CN104853380A - 一种多信道无线网络的链路质量评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多信道无线网络的链路质量评估方法，用于解决无线网络中各网络节点采用多信道联合传输数据时的干扰检测问题。通过周期性统计一定时间内系统吞吐量、信道占空比及发送数据量等信息来监测系统性能及各工作信道性能的变化情况。所述链路质量评估方法主要包括三种方式：方式A，周期性统计各工作信道在一段时间内的总吞吐量及其忙闲时间；方式B，周期性连续多次统计一定时间内各工作信道等待发送的数据量及实际发送的数据量；方式C，通过方式A与方式B联合评估。若系统性能明显下降，则将链路质量最差的工作信道切换至其他合适信道，从而降低外界干扰的影响。

Description

一种多信道无线网络的链路质量评估方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，针对无线网络尤其是IEEE 802.11n/ac等无线局域网(WLAN)，当网络节点采用多信道(或多频点，以下信道和频点同义)联合传输数据时的链路质量评估方法和系统。同时，对无线异构网络、无线传感网络、无线个域网络的链路质量预测均适用。

背景技术

在无线网络中，高效、准确而又稳定的链路质量估计是保证上层协议性能的基础。然而，无线链路固有的动态特性和不可预测性使得实时、准确的链路质量估计面临巨大挑战。

目前，大量研究人员对无线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)。这类方法简单、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)，或统计成功发送一个分组所需要的发送次数如RNP(requested number packets)，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，如WMEWMA(window mean with exponentially weighted moving average)，EasiTOD等。这些研究大都是针对无线传感器网络的。

通过对现有专利及相关技术的检索发现，现有的与多信道无线网络的链路质量评估相关的方法和系统包括：

(1)一种无线链路质量的检测方法及装置(CN103945409A)通过调整接入点(AP)与移动台(STA)之间的发射功率并由AP向STA发送探测报文，解决了现有技术中无法确定AP到STA的信号强度问题。

(2)一种无线网络链路质量估计方法(CN103338472A)实现了无线自组织网络或无线传感器网络节点对链路丢包率与时间延迟的有效估计来全面反应网络的链路质量。

(3)一种无线传感器网络链路质量预测方法(CN103716808A)根据接收信号强度数学模型和背景噪音数学模型，预测拓扑结构固定且已知的无线传感器网络中的节点间数据包接收率Prr，并将节点间数据包接收率Prr作为链路质量评价指标。

(4)链路质量评估方法及其系统(CN103581974A)提供了一种基于动态模糊神经网络的链路质量评估方法及其系统，提高了链路质量评估的学习能力、自适应能力，从在链路质量评估中提高准确性、鲁棒性，适用于大规模无线传感器网络的多种应用。

(5)检测传输链路质量的方法及装置(CN102724086A)通过获取在检测周期内的双向转发检测(BFD)检测报文的丢包率并判断丢包率是否大于预先设置的告警触发阈值，进而达到了方便、简单地实现对传输链路中信号劣化进行检测的效果。

现有技术中尚没有明确针对多信道联合传输的无线网络链路质量评估方法。

发明内容

鉴于以上陈述的已有方案或相关技术的不足，本发明针对多信道联合传输的无线网络，提出了一种新的无线链路质量评估方法，用来解决对无线网络各 工作信道的干扰检测问题。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种多信道联合传输的无线网络链路质量评估方法，通过周期性统计无线网络的系统吞吐量、各工作信道的信道占空比及发送数据量等信息，实现对系统性能和各工作信道性能的变化情况的监测。当无线网络中各节点有多个信道同步传输数据时，为保证系统性能，需进行周期性的干扰检测过程，通过信道切换来归避外界干扰。同时，考虑到信道切换过程对系统性能的影响，每次只在多个工作信道中选择当时传输性能最差的工作信道来执行跳频，此性能最差的工作信道则通过链路质量评估来选择。无线网络中各节点上绑定多张无线网卡，分别工作在不同的信道，则链路质量评估过程可描述为：

(1)统计各工作信道在一段时间内的总吞吐量，并连续统计多次各工作信道等待发送的总数据量、实际发送的总数据量及每个工作信道在这段时间内的实际发送的总数据量；

(2)统计各工作信道在一定时间内的忙闲时间：active_time、busy_time、rx_time、tx_time，分别表示信道的活跃时间、信道忙的时间、接收数据的时间、发送数据的时间；

(3)由各信道的忙闲时间，估计信道占空比状态：BUSY_STATUS、Rx_STATUS、Tx_STATUS；

其中，BUSY_STATUS表示在监测时间内信道忙时占的百分比；Rx_STATUS表示信道在监测时间内接收数据的时间占的百分比；Tx_STATUS表示信道在监测时间内发送数据的时间占的百分比；

(4)由以上统计数据可知系统性能的变化及各工作信道性能的变化，若系统性能明显下降，则判定存在外界干扰，需要选出性能最差的工作信道执行 跳频；

(5)性能最差的工作信道为在统计时间内实际发送的总数据量最小或Tx_STATUS值最小的信道。

本发明公开了一种多信道无线网络的链路质量评估方法，既可以有效监测系统性能的变化情况，判断是否存在外界干扰，又可以评估各工作信道的性能优劣，从而实现当受到外界干扰时，只切换性能最差的工作信道，防止随机切换信道或多个信道同时切换造成网络性能的进一步下降。

附图说明如下：

图1为本发明实施例场景示意图。

图2为本发明实施例链路质量评估方式A的流程图。

图3为本发明实施例链路质量评估方式B的流程图。

图4为本发明实施例链路质量评估方法整体流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面结合附图对本发明作进一步的描述。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

下面以IEEE 802.11n WLAN为实施例对本发明中提出的多信道无线网络的链路质量评估方法作解释说明。为方便清晰的描述本发明内容，图1中以两个节点(节点A、节点B)为实施例来说明，其中，节点A、B分别看作AP端与STA端，且其上各绑定N张无线网卡，各无线网卡工作于不同信道。

为保证系统性能，即当存在外界干扰时需要及时切换工作信道，在此之前，需要完成周期性的干扰检测过程，实现对系统性能及各工作信道性能的变化情 况的监测。同时，为防止工作信道的随机切换或多个工作信道同时切换造成对系统性能的不利影响，每次只切换性能最差的那个工作信道。

为便于理解本发明方案，在本发明实施例中，两节点(以PC机为例)运行Linux系统，系统自带bonding模块，此功能模块位于链路层与网络层之间，用于多网卡绑定。网络层进入bonding模块数据为系统待发数据，无线空口发送数据为实际发送数据，各网卡统计时间内实际发送数据之和为总吞吐量。

本发明中公开的多信道无线网络的链路质量评估方法包括以下三种方式：方式A，周期性统计各工作信道在一段时间内的总吞吐量及其忙闲时间；方式B，连续多次统计一定时间内各工作信道等待发送的数据量及实际发送的数据量；方式C，通过方式A与方式B联合评估。图2及图3分别为本发明实施例中链路质量评估方式A与方式B的流程图，具体可描述为：

方式A：

(1)统计各工作信道在一段时间内的总吞吐量，记为throughput；

(2)统计各工作信道在一定时间内的忙闲时间：active_time、busy_time、rx_time、tx_time，分别表示信道的活跃时间、信道忙的时间、接收数据的时间、发送数据的时间；

(3)由各信道的忙闲时间，估计信道占空比状态：BUSY_STATUS、Rx_STATUS、Tx_STATUS；其中，BUSY_STATUS表示在监测时间内信道忙时占的百分比；Rx_STATUS表示信道在监测时间内接收数据的时间占的百分比；Tx_STATUS表示信道在监测时间内发送数据的时间占的百分比；

(4)若总吞吐量小于预设的吞吐量阈值，且某工作信道满足以下条件：BUSY_STATUS＞BUSY_P、Rx_STATUS＜Rx_P、Tx_STATUS＜Tx_P，则 判定系统受到外界干扰，需执行信道切换；其中，BUSY_P、Tx_P、Rx_P分别表示信道忙时、发送数据时间、接收数据时间的百分比阈值；

(5)需执行切换的工作信道为Tx_STATUS值最小的信道，此即性能最差的工作信道。

在上述链路质量评估方式A中，是通过统计系统在一段时间内的吞吐量变化及各工作信道的占空比状态变化来监测系统是否受到了外界干扰。如步骤(4)中所述，若系统吞吐量明显下降，且此时至少有一个工作信道的占空比状态很差(即，此信道忙的时间比例很大，而实际用于数据收发的时间比例很小)，则判定系统受到了外界干扰，需要通过切换信道来避开此干扰。同时，考虑到随机切换工作信道或多工作信道同时切换会对系统吞吐量及稳定性造成不利影响，本发明中每次只切换一个工作信道，且选择多个工作信道中性能最差的那个工作信道执行切换，如上述链路质量评估方式A中步骤(5)所述，性能最差的工作信道为实际发送数据所占时间比例最小的那个工作信道。

上述链路质量评估方式A中，判定外界干扰是否存在时，不是只通过系统吞吐量这个单一的指标，还联合了信道占空比这一评估指标，降低了对外界干扰判定错误的概率。因为系统吞吐量下降，可能是由于系统本身需要传输的数据量的减少引起的，而不是由外界干扰造成的。通过联合信道占空比信息，可以有效的反映系统的实际变化情况。

方式B：

(1)统计各工作信道在一定时间内等待发送的数据量及实际发送的数据量，分别记为wait_tx_i与real_tx_i，其中，0＜i≤N；

(2)可知，系统实际发送的总数据量及等待发送的总数据量分别为：

$\mathrm{real}\_\mathrm{tx}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{real}\_{\mathrm{tx}}_i,\mathrm{wait}\_\mathrm{tx}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{wait}\_{\mathrm{tx}}_i;$

(3)连续统计K个周期内数据量的发送情况，即执行步骤(1)、(2)K次；

(4)记录上述K个周期内等待发送的总数据量大于实际发送的总数据量的次数，即wait_tx＞real_tx的次数k；

(5)若上述次数k大于或等于预设次数阈值n，即k≥n，则判定系统受到外界干扰，需执行信道切换；

(6)由步骤(3)中统计数据可知各工作信道在K个周期内各自的实际发送的总数据量，记为则此值最小的工作信道为需要执行切换的信道，即性能最差的工作信道。

在上述链路质量评估方式B中，是通过周期性连续多次统计系统的等待发送的数据量与实际发送的数据量的变化情况来判定是否受到外界干扰，能够真实有效的反映出系统性能的变化。如步骤(4)、(5)所述，若在统计周期内，系统等待发送的数据量大于实际发送的数据量的次数超过一定阈值，说明此时系统性能很差，处于“有数据需要发送，但无法顺利发送”的状态，判定受到了外界干扰。同时，与方式A中相同，每次也只能切换一个工作信道，且此信道为在统计周期内实际发送的总数据量最小的那个工作信道。

对于所述链路质量评估方式C，可以将方式A与方式B中统计量联合使用，如，可根据系统吞吐量及发送数据量的变化情况联合判定是否存在外界干扰，或根据工作信道的占空比信息及发送数据量的变化来选择性能最差的工作信道等。

图4为上述本发明实施例的链路质量评估方法的整体流程图，其中所涉及的评估参数，包括信道占空比及其发送数据量等，区别于现有技术方案中各类参数，如RSSI、LQI及SNR等，且所述实施例已经实测验证，可以有效的评估工作信道的质量。

采用本发明的基本方案，在实际实施时，可以衍生出多种不同的等同产品，但凡是根据发明的技术方案及其发明构思，加以等同替换与改变，均被认为属于发明的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种多信道无线网络的链路质量评估方法，用于解决无线网络特别是IEEE802.11n/ac无线局域网WLAN通过无线链路质量评估，并根据质量评估结果对工作信道进行抗干扰检测操作；无线网络中各节点上绑定多张可分别在不同的工作信道上联合传输数据的无线网卡，则链路质量评估过程可描述为：

(1)统计各工作信道在一段时间内的总吞吐量，并连续统计多次各工作信道等待发送的总数据量、实际发送的总数据量及每个工作信道在这段时间内的实际发送的总数据量；

(2)统计各工作信道在一定时间内的忙闲时间：active_time、busy_time、rx_time、tx_time，分别表示信道的活跃时间、信道忙的时间、接收数据的时间、发送数据的时间；

(3)由各信道的忙闲时间，估计信道占空比状态：BUSY_STATUS、Rx_STATUS、Tx_STATUS；

其中，BUSY_STATUS表示在监测时间内信道忙时占的百分比；Rx_STATUS表示信道在监测时间内接收数据的时间占的百分比；Tx_STATUS表示信道在监测时间内发送数据的时间占的百分比；

(4)由以上统计数据可知系统性能的变化及各工作信道性能的变化，若系统性能明显下降，则判定存在外界干扰，需要选出性能最差的工作信道执行跳频；

(5)性能最差的工作信道为在统计时间内实际发送的总数据量最小或Tx_STATUS值最小的信道。

2.如权利要求1所述的多信道无线网络链路质量评估方法，其特征在于：所述链路质量评估方法包括三种方式：方式A，周期性统计各工作信道在一段时间内的总吞吐量及其忙闲时间；方式B，周期性连续多次统计一定时间内各工作信道等待发送的数据量及实际发送的数据量；方式C，通过方式A与方式B联合评估。

3.如权利要求1所述的多信道无线网络链路质量评估方法，其特征在于：当各网络节点通过多信道联合传输数据时，若通过监测发现系统受到了外界干扰，则通过信道切换避开此干扰，每次只能有一个工作信道执行切换过程，且此工作信道为经过链路质量评估后性能最差的工作信道。