利用随机退避来竞争媒体，而在CSMA MAC协议中，节点在执行随机退避之前，还使用了载波侦听。

背景技术

如本领域技术人员所周知的，在随机访问网络操作期间，分组损失可能是由于信道错误或冲突造成的。

在此，“冲突损失”表示当两个或多个分组同时到达接收器节点(或在接收器节点冲突)时发生的分组损失。

此外，“信道错误损失”在此表示不涉及同时分组发送、而是由发送器节点和接收器节点之间(无线)信道或(链路)造成的分组损失。(无线)信道行为尤其取决于节点位置和/或发送功率和/或接收信号强度和/或(无线)硬件实施和/或环境因素。

可以借助于在预先规定的探测时间窗口内在节点之间发送的成组探测分组，来测量网络操作期间的分组损失率。在这种情况下，分组损失率是在预先规定探测时间窗口内损失的一小部分探测分组。不幸的是，分离(或计算)随机访问网络操作期间所测量的分组损失率的两个成分，即信道损失率和冲突损失率，要困难得多，而由于以下两个原因，这一点令人关心。

首先，这种分离使能随机访问MAC协议和数据率适配机制的高效联合操作。随机访问协议和数据率适配机制旨在解决分组损失的不同原因。随机访问MAC协议旨在通过载波侦听和竞争窗口适配来解决由于冲突造成的损失，而数据率适配机制旨在通过适配调制数据率来提高单个链路的信道质量。随机访问MAC协议和数据率适配机制都对效率进行了折中，以避免分组损失。但是它们都需要知道分组损失原因供校正操作之用。不幸的是，现有(无线)标准的物理(PHY)层规范没有提供该信息。因此，所有随机访问MAC协议都假定分组损失是由冲突造成的，从而增大竞争窗口尺寸(在CSMA/CA的情况下)或退避概率(在ALOHA的情况下)，并且所有数据率适配机制都假定分组损失是由差的信道质量造成的，从而降低调制数据率，以便通过增加每一比特位可得的发送功率来减小位错误概率。因此，除非这些机制能够正确查明分组损失原因，否则它们可能采取不必要或者错误的行动，导致低效操作。

其次，这种分离使能随机访问网络中的精确容量估计、通信量优化和准许控制。和使用预定访问MAC协议如时分多路访问(TDMA)的网络相比，本领域技术人员众所周知的是，难以模拟和优化使用随机访问MAC协议的网络。通信量优化要求测量与通信量无关的网络状态(链路容量)，以便最优地为可用资源分配通信量。精确估计这种与通信量无关的网络状态要求在没有冲突时测量链路容量，因为一旦在网络中分配了通信量，这些冲突就可能发生。因此，冲突损失(与通信量相关)和信道错误损失(与通信量无关)的分离对于合理估计链路容量、以便能够分配通信量来优化随机访问网络的性能是至关重要的。

被建议用来将信道损失和冲突损失分离的解决方法可近似地分成两类：两阶段类别和连续类别。在两阶段类别解决方法中，网络周期地暂停操作，以测量信道损失率，而在连续类别解决方法中，网络操作从不暂停。

更准确地说，两阶段类别解决方法是基于将网络操作时间分成两个阶段：测量阶段和正常网络操作阶段。在测量阶段，正常网络操作被暂停，且节点必须执行顺序发送技术，以预定方式顺序广播探测分组。因为每次只有一个节点发送，所以这种解决方法能够利用O(N)次测量来测量该探测窗口内的网络所有通信链路的信道损失率，其中N是网络中的节点数。然后，从随后的正常网络操作阶段的测量分组损失率中提取该探测窗口的冲突率。

不幸的是，这些两阶段类别解决方法似乎不实际，并且不适用于运营网络。实际上，它们仅仅为了网络测量而强加了延长的网络停工时间。如以下文献中所述，为了收集充分的统计数据，在测量阶段每个节点都需要发送数十秒：Jitendra Padhye等人的，”Estimation of Link Interference in StaticMulti-hop Wireless Networks(静态多跳无线网络中的链路干扰估计)”，Proceedings of Internet Measurement Conference  (网络测量会议记录)，伯克利加利福尼亚，2005年10月，或Lili Qiu等人的”A general model of wirelessinterference(无线干扰的一般模型)”，Proceedings of International Conference onMobile Computing and Networking(移动计算和网络国际会议记录)，Montréal，加拿大，2007年9月，或Anand Kashyap等人的”A measurement-basedapproach to modeling link capacity in 802.11-based wireless networks(基于测量的模拟802.11无线网络链路容量的方法)”，Proceedings of InternationalConference on Mobile Computing and Networking，(移动计算和网络国际会议记录)Montréal，加拿大，2007年9月，或Charles Reis等人的“Measurement-based models of delivery and interference in static wirelessnetworks(基于测量的静态无线网络传输和干扰模型)”，Proceedings of the2006 conference on Applications，technologies，architectures，and protocols forcomputer communications(计算机通信的应用、技术、架构和协议2006会议记录)，比萨，意大利，2006年9月.因而，即使对于小网络，每个测量阶段都可能导致几分钟的网络停工时间。

而且，顺序技术在运营网络中的实施需要信令协议来协调节点，使得节点能够在两个阶段之间切换。这种信令协议自身是总开销的来源，并且在一般的网络环境中(例如多跳式或分布式网络)难以实施。

连续类别解决方法包括：每分组解决方法，该方法试图为每个发送的分组检测分组损失原因；以及被动监测技术，其中附加的监测设备“发觉”收到的分组，并将分组定时信息发送给中央点，该中央点负责利用全局信息估计损失率。

在以下文献中描述了连续类别的第一解决方法：S.Rayanchu等人的”Diagnosing Wireless Packet Losses in 802.11：Separating Collision fromWeak Signal(诊断802.11中的无线分组损失：从弱信号中分离冲突)”，IEEEINFOCOM 2006，Barcelona，西班牙。第一解决方法试图基于每个分组诊断802.11WLAN中的分组损失原因，802.11WLAN是由连接到接入点(AP)的客户组成的单跳网。对于客户发送且被接入点错误接收的每个分组，接入点以该错误分组的拷贝应答。然后，客户使用统计技术确定分组是由于冲突还是由于信道损失而受损。该技术可用于，通过统计在预先规定时间窗口内由于信道错误造成的受损分组部分来估计信道损失率和冲突损失率。

该第一解决方法有几个缺点。首先，它引入了由附加应答分组造成的额外开销(并且当通信链路有损耗时，该额外开销增加)。其次，假定应答分组是无损的，但实际上它们常常遭受信道损失和冲突损失。第三，在接入点只能对收到的受损分组而不是已发送、但没有被该接入点收到的分组，估计信道损失率和冲突损失率。第四，该方法专用于客户/接入点WLAN环境，并采用来自接入点的、用于提供分组内位错误和符号错误信息的专门类型反馈。

在以下文献中描述了连续类别的第二解决方法：K.Whitehouse等人的“Exploiting the capture effect for collision detection and recovery(利用捕获效应进行冲突检测和恢复)”，EmNetS-11，2005。该第二解决方法试图在传感器网络中存在捕获的情况下检测两种类型的冲突：第一较强冲突和最后较强冲突，其中具有较强功率的分组分别最先和最后到来。在第一较强冲突中，接收器节点通过发现新的额外终止符号来检测冲突，而在最后较强冲突中，接收器节点通过在另一分组接收期间发现新的前同步来检测冲突。

该第二解决方法有几个缺点。首先，它只能应用于有限的冲突情况进行成功检测(导致冲突的传输应该在传输开始时间和接收功率上具有足够的差异)。其次，最后较强检测需要发送器节点端作出修改(新的额外终止符号)。第三，该方法需要对大多数现有标准都不提供的通信参数进行低级访问。

在以下文献中描述了连续类别的第三解决方法：J.Yun等人的“Collisiondetection based on RF energy duration in IEEE 802.11 wireless LAN(基于IEEE802.11无线局域网中射频能量持续时间的冲突检测)”，Comsware，2006，新德里，印度。该方法旨在通过测量射频能量及其在此期间的变化，来检测802.11WLAN中的冲突。主要的假定是，冲突的射频能量持续时间大于单次发送的射频能量持续时间。基本服务集(BSS)的接入点测量信道上的射频能量持续时间，并向其客户广播该结果。然后，客户通过检测持续时间并与它们的以前发送计划表的持续时间进行对比，来检测冲突。

该第三解决方法有几个缺点。首先，该方法专用于WLAN环境，并且需要低级访问和MAC层修改，这些在802.11标准中都不提供。其次，该方法可能引入大的系统开销，以便将射频能量信息从接入点传回给接入点的客户。

在以下文献中描述了连续类别的第四解决方法：S.Wong等人的“Robustrate adaptation for 802.11 wireless networks(802.11无线网络的鲁棒率适配)”，ACM Mobicom，2006，洛杉矶，加利福尼亚；以及J.Kim等人的“CARA：Collision-aware rate adaptation for IEEE 802.11 WLANs(CARA：IEEE 802.11无线局域网的冲突感知率适配)”，IEEE INFOCOM 2006，Barcelona，西班牙。该第四解决方法基于，利用数据发送前的RTS/CTS MAC层控制消息来检测冲突、并执行802.11WLAN中的智能数据率适配。RTS/CTS分组的故障归因于冲突，因为这些分组小、并且是以最低的调制数据率发送的，并且成功的RTS/CTS后面的数据分组故障归因于信道损失。为减小系统开销，只有当检测到冲突时，才使能RTS/CTS机制。

该第四解决方法有几个缺点。首先，该方法专用于802.11WLAN和数据率适配机制。其次，冲突和信道错误率的精确计算要求总是使能802.11RTS/CTS机制。然而，实际上，由于高系统开销，尤其是在较高的调制数据率下，通常不使能RTS/CTS。第三，该方法要求修改802.11MAC协议，802.11标准不支持这一点。

在以下文献中描述了连续类别的第五解决方法：Y.Cheng等人的“Jigsaw：solving the puzzle of enterprise 802.11 analysis(竖锯：解决企业802.11分析的难题)”，ACM SIGCOMM，2006，比萨，意大利，以及R.Mahajan等人的”Analyzing the MAC-level behavior of wireless networks in the wild(分析未经训练的无线网络MAC级行为)”，ACM SIGCOMM，2006，比萨，意大利。第五解决方法基于被动监测技术，被动监测技术利用监测节点和全球网络知识来计算分组重叠。监测节点是专用的硬件设备，它们“发觉”在正常节点周围收到的所有分组，并将这些分组报告给中央服务器。中央服务器负责基于全球资源参考计算所有定时，并确定哪些分组在时间上重叠。

第五解决方法有几个缺点。首先，该方法为了将所有信息传送给中央服务器而引入了实施复杂性和通信开销。其次，该方法需要中央服务器上的全球最新网络知识来执行精确估计。即使是利用这种全球知识，也不能直接推断冲突损失或信道损失，因为由于物理捕获一般难以模拟，分组重叠不一定导致冲突损失。第三，被动监测技术的预测功率严重取决于部署的监测节点有多密集，因为当密度增大时，监测节点接近任何给定通信链路的概率也增大。

发明内容

本发明的目的是，提供一种允许在随机访问网络工作期间估计(或计算)测量的分组损失率的两个分量(即信道损失率和冲突损失率)的方法及关联设备。

更准确地说，本发明提供一种用于计算在使用随机访问MAC协议的网络的节点之间建立的至少一条通信链路上的信道损失率(p_ch)和冲突损失率(p_coll)的一种方法，该方法包括以下步骤：

i)将时间分割成探测窗口(pw)，并在每个探测窗口(pw)期间，将选定的S个探测分组从发送器节点发送给与发送器节点链接的接收器节点，

ii)根据在探测窗口(pw)期间在该通信链路上损失的探测分组，测量分组损失率(p)，

iii)用更小的滑动窗口(sw_i ^(Wk))扫描每个探测窗口(pw)，来识别其中只发生信道损失的滑动窗口(被估计为产生最小分组损失率的滑动窗口)，每个滑动窗口的尺寸Wk都小于S，然后，根据所识别的该滑动窗口(sw_i ^(Wk))，计算该通信链路上的信道损失率(p_ch)，以及

iv)通过从测量的分组损失率(p)中减去信道损失率(p_ch)，来计算该通信链路上的冲突损失率(p_coll)。

S是(探测分组的)数量，就该窗口可以包含的分组数而言，S也定义了窗口尺寸。

根据本发明的方法可以包括分别考虑的或组合的附加特征，尤其是：

-在步骤i)中，发送器节点可以发送探测分组，该探测分组是网络层分组；

在步骤i)中，所发送的探测分组可以被实施为被插入数据分组中的专用控制分组或专用数据；

-在步骤i)中，每个探测窗口(pw)都可以是时间窗口；

在步骤i)中，在探测窗口(pw)期间待发送的每个探测分组都可以包括表示自己是探测分组的比特位；

-在一种变型中，在步骤i)中，每个探测窗口(pw)可以用和该探测窗口(pw)关联的S个探测分组的每一个中所包括的序号来定义。

-在步骤iii)中，可用一个探测分组的步长来扫描每个探测窗口(pw)；

-在步骤iii)中，可通过将每个滑动窗口(sw_i ^(Wk))期间损失的探测分组数(n_i ^(Wk))除以该滑动窗口(sw_i ^(Wk))的尺寸(或探测数)Wk，为探测窗口(pw)的具有该尺寸Wk的每个滑动窗口(sw_i ^(Wk))确定初级分组损失率(p_i ^(Wk))，然后，可以为最小尺寸W_min和S之间包括的选定数量不同尺寸Wk重复这些确定，然后，可以根据所关联的确定初级分组损失率(p_i ^(Wk))，为这些不同尺寸Wk的每一种尺寸确定次级分组损失率(p^(Wk))，然后，可以在这些不同尺寸Wk当中确定可提供信道损失率(p_ch)最佳估计的尺寸Wk。

在步骤iii)中，可以把和小于或等于选定值的尺寸Wk关联的每个确定次级分组损失率(p^(Wk))与取决于测量的分组损失率(p)的可变阈值进行比较，然后，如果这些比较的次级分组损失率(p^(Wk))至少之一大于该可变阈值，则可以选择S作为确定的尺寸，然后可以把和该尺寸S对应的测量分组损失率(p)值赋给信道损失率(p_ch)，如果这些比较的次级分组损失率(p^(Wk))小于或等于该可变阈值，则可以用aln(Wk)+b形式的对数曲线来近似所确定的次级分组损失率(p^(Wk))序列，然后可以确定该对数曲线上具有最大曲率的点(P_lc)，然后可以选择和该确定点(P_lc)对应的尺寸Wk作为确定尺寸，然后可以把和该确定尺寸Wk关联的次级分组损失率(p^(Wk))值赋给信道损失率(p_ch)；

选定值可以等于S/2；

可变阈值可以等于(1-ε).p，其中ε是大于0且小于1的选定参数。例如，可以在区间[0.005，0.015]内选择ε；

和不同尺寸Wk之一关联的每个次级分组损失率(p^(Wk))都可以是为该尺寸Wk确定的初级分组损失率(p_i ^(Wk))的最小值；

最小尺寸W_min可以对应于信道损失率的最粗估计。它可以作为必要条件，或取决于网络特性，如探测分组的最大传输率。

本发明也提供一种用于在线计算在使用随机访问MAC协议的网络的节点之间建立的至少一条通信链路上的信道损失率(p_ch)和冲突损失率(p_coll)的设备，该设备包括：

-测量装置(MM)，适用于，根据在探测窗口(pw)期间在该通信链路上损失的探测分组来测量分组损失率(p)，其中在该探测窗口(pw)期间在该通信链路上将S个探测分组从发送器节点发送给接收器节点，

-第一计算装置，适用于，用更小的滑动窗口(sw_i ^(Wk))扫描每个探测窗口(pw)，来识别其中只发生信道损失的滑动窗口(被估计为产生最小分组损失率的滑动窗口)，每个滑动窗口的尺寸Wk都小于S，然后，根据所识别的该滑动窗口(sw_i ^(Wk))，计算该通信链路上的信道损失率(p_ch)，

-第二计算装置(CM2)，适用于，通过从测量的分组损失率(p)中减去计算的信道损失率(p_ch)，来计算该通信链路上的冲突损失率(p_coll)

该第一计算装置可进一步适用于：

-通过将每个滑动窗口(sw_i ^(Wk))期间损失的探测分组数(n_i ^(Wk))除以该滑动窗口(sw_i ^(Wk))的尺寸Wk，为探测窗口(pw)的具有该尺寸Wk的每个滑动窗口(sw_i ^(Wk))确定初级分组损失率(p_i ^(Wk))，然后

-为最小尺寸W_min和S之间包括的选定数量不同尺寸Wk重复这些确定，然后

-根据所关联的确定的初级分组损失率(p_i ^(Wk))，为这些不同尺寸Wk的每一种尺寸确定次级分组损失率(p^(Wk))，然后

-在这些不同尺寸Wk当中确定可提供信道损失率(p_ch)最佳估计的尺寸Wk。

该第一计算装置还可适用于：

-把和小于或等于选定值的尺寸Wk关联的每个确定的次级分组损失率(p^(Wk))与取决于测量的分组损失率(p)的可变阈值进行比较，然后

-如果这些比较的次级分组损失率(p^(Wk))至少之一大于该可变阈值，则选择S作为确定的尺寸，并把和该尺寸S对应的测量分组损失率(p)值赋给信道损失率(p_ch)，如果这些比较的次级分组损失率(p^(Wk))小于或等于该可变阈值，则用aln(Wk)+b形式的对数曲线来近似所确定的次级分组损失率(p^(Wk))序列，然后确定该对数曲线上具有最大曲率的点(P_lc)，然后选择和该确定点(P_lc)对应的尺寸Wk作为确定尺寸，然后把和该确定尺寸Wk关联的次级分组损失率(p^(Wk))值赋给信道损失率(p_ch)。

该第一计算装置还可适用于，根据为这些不同尺寸Wk之一确定的初级分组损失率(p_i ^(Wk))的最小值，来确定和该尺寸Wk关联的每个次级分组损失率(p^(Wk))。

本发明也提供一种用于和使用随机访问MAC协议的网络进行通信、且包括如上所述设备的(通信)节点。

附图说明

一旦阅读了以下详细说明书和附图，本发明的其它特征和优点将变得很清楚，其中唯一的图在功能上图解说明了包括四个互相链接通信设备(或节点)的网络的例子，每个通信设备(或节点)都有根据本发明的设备的实施例子。

具体实施方式

附图不仅可用于完成本发明，而且如果需要的话，也有助于描述本发明定义。

本发明旨在提供一种用于在线计算在随机访问网络(WN)(即使用随机访问MAC协议的网络)的两个节点(Nj)之间建立的至少一条通信链路上测量的分组损失率的两个分量(信道损失率和冲突损失率)的方法和关联设备(D)。

在以下说明中，将认为网络(WN)是无线类型的，更确切地说，网络是IEEE 802.11网络(例如WiFi网络)。但是本发明不限于这种类型网络。实际上，它涉及使用随机访问MAC协议的、包括节点(或网络设备)的任何类型网络。因此，网络也可以是使用随机访问MAC协议的有线网络，如以太网。

而且，本发明不仅涉及多跳型网络(即，包括相互连接(或链接)的路由器或接入点(AP))，而且也涉及单跳型网络(即，包括为用户(或客户)的无线通信设备服务的基站(或任何等效无线电网络设备))。即，单跳型无线网络是多跳型无线网络的特殊情况。

在所说明的例子中，节点Nj是网络WN的接入点或通过接入点连接到网络WN的用户移动电话。更一般地，节点可以是网络设备(如路由器或接入点)或用户通信设备(如移动电话、个人数字助理(或PDA)、固定计算机或便携式电脑)。

而且，在所说明的例子中，节点索引j的值从1变化到4，但是节点Nj的数量可以大于或小于4。

如上所述，本发明提出一种用于在线计算在(随机访问)网络WN的两个节点Nj和Nj’(j＝j’)之间建立的至少一条通信链路的信道损失率和冲突损失率的方法。

该方法基于以下假定：(i)冲突损失独立于信道损失，从而由于冲突而使分组损失增加；(ii)干扰和冲突生成突发损失模式；以及(iii)当不存在冲突时，损失独立发生。

可以至少部分地通过根据本发明的至少一个设备D来实施这种方法。

因为在唯一的附图中图解说明了本发明，根据本发明的设备D可以位于网络WN的几个节点Nj中(优选地，位于每个节点Nj中)。但是，该设备D也可以是连接到节点Nj的网络设备或部件，或连接到网络WN的网络设备，如管理设备。

因此，设备D可以由软件模块(至少部分地)组成，或由电子电路或硬件模块组成，或由硬件和软件模块的组合组成(在这种情况下，设备D也包括允许硬件和软件模块之间相互作用的软件接口)。

当设备D分布于节点Nj中时，每个设备D都为其节点Nj进行计算。当整个网络或网络一部分只有一个设备D时，该中央设备D为所有节点Nj或属于其网络部分的节点Nj进行计算。

根据本发明的方法包括四个主要步骤。

该方法的第一主要步骤(i)是将时间分割成探测窗口pw，并在每个探测窗口pw期间，将选定的S个探测分组从发送器节点Nj(例如N1)发送给与节点Nj链接的接收器节点Nj’(例如N2)。

重要的是要注意，当两个节点Nj相互链接并且都配有设备D时，它们都在相同大小的探测窗口pw期间相互发送相同数量S的探测分组。S是每一对链接节点的发送器节点和接收器节点都已知的可调谐参数。

例如，在IEEE 802.11g无线网状网络中，在每个探测窗口pw期间发送的探测分组的数量S可以从200到1280，并且每个探测窗口pw的持续时间可以从2分钟到15分钟。

可以通过每个节点Nj有可能在其关联设备D的控制下，来实施该第一主要步骤(i)。

可以将探测窗口pw实施为时间窗口，或者可利用探测分组中的序号来实施探测窗口。

探测分组优选地是网络层分组。可以将发送的探测分组实施为专用控制分组或专用数据，它们被插入在一对节点Nj之间相互交换的数据分组中。而且，在MAC层中，探测分组可以被映射到广播或独播发送。

探测分组中携带的信息(以及/或定义探测分组的信息)取决于探测窗口pw的实施。如果探测窗口pw被实施为时间窗口，则每个探测分组都包括表示它是探测分组的至少一个比特。如果探测窗口pw被定义为序号，则在探测窗口pw期间发送的每个探测分组都包括定义其探测窗口pw序号的一个或多个比特，并且还可能包括表示它是探测分组的一个比特。

该方法的第二主要步骤(ii)是根据探测窗口pw期间在所考虑的通信链路上损失的探测分组，来测量分组损失率p。

探测窗口pw期间测量的分组损失率等于，接收器节点Nj’在该探测窗口pw期间有效(且正确)收到的探测分组数与发送器节点Nj在该探测窗口pw期间发送的探测分组数S的比值。

可由设备D的测量装置(或模块)MM，根据其关联的接收器节点Nj’所提供的收到的探测分组的有关信息，来实施该第二主要步骤(ii)。

该方法的第三主要步骤(iii)是用更小的滑动窗口sw_i ^(Wk)扫描每个探测窗口pw，以便识别其中只发生信道损失的滑动窗口(即，被估计为产生最小分组损失率的滑动窗口)，每个滑动窗口sw_i ^(Wk)的尺寸Wk都小于S(即探测窗口pw的尺寸)。然后，根据所识别的滑动窗口sw_i ^(Wk)，来计算通信链路上的信道损失率p_ch。

滑动窗口索引i从1变化到M，其中M(探测窗口pw中包含的滑动窗口sw_i ^(Wk)的数量)取决于这些滑动窗口sw_i ^(Wk)的尺寸Wk。

可通过连接到测量装置MM的设备D的第一计算装置(或模块)CM1，来实施该第三主要步骤(iii)。

例如，(CM1)可用一个探测分组的步长来扫描每个探测窗口。这样提供S-Wk+1个起始位置，每个起始位置都对应于探测窗口pw内的滑动窗口sw_i ^(Wk)的开始。

可以如下执行滑动窗口识别。

例如，开始时，(CM1)可以为探测窗口pw的尺寸为Wk的每个滑动窗口sw_i ^(Wk)确定初级分组损失率p_i ^(Wk)。可以通过将该滑动窗口sw_i ^(Wk)期间由于信道错误而损失的探测分组数n_i ^(Wk)除以该滑动窗口sw_i ^(Wk)的尺寸Wk，来实现这一点(即p_i ^(Wk)＝n_i ^(Wk)/Wk)。

然后，(CM1)为选定的N种不同尺寸Wk重复确定初级分组损失率p_i ^(Wk)。这些不同尺寸在最小尺寸W_min和S之间。换句话说，(CM1)为N种不同尺寸Wk确定N组初级分组损失率p_i ^(Wk)。

例如，最小尺寸W_min对应于网络MN所支持的信道损失率的最粗估计。例如等于10的最小尺寸W_min(即，等于10个样本)对应于从0变化到1.0、步长为0.1的11种损失率。

(CM1)可根据关联的一组初级分组损失率p_i ^(Wk)，为N种不同尺寸Wk的每一种确定次级分组损失率p^(Wk)。

例如，把和N种不同尺寸Wk之一关联的每个次级分组损失率p^(Wk)估计为，为其关联尺寸Wk确定的初级分组损失率p_i ^(Wk)的最小值。

$p^{\left(\mathrm{Wk}\right)}=\min (p_1^{\left(\mathrm{Wk}\right)},p_2^{\mathrm{Wk}},...,p_{S-\mathrm{Wk}+1}^{\mathrm{Wk}})$

$=\frac{1}{\mathrm{Wk}}\min (n_1^{\left(\mathrm{Wk}\right)},n_2^{\left(\mathrm{Wk}\right)},...,n_{S-\mathrm{Wk}+1}^{\left(\mathrm{Wk}\right)}),$ 其中Wk∈[W_min，…，S].

一旦为N种不同尺寸Wk分别确定了N个次级分组损失率p^(Wk)，(CM1)就可在这N种不同尺寸Wk中确定提供最佳信道损失率p_ch估计的尺寸Wk。

确定尺寸旨在识别其中只发生信道损失的滑动窗口sw_i ^(Wk)。实际上，可以看出存在一些没有冲突的时期，这些时期长得足以用于仅仅测量信道损失率p_ch。因此，一旦识别了这种时期，就必须确定这样的尺寸Wk，该尺寸Wk大得足以给出良好的p_ch估计、但是又不致于使得最终结束而进入冲突损失时期。

如果决定了选择最大尺寸S作为所确定的尺寸Wk，则该尺寸将只提供一个样本，作为包括冲突和信道损失的测量分组损失率p。因此，这样选择确的定的尺寸Wk不能区分两种类型的损失，由此过高估计信道损失。

现在，如果决定选择很小的尺寸作为确定尺寸Wk，则几乎捕获不到损失(如果损失足够少，前面给出p_i ^(Wk)的公式中的“min”运算符将得到0)，由此这样将过低估计信道损失率p_ch。对于小尺寸Wk，次级分组损失率p^(Wk)的估计小于p，因为某些窗口几乎看不到损失(因为它们没有大得足以精确地平均得到信道损失)。然后，p^(Wk)随尺寸Wk而增大，直到得到对于Wk＝S(p^(Wk＝s)＝p)的测量分组损失为止。

因此，基于以上观察，以下提出了一个提供良好结果的确定尺寸的例子。

例如，(CM1)首先可以选择和小于或等于选定值的尺寸Wk关联的每个估计(或确定)的次级分组损失率p^(Wk)。例如，该选定值可以等于S/2。

(CM1)可以将这些选择的次级分组损失率p^(Wk)的每一个和可变阈值进行比较。例如，该可变阈值可取决于测量的分组损失率p(在第二主要步骤(ii)期间获得)。例如，这种可变阈值可以等于(1-ε).p，其中ε是大于0且小于1(ε∈[0，1])的选定参数。优选地，可以在[0.005，0.015]区间内选择ε。例如，ε可以等于0.01(或1％)。

如果所比较的次级分组损失率p^(Wk)至少之一大于该可变阈值，则这意味p^(Wk)急剧增大并快速达到p，这强烈表示信道损失率p_ch接近测量分组损失率p。因此，(CM1)可以选择S作为确定尺寸，从而(CM1)可以将测量分组损失率p的值(对应于该尺寸S)赋给信道损失率p_ch。

现在，如果所有比较的次级分组损失率(p^(Wk))小于或等于该可变阈值，则(CM1)可以通过例如aln(Wk)+b形式的对数曲线，来近似所确定的次级分组损失率(p^(Wk))序列。然后，(CM1)可以确定该对数曲线上具有最大曲率的点P_lc，然后确定与该确定点P_lc对应的尺寸Wk^*。

因此，(CM1)可以选择尺寸Wk^*(对应于所确定的点P_lc)作为确定尺寸，并且(CM1)可以将次级分组损失率p^(Wk*)的值(其与该确定尺寸Wk^*相关联)赋给信道损失率p_ch(即p_ch＝p^(Wk*))。最大曲率点的意义明确，其中函数p^(Wk*)急剧增大且快速达到p，这强烈表示信道损失率p_ch接近测量的分组损失率p。

本方法的第四主要步骤(iv)是从测量的分组损失率p中减去计算(或估计)的信道损失率p_ch，由此计算所考虑通信链路上的冲突损失率p_coll(即p_coll＝p-p_ch)。

可以由连接到设备测量装置MM和第一计算装置(或模块)CM1的设备D的第二计算装置(或模块)CM2，来实施第四主要步骤(iv)。

本发明不仅应用于如上所述的单通信链路。实际上，本发明也可同时应用于随机访问网络的几条(甚至所有)通信链路，其中每条通信链路的终端节点(或关联的设备D)执行如上所述的发送器行动(发送探测分组)和接收器行动(计算信道损失率和冲突损失率)。此外，在无线网络中，可以利用广播探测来实施本发明。在这种情况下，将需要O(N)次测量，来为该无线网络中的所有通信链路计算信道损失率和冲突损失率。

本发明基于网络层的分组接收定时统计特性，本发明提供几个优点，其中：

-本发明不需要暂停网络操作去收集测量，

-本发明独立于网络技术，由此可在任何随机访问网络上运行(本发明可应用于多跳和单跳网络)，

-本发明不需要低级信息或现有网络标准的MAC层修改，

-本发明造成的系统开销较小，并且可以通过调节探测窗口的参数S来控制。典型地，在网络层通过每几秒发送探测分组来执行探测，

-本发明可应用于许多应用，尤其适用于随机访问网络中的容量估计、通信量/拓扑优化、容许控制和数据率适配机制的高效设计。

本发明不限于上述仅仅作为例子的方法、设备和节点(或通信设备)的实施例，而是包括本领域技术人员可以想到的在后面权利要求范围内的所有替换实施例。

Claims (19)

1.一种用于在线计算在使用随机访问MAC协议的网络(WN)的节点(Nj)之间建立的至少一条通信链路的信道损失率(p_ch)和冲突损失率(p_coll)的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

i)将时间分割成探测窗口(pw)，并在每个探测窗口(pw)期间，将选定的S个探测分组从发送器节点(N1)发送给与发送器节点链接的接收器节点(N2)，

ii)根据在探测窗口(pw)期间在所述通信链路上损失的探测分组，测量分组损失率(p)，

iii)使用更小的滑动窗口(sw_i ^(Wk))扫描每个探测窗口(pw)，来识别其中只发生信道损失的滑动窗口，每个滑动窗口的尺寸Wk都小于S，然后，根据所识别的该滑动窗口(sw_i ^(Wk))，计算该通信链路上的信道损失率(p_ch)，以及

iv)通过从所述测量的分组损失率(p)中减去所述计算的信道损失率(pch)，来计算所述通信链路上的冲突损失率(pcoll)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤i)中，所述发送器节点(N1)发送探测分组，所述探测分组是网络层分组。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤i)中，所述发送的探测分组被实施为被插入数据分组内的专用控制分组或专用数据。

4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，在步骤i)中，每个探测窗口(pw)都是时间窗口。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤i)中，在探测窗口(pw)期间待发送的每个探测分组都包括表示其是探测分组的比特位。

6.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，在步骤i)中，每个探测窗口(pw)是通过和该探测窗口(pw)关联的S个探测分组的每一个中所包括的序号来定义的。

7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，在步骤iii)中，利用较小的滑动窗口(p_i ^(Wk))，以一个探测分组的步长来扫描每个探测窗口(pw)。

8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，在步骤iii)中，通过将每个滑动窗口(sw_i ^(Wk))期间损失的探测分组数(n_i ^(Wk))除以所述滑动窗口(sw_i ^(Wk))的尺寸Wk，为探测窗口(pw)的具有所述尺寸Wk的每个所述滑动窗口(sw_i ^(Wk))确定初级分组损失率(p_i ^(Wk))，然后，为最小尺寸W_min和S之间包括的选定数量的不同尺寸Wk重复这些确定，然后，根据所关联的确定的初级分组损失率(p_i ^(Wk))，为所述不同尺寸Wk的每一种尺寸确定次级分组损失率(p^(Wk))，然后，在所述不同尺寸Wk当中确定可提供信道损失率(p_ch)最佳估计的尺寸Wk。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤iii)中，把和小于或等于选定值的尺寸Wk关联的每个确定的次级分组损失率(p^(Wk))与取决于测量的分组损失率(p)的可变阈值进行比较，然后，如果所述比较的次级分组损失率(p^(Wk))至少之一大于所述可变阈值，则选择S作为确定的尺寸，然后把和所述尺寸S对应的测量分组损失率(p)值赋给所述信道损失率(p_ch)，如果所述比较的次级分组损失率(p^(Wk))小于或等于所述可变阈值，则用aln(Wk)+b形式的对数曲线来近似所确定的次级分组损失率(p^(Wk))序列，然后确定所述对数曲线上具有最大曲率的点(P_lc)，然后选择和所述确定点(P_lc)对应的尺寸Wk作为确定尺寸，然后把和所述确定尺寸Wk关联的次级分组损失率(p^(Wk))值赋给所述信道损失率(p_ch)

10.根据权利要求8和9之一所述的方法，其特征在于，所述选定值等于S/2。

11.根据权利要求8至10之一所述的方法，其特征在于，所述可变阈值等于(1-ε).p，其中ε是大于0、小于1的选定参数。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，ε是在区间[0.005，0.015]内选择的。

13.根据权利要求8至12之一所述的方法，其特征在于，和所述不同尺寸Wk之一关联的每个次级分组损失率(p^(Wk))都是为所述尺寸Wk确定的初级分组损失率(p_i ^(Wk))的最小值。

14.根据权利要求8至13之一所述的方法，其特征在于，所述最小尺寸W_min对应于由所述网络(WN)所支持的信道损失率的最粗估计。

15.一种用于在线计算在使用随机访问MAC协议的网络(WN)的节点(Nj)之间建立的至少一条通信链路的信道损失率(p_ch)和冲突损失率(p_coll)的设备(D)，其特征在于所述设备包括以下装置：

测量装置(MM)，适用于，根据在探测窗口(pw)期间在所述通信链路上损失的探测分组来测量分组损失率(p)，其中在所述探测窗口(pw)期间在所述通信链路上将S个探测分组从发送器节点(N1)发送给接收器节点(N2)，

第一计算装置(CM1)，适用于，用更小的滑动窗口(sw_i ^(Wk))扫描每个探测窗口(pw)，来识别其中只发生信道损失的滑动窗口，每个滑动窗口的尺寸Wk都小于S，然后，根据所识别的该滑动窗口(sw_i ^(Wk))，计算该通信链路上的信道损失率(p_ch)，以及

第二计算装置(CM2)，适用于，通过从所述测量的分组损失率(p)中减去所述计算的信道损失率(p_ch)，计算所述通信链路上的冲突损失率(p_coll)。

16.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，所述第一计算装置(CM1)适用于：

i)通过将所述滑动窗口(sw_i ^(Wk))期间损失的探测分组数(n_i ^(Wk))除以所述滑动窗口(sw_i ^(Wk))的尺寸Wk，为探测窗口(pw)的具有所述尺寸Wk的每个所述滑动窗口(sw_i ^(Wk))确定初级分组损失率(p_i ^(Wk))，然后

ii)为最小尺寸W_min和S之间包括的选定数量的不同尺寸Wk重复这些确定，然后

iii)根据所关联的确定的初级分组损失率(p_i ^(Wk))，为所述不同尺寸Wk的每一种尺寸确定次级分组损失率(p^(Wk))，然后

iv)在所述不同尺寸Wk当中确定可提供信道损失率(p_ch)最佳估计的尺寸Wk。

17.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，所述第一计算装置(CM1)适用于：

i)把和小于或等于选定值的尺寸Wk关联的每个确定的次级分组损失率(p^(Wk))与取决于测量的分组损失率(p)的可变阈值进行比较，然后

ii)如果所述比较的次级分组损失率(p^(Wk))至少之一大于所述可变阈值，则选择S作为确定的尺寸，并把和所述尺寸S对应的测量分组损失率(p)值赋给所述信道损失率(p_ch)，如果所述比较的次级分组损失率(p^(Wk))小于或等于所述可变阈值，则用aln(Wk)+b形式的对数曲线来近似所确定的次级分组损失率(p^(Wk))序列，然后确定所述对数曲线上具有最大曲率的点(P_lc)，然后选择和所述确定点(P_lc)对应的尺寸Wk作为确定尺寸，然后把和所述确定尺寸Wk关联的次级分组损失率(p^(Wk))值赋给所述信道损失率(p_ch)

18.根据权利要求16和17之一所述的设备，其特征在于，所述第一计算装置(CM1)适用于根据为所述不同尺寸Wk确定的初级分组损失率(p_i ^(Wk))的最小值，来确定和所述不同尺寸Wk之一关联的每个次级分组损失率(p^(Wk))。

19.一种用于和使用随机访问MAC协议的网络(WN)进行通信的节点(Nj)，其特征在于包括根据权利要求15至18之一所述的设备(D)。

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