CN113891382A

CN113891382A - 一种基于数据包重传率计算无线信道利用率的方法

Info

Publication number: CN113891382A
Application number: CN202111033380.5A
Authority: CN
Inventors: 向望; 沈佳杰; 沈敏虎; 徐竟祎; 任晨; 赵泽宇; 王新
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2021-09-03
Filing date: 2021-09-03
Publication date: 2022-01-04
Anticipated expiration: 2041-09-03
Also published as: CN113891382B

Abstract

本发明公开了一种基于数据包重传率计算无线信道利用率的方法，包括以下步骤：步骤1，对一个真实大规模无线局域网进行长时间测量，并对测量数据进行字段采集与数据清洗，得到无线接入点和无线终端的运行数据集；步骤2，对所述运行数据集进行统计分析得到接收数据包重传率和信道利用率的对应关系；步骤3，根据所述对应关系绘制散点图，得到拟合公式，通过接收数据包重传率计算出信道利用率。

Description

一种基于数据包重传率计算无线信道利用率的方法

技术领域

本发明涉及无线局域网测量领域，具体涉及一种基于数据包重传率计算无线信道利用率的方法。

背景技术

随着无线局域网技术、移动终端设备和移动应用的不断改革与发展，WLAN已经不再作为有线网络的补充，而是成为了主要的网络接入方式。由于对WLAN的需求不断增长，园区WLAN建设逐渐往大规模甚至超大规模发展，大规模无线局域网测量技术也成为研究热点。无线局域网仍然是IP网络，有线网测量的性能指标基本都适用于无线局域网，但由于无线局域网采用无线连接方式，对同样的性能指标测量方法会有所不同。此外，由于无线局域网的移动性特点，对无线射频、移动终端的测量是无线网独有的，测量性能指标则要增加信号强度(RSSI)、信噪比(SNR)、信道利用率(CU)、接收数据包重传率(RXRR)、发送数据包重传率(TXRR)等。

WLAN的CU是指终端在一个数据发送周期内，有效地发送数据所需要的时间占整个发送周期的比例。802.11协议媒体存取控制(MAC)层采用CSMA/CA冲突避免机制，即当无线终端(STA)准备发送数据时，如果信道空闲则马上发送，若信道不空闲则推迟发送、等待信道空闲后再发送。CU直接反应了该信道的繁忙程度，直接影响到数据包发送和接收重传的比率，CU越高则STA的使用体验越差。从STA侧来看，接收数据包是指STA接收到的数据包，即从无线接入点(AP)发送给STA的数据包，RXRR是指STA接收数据包发生重传的比率；而TXRR是STA发送数据包发生重传的比率。由上述分析的WLAN基础理论可知CU和RXRR、TXRR直接相关，但相关研究缺少对两者关系的定量分析。

本发明通过对真实大规模无线局域网进行长时间测量，获取到AP和STA的运行大数据集，由此分析出RXRR和CU的对应关系，并拟合成两个线性公式，可通过RXRR计算出CU，而无需消耗宝贵的无线空口资源对CU进行测量。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于数据包重传率计算无线信道利用率的方法。

本发明提供了一种基于数据包重传率计算无线信道利用率的方法，具有这样的特征，包括以下步骤：

步骤1，对一个真实大规模无线局域网进行长时间测量，并对测量数据进行字段采集与数据清洗，得到AP和STA的运行数据集。

步骤2，对运行数据集进行统计分析得到RXRR和CU的对应关系。

步骤3，根据对应关系绘制散点图，得到拟合公式，通过RXRR计算出CU。

在本发明提供的基于数据包重传率计算无线信道利用率的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中，对一个真实大规模无线局域网进行连续14天的测量，测量数据包括：15646台AP产生的3610万条数据，104319台STA产生的1220万条数据。

在本发明提供的基于数据包重传率计算无线信道利用率的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中，对测量数据进行字段采集，采集方式为通过简单网络管理协议(SNMP)采集无线控制器(AC)的运行数据，无线控制器的运行数据包括AP和STA的运行数据，采集的字段包括：AP的MAC地址、AP名称、AP的2.4GHz工作信道和信道利用率、AP的5GHz工作信道和信道利用率、AP发出的服务集标识符(SSID)及对应的基本服务集标识符(BSSID)、STA的MAC地址、STA的用户名、STA的信号强度、STA连接的AP、STA连接的无线信道、STA的接收包重传率等。

在本发明提供的基于数据包重传率计算无线信道利用率的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中，对采集的字段进行数据清洗，数据清洗是将不同制造商设备产生的不一致数据进行统一，具体过程包括：

步骤1-1，将AP的MAC地址作为AP唯一标识。

步骤1-2，格式化MAC地址：通过MAC地址格式化进程将所有MAC地址类型的取值格式进行统一格式化。

步骤1-3，计算数据包重传率并统一格式：数据包重传率格式统一为小数，并取小数点后5位。

步骤1-4，格式化信道利用率取值：信道利用率统一为小数，取小数点后2位。

步骤1-5，格式化STA连接的AP取值：通过查询AP相关的字段，将STA连接的AP取值统一为AP的BSSID。

步骤1-6，清洗处理完毕得到AP和STA的运行数据集。

在本发明提供的基于数据包重传率计算无线信道利用率的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2中，统计分析过程包括以下子步骤：

步骤2-1，以“AP的基本服务集标识符”和“数据采集时间”为关键字段，将AP和连接该“AP的基本服务集标识符”的STA数据进行组合。

步骤2-2，将AP的CU字段和STA的RXRR字段配对为(A,B1)、(A,B2)、……，即在AP的CU为A时其下连接的STA的RXRR为B1、B2、……。

步骤2-3，将数据按照CU的A值进行分组，从0.01至1.00、区间大小为0.01，即[0.01,0.02)、[0.02,0.03)、……、[0.99,1.00]。

步骤2-4，计算每个区间内B值的数量和平均值，通过B值的数量发现98％以上数据的CU值不超过0.4，因此CU值的总区间定为[0,0.4]。

在本发明提供的基于数据包重传率计算无线信道利用率的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤3中，根据RXRR和CU的对应关系绘制CU和RXRR均值的散点图，根据散点图得到拟合公式，分别对应2.4GHz和5GHz频段：

RXRR_2.4GHz＝0.206CU+0.157 CU∈[0,0.4] (1)

RXRR_5GHz＝0.118CU+0.087 CU∈[0,0.4] (2)

利用公式(1)和(2)计算出该AP工作的2.4GHz和5GHz无线信道利用率，在CU不超过0.4时该公式有效。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的基于数据包重传率计算无线信道利用率的方法，因为对一个真实大规模无线局域网进行长时间测量，并对测量数据进行字段采集与数据清洗，得到AP和STA的运行数据集，对运行数据集进行统计分析得到RXRR和CU的对应关系，根据对应关系绘制散点图，得到拟合公式，通过RXRR计算出CU。通过上述过程可以由RXRR计算出CU，而RXRR是在AP发送数据包时就会进行统计，无需进行额外的计算、也无需消耗宝贵的无线空口资源对CU进行测量，不会对无线AP造成更多的计算负载，也不会影响STA的正常使用，而传统的CU测量方法会消耗无线空口资源，对STA有一定影响。且从两个公式还可以定量的分析出，在不同频段下CU对RXRR的影响程度不同，2.4GHz公式的斜率为0.206，5GHz公式的斜率为0.118，说明了在2.4GHz频段的影响程度是在5GHz频段影响程度的近2倍。且本发明考虑了不同制造商设备产生的数据的差异性，可适用于单一制造商设备或多制造商设备组成的大规模无线局域网。

附图说明

图1是本发明的实施例中基于数据包重传率计算无线信道利用率的方法流程图；

图2是本发明的实施例中数据清洗的流程图；

图3是本发明的实施例中统计分析的流程图；

图4是本发明的实施例中信道利用率和无线终端接收数据包重传率均值的关系散点图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明一种基于数据包重传率计算无线信道利用率的方法作具体阐述。

在本实施例中，提供了一种基于数据包重传率计算无线信道利用率的方法。

图1是本实施例中基于数据包重传率计算无线信道利用率的方法流程图。

如图1所示，本实施例所涉及的基于数据包重传率计算无线信道利用率的方法包括以下步骤：

步骤S1，对一个真实大规模无线局域网进行长时间测量，并对测量数据进行字段采集与数据清洗，得到AP和STA的运行数据集。

其中，步骤S1的测量过程的具体实施方式为：

对真实大规模无线局域网进行连续14天的测量，测量数据包括：15646台AP产生的3610万条数据，104319台STA产生的1220万条数据。

其中，步骤S1中采集过程的具体实施方式为：

对测量数据进行字段采集，采集方式为通过SNMP采集AC的运行数据，无线控制器的运行数据包括AP和STA的运行数据，采集的字段包括：AP的MAC地址、AP名称、AP的2.4GHz工作信道和信道利用率、AP的5GHz工作信道和信道利用率、AP发出的SSID及对应的BSSID、STA的MAC地址、STA的用户名、STA的信号强度、STA连接的AP、STA连接的无线信道、STA的接收包重传率等。对不同制造商的无线控制器，同一个字段对应SNMPM MIB里的OID不同，数据格式也不同，需为每一个制造商制定专用的采集流程。

其中，步骤S1中的数据清洗过程为，对采集的字段进行数据清洗，数据清洗是将不同制造商设备产生的不一致数据进行统一。

图2是本实施例中数据清洗的流程图。

如图2所示，本实施例中的数据清洗的具体实施过程包括：

步骤S1-1，将AP的MAC地址作为AP唯一标识：部分制造商设备的数据以AP序列号作为索引，在数据清洗流程中需进行标准化，统一以AP的MAC地址作为AP唯一标识。

步骤S1-2，格式化MAC地址：根据制造商定义的不同，AP的MAC地址、AP的BSSID和STA的MAC地址格式这三种MAC地址类型的取值有多种分割方式，且有些字母为大写、有些为小写，在数据清洗流程中需进行标准化，通过MAC地址格式化进程将所有MAC地址类型的取值格式统一为“xxxx-xxxx-xxxx”、字母全小写。

步骤S1-3，计算数据包重传率并统一格式：部分制造商设备计算了数据包重传率并设置了相应的OID，可直接采集到，而部分制造商设备仅提供了发送数据包数量和重传数据包数量，需在数据清洗流程中进行计算。数据包重传率格式统一为小数，并取小数点后5位。

步骤S1-4，格式化信道利用率取值：部分制造商设备使用小数，部分制造商设备使用整数，在数据清洗流程中信道利用率统一为小数，取小数点后2位。

步骤S1-5，格式化STA连接的AP取值：从SNMP协议采集到的STA连接的AP，各制造商设备返回的值有多种，包括：AP名称、AP的MAC地址和AP的BSSID，通过查询AP相关的字段，将STA连接的AP取值统一为AP的BSSID。

步骤S1-6，清洗处理完毕得到AP和STA的运行数据集。

步骤S2，对运行数据集进行统计分析得到RXRR和CU的对应关系。

图3是本实施例中统计分析的流程图。

如图3所示，本实施例中的统计分析的具体实施过程包括：

步骤S2-1，以“AP的基本服务集标识符”和“数据采集时间”为关键字段，将AP和连接该“AP的基本服务集标识符”的STA数据进行组合。

步骤S2-2，将AP的CU字段和STA的RXRR字段配对为(A,B1)、(A,B2)、……，即在AP的CU为A时其下连接的STA的RXRR为B1、B2、……。

步骤S2-3，将数据按照CU的A值进行分组，从0.01至1.00、区间大小为0.01，即[0.01,0.02)、[0.02,0.03)、……、[0.99,1.00]。

步骤S2-4，计算每个区间内B值的数量和平均值，通过B值的数量发现98％以上数据的CU值不超过0.4，因此CU值的总区间定为[0,0.4]。

步骤S3，根据对应关系绘制散点图，得到拟合公式，通过RXRR计算出CU。

其中，步骤S3中，根据RXRR和CU的对应关系绘制CU和RXRR均值的散点图。

图4为本实施例中信道利用率和无线终端接收数据包重传率均值的关系散点图。

如图4所示，根据散点图得到拟合公式，分别对应2.4GHz和5GHz频段：

RXRR_2.4GHz＝0.206CU+0.157 CU∈[0,0.4] (1)

RXRR_5GHz＝0.118CU+0.087 CU∈[0,0.4] (2)

实施例的作用与效果

根据本发明所涉及的基于数据包重传率计算无线信道利用率的方法，因为对一个真实大规模无线局域网进行长时间测量，并对测量数据进行字段采集与数据清洗，得到AP和STA的运行数据集，对运行数据集进行统计分析得到RXRR和CU的对应关系，根据对应关系绘制散点图，得到拟合公式，通过RXRR计算出CU。通过本发明提出的公式可以由RXRR计算出CU，而RXRR是在AP发送数据包时就会进行统计，无需进行额外的计算、也无需消耗宝贵的无线空口资源对CU进行测量，不会对无线AP造成更多的计算负载，也不会影响STA的正常使用，而传统的CU测量方法会消耗无线空口资源，对STA有一定影响。且从两个公式还可以定量的分析出，在不同频段下CU对RXRR的影响程度不同，2.4GHz公式的斜率为0.206，5GHz公式的斜率为0.118，说明了在2.4GHz频段的影响程度是在5GHz频段影响程度的近2倍。且本发明考虑了不同制造商设备产生的数据的差异性，可适用于单一制造商设备或多制造商设备组成的大规模无线局域网。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于数据包重传率计算无线信道利用率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对一个真实大规模无线局域网进行长时间测量，并对测量数据进行字段采集与数据清洗，得到无线接入点和无线终端的运行数据集；

步骤2，对所述运行数据集进行统计分析得到接收数据包重传率和信道利用率的对应关系；

步骤3，根据所述对应关系绘制散点图，得到拟合公式，通过接收数据包重传率计算出信道利用率。

2.根据权利要求1所述的一种基于数据包重传率计算无线信道利用率的方法，其特征在于：

其中，步骤1中，对所述真实大规模无线局域网进行连续14天的测量，测量数据包括：15646台无线接入点产生的3610万条数据，104319台无线终端产生的1220万条数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于数据包重传率计算无线信道利用率的方法，其特征在于：

其中，步骤1中，对所述测量数据进行所述字段采集，采集方式为通过简单网络管理协议采集无线控制器的运行数据，所述无线控制器的运行数据包括无线接入点和无线终端的运行数据，采集的字段包括：无线接入点的媒体存取控制地址、无线接入点名称、无线接入点的2.4GHz工作信道和信道利用率、无线接入点的5GHz工作信道和信道利用率、无线接入点发出的服务集标识符及对应的基本服务集标识符、无线终端的媒体存取控制地址、无线终端的用户名、无线终端的信号强度、无线终端连接的无线接入点、无线终端连接的无线信道、无线终端的接收包重传率等。

4.根据权利要求1所述的一种基于数据包重传率计算无线信道利用率的方法，其特征在于：

其中，步骤1中，对所述采集的字段进行所述数据清洗，所述数据清洗是将不同制造商设备产生的不一致数据进行统一，具体过程包括：

步骤1-1，将无线接入点的媒体存取控制地址作为无线接入点唯一标识；

步骤1-2，格式化媒体存取控制地址：通过媒体存取控制地址格式化进程将所有媒体存取控制地址类型的取值格式进行统一格式化；

步骤1-3，计算数据包重传率并统一格式：数据包重传率格式统一为小数，并取小数点后5位；

步骤1-4，格式化信道利用率取值：信道利用率统一为小数，取小数点后2位；

步骤1-5，格式化无线终端连接的无线接入点取值：通过查询无线接入点相关的字段，将无线终端连接的无线接入点取值统一为无线接入点的基本服务集标识符；

步骤1-6，清洗处理完毕得到所述无线接入点和无线终端的运行数据集。

5.根据权利要求1所述的一种基于数据包重传率计算无线信道利用率的方法，其特征在于：

其中，步骤2中，统计分析过程包括以下子步骤：

步骤2-1，以“无线接入点的基本服务集标识符”和“数据采集时间”为关键字段，将无线接入点和连接该“无线接入点的基本服务集标识符”的无线终端数据进行组合；

步骤2-2，将无线接入点的信道利用率字段和无线终端的接收数据包重传率字段配对为(A,B1)、(A,B2)、……，即在无线接入点的信道利用率为A时其下连接的无线终端的接收数据包重传率为B1、B2、……；

步骤2-3，将数据按照信道利用率的A值进行分组，从0.01至1.00、区间大小为0.01，即[0.01,0.02)、[0.02,0.03)、……、[0.99,1.00]；

步骤2-4，计算每个区间内B值的数量和平均值，通过B值的数量发现98％以上数据的信道利用率值不超过0.4，因此信道利用率值的总区间定为[0,0.4]。

6.根据权利要求1所述的一种基于多数据源的大规模无线局域网数据采集与处理方法，其特征在于：

其中，步骤3中，根据接收数据包重传率和信道利用率的对应关系绘制信道利用率和接收数据包重传率均值的散点图，根据所述散点图得到拟合公式，分别对应2.4GHz和5GHz频段：

RXRR_2.4GHz＝0.206CU+0.157 CU∈[0,0.4] (1)

RXRR_5GHz＝0.118CU+0.087 CU∈[0,0.4] (2)

利用公式(1)和(2)计算出该无线接入点工作的2.4GHz和5GHz无线信道利用率，在信道利用率不超过0.4时该公式有效。