无线自组织网络性能评估方法及装置与流程

1.本发明属于网络测试技术领域，特别涉及一种无线自组织网络性能评估方法及装置。


背景技术：

2.无线自组织网络的性能评估是改进自组织网络传输性能和路由算法的重要手段，由于无线自组织网络由于无线信道和路由协议的复杂性，当前的无线自组织网络性能评估的主要方法是采用信道模拟器和射频切换矩阵、可控衰减器等组合的方式。通过信道模拟器模拟典型的信道传播特性，对自组织网络的点对点无线传输性能进行测试，通过模拟射频矩阵和可控衰减器来控制自组织网络的拓扑变化，构建评估自组织网络的路由协议性能的底层网络。通过对自组织网络节点注入业务驱动流量，记录业务传输的丢包、抖动、延时等特性，评估计算网络的总体性能。
3.当前的解决方案将链路性能与组网性能进行分开评估，射频交换矩阵通过射频切换开关模拟网络链路通断，无法真实反映复杂条件下动态网络拓扑对传输链路的影响。同时，将传输链路变化对网络拓扑的影响简单建模为链路通断和可控衰减，可控衰减器只能模拟接收信号的大小，无法模拟无线自组织网络内部通信冲突造成的通信失败，无法真实反映无线自组织网络的实际信道情况，也无法真实反映网络拓扑与链路传播之间的动态联系，当前的评估手段无法准确的评估自组织网络的动态性能。


技术实现要素：

4.针对目前现在技术存在的问题，本发明旨在提出一种无线自组织网络性能评估方法及装置。
5.为实现上述技术目的，本发明提出的技术方案为：
6.一方面，本发明提供一种无线自组织网络性能评估方法，包括：
7.根据待测无线自组织网络需要测试的网络网路性能，设置并更新仿真场景；
8.根据当前仿真场景生成业务激励数据和射频环境激励数据；
9.构建并行的多通道电波传输模拟通道，模拟待测无线自组织网络各节点间的通信链路以及无线自组织网络的网络拓扑结构；
10.射频环境激励数据在时间的驱动下，实时更新待测无线自组织网络各节点间的电波传输模拟通道中的信道模拟参数，模拟待测无线自组织网络的动态特性；
11.业务激励数据在时间的驱动下，实时给待测无线自组织网络中的相应节点加载指定的业务，产生标准的ip流量和udp流量，并注入到待测无线自组织网络各节点间的电波传输模拟通道中，通过电波传输模拟通道进行传输；
12.记录业务所产生的流量在待测无线自组织网络各节点间的电波传输模拟通道传输过程中所产生的统计数据；
13.根据所述统计数据对待测无线自组织网络的性能进行评估，输出性能评估结果。
14.另一方面，本发明提供一种无线自组织网络性能评估装置，包括：
15.场景生成与管理模块，根据待测无线自组织网络需要测试的网络网路性能，设置并更新仿真场景，并根据当前的仿真场景生成业务激励数据和射频环境激励数据；
16.大规模并行信道模拟模块，构建并行的多通道电波传输模拟通道，模拟待测无线自组织网络各节点间的通信链路以及无线自组织网络的全连接拓扑结构，同时接收射频环境激励数据，射频环境激励数据在时间的驱动下，实时更新无线自组织网络各节点间的电波传输模拟通道中的信道模拟参数，模拟无线自组织网络的动态特性；
17.业务发生模块，接收业务激励数据，业务激励数据在时间的驱动下，实时给待测无线自组织网络中的相应节点加载指定的业务，产生标准的ip流量和udp流量，并注入到待测无线自组织网络各节点间的电波传输模拟通道中，通过电波传输模拟通道进行传输；
18.日志模块，记录业务所产生的流量在待测无线自组织网络各节点间的电波传输模拟通道传输过程中所产生的统计数据；
19.性能评估模块，根据所述统计数据对待测自组织网络的性能进行评估，输出性能评估结果。
20.与现有技术相比，本发明的优点在于：
21.本发明中实现了自组织网络性能测试的动态业务加载，具体地以时间驱动，给自组织网络的各个节点动态注入业务流量，能更好的反映网络实际应用条件下的性能。
22.本发明中实现了并行无线信道模拟，通过数字化基带方式对电波传输进行模拟，通过电波传输模拟造成的通信链路变化来驱动网络拓扑变化，模拟的精确度大大超过传统的射频交换矩阵和可变衰减器。
23.本发明中实现了实时传输模型更新机制，通过预先离线计算，实时动态加载的方式，可以实时的更新无线信道传输模型，业务模型，解决实时计算量太大无法实现的问题，同时使信道模拟模块能更真实的模拟自组织网络的动态特性，可以测试评估网络的动态性能。
24.本发明使得自组网的测试可以采用数字化方式进行规模测试，相较传统射频交换矩阵和可变衰减器性能评估装置，精确度大大增加。
附图说明
25.图1是本发明一实施例的结构示意图；
26.图2是本发明一实施例中大规模并行信道模拟模块的结构示意图；
27.图3是本发明一实施例的工作流程图；
28.图4是本发明一实施例中的驱动运行原理图；
29.图5是本发明一实施例中的性能评估流程图。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
31.本发明一实施例中，提供一种无线自组织网络性能评估装置，通过动态业务加载、并行无线信道模拟，实时传播模型更新机制，评估自组织网络的动态网络性能。具体地，包括：
32.场景生成与管理模块，根据无线自组织网络需要测试的网络网路性能，设置并更新仿真场景，并根据当前的仿真场景生成业务激励数据和射频环境激励数据。
33.大规模并行信道模拟模块，构建并行的多通道电波传输模拟通道，模拟无线自组织网络各节点间的通信链路以及无线自组织网络的全连接拓扑结构，同时接收射频环境激励数据，射频环境激励数据在时间的驱动下，实时更新无线自组织网络各节点间的电波传输模拟通道中的信道模拟参数，模拟无线自组织网络的动态特性；
34.业务发生模块，接收业务激励数据，业务激励数据在时间的驱动下，实时给待测无线自组织网络中的相应节点加载指定的业务，产生标准的ip流量和udp流量，并注入到无线自组织网络各节点间的电波传输模拟通道中，通过电波传输模拟通道进行传输；
35.日志模块，记录业务所产生的流量在无线自组织网络各节点间的电波传输模拟通道传输过程中所产生的统计数据；
36.性能评估模块，根据所述统计数据对自组织网络的性能进行评估，输出性能评估结果。
37.进一步，在本发明另一实施例中，参照图1，提供一种无线自组织网络性能评估装置，包括场景生成与管理模块、大规模并行信道模拟模块、业务发生模块、日志模块、性能评估模块之外，还包括信号发生模块。场景生成与管理模块、大规模并行信道模拟模块、业务发生模块、日志模块、性能评估模块在前述实施例中已描述，在此不再赘述。所述信号发生模块实质上是干扰信号发生模块，所述干扰信号发生模块用来模拟待测无线自组织网络中的干扰源，产生干扰射频信号，干扰信号发生模块和待测无线自组网中的通信节点一样，发送无线射频信号，只是干扰信号发生模块发送的无线射频信号是无线干扰射频信号，大规模并行信道模拟模块中的电波传输模拟通道对干扰信号发生模块发送的无线干扰射频信号和待测无线自组织网络的通信节点发射的无线射频信号进行电波传输模拟。
38.进一步地，在本发明一实施例中，干扰信号发生模块其在场景生成与管理模块的控制下，产生当前仿真场景中设定的通用的标准无线干扰射频信号，包括干扰信号、wifi或移动通信信号；干扰信号发生模块通过射频接口与大规模并行无线信道模拟模块进行连接。
39.可以理解，本发明一实施例中将场景生成与管理模块所设置的仿真场景分为业务场景和射频环境场景，业务场景和射频环境场景均又分别通过静态参数和动态参数进行描述。静态参数和动态参数分别描述对应场景中不随时间变化的参数和随时间变化的参数。
40.其中，业务场景描述无线自组织网络各节点间的业务通信，根据待测自组织网络性能评估的目标，生成相应的生成业务激励数据，用以驱动业务发生模块。射频环境场景包括待测自组织网络所处环境的3d模型以及电波传输特性，用以驱动大规模并行信道仿真模块和模拟无线电干扰的各类典型的干扰信号发生模块。
41.动态参数包括用来描述无线自组织网络各节点随时间变化的信息参数(包括节点位置参数、运动速度、姿态参数等信息)，用以描述无线自组织网络的射频传输动态特性。
42.场景生成与管理模块根据待测自组织网络性能评估的目标，设计-仿真的基本参
数，包括场景的静态参数、动态参数，并根据性能评估的目标确定待测试的性能评估数据以及采用的效能评估策略。场景的静态参数包括无线自组织网络节点的特性参数，如初始发射功率，天线模型等，自组织网络节点数目，仿真的地理环境参数，电磁频谱背景等。场景的动态参数包括无线自组织网络节点规划的运动轨迹或者运动模型，地理环境的时变参数等，业务的动态加载参数，网络参数更新频率等。
43.本发明中大规模并行无线信道模拟模块可以构建并行的多通道电波传输模拟通道，每个电波传输模拟通道的模拟精度可以根据仿真场景进行设置。同时大规模并行无线信道模拟模块可以通过实时更新信道模拟参数来模拟无线自组织网络的动态特性。大规模并行无线信道模拟模块可以设置的信道模拟参数包括仿真的带宽、采样速率、中心频率、天线特性等。
44.本发明中业务发生模块通过标准的ip业务驱动接口与待测的无线自组网通信终端的业务输入端口连接，干扰信号发生模块通过标准的射频接口与大规模并行无线信道模拟模块进行连接，能够更好的实现干扰信号与被测自组织网络进行交互。
45.本发明中的测试场景可重复，可以对被测网络的改进进行定量评估。其中测试场景包括待测无线自组织网络、业务场景(模型)和射频环境场景(模型)。
46.参照图2，大规模并行无线信道模拟模块中的电波传输模拟通道采用软件无线电技术，通过将干扰信号发生模块发送的无线干扰射频信号和待测无线自组织网络的通信节点发射的无线射频信号数字化后并进行数字下变频处理，在数字基带上进行无线信道传输模拟，将不同频率的无线射频信号处理与电波信道传输模型解耦，待测无线自组织网络的通信节点发射的无线射频信号通过标准的射频信道接入待测无线自组织网络，通过归一化的电波信道传输模型模拟待测无线自组织网络通信节点间的无线射频信号传输。
47.数字基带信道模拟采用数字滤波方式实现，采用fir滤波器对电波传输模拟通道中的冲激响应进行建模，通过实时改变fir滤波器的抽头系数，模拟电波传输模拟通道中的时变特性。
48.大规模并行无线信道模拟模块中数字基带信道的通道之间构成一个全连接的网络，用以模拟无线自组织网络的全连接拓扑网络结构。
49.本发明中业务发生模块同时测量通过自组织网络传输后的吞吐量、延迟、抖动和丢失等统计数据。
50.日志模块对业务产生的流量通过自组织网络传输的性能进行记录，记录所有业务通信流量的统计数据，包括业务加载的时间，传输时延，丢包，抖动，延时等，通过日志模块可以计算出自组织网络的吞吐率，平均时延等统计数据。
51.性能评估模块，通过统计数据评估无线自组织网络在业务激励数据和射频环境激励数据驱动下的动态性能，根据效能评估的准则，对不同的类型统计数据进行加权计算，实现对无线自组织网络在对应动态条件下的效能进行评估，其中所述统计数据包括吞吐率、时延、抖动、丢包、网路收敛速度、支持的网络节点数。
52.在本发明另一实施例中，提供一种无线自组织网络性能评估方法，包括：
53.(一)场景设计
54.根据待测无线自组织网络需要测试的网络网路性能，设置并更新仿真场景；
55.(二)场景生成
56.根据当前仿真场景生成业务激励数据和射频环境激励数据；
57.构建并行的多通道电波传输模拟通道，模拟待测无线自组织网络各节点间的通信链路以及无线自组织网络的网络拓扑结构；
58.(三)场景运行
59.射频环境激励数据在时间的驱动下，实时更新待测无线自组织网络各节点间的电波传输模拟通道中的信道模拟参数，模拟待测无线自组织网络的动态特性；
60.业务激励数据在时间的驱动下，实时给待测无线自组织网络中的相应节点加载指定的业务，产生标准的ip流量和udp流量，并注入到待测无线自组织网络各节点间的电波传输模拟通道中，通过电波传输模拟通道进行传输；
61.(四)分析评估
62.记录业务所产生的流量在待测无线自组织网络各节点间的电波传输模拟通道传输过程中所产生的统计数据；
63.根据所述统计数据对待测无线自组织网络的性能进行评估，输出性能评估结果。
64.在场景生成过程中：业务激励数据实时生成存在较大的计算量，实时生成需要大量的计算资源，通过将需要的业务激励输入文件在激励参数(激励参数是指射频环境场景中的描述参数，包括静态参数和动态参数。)的驱动下预先计算并存储的方式，将性能评估的实时计算量变换为离线的平行计算，计算结果存储为特定业务对应的业务激励数据生成所需的输入文件，在仿真运行时直接调用该业务激励数据生成所需的输入文件的方式，生成相应的业务激励数据即可，这样可以降低性能评估时的计算需求，同时生成的特定业务对应的业务激励数据生成所需的输入文件可以重复利用，或者形成基准的激励输入文件，调用该文件即可生成对应业务的业务激励数据。
65.射频环境激励数据是无线自组织网络性能评估的核心数据，需要根据无线自组织网络节点的运动轨迹、工作频段、3维地理数据、天气参数、干扰源等参数，生成待测无线自组织网络中通信节点间的电波信道传输模型，并将该电波信道传输模型的信道模型参数提供给大规模并行无线信道模拟器。电波信道传输模型的信道模型参数随时间和无线自组织网络终端状态(位置、速度、姿态变化)变化，并按照时间分辨率的要求周期性更新，形成射频环境激励数据，实时模拟无线自组织网络中通信节点发射的无线射频信号在信道传输过程中的特征数据，所述特征数据包括多径衰落、多普勒时延等特征，从而对待测自组织网络中通信节点间的通信链路施加影响，影响待测无线自组织网络节点间通信链路的误码率，当误码率升高到一定程度时，通信节点间无线通信链路也会断开，从而会造成网络拓扑结构的变化。这样可以用于对无线自组织网络的路由算法进行评估。
66.参照图3，在场景运行过程中：在时间的驱动下，业务激励数据实时向待测的无线自组织网络注入业务压力，同时根据当前的仿真场景改变待测无线自组织网络的射频环境激励数据，模拟无线自组织网络的实际运行情况，业务激励数据所产生的流量经过待测试无线自组织网络后，产生业务响应。
67.射频环境激励数据在时间的驱动下，实时更新无线自组织网络各节点间的电波传输模拟通道中的信道模拟参数，模拟无线自组织网络的动态特性。
68.无线自组织网络中无线信道传输的动态特性的模拟，通过对信道的冲激响应进行建模实现。无线自组织网络中通信终端发送的信号为x(t)，经过无线自组织网络中无线信
道传输后到达接收方的信号为y(t)，则接收信号为发送信号与信道冲激响应h(t)的卷积：
69.y(t)＝h(t)*x(t)
70.在数字系统中进行离散采样后，可以表示为：
71.y(n)＝h(n)*x(n)
72.信道的冲激响应可以用一定长度的fir滤波器进行近似，收发双方的信道特性随着绝对位置，相对位置的变化而变化，是时间的函数，因此需要实时的更新。
73.y(n)＝hk(n)*x(n)
74.其中hk(n)为k时刻信道的冲激响应，该冲激响应数据是在仿真场景生成过程中利用电波传输软件进行数值计算或者通过实际测试获得。
75.本领域技术人员可以理解，分析评估是对仿真场景运行过程中产生的统计数据进行分析，根据效能评估策略的需求，对吞吐率、时延、抖动、丢包、网路收敛速度、支持的网络节点数等进行加权分析，根据不同的应用场景进行效能评估。本领域技术人员可以根据自身掌握的现有技术、方法，基于从场景运行过程中获得的原始统计数据，对自组织网络的性能进行评估，输出性能评估结果。
76.参照图4，给出了本发明一优选实施例中的分析评估流程，应用场景是分析评估的基础，应用场景决定了效能评估策略，决定了对哪些性能指标进行评估以及每个性能指标的权重。
77.根据效能评估策略从场景运行过程中获得的原始统计数据中抽取计算相应的性能指标，将性能指标值及对应的指标权重输入评估模块。
78.评估模块利用标准的评估算法对自组织网络的性能进行评估，输出性能评估结果。
79.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
80.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。