CN111656736B

CN111656736B - 用于检测隐藏节点的方法和装置

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Publication number: CN111656736B
Application number: CN201880087499.0A
Authority: CN
Inventors: E·佩伦达; H·加卡宁
Original assignee: Nokia Shanghai Bell Co Ltd; Nokia Solutions and Networks Oy
Current assignee: Nokia Shanghai Bell Co Ltd; Nokia Solutions and Networks Oy
Priority date: 2018-02-13
Filing date: 2018-02-13
Publication date: 2022-03-22
Anticipated expiration: 2038-02-13
Also published as: WO2019157627A1; CN111656736A

Abstract

根据实施例，公开了一种用于在具有多个活动节点(100‑102)的无线网状网络(130)WMN中检测隐藏节点(100)的联网设备(121)，该联网设备(121)包括处理单元(120)，该处理单元(120)被配置为针对活动节点(100‑102)中的在相同信道中操作的第一活动节点(101)和第二活动节点(102)收集操作参数，并且基于操作参数计算针对第一活动节点(101)和第二活动节点(102)的相应信道利用率性能指示符，并且计算相应信道利用率性能指示符之间的差异，并且当该差异超过第一预定义阈值时，将隐藏节点(100)检测为在相同信道上操作并且对第一活动节点(101)或第二活动节点(102)(101)隐藏的第三活动节点。

Description

用于检测隐藏节点的方法和装置

技术领域

本发明总体上涉及在无线网状网络中检测隐藏节点的领域。

背景技术

无线网状网络WMN是包括以网状拓扑组织的多个节点的通信网络。这些节点中的每个与WMN中的其他节点和/或相关联的设备无线地交换数据。由于WMN的部署快速且简便，因此它们被广泛地安装在私人和公共环境中，诸如住宅区、企业和办公室，特别是在电缆不可用或不期望的情况下。但是，当扩展WMN时，其中的每个其他节点都会降低最终用户的吞吐量。为了减轻这个问题，可以为节点配备多个无线电，并且然后可以将不同的信道分配给不同的节点。然而，在不受管理的环境中，例如在公寓大楼中，甚至在包括不同公司的办公室中，不同竞争节点共享信道，从而导致WMN中存在隐藏节点问题。这样的隐藏节点问题对最终用户的体验质量有非常严重的影响。

当第一节点在第二节点的传输范围之内但在第三节点的传输范围之外时，会发生隐藏节点问题。然后，关于第三节点隐藏第一节点，反之亦然。第一节点和第三节点都可以主动地向第二节点传输数据，因为它们不能感测到在其中传输数据的介质正忙。结果，可能在第二节点处发生数据分组的冲突，从而导致误码率很高。因此，重要的是要检测WMN中的隐藏节点以避免这种高误码率。

一种检测隐藏节点的方法是通过例如由Fatima M.等人在发表在英国伦敦2011年WCE 2011年第二届世界工程大会上的无线Ad Hoc网络中的隐藏节点的检测技术中所述的所谓的主动隐藏节点检测机制来在网络中进行主动探测。借助于这种机制，如果某个节点想要在网络中检测潜在的隐藏节点，它向其所有一跳相邻节点发送检测请求。接下来，接收到请求的这些一跳相邻节点在检测请求中指定的时间间隔内开始向邻居发送单播探测分组序列。然后，检测节点测量其邻居的业务，并且基于所接收的分组，建立隐藏节点的完整列表。

还可以通过请求发送/清除发送机制以被动方式检测隐藏节点。这些都是基于嗅探或侦听介质上的所有数据传输并且检测数据流中的丢失的数据分组。

在US20140036709A1中公开了另一种技术，其中基于对从多个节点接收的报告的分析来检测隐藏节点。如果观察到一个节点处的传输没有被另一节点观察到，则检测到隐藏节点。

文献US20170026819A1公开了一种用于带外隐藏节点检测的方法。该方法包括传输带外信号并且考虑节点和相关联的设备两者。节点或相关联的设备传输第一带外信号，并且基于从相邻设备对第二带外信号的接收来更新相邻设备的第一列表。节点然后可以从其相关联的设备接收相邻设备的第二列表。通过比较第一列表和第二列表，节点可以检测到隐藏节点，并且从而在传输数据分组之前改变操作模式。

发明内容

然而，上述用于检测隐藏节点的方法是在网络中引入诸如检测请求等附加信号，或者追溯地检测隐藏节点。前一种方法影响网络操作，从而中断用户服务，而后一种方法仅在之后才检测隐藏节点，因此检测可能已经过时。

因此，目的是公开一种用于在不中断用户服务的情况下检测WMN中的隐藏节点并且同时避免检测已经过时的风险的设备和***。

在第一方面，该目的通过一种用于在具有多个活动节点的WMN中检测隐藏节点的联网设备来实现，该联网设备包括处理单元，该处理单元被配置为：

-针对活动节点中的在相同信道中操作的第一活动节点和第二活动节点收集操作参数；以及

-基于操作参数计算针对第一活动节点和第二活动节点的相应信道利用率性能指示符；以及

-计算相应信道利用率性能指示符之间的差异；以及

-当该差异超过第一预定义阈值时，将隐藏节点检测为在相同信道上操作并且对第一活动节点或第二活动节点隐藏的第三活动节点。

首先，处理单元收集WMN中的活动节点的操作参数。这些操作参数是联网设备可用的参数，即不干扰WMN操作的参数。因此，没有请求被发送到节点，节点的配置也没有任何改变，例如，将它们切换到扫描模式。此外，由于目的是检测WMN中的隐藏节点，因此收集以一对节点为目标，即，在相同信道中操作的第一活动节点和第二活动节点。

这些操作参数例如是信道利用率参数、活动因子、噪声水平、接收信号强度指示符RSSI水平、误码率和/或重传率。

第二，处理单元针对第一节点和第二节点两者计算相应信道利用率性能参数。因此，将所收集的操作参数转换为性能参数，该性能参数针对每个节点来表达其关于其用于发送和接收分组的信道的性能。

第三，联网设备的处理单元计算第一节点和第二节点的信道利用率性能指示符之间的差异。随后，在第四步骤中，检查该差异以便检测隐藏节点。

当该差异超过第一预定义阈值时，处理单元将隐藏节点检测为与第一节点和第二节点在相同信道上操作的第三活动节点。然后使检测到的节点对于第一活动节点或第二活动节点隐藏。

相对于现有技术，已经确定了若干优点。首先，在检测中仅考虑活动节点。由于非活动的隐藏节点(尽管它们是被隐藏的)不会影响用户性能，所以将它们考虑在内是多余的。第二，通过专注于一对节点，在这些节点的位置处描述WMN，这样就不必考虑整个WMN。这降低了后续计算的复杂性。第三，由于使用操作参数来执行计算和相关联的检测，因此WMN不会受到影响并且WMN在收集参数时描述。因此，不需要节点的任何服务中断，也不需要将引起延迟从而减小总网络容量的信道切换。换言之，与现有技术相比，本公开中的检测以零成本来执行。最后，由于仅收集操作参数，因此该联网设备适合于以快速且直接的方式在WMN中实现。

根据实施例，当差异不超过第一预定义阈值时，检查附加条件。在后一种情况下，当相应信道利用率性能指示符相似或不同地表示时，或者当已经计算的差异近似等于零时，处理单元执行另外的计算。因此，该差异例如小于误差容限。然后，处理单元为第一活动节点和/或第二活动节点计算相应误码率性能指示符。后者的计算再次基于所收集的操作参数。

接下来，当相应错误性能指示符之一超过预定义错误阈值时，处理单元同样将第三活动节点检测为隐藏节点。这样，当隐藏节点位于第一节点和第二节点的两侧时，它们就会被检测到。

根据实施例，信道利用率性能指示符指示在预定义时间段期间的信道繁忙时间。

这样，通过仅观察信道繁忙时间来计算信道利用率性能指示符，从而以快速且直接的方式来计算指示符。此外，通过简单地调节预定义时间段，联网设备可以容易地适应高度动态或不动态的WMN。

根据实施例，第一节点和第二节点由联网设备可管理。

这不仅表示以有效的方式收集操作参数，而且还表示例如减少了在收集参数时引入错误的可能性。

根据实施例，联网设备还包括知识库KB，该知识库KB包括信道利用率性能指示符，并且处理单元还被配置为在计算每个活动节点的信道利用率性能指示符之后更新KB。

除了存储信道利用率性能指示符，KB还可以用于描述WMN。有利地，然后可以动态地适配第一预定义阈值以细化检测，其中每对第一节点和第二节点执行该细化。

根据第二方面，本公开涉及一种用于在具有多个活动节点的WMN中检测隐藏节点的方法，该方法包括以下步骤：

-计算相应信道利用率性能指示符之间的差异；以及

根据实施例，该方法还包括以下步骤：当差异不超过第一预定义阈值时，以及当相应信道利用率性能指示符相似时：

-基于第一活动节点和/或第二活动节点的操作参数计算相应误码率性能指示符；以及

-当相应误码率性能指示符之一超过预定义错误阈值时，将第三活动节点检测为隐藏节点。

根据第三方面，本公开涉及一种包括计算机可执行指令的计算机程序产品，所述计算机可执行指令用于当程序在计算机上被运行时执行根据第二方面的方法。

根据第四方面，本公开涉及一种包括根据第三方面的计算机程序产品的计算机可读存储介质。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施例的包括用于检测隐藏节点的联网设备的无线网状网络；以及

图2示出了根据本发明的实施例的由联网设备执行的用于检测隐藏节点的步骤；以及

图3示出了根据本发明的实施例的用于更新包括由联网设备计算的信道利用率性能指示符的知识库的步骤；以及

图4示出了用于执行根据本发明的实施例的步骤的合适的计算***。

具体实施方式

根据实施例，本发明涉及一种用于检测无线网状网络WMN中的隐藏节点的联网设备。图1示出了这样的WMN 130和这样的联网设备121。图2示出了由联网设备121执行的用于检测隐藏节点的步骤。

图1所示的WMN 130包括四个节点100-103，仅其中的三个节点100-102是活动的。每个活动节点在其相应范围内发送和接收数据分组。这由范围110-112示出，每个范围对应于活动节点。特别地，范围110涉及节点100，范围111涉及节点101，范围112涉及102。由于在该示例性图示中节点103不活动，因此没有示出相关范围。

WMN 130内的活动节点100-102都在同一信道上操作。该信道例如在2.4GHz或5GHz频带内。

在图1的表示中，范围以圆圈表示，但是应当清楚，现实情况中的节点的范围可能不同于圆形，并且取决于例如障碍物(诸如节点在其中操作的位置的墙壁和天花板)。

节点100和102在节点101的范围111之内，而节点100在节点102的范围112之外，因此，节点102在节点100的范围110之外。因此，节点102是关于节点100的隐藏节点，而从节点102的角度来说同样的推理适用，即，节点100是关于节点102的隐藏节点。

联网设备121在WMN 130中检测这些隐藏节点100和102。为此，联网设备121包括处理单元120，并且根据实施例，还包括知识库KB 122。

在图1的图示中，节点100-103是可管理节点，即，由联网设备121可管理。这例如由连接123示出，该连接123是联网设备121与联网设备121之间的连接。这样，联网设备121可以从节点收集数据，并且还可以改变节点的设置，例如，操作信道的切换。

替代地，联网设备121可以包括接收单元或无线电接收器，以便从WMN 130中的节点100-102收集数据。

在第一步200中，处理单元120从活动节点100-102收集操作参数。这些操作参数是在不干扰WMN 130的情况下收集的参数。这些参数例如是信道利用率参数、活动因子、噪声水平、接收信号强度指示符RSSI水平、误码率和/或重传率、或者适合于描述活动节点100-102的操作的任何其他参数。由于在不干扰WMN 130的情况下收集200操作参数，因此以零成本收集200操作参数。参数的收集200以预定义时间间隔(例如，每几秒钟)周期性地执行。

在下一步201中，将所收集200的操作参数转换为信道利用率性能指示符。这些信道利用率性能指示符标识网络状态，并且基于这些信道利用率性能指示符来检测隐藏节点。

例如，信道利用率性能指示符基于信道繁忙时间并且被计算为：

其中

是节点x在信道h中操作的信道利用率指示符，其中节点x对应于节点100。因此，当节点y对应于节点101时，节点101的信道利用率指示符对应于

因为它们都在已经突出显示的同一信道h中操作。

对于WMN 130中的每个活动节点100-102，可以计算201信道利用率性能指示符。接下来，用所计算201的信道利用率性能指示符来更新202联网设备121的KB。

接下来，处理单元120验证203两个相邻节点(例如，节点100和101)的信道利用率性能指示符之间的差异是否超过第一预定义阈值u_hn，thr。换言之，因此，如果差异的绝对值超过阈值，则以下条件被验证203：

当差异超过阈值时，检测到隐藏节点，因此在该示例性图示中，检测到关于节点100隐藏的节点102。

通过差异的验证203，并且当差异超过第一预定义阈值时，在节点100或节点101旁边检测到节点。但是，当在相邻节点100和101的两侧隐藏节点都将存在时，一个隐藏节点在节点100的范围110内，但是不在节点101的范围内，而另一隐藏在节点101的范围111内，但是不在节点100的范围内，并且两个节点都具有相似的数据业务，相应信道利用率性能指示符

和

将大致具有相同的值。

因此，当在步骤203中验证的条件未超过第一预定义阈值u_hn，thr时，处理单元120利用该给定值。因此，当利用率性能指示符

和

之间的差异大约为零时，以及另外，当在节点100或节点101处发送的分组的误码率高于预定义错误阈值时，也将检测到隐藏节点，即，以下条件被验证205：

因为隐藏节点会引入高错误。

当检测到隐藏节点时，由处理单元120触发推理阶段204。这例如可以是向用户通知隐藏节点102以及建议采取的步骤，诸如例如节点100-102之一的信道的切换。

还可以根据图3示出由处理单元120执行的步骤，其中示出了用于更新KB 122的步骤。在第一步中，收集数据200，其对应于图2所示的相同步骤。接下来，发送310操作参数并且随后在感知阶段300解释操作参数，换言之，将其转换为信道利用率性能指示符。发送311这些计算的性能指示符以在中间学习阶段301使用，该中间学习阶段301代表其更新312KB122。

在推理阶段302(其基于从感知阶段300或从KB 122本身接收的数据)，确定何时检测到隐藏节点或者没有检测到隐藏节点。接下来，当检测到隐藏节点时，将检测发送313到决策阶段303。在决策阶段303，触发优化阶段304以补救隐藏节点问题。优化阶段304进一步与KB交换314数据，使得在随后的感知阶段300和/或推理阶段302，KB 122被进一步优化。

图4示出了根据本发明的另外的实施例的联网设备121的细节。联网设备121适合于执行根据以上实施例的步骤。联网设备121也可以被并入或用作节点。联网设备121通常可以形成为合适的通用计算机，并且包括总线410、处理器402、本地存储器404、一个或多个可选输入接口414、一个或多个可选输出接口416、通信接口412、存储元件接口406和一个或多个存储元件408。总线410可以包括允许在联网设备121的组件之间进行通信的一个或多个导体。处理器402可以包括解译和执行编程指令的任何类型的常规处理器或微处理器。本地存储器404可以包括随机存取存储器(RAM)或存储供处理器402执行的信息和指令的另一种类型的动态存储设备和/或只读存储器(ROM)或存储供处理器402执行的静态信息和指令的另一种类型的静态存储设备。输入接口414可以包括允许操作员将信息输入到联网设备121的一种或多种常规机制，诸如键盘420、鼠标430、笔、语音识别和/或生物识别机制等。输出接口416可以包括向操作员输出信息的一种或多种常规机制，诸如显示器440等。通信接口412可以包括任何类似于收发器的机制，诸如例如使得联网设备121能够与其他设备和/或***(例如，与节点100-103)通信的一个或多个以太网接口。联网设备121的通信接口412可以借助于局域网(LAN)或诸如例如互联网等广域网(WAN)连接到这种联网设备。存储元件接口406可以包括存储接口，诸如例如串行高级技术附件(SATA)接口或小型计算机***接口(SCSI)，以用于将总线410连接到一个或多个存储元件408，诸如一个或多个本地磁盘，例如，SATA磁盘驱动器，并且控制向这些存储元件408写入数据和/或从这些存储元件408读取数据。尽管上述存储元件408被描述为本地磁盘，但是一般来说，可以使用任何其他合适的计算机可读介质，诸如可移动磁盘、诸如CD或DVD等光学存储介质、ROM磁盘、固态驱动器、闪存卡等。上述联网设备121还可以作为虚拟机在物理硬件之上运行。

尽管已经通过参考特定实施例说明了本发明，但是对于本领域技术人员而言很清楚的是，本发明不限于前述说明性实施例的细节，并且在不脱离本发明的范围的情况下，本发明可以被实施各种改变和修改。因此，本实施例在所有方面都应当被认为是说明性的而不是限制性的，本发明的范围由所附权利要求书而不是前述说明书来指明，因此，落入权利要求书范围之内的所有改变均旨在于被包括在其中。

此外，本专利申请的读者将理解，词语“包括”或“包含”不排除其他元件或步骤，词语“一”或“一个”不排除多个，并且单个元件(诸如计算机***、处理器或另一集成单元)可以实现权利要求中所述的若干装置的功能。权利要求中的任何附图标记都不应当被解释为限制有关的相应权利要求。当在说明书或权利要求书中使用时，引入术语“第一”、“第二”、“第三”、“a”、“b”、“c”等以区分相似元素或步骤，而并不一定描述顺序或时间排序。同样，术语“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”等是出于描述目的而引入的，而不必表示相对定位。应当理解，这样使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本发明的实施例能够按照本发明以其他顺序或在不同于上面描述或示出的方向上进行操作。

Claims

1.一种用于在具有多个活动节点(100-102)的无线网状网络(130)WMN中检测隐藏节点(100)的联网设备(121)，所述联网设备(121)包括处理单元(120)，所述处理单元(120)被配置为：

-针对所述活动节点(100-102)中的在相同信道中操作的第一活动节点(101)和第二活动节点(102)收集操作参数；以及

-基于所述操作参数计算针对所述第一活动节点(101)和所述第二活动节点(102)的相应信道利用率性能指示符；以及

-计算所述相应信道利用率性能指示符之间的差异；以及

-当所述差异超过第一预定义阈值时，将所述隐藏节点(100)检测为在所述相同信道上操作并且对所述第一活动节点(101)或所述第二活动节点(102)隐藏的第三活动节点。

2.根据权利要求1所述的联网设备(121)，其中所述处理单元(120)还被配置为当所述差异不超过所述第一预定义阈值时并且当所述差异小于误差容限时：

-基于针对所述第一活动节点(101)和/或所述第二活动节点(102)的所述操作参数，来计算相应误码率性能指示符；以及

-当所述相应误码率性能指示符中的一个误码率性能指示符超过预定义错误阈值时，将所述第三活动节点检测为所述隐藏节点(100)。

3.根据权利要求2所述的联网设备(121)，其中所述信道利用率性能指示符指示在预定义时间段期间的信道繁忙时间。

4.根据权利要求3所述的联网设备，其中当所述差异小于所述误差容限时，所述相应信道利用率性能指示符相似。

5.根据权利要求4所述的联网设备(121)，其中所述第一活动节点(101)和所述第二活动节点(102)由所述联网设备(121)可管理。

6.根据权利要求5所述的联网设备(121)，其中所述操作参数包括以下中的至少一项：

-信道利用率参数；以及

-活动因子；以及

-噪声水平；以及

-接收信号强度指示符RSSI水平；以及

-误码率；以及

-重传率。

7.根据权利要求6所述的联网设备(121)，还包括知识库(122)，所述知识库(122)包括信道利用率性能指示符；并且其中所述处理单元还被配置为在计算每个活动节点(100-102)的所述信道利用率性能指示符之后更新所述知识库(122)。

8.一种用于在具有多个活动节点(100-102)的无线网状网络(130)WMN中检测隐藏节点(100)的方法，所述方法包括以下步骤：

-计算所述相应信道利用率性能指示符之间的差异；以及

9.根据权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：当所述差异不超过所述第一预定义阈值时并且当所述差异小于误差容限时：

-基于用于所述第一活动节点(101)和/或所述第二活动节点(102)的所述操作参数计算相应误码率性能指示符；以及

10.一种包括计算机可执行指令的计算机可读存储介质，所述计算机可执行指令用于执行根据权利要求8或9所述的方法。