CN102655655B

CN102655655B - 一种无线mesh网络的链路质量测量方法

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Publication number: CN102655655B
Application number: CN201210130744.6A
Authority: CN
Inventors: 黄东; 黄林果
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-04-29
Filing date: 2012-04-29
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2032-04-29
Also published as: CN102655655A

Abstract

本发明提供一种无线mesh网络的链路质量测量方法，通过使用DEvLQ功能模块通过特定的设备报告无线mesh网络中所有的链路质量、使用预订计划设计原则设计DEvLQ功能模块和REACH协议使无线mesh网络中的节点通过观测不同的节点信息、获得高粒度的链路质量参数，并设置网络链路质量测量协议，以及设置误包率(PER)测量协议等步骤，实现了无线mesh网络中业务的可靠传输。

Description

一种无线mesh网络的链路质量测量方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及无线传输和计算机系统结构理论。

背景技术

在无线网络中，高效、准确、实时稳定的链路质量估计是保证上层协议性能的基础，如路由协议选择通信质量较好的链路迸行数据传输，链路质量估计的准确性直接影响到路由协议的性能。然而无线链路固有的动态特性，以及不可预测性使得实时、准确的链路质量估计面临巨大挑战，尤其是在复杂的网络环境下，如周围有移动设备的接入、各种静止或移动的障碍物、其它无线网络如802.11、电子通信设备等，无线链路的状态在短时间内变化很快，表现出高度的突发性。故宫文物展陈环境监测系统就是一个典型的应用实例，不同时间不同流量及不同移动程度的游客，以及无线网络及电子通信设备的干扰等，严重影响了无线通信链路的通信质量。在这类复杂环境中，需实时感知链路的突发性变化，准确、自适应地估计链路质量，对链路状态变化能快速响应显得尤为重要。

链路质量是指传输媒介所能提供的用于有用信号传输的环境好坏。在有线环境下，信号在封闭的金属媒介中传输，影响链路质量的因素主要是距离和其它节点信号的冲突；而在无线环境中，信号是在开放的环境中传输的，因此影响链路质量的因素较之有线信道中就要复杂的多。相对于有线链路，无线链路具有以下几个主要的特点：

1.传输媒介的性质相对于均匀稳定的有线媒介来说要复杂的多，由此所带来的多径效应和频率弥散等特性给信号造成的衰落作用比有线信道要严重的多；

2.无线传输环境中媒介的参数特性是时变的，也就是说影响传输环境的因素的强弱、方向等因素是随时间随机变化的，这与有线信道下传输媒介特性参数基本不变的特性又有很大不同，由.此给传输造成的影响的强弱也随机变化；

3.由于不同的无线传输设备都使用相同的传输环境，所以在开放的无线传输环境中，相邻频段的干扰要比有线环境中严重许多。

4.无线传输环境中的双向信道可能不是对称的，一般不能从前向信道的质量直接推出反向信道的质量。

目前，大量研究人员对链路质量估计问题展开了深入研究，提出许多链路质量估计方法，一般分为两大类：基于硬件的链路质量估计和基于软件的链路质量估计。基于硬件的链路质量估计直接从硬件获取相关信息，如RSSI(Received Signal Strength Indicator)，LQI(Link Quality Indicator)，SNR(Signal to Noise Ratio)等。这类方法较为简单、开销小，但不能准确反应链路在一段时间内的状态；基于软件的链路质量估计方法一般通过周期性的发送控制分组来探测链路的质量如ETX(Expected Transmission Count)，或使用某种预测机制对链路在将来一段时间内的质量进行预测。这类方法考虑了分组的丢失情况，能够准确反映当前的链路质量，但存在以下问题：首先，如果统计周期太短会大大增加估计开销，同时频繁的链路质量更新会导致其他网络问题，如频繁的路由更新、路由震荡或路由环等。其次，统计周期时间太长，又不能实时反应链路的当前状态，尤其是在存在大量突发性链路的环境内，不能有效感知短时间内链路的持续变化。然而已有研究表明，突发性链路在低功率无线传感器网终中普遍存在，高效感知突发性链路，能够大大提高网络的性能，最后，如果估计算法太复杂，对于资源受限的传感器节点来说，则不能在节点实现在线的实时的链路质量估计，链路质量观测模型如图1所示。

因此有必要研究进行链路质量测量，在保障数据可靠高效传输的时间并减少冗佘。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：解决现有无线mesh网络的无有效链路质量测量方法问题。

本发明为解决上述技术问题提供一种无线mesh网络的链路质量测量方法，其特征在于：

A、使用DEvLQ功能模块通过特定的设备报告无线mesh网络中所有的链路质量；

B、使用预订计划设计原则设计DEvLQ功能模块；

C、REACH协议使无线mesh网络中的节点通过观测不同的节点信息，获得高粒度的链路质量参数，并设置网络链路质量测量协议；

D、设置误包率(PER)测量协议。

所述步骤A中，使用DEvLQ功能模块通过特定的设备报告无线mesh网络中所有的链路质量，首先设置链路状态监测单元，其结构如图1所示。DEvLQ功能模块具有3个功能：a.对下层功能设备进行配置，b.监控下层任意设备接收到的数据包，c.向用户空间报告其最近的行为；一方面，REACH协议使得MBA能远端节点进行操作，以接入具有良好粒度的链路质量信息，并且对远端设备进行配置；另一方面REACH协议使用本地DEvLQ完成远端节点的请求，REACH协议既可以通过远端的唤醒和数据库呼叫触发，也可通过常用的套接端口连接触发，如图2所示。

所述步骤B中，使用预订计划设计原则设计DEvLQ功能模块，具体为令界面为s.th0，为优化对数据包的监控，使用滤波器方法，通过往Linux系统的文件/proc/net/devlq/s.th0/addfilter写下发送端和接收端的MAC地址，仅仅能监视一部分连接，在数据包结构的环路缓存内存储被过滤的数据包登录信息，数据包结构的组成部分为：TSF，发送端接入控制识别码(Sender MAC ID)，接收端接入控制识别码(Receiver MAC ID)，区域识别码(Cell ID)，传输速率(Tx rate)，RSSI，噪声(Noise)，数据包序列号(Seq Number)，Size，数据传输错误类型(Error Type)，其中TSF表示网卡中的数据包到达时间，Size为包括MAC层的帧结构的头和物理层的帧结构的头的数据包大小，Error Type用于判断数据包的错误是由CRC、FIFO、PHY、DECRYPT、MIC的哪一个造成的，环路缓存用于存储进入系统的数据包的固定数目，以限制网络资源的消耗，使用/proc文件系统对用户登录进行优化，当用户向文件/proc/net/devlq/ath0/log发出读取请求时，才使用环路缓存器中存储的数据，通过向文件/proc/net/devlq/ath0/clearLog写入删除命令来删除环路缓存中的数据，DEvLQ还用于对传输功率、传输速率、信道、载波感知门限、接收端灵敏度和广播设备进行参数配置，对于Atheros卡，在madwifi内使用标准的呼叫方式来改变设备参数，对于WARP SDR，使用触发从主端口至WARP板通信的常用命令对设备参数进行配置，DEvLQ通过对文件/proc/net/devlq/control/<parameter>的读取和写入来打开控制界面，其中<parameter>为用于描述设备参数的文件名。

所述步骤C中，可通过无线链路质量获取单元得到当前链路质量。REACH协议使网络中的节点通过观测不同的节点信息，获得高粒度的链路质量参数，使用收听基于远端节点的预配置端口的请求信息，实现REACH协议，需要对设备进行配置或获取远端节点登录信息的客户端与服务器之间的通信通过应用数据包建立，服务器镜像使得客户端能配置和获得DEvLQ提供的设备参数和登录文件，无线链路质量获取单元的结构如图3所示。

所述步骤C中，设置网络链路质量测量协议。链路测量质量协议用于在静态无线网络中追踪骨干链路的状态信息，其包括骨干路由、通过调整设备的配置获得最大的空间复用度以及网络监控，通过给定的信道状态，记录RSS和PER的变化情况，追踪无线mesh网络的骨干链路质量，链路质量测量协议由登录信息记录器和PER测量单元组成，登录信息记录器用于在不同的节点追踪长期的接收的关于RSS和PER的数据包历史记录，登录信息记录器周期性的在每个节点采用轮询方式获得接收的数据包踪迹，其通过对每个登录文件的分析，保存一个完整和连续登录文件记录，移除登录文件的重复进入信息，并获取RSS和PER的统计特性包括均值和方差。

所述步骤D中，设置误包率(PER)测量协议，具体子步骤为：a.在速率brrate条件下，每个PER测量周期包含所有节点发送的numpkts广播数据包，numcycles为PER测量的迭代次数，sampletxrates为被测量的无线传输速率，sample txpowers为被测量的无线传输功率，nodelist为无线节点，ip(n)为节点n的IP地址，MAC(n)为节点n的MAC地址，上述参数可从配置文件内获得，REACH协议(operation，n)为使用REACH协议使节点n处于工作状态，broadcast(numpkts，brrate)为以速率brrate广播numpkts，对于numlter为1至numcycles时，对网络中的节点n，设置被测量的无线传输功率取值范围为[txPower，n]，广播速率的取值范围为[txRate，n]，节点n发送广播包，使用定位器为所有链路的每一条传输速率生成PER表，并记录RSS和PER的均值，以及通过登录信息记录器和存储于PER表中的被测量无线传输速率生成登录文件内的PER方差信息。

本发明的有益效果为：提供一种无线mesh网络的链路质量测量方法，通过使用DEvLQ功能模块通过特定的设备报告无线mesh网络中所有的链路质量、使用预订计划设计原则设计DEvLQ功能模块和REACH协议使无线mesh网络中的节点通过观测不同的节点信息、获得高粒度的链路质量参数、设置网络链路质量测量协议，以及设置误包率PER测量协议等步骤，实现了无线mesh网络中业务的可靠传输。

附图说明

图1为DEvLQ功能模块结构示意图；

图2为REACH协议工作流程示意图；

图3为无线链路质量获取单元结构示意图；

具体实施方式

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

1.使用DEvLQ功能模块通过特定的设备报告无线mesh网络中所有的链路质量，首先设置链路状态监测单元，DEvLQ功能模块具有3个功能：a.对下层功能设备进行配置，b.监控下层任意设备接收到的数据包，c.向用户空间报告其最近的行为；一方面，REACH协议使得MBA能远端节点进行操作，以接入具有良好粒度的链路质量信息，并且对远端设备进行配置；另一方面REACH协议使用本地DEvLQ完成远端节点的请求，REACH协议既可以通过远端的唤醒和数据库呼叫触发，也可通过常用的套接端口连接触发。

2.使用预订计划设计原则设计DEvLQ功能模块，具体为令界面为s.th0，为优化对数据包的监控，使用滤波器方法，通过往Linux系统的文件/proc/net/devlq/s.th0/addfilter写下发送端和接收端的MAC地址，仅仅能监视一部分连接，在数据包结构的环路缓存内存储被过滤的数据包登录信息，数据包结构的组成部分为：TSF，发送端接入控制识别码(Sender MAC ID)，接收端接入控制识别码(Receiver MAC ID)，区域识别码(Cell ID)，传输速率(Tx rate)，RSSI，噪声(Noise)，数据包序列号(Seq Number)，Size，数据传输错误类型(Error Type)，其中TSF表示网卡中的数据包到达时间，Size为包括MAC层的帧结构的头和物理层的帧结构的头的数据包大小，Error Type用于判断数据包的错误是由CRC、FIFO、PHY、DECRYPT、MIC的哪一个造成的，环路缓存用于存储进入系统的数据包的固定数目，以限制网络资源的消耗，使用/proc文件系统对用户登录进行优化，当用户向文件/proc/net/devlq/ath0/log发出读取请求时，才使用环路缓存器中存储的数据，通过向文件/proc/net/devlq/ath0/clearLog写入删除命令来删除环路缓存中的数据，DEvLQ还用于对传输功率、传输速率、信道、载波感知门限、接收端灵敏度和广播设备进行参数配置，对于Atheros卡，在madwifi内使用标准的呼叫方式来改变设备参数，对于WARP SDR，使用触发从主端口至WARP板通信的常用命令对设备参数进行配置，DEvLQ通过对文件/proc/net/devlq/control/<parameter>的读取和写入来打开控制界面，其中<parameter>为用于描述设备参数的文件名。

3.REACH协议使无线mesh网络中的节点通过观测不同的节点信息，获得高粒度的链路质量参数，并设置网络链路质量测量协议，具体为REACH协议使网络中的节点通过观测不同的节点信息，获得高粒度的链路质量参数，使用收听基于远端节点的预配置端口的请求信息，实现REACH协议，需要对设备进行配置或获取远端节点登录信息的客户端与服务器之间的通信通过应用数据包建立，服务器镜像使得客户端能配置和获得DEvLQ提供的设备参数和登录文件。

4.设置网络链路质量测量协议。链路测量质量协议用于在静态无线网络中追踪骨干链路的状态信息，其包括骨干路由、通过调整设备的配置获得最大的空间复用度以及网络监控，通过给定的信道状态，记录RSS和PER的变化情况，追踪无线mesh网络的骨干链路质量，链路质量测量协议由登录信息记录器和PER测量单元组成，登录信息记录器用于在不同的节点追踪长期的接收的关于RSS和PER的数据包历史记录，登录信息记录器周期性的在每个节点采用轮询方式获得接收的数据包踪迹，其通过对每个登录文件的分析，保存一个完整和连续登录文件记录，移除登录文件的重复进入信息，并获取RSS和PER的统计特性包括均值和方差。

5.设置误包率(PER)测量协议，具体子步骤为：a.在速率brrate条件下，每个PER测量周期包含所有节点发送的numpkts广播数据包，numcycles为PER测量的迭代次数，sampletxrates为被测量的无线传输速率，sample txpowers为被测量的无线传输功率，nodelist为无线节点，ip(n)为节点n的IP地址，MAC(n)为节点n的MAC地址，上述参数可从配置文件内获得，REACH协议(operation，n)为使用REACH协议使节点n处于工作状态，broadcast(numpkts，brrate)为以速率brrate广播numpkts，对于numlter为1至numcycles时，对网络中的节点n，设置被测量的无线传输功率取值范围为[txPower，n]，广播速率的取值范围为[txRate，n]，节点n发送广播包，使用定位器为所有链路的每一条传输速率生成PER表，并记录RSS和PER的均值，以及通过登录信息记录器和存储于PER表中的被测量无线传输速率生成登录文件内的PER方差信息。

Claims

1.一种无线mesh网络的链路质量测量方法，解决现有无线mesh网络的无有效链路质量测量方法问题，包括如下步骤：

A、使用DEvLQ功能模块通过特定的设备报告无线mesh网络中所有的链路质量，首先设置链路状态监测单元，DEvLQ功能模块具有3个功能：a.对下层功能设备进行配置，b.监控下层任意设备接收到的数据包，c.向用户空间报告其最近的行为；一方面，REACH协议使得MBA能远端节点进行操作，以接入具有良好粒度的链路质量信息，并且对远端设备进行配置；另一方面REACH协议使用本地DEvLQ完成远端节点的请求，REACH协议既可以通过远端的唤醒和数据库呼叫触发，也可通过常用的套接端口连接触发；

B、使用预订计划设计原则设计DEvLQ功能模块，具体为令界面为s.th0，为优化对数据包的监控，使用滤波器方法，通过往Linux系统的文件/proc/net/devlq/s.th0/addfilter写下发送端和接收端的MAC地址，仅仅能监视一部分连接，在数据包结构的环路缓存内存储被过滤的数据包登录信息，数据包结构的组成部分为：TSF，发送端接入控制识别码(Sender MAC ID)，接收端接入控制识别码(Receiver MAC ID)，区域识别码(Cell ID)，传输速率(Tx rate)，RSSI，噪声(Noise)，数据包序列号(Seq Number)，Size，数据传输错误类型(Error Type)，其中TSF表示网卡中的数据包到达时间，Size为包括MAC层的帧结构的头和物理层的帧结构的头的数据包大小，Error Type用于判断数据包的错误是由CRC、FIFO、PHY、DECRYPT、MIC的哪一个造成的，环路缓存用于存储进入系统的数据包的固定数目，以限制网络资源的消耗，使用/proc文件系统对用户登录进行优化，当用户向文件/proc/net/devlq/ath0/log发出读取请求时，才使用环路缓存器中存储的数据，通过向文件/proc/net/devlq/ath0/clearLog写入删除命令来删除环路缓存中的数据，DEvLQ还用于对传输功率、传输速率、信道、载波感知门限、接收端灵敏度和广播设备进行参数配置，对于Atheros卡，在madwifi内使用标准的呼叫方式来改变设备参数，对于WARP SDR，使用触发从主端口至WARP板通信的常用命令对设备参数进行配置，DEvLQ通过对文件/proc/net/devlq/control/<parameter>的读取和写入来打开控制界面，其中<parameter>为用于描述设备参数的文件名；

C、REACH协议使无线mesh网络中的节点通过观测不同的节点信息，获得高粒度的链路质量参数，并设置网络链路质量测量协议，具体为REACH协议使网络中的节点通过观测不同的节点信息，获得高粒度的链路质量参数，使用收听基于远端节点的预配置端口的请求信息，实现REACH协议，需要对设备进行配置或获取远端节点登录信息的客户端与服务器之间的通信通过应用数据包建立，服务器镜像使得客户端能配置和获得DEvLQ提供的设备参数和登录文件；

D、设置误包率(PER)测量协议，具体子步骤为：a.在速率brrate条件下，每个PER测量周期包含所有节点发送的numpkts广播数据包，numcycles为PER测量的迭代次数，sampletxrates为被测量的无线传输速率，sample txpowers为被测量的无线传输功率，nodelist为无线节点，ip(n)为节点n的IP地址，MAC(n)为节点n的MAC地址，上述参数可从配置文件内获得，REACH协议(operation，n)为使用REACH协议使节点n处于工作状态，broadcast(numpkts，brrate)为以速率brrate广播numpkts，对于numlter为1至numcycles时，对网络中的节点n，设置被测量的无线传输功率取值范围为[txPower，n]，广播速率的取值范围为[txRate，n]，节点n发送广播包，使用定位器为所有链路的每一条传输速率生成PER表，并记录RSS和PER的均值，以及通过登录信息记录器和存储于PER表中的被测量无线传输速率生成登录文件内的PER方差信息。

2.根据权利要求1的方法，对于所述步骤C其特征在于：链路测量质量协议用于在静态无线网络中追踪骨干链路的状态信息，其包括骨干路由、通过调整设备的配置获得最大的空间复用度以及网络监控，通过给定的信道状态，记录RSS和PER的变化情况，追踪无线mesh网络的骨干链路质量，链路质量测量协议由登录信息记录器和PER测量单元组成，登录信息记录器用于在不同的节点追踪长期的接收的关于RSS和PER的数据包历史记录，登录信息记录器周期性的在每个节点采用轮询方式获得接收的数据包踪迹，其通过对每个登录文件的分析，保存一个完整和连续登录文件记录，移除登录文件的重复进入信息，并获取RSS和PER的统计特性包括均值和方差。