CN114007243A - 一种宽带微功率网络性能在线分析系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽带微功率网络性能在线分析系统与方法，属于移动通信技术领域。该系统包括：数据捕获模块，捕获网络节点发出的数据报文；流式处理模块，为网络分析提供实时流式传输通道；报文数据统计模块，从数据报文中提取关联确认报文、发现列表报文、抄表业务报文、节点TEI、网络层级、数据包大小等信息；网络性能分析模块，对报文数据统计模块提供的数据进行计算分析，计算网络性能指标；网络性能展示模块，绘制网络拓扑图，并将性能指标通过折线图，饼状图呈现。本发明实现了宽带微功率网络性能分析。本发明系统帮助开发人员拖离组网现场，能够在线获取实时的网络数据，计算网络性能指标并提供宽带微功率网络动态变化情况。

Description

一种宽带微功率网络性能在线分析系统与方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，涉及一种宽带微功率网络性能在线分析系统与方法。

背景技术

在宽带微功率无线通信网络中定义了三种角色，高速载波通信网络一般会形成以中央协调器(Central Coordinator，CCO)为中心、以代理协调器(Proxy COordinator，PCO)(智能电表/I型采集器通信单元、高速载波II型采集器)为中继代理，连接所有站点(Station，STA)(智能电表/I型采集器通信单元、高速载波II型采集器)多级关联的树形网络。

CCO放置在集中器中，PCO与STA安装在采集器或智能电表中。宽带微功率网络以CCO为中心，逐层发送中央信标、代理信标或者发现信标以触发未入网的STA发起入网请求。对于入网成功的STA，CCO会为其分配终端设备标识(Terminal Equipment Identifier，TEI)并在下一轮信标中安排该站点的信标时隙，STA必须在该时隙内发送发现信标以触发下一级节点入网。

宽带微功率系统具有高传输速率、高信息容量、远距离传输等特点。随着宽带微功率无线网络的部署，各种环境干扰因素和节点故障可能会导致无线链路和网络拓扑发生动态变化。因此需要设计一种实时高效率的宽带微功率协议分析系统，容纳大量协议数据的分析，实时分析定位宽带微功率组网过程中，以及组网后的网络问题。现有的宽带微功率无线自组网分析，只是停留在到施工现场抓取数据，利用硬件设备通过串口接入网络，生成网络拓扑图以及网络层级相关信息以此来观察宽带微功率自组网情况。没有针对宽带微功率网络分析的完整系统，而且目前针对宽带微功率分析方法有很多弊端，具体如下：

(1)受限于设备的功耗，成本，体积，层次式的网络分布结构。

(2)宽带微功率网络的解析，需要开发人员在现场用设备观测，无法脱离现场，根本不可能做到和网络实时同步，以至于无法获取实时的信息。

(3)在对整个网络的数据进行分析过程中，需要无时无刻监视网络的变化过程，才能获取最正确的网络拓扑信息。工作量庞大，效率低下。

(4)其协议数据分析只给出了网络当前的流量统计、报文统计等简单统计值。无法根据简单的统计值对网络进行评估。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种宽带微功率网络性能在线分析系统与方法，解决对宽带微功率无线通信网络实时监控问题，帮助开发人员拖离组网现场，实时获取网络性能指标和网络变化情况。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种宽带微功率网络性能在线分析系统，包括：

数据捕获模块，捕获网络节点发出的数据报文，并将空口网络协议报文发送到流式处理模块，为流式处理模块提供访问硬件的接口；

流式处理模块，与所述数据捕获模块建立连接，用于提供数据报文的传输通道；

报文数据统计模块，根据所述流式处理模块通道中的数据，按照宽带微功率无线通信协议对每条数据进行逐字节解析；

网络性能分析模块，根据数据库中的参数表，统计入网节点个数，计算网络性能指标；

网络性能展示模块，绘制网络拓扑图，并将网络性能性能指标通过图表呈现。

数据捕获模块、流式处理模块集成在搭载LINUX操作系统的硬件开发板上；报文数据统计模块、网络性能分析模块、网络性能展示模块集成在基于LINUX操作系统的虚拟机中。

所述数据捕获模块包括：

无线通信模组，提供拨号上网的功能，为数据传输提供网络；提供GPS功能，用于获取设备的经度纬度信息；提供设备产品ID，用于区分多个相同的数据捕获模块。

TRACE模块，通过串口建立与空口硬件捕获设备的连接，读取串口数据，将串口数据发送到流式处理模块的接口或创建文件保存到本地磁盘中。

所述流式处理模块包括：与数据捕获模块关联的接口，用于建立数据传输的通道；并将通道中的数据发送到服务器的固定端口上。

其中，服务器包括：基于LINUX操作系统的虚拟机，虚拟机中搭建的数据处理服务器。数据处理服务器主要负责建立与MYSQL数据库的连接。

可选的，所述报文数据统计模块包括：

协议解析：针对流式处理模块数据传输通道中的数据，按照宽带微功率无线通信协议对每条数据进行逐字节解析；其中，提取报文字段包括：关联确认报文、发现列表报文、抄表业务报文、节点TEI、网络层级、数据包大小、物理层调制速率。

数据存储：将提取处的报文字段存入MYSQL数据库中的表中；表中的每一字段包含数据到来的时间戳信息，精确到毫秒。

可选的，协议解析模块中，对数据进行逐字节解析包括：MPDU帧控制域解析，MAC帧头解析，网络管理消息报文解析，应用层报文解析以及电表协议解析；

其中，MPDU帧控制域解析时，需要根据定界符类型来解析不同帧的可变区域，包括信标帧、SOF帧、选择确认帧和网间协调帧；MAC帧头解析时，需要保存MSDU类型信息，下一步需要进行应用层报文解析；网络管理消息报文解析时，需要判断管理消息类型，然后按照相应报文格式进行解析，宽带微功率无线通信协议定义了19种报文格式；应用层表文解析用于完成抄表内容的解析，分为抄表上行报文解析和抄表下行报文解析；电表协议解析时，需要按照645电表协议和698电表协议格式进行解析。

所述网络性能分析模块包括：

统计入网节点数：根据数据表中每一条数据中所包含的原始源节点(TEI)、原始目的节点(DTEI)和网络层级字段，提取节点个数以及网络层级数；

计算节点吞吐率：根据报文中每一条帧的报文字节大小、物理块个数与数据前后数据时间变化，计算出原始源节点的吞吐率；节点吞吐率，反应了时间段内的网络拥塞状况。

其中，吞吐率计算公式为：网络节点吞吐率＝(时间段内的报文字节数+时间段内的报文物理块个数)/时间间隔。

计算抄表成功率：根据抄表业务报文的上行、下行报文个数，以及时间段内的所有抄表业务报文进行计算；对于抄表成功率，若节点的其他子节点与本节点间的上下行报文完整，则表示抄表成功；若缺失上行或下行报文，则表示抄表失败；通过抄表结果，可以推断网络异常的节点，进行网络故障定位；

计算报文时间差：根据表中每条数据的时间戳信息和用户选定的时间段，划分时间段并计算每条数据间的时间差，时间单位和时间误差，精确到毫秒。

所述网络性能展示模块包括：

绘制网络拓扑图，包括：单节点入网拓扑绘制，多节点同时入网拓扑绘制，以及节点代理变更拓扑绘制；其中，单节点入网拓扑绘制是判断报文是关联确认报文后进行的；多节点同时入网拓扑绘制是判断报文是关联汇总指示报文后进行的；节点代理变更拓扑绘制是判断报文是代理变更确认报文后进行的；

抄表业务情况图，包括：矢量图和饼状图；其中，矢量图包括所选取时间段内的抄表上行报文数，可以直观体现出抄表情况；饼状图显示抄表成功和失败的百分比；

节点间数据流量折线图：横轴显示时间戳信息，数值精确到毫秒；纵轴表示调制速率或吞吐率；该图可以动态展示时间段内的节点吞吐率变化情况以及调制速率变化情况。

2、一种宽带微功率网络性能在线分析方法，具体包括以下步骤：

S1：硬件捕获设备启动，读取串口的数据报文：

S2：初始化服务器上的流式处理模块；将报文数据拷贝为2份；一份压缩，存成文件并上传至服务器上的固定路径下，用于保存历史数据；另一份发送到已经建立连接的数据统计模块接口中；

S3：数据统计模块进行数据解析，将数据存储到MYSQL数据库的表中；

S4：初始化网络性能分析模块，从MYSQL数据库表中获取字段进行网络性能指标计算；

S5：网络性能分析模块将分析结果发送到网络性能展示模块；

S6：网络性能展示模块根据交互式页面，根据用户需求将时间段内的网络性能展示在图表框架中。其中，交互式页面是指最终以网页前端页面图形的形式，由用户点击访问。用户可选择随机时间段并观察时间段内的网络变化情况。

本发明的有益效果在于：本发明根据目前宽带微功率自组网的特点以及组网和网络维护的流程，提出一个适用于对大量捕获数据进行跟踪，分析的系统与方法。解决了人工解析数据速度慢、实时性差、准确性低、成本高等缺点，解决现实项目中依赖抄表对组网维护的现状，使网络检测更加高效。并且能够根据用户需求，实现同时反映异地多现场的网络情况，通过对宽带微功率组网流程的协议报文数据进行统计分析，快速定位未入网节点情况，彻底脱离依赖人工现场监控的现状。为将来宽带微功率网络更加稳定地发展提供保障。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作详细描述，其中：

图1为宽带微功率网络结构示意图；

图2为本发明网络性能在线分析系统结构示意图；

图3为本发明网络协议解析的流程图；

图4为本发明网络性能分析模块结构示意图；

图5为本发明网络性能展示模块结构示意图；

图6为本发明实施网络性能在线分析方法流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1～图6，图1为本实施例的宽带微功率网络结构图。本发明网络分析系统结构如图2所示，该系统包括：数据捕获模块，将空口网络协议报文通过硬件设备串口发送到流式处理模块，并配置相关串口命令。串口命令，为了能更好应对不同情况下对空口报文数据处理的要求设计的。

流式处理模块，与数据捕获模块建立连接，用于提供数据报文的传输通道。为了应对网络状况可能出现的突发情况，设计了针对数据通道断开的断线重连机制。保证一旦网络状态断开，立即进行重连。从而保证所述流式传输稳定性和安全性。

报文数据统计模块，根据与流式处理模块通道中的数据，按照宽带微功率按照645电表协议和698电表协议格式对每条数据进行逐字节解析。

宽带微功率无线通信协议解析流程如图3所示，首先解析报文时间戳，时间戳信息记录了报文的时间，并可作为计算时间间隔的依据。进行帧控制校验，确保该报文在解析之前是符合宽带微功率协议。若校验结果不满足要求，直接结束该报文的解析，跳到下一报文。解析调制速率，解析MPDU类型，判断是否为SOF帧。在解析的过程中需要保存源TEI、目的TEI等信息，用以指示数据包的发送方和接收方。网络消息管理报文根据管理消息类型进行判断，然后完成相应业务报文的解析。并将数据作为特定字段存储于数据库中的表中。

其中业务报文指抄表检测中的抄表报文。在组网完成后，对当前网络进行点对点的抄表任务。CCO发出下行抄表报文，代理节点接收下行抄表报文并转发至下层结点。下层结点回复上行抄表报文，代理节点接收下层结点回复的上行报文并转发至CCO。

网络性能分析模块，根据数据库中的参数表，统计入网节点个数，计算网络性能指标，如图4所示。数据库指配置于云服务器上MYSQL数据库。

网络性能展示模块，绘制网络拓扑图，并将网络性能性能指标通过图表呈现，如图5所示。抄表汇总图，用两种颜色的矢量先进行区分抄表上行报文和下行报文。直观观察到是否有抄表报文缺失。抄表成功率的饼图参数是抄表成功百分比。抄表成功百分比计算公式：抄表成功率＝抄表成功的保温数量/总共抄表报文数量。网络层级拓扑图，展现时间段内的网络层级情况，并且可以根据用户点击的时间变化，对时间段内的网络变化进行动态展现。并根据用户点击，体现某一节点在时间段内的调制速率变化情况以及节点吞吐率变化情况。

作为一种可选的实施例，需要说明的是，本发明技术所述数据捕获模块，可以根据实际情况选用设备。例如：选用LINUX操作系统的嵌入式开发板，开发板能够连接网络。可以采用无线通信模组(例如移远平台的EC20系列的无线通信模组)。使流式处理模块运行在该开发板上。需要说明的是，本发明所涉及的虚拟机平台，可以根据实际情况进行更改。可以选用(UBUNTU 18.04虚拟机)。虚拟机上配置MYSQL数据库，报文统计模块、网络性能分析模块、网络性能展示模块均运行在所选用的虚拟机平台上。

如图6所示，上述系统的宽带微功率网络性能在线分析方法具体包括以下步骤：

(1)硬件捕获设备启动。

(2)读取串口的数据报文。

(3)数据拷贝。将报文数据拷贝为2份。一份压缩，存成文件并上传至服务器上的固定路径下，用于保存历史数据；另一份发送到已经建立连接的数据统计模块接口中。

(4)数据处理。将数据历史数据压缩成文件，上传至服务器。将流式数据发送到数据解析模块中去。

(5)数据校验。对数据解析模块中的每条数据报文，进行帧一致性校验，丢弃不满足协议标准的异常、错误报文，从而保证报文数据可信度。

(6)报文解析。对数据进行逐字节解析的过程包括：MPDU帧控制域解析、MAC帧头解析、网络管理消息报文解析、应用层报文解析以及电表协议解析。

(7)字段存储。将解析后的网络字段信息存入中的表。

(8)网络指标计算。从MYSQL数据库表中获取字段进行网络性能指标计算。

(9)绘制图表。网络性能分析模块将分析结果发送到网络性能展示模块，按照图形框架要求绘制性能参数图。

本发明实现了对宽带微功率网络性能在线分析系统与方法，系统集硬件开发板与软件一体。保存数据的理论大小上与云服务器磁盘容量一致。本发明实现了对宽带微功率在线解析，平均解析一条数据包耗时不超过0.04毫秒，解决了人工解析数据速度慢、实时性差、准确性低、成本高等缺点。同时提供了对报文数据的历史保存功能，帮助后续开发人员对历史数据进行跟踪，分析组网以及网络维护时出现的问题。本发明实现了对宽带微功率无线通信网络的实时监测功能，可以有效替代人工随时用于监测网络信息，只需登录网页就可以观察部署在异地的宽带微功率网络实时变化情况。本发明实现了对宽带微功率网络性能评估，根据网络性能指标实现动态、精确地还原该时间段内的网络变化情况，节点吞吐率计算以及变化情况，清楚统计抄表情况以及抄表成功率，提供了适用于宽带微功率网络的拥塞控制和故障诊断的依据。本发明实现了用户和相关开发人员能够根据自身不同需求对宽带微功率无线通信网络有用性能指标进行选择获取，分析，实现拖离组网现场并可以对部署在多地的不同宽带微功率网络进行动态调整与监控。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种宽带微功率网络性能在线分析系统，其特征在于，该系统包括：

数据捕获模块，捕获网络节点发出的数据报文，并将报文发送到流式处理模块，为流式处理模块提供访问硬件的接口；

流式处理模块，与所述数据捕获模块建立连接，用于提供数据报文的传输通道；

报文数据统计模块，根据所述流式处理模块通道中的数据，按照宽带微功率无线通信协议对每条数据进行逐字节解析；

网络性能分析模块，根据数据库中的参数表，统计入网节点个数，计算网络性能指标；

网络性能展示模块，绘制网络拓扑图，并将网络性能性能指标通过图表呈现。

2.根据权利要求1所述的宽带微功率网络性能在线分析系统，其特征在于，所述数据捕获模块包括：

无线通信模组，提供拨号上网的功能，为数据传输提供网络；提供GPS功能，用于获取设备的经度纬度信息；提供设备产品ID，用于区分多个相同的数据捕获模块；

TRACE模块，通过串口建立与空口硬件捕获设备的连接，读取串口数据，将串口数据发送到流式处理模块的接口或创建文件保存到本地磁盘中。

3.根据权利要求1所述的宽带微功率网络性能在线分析系统，其特征在于，所述报文数据统计模块包括：

协议解析：针对流式处理模块数据传输通道中的数据，按照宽带微功率无线通信协议对每条数据进行逐字节解析；

数据存储：将提取处的报文字段存入MYSQL数据库中的表中；表中的每一字段包含数据到来的时间戳信息，精确到毫秒。

4.根据权利要求3所述的宽带微功率网络性能在线分析系统，其特征在于，协议解析模块中，对数据进行逐字节解析包括：MPDU帧控制域解析，MAC帧头解析，网络管理消息报文解析，应用层报文解析以及电表协议解析；

其中，MPDU帧控制域解析时，根据定界符类型来解析不同帧的可变区域，包括信标帧、SOF帧、选择确认帧和网间协调帧；MAC帧头解析时，保存MSDU类型信息，下一步需要进行应用层报文解析；网络管理消息报文解析时，判断管理消息类型，然后按照相应报文格式进行解析；应用层表文解析用于完成抄表内容的解析，分为抄表上行报文解析和抄表下行报文解析；电表协议解析时，按照645电表协议和698电表协议格式进行解析。

5.根据权利要求1所述的宽带微功率网络性能在线分析系统，其特征在于，所述网络性能分析模块包括：

统计入网节点数：根据数据表中每一条数据中所包含的原始源节点、原始目的节点和网络层级字段，提取节点个数以及网络层级数；

计算节点吞吐率：根据报文中每一条帧的报文字节大小、物理块个数与数据前后数据时间变化，计算出节点的吞吐率；

计算抄表成功率：根据抄表业务报文的上行、下行报文个数，以及时间段内的所有抄表业务报文进行计算；若节点的其他子节点与本节点间的上下行报文完整，则表示抄表成功；若缺失上行或下行报文，则表示抄表失败；通过抄表结果，推断网络异常的节点，进行网络故障定位；

计算报文时间差：根据表中每条数据的时间戳信息和用户选定的时间段，划分时间段并计算每条数据间的时间差，时间单位和时间误差。

6.根据权利要求5所述的宽带微功率网络性能在线分析系统，其特征在于，吞吐率计算公式为：

网络节点吞吐率＝(时间段内的报文字节数+时间段内的报文物理块个数)/时间间隔。

7.根据权利要求1所述的宽带微功率网络性能在线分析系统，其特征在于，所述网络性能展示模块包括：

绘制网络拓扑图，包括：单节点入网拓扑绘制，多节点同时入网拓扑绘制，以及节点代理变更拓扑绘制；其中，单节点入网拓扑绘制是判断报文是关联确认报文后进行的；多节点同时入网拓扑绘制是判断报文是关联汇总指示报文后进行的；节点代理变更拓扑绘制是判断报文是代理变更确认报文后进行的；

抄表业务情况图，包括：矢量图和饼状图；其中，矢量图包括所选取时间段内的抄表上行报文数，直观体现出抄表情况；饼状图显示抄表成功和失败的百分比；

节点间数据流量折线图：横轴显示时间戳信息；纵轴表示调制速率或吞吐率；动态展示时间段内的节点吞吐率变化情况以及调制速率变化情况。

8.根据权利要求1～7中任意一项所述的宽带微功率网络性能在线分析系统，其特征在于，该系统的在线分析方法具体包括以下步骤：

S1：硬件捕获设备启动，读取串口的数据报文：

S2：初始化服务器上的流式处理模块；将报文数据拷贝为2份；一份压缩，存成文件并上传至服务器上的固定路径下，用于保存历史数据；另一份发送到已经建立连接的数据统计模块接口中；

S3：数据统计模块进行数据解析，将数据存储到MYSQL数据库的表中；

S4：初始化网络性能分析模块，从MYSQL数据库表中获取字段进行网络性能指标计算；

S5：网络性能分析模块将分析结果发送到网络性能展示模块；

S6：网络性能展示模块根据交互式页面，根据用户需求将时间段内的网络性能展示在图表框架中。

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