CN1933385A - 无线局域网ip组播帧传输速率动态自调整的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线局域网IP组播帧传输速率动态自调整的实现方法，用于IEEE 802.11a/b/g无线局域网网络以及下一代无线标准IEEE 802.11n无线局域网网络内，解决了上述的IP组播报文在无线局域网应用的问题，可动态自调整IP组播发送速率，实现将IP组播报文仅发送到该IP组播报文对应的组播组成员无线客户端，同时提高IP组播传输速率并保证IP组播传输的可靠性。所述方法包括以下步骤：(a)无线接入设备将该IP组播报文以单播报文形式向组播组中的成员无线客户端发送；(b)无线接入设备通过统计一段时间内发送的数据总量和发送失败的数据数量获取报文发送的错误率，根据错误率调整下一次报文发送速率。

Description

无线局域网IP组播帧传输速率动态自调整的实现方法

技术领域

本发明涉及无线通讯领域中无线局域网组网时IP组播技术业务应用的实现方法，尤其涉及IEEE 802.11无线局域网(WLAN)传输IP组播帧的方法。

背景技术

无线局域网作为网络终端的一种接入技术，具备接入速度高，布线简易等优点，越来越被广泛地应用于家庭网络，随着宽带和视频压缩技术的不断发展，以视频和语音为主的多媒体在网络传输的需求在迅速地增长。当前比较流行的多媒体应用，如视频和语音的实时交互、IPTV(Internet Protocol TV)等应用，均要求比较高的网络带宽支持，通过无线局域网技术传输多媒体应用逐渐成为今后发展的一个重要方向。

传统的IEEE 802.11无线局域网是为数据应用设计的，对组播应用的支持比较弱，从组播源发送一个组播报文到达无线接入点后，无线接入点将这个组播报文发送到关联的无线客户端，但是不属于这个组播组并已经关联到这个无线接入点的其他无线客户端也可以收到这个组播报文。

以IP组播为主的IPTV直播业务，要求仅加入某个组播组的无线客户端可以接收这个组播组的组播报文，其他没有加入这个组播组的无线客户端不允许接收这个组播组的组播报文，目前的IEEE 802.11无线局域网还不能满足这个要求。

IEEE 802.11无线局域网传输目的地址是无线客户端MAC(介质访问控制)地址的单播(Unicast)数据报文时，无线接入点发送的单播报文到达无线客户端后，接收数据的无线客户端发送802.11确认(ACK)帧到无线接入点，如果接入点设备没有接收到无线客户端的ACK帧，PHY层会重传这一帧，如果重传次数超过预先设定的阈值，则丢弃该数据。在一个干扰比较高的802.11无线网络里，802.11 ACK提供了可靠的数据传输机制。接入点设备还可以通过接收无线客户端的802.11 ACK帧以及其他管理或数据帧，来检测无线客户端的信号质量，并根据信号质量实时调整无线客户端的数据发送速率，进一步可以保证数据的可靠传输。

IEEE 802.11无线局域网传输组播(Multicast)数据报文时，802.11协议规定，负责接收组播的无线客户端不能发送802.11 ACK帧到无线接入点，导致无线接入点不能确定无线客户端是否正确接收了组播帧，由于没有802.11 ACK的确认重传机制以及其他可靠保证机制，组播数据的传输可靠性比较低。

同时由于负责接收组播的无线客户端不发送802.11 ACK帧到无线接入点，无线接入点也就不能通过发送的组播报文来检测接收方的信号质量。当无线接入点和无线客户端之间传输的组播报文占据主要流量时，由于无线接入点不能实时检测接收方的信号质量以及根据信号质量调整无线客户端的数据发送速率，会导致某个时段内组播报文发送的误码率增加，组播数据传输的可性靠进一步降低。

以IP组播为主的IPTV直播业务，无线接入点和无线客户端之间传输的单播报文较少，IP组播报文占据了主要带宽。当无线接入点与无线客户端间的信号质量发生变化时，无线接入点和无线客户端之间不能及时调整组播报文发送速率，导致组播报文发送误码率增加，同时由于无线接入点和无线客户端之间的组播帧没有确认接收机制，组播帧的传输可靠性比较低，经常出现播放不流畅，影响业务的开展。

无线接入点发送组播报文是发向所有无线客户端，无线接入点为了保证所有无线客户端都能接收到组播帧，通常无线接入点以最保守的数据速率发送组播帧，如802.11b通常为1Mbps，802.11a/g通常为2Mbps，但实际的带宽比上述的组播帧数据发送速率还要低，这对于至少需要2Mbps甚至更高带宽的多媒体应用如IPTV业务来说，带宽明显不足，影响业务的正常开展。如果固定配置了比较高的组播数据发送速率，会导致信号质量比较低的某些无线客户端不能正确接收，特别是当无线客户端与无线接入点之间的距离、障碍物等环境发生变化引起的无线客户端与无线接入点间的信号质量发生变化，如果无线接入点与无线客户端间的组播发送速率不能实时调整，则会出现较高的组播发送误码率，导致无线客户端不能正确接收组播报文。因此需要增加组播的发送速率以提高带宽，组播发送速率必须支持可实时调整。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种无线局域网IP组播帧传输速率动态自调整的实现方法，解决了上述的IP组播报文在无线局域网应用的问题，可动态自调整IP组播发送速率，实现将IP组播报文仅发送到该IP组播报文对应的组播组成员无线客户端，同时提高IP组播传输速率并保证IP组播传输的可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种无线局域网IP组播帧传输速率动态自调整的实现方法，包括以下步骤：

(a)无线接入设备将该IP组播报文以单播报文形式向组播组中的成员无线客户端发送；

(b)无线接入设备通过统计一段时间内发送的数据总量和发送失败的数据数量获取报文发送的错误率，根据错误率调整下一次报文发送速率。

进一步地，上述方法还可包括以下特点：所述以单播报文形式发送是指，无线接入设备将该IP组播报文的组播目的地址替换成该组播组成员无线客户端的MAC地址。

进一步地，上述方法还可包括以下特点：当无线客户端有多个时，无线接入设备将该IP组播报文的组播目的地址依次替换为组播组中各无线客户端的MAC地址，每替换一次地址发送一次，直到向组播组中所有成员无线客户端全部发送完毕。

进一步地，上述方法还可包括以下特点：在所述步骤(b)中，获取报文发送错误率具体指：所述无线接入设备定时记录在该报文发送速率下所发送的数据总量，并根据无线客户端返回的确认消息统计发送失败的数量，计算该定时时间内报文发送的错误率。

进一步地，上述方法还可包括以下特点：在所述步骤(b)中，所述根据错误率调整报文发送速率是指，无线接入设备提高报文发送速率后，发现所述错误率提高时，降低所述报文发送速率，发现所述错误率降低时，提高所述报文发送速率。

进一步地，上述方法还可包括以下特点：在所述步骤(b)中，所述根据错误率调整报文发送速率是指，无线接入设备降低报文发送速率后，发现所述错误率提高时，提高所述报文发送速率，发现所述错误率降低时，降低所述报文发送速率。

进一步地，上述方法还可包括以下特点：在所述步骤(b)中，如果所述错误率相同，则记录最高的报文发送速率。

进一步地，上述方法还可包括以下特点：将所述报文发送速率记录为最佳单播报文发送速率。

进一步地，上述方法还可包括以下特点：所述报文发送速率的调整进行多次。

进一步地，上述方法还可包括以下特点：所述报文发送速率在每次发送报文时都会根据之前错误率变化进行调整。

采用本发明所述方法，使得在以IEEE 802.11a/b/g标准以及下一代无线标准IEEE 802.11n组建的无线局域网产品中，通过对组播无线客户端成员的管理，将组播源和无线客户端间传输的IP组播报文转换为无线客户端单播报文传输，实现了无线IP组播速率动态自调整，同时达到了高速可靠传输IP组播报文的效果，克服了IEEE 802.11传输组播报文带宽低可靠性差的缺陷，保证了以IP组播技术为主的视频直播业务在无线局域网产品的可靠应用，极大地拓展了无线局域网产品的应用范围，促进无线局域网IP组播业务应用的发展。

附图说明

图1为本发明IP组播传输***应用图；

图2为本发明IP组播传输设备图；

图3为本发明IP组播传输的方案模块图；

图4为本发明IP组播传输的应用示例图；

图5为本实施例无线报文传输速率动态自调整流程图。

具体实施方式

IP组播传输***应用如图1所示，在IP组播传输的应用***中至少包括无线客户端、无线接入点、分布***(DS)以及组播源。无线客户端需要请求加入或离开组播源的某个组播组时，无线客户端发送的IGMP(互联网组管理协议)报文经无线接入点发送到组播源，无线接入点将无线客户端加入到这个组播组。组播源发送某个IP组播报文给组播组的成员时，组播源发送的IP组播报文经无线接入点发送给组播组的成员无线客户端，完成IP组播的传输。

其中：组播源，用于发送IP组播报文；分布***，用于连接无线接入点与组播源；一个或多个无线接入点，用于确定和选择发送速率，将组播报文发送给无线客户端，用于将IP组播报文处理为单播报文，以及处理无线客户端发出的加入或离开组播组的请求信息；一个或多个无线客户端，是使用组播业务的用户，可以向无线接入点发出加入或离开组播组的请求。

如图2所示，传输IP组播的无线接入点设备由无线接口模块、组播成员管理模块、上行接口模块、802.1d桥接模块、IP路由模块、协议应用模块和配置管理模块组成。设备的无线接口模块接收的报文经802.1d桥接模块或IP路由模块转发到上行接口模块，上行接口模块接收的报文经802.1d桥接模块或IP路由模块转发到无线接口模块。当无线接口模块或上行接口模块接收到IGMP(Internet组管理协议)报文或IP组播报文时则送由组播成员管理模块处理：组播成员管理模块处理从无线接口模块接收的IGMP报文，维护组播成员列表；上行接口模块接收的IP组播报文经802.1d桥接模块或IP路由模块，进一步转发到组播成员管理模块处理，由组播成员管理模块将IP组播报文转发到无线接口模块。其中：

无线接口模块，包括无线驱动模块以及硬件接口，其中无线驱动模块用于接收和发送无线接入点和无线客户端间的802.11管理和数据帧，并依据与无线客户端交互的802.11帧实时检测无线接入点和无线客户端的连接信号质量，实时调整和确定无线接入点发送到无线客户端的“最佳单播报文发送速率”及“最佳广播报文发送速率”；

组播成员管理模块，用于维护组播成员列表以及记录组播成员无线客户端的MAC地址信息，还负责接收和转发组播源与组播成员无线客户端间的IP组播报文；

802.1d桥接模块和IP路由模块，用于报文选路和转发报文；

上行接口模块，包括驱动和上行硬件接口，用于连接外部网络，如Internet的接口，可通过连接DSLAM、交换机、BRAS等设备间接连接到Internet，所述上行接口可以是以太网接口、xDSL接口、xPON等接口；

设备的协议应用模块和配置管理模块用于完成各种协议和上层应用，以及本地或远程的配置管理。

如图3所示，在实现本方案所述的高速可靠传输组播报文的无线接入点内，包括无线驱动模块、组播成员管理模块。在无线驱动模块中针对每个无线客户端都保存有一个最佳单播报文发送速率，当每个无线客户端新接入到无线接入点时，无线驱动模块确定该无线客户端的“最佳单播报文发送速率”，或者当无线客户端的“最佳单播报文发送速率”实时发生变化时，无线驱动模块在所有客户端中选择最小的“最佳单播报文发送速率”值，作为无线接入点发送其他广播组播报文(即非IP组播报文)到每个无线客户端的“最佳广播报文发送速率”，所述“最佳广播报文发送速率”也可称为“最佳组播报文发送速率”，是所有客户端共用的速率。

组播成员列表，记录组播组以及组播组的成员无线客户端信息，每个组播组有一张组播成员列表，由组播成员管理模块动态维护，可以存储在组播成员管理模块内，其中无线客户端信息包括无线客户端的MAC地址信息。

在具体实施应用中，如图4所示。在以IEEE 802.11a/b/g标准以及下一代无线标准IEEE 802.11n组建的无线局域网产品中，无线接入点设备接入多个无线客户端，无线客户端向无线接入点发送IGMP组播加入报文请求加入某个组播源的IP组播组，或者无线客户端向无线接入点发送IGMP组播离开报文请求离开某个组播源的IP组播组。无线接入点的组播成员管理模块根据从无线驱动模块接收到无线客户端的IGMP组播加入或离开报文，动态维护组播成员列表以及无线客户端的MAC(介质访问控制)地址等信息。

在现有的IEEE 802.11a/b/g无线局域网网络以及下一代无线标准IEEE802.11n无线局域网网络内，IP组播报文的传输方法包括以下步骤：

步骤110，从组播源发出的IP组播报文到达无线接入点；

步骤120，无线接入点中的组播成员管理模块查找组播成员列表，判断该IP组播报文对应的组播组在组播成员列表内是否有组播成员无线客户端，如果有，则执行下一步，否则，丢弃该IP组播报文；

步骤130，组播成员管理模块将IP组播报文的组播目的地址替换成该组播组中成员无线客户端的MAC地址；

如果无线客户端有多个，则将IP组播报文的目的MAC地址依次替换为组播组中各无线客户端的MAC地址，每替换一次地址发送一次，直到向组播组中所有成员无线客户端全部发送完毕。

步骤140，组播成员管理模块将该IP组播报文以单播报文的形式转发到无线驱动模块；

此处所述单播报文或者组播报文都是在二层的概念上的，二层单播报文指目的MAC是无线客户端的MAC地址，二层组播报文的目的MAC是类似于01:00:5E:XX:XX:XX的地址。

IP组播报文的IP地址与其组播MAC之间有对应关系，当将二层上的MAC地址替换成各个客户端的MAC地址后，二层的设备就认为这是一个单播包，此时的发送就是单播报文发送。

步骤150，无线驱动模块向组播组中的成员无线客户端发送IP组播报文；

如果无线驱动模块发送的报文目的地址是无线客户端的MAC地址，则依据事先确定的该各无线客户端的“最佳单播报文发送速率”发送到无线客户端，无线接入设备事先根据接收的无线客户端的802.11报文确定最佳单播报文发送速率。

对于IP组播报文，由于目的地址已经转换成无线客户端的MAC地址，已作为单目报文，其发送速率就是客户端的最佳单播报文发送速率。

步骤160，无线客户端收到报文后返回确认消息。

无线接入点接收无线客户端的802.11确认帧(ACK)保证数据的可靠传输。

对于其他进入无线接入点的广播(Broadcast)类型数据报文和非IP组播的多播(Multicast)类型数据报文即非IP组播报文，则不需要交给组播成员管理模块，直接交给无线驱动模块发送。无线驱动模块发送的广播和其他组播报文，以“最佳广播报文发送速率”发送。过程如下：无线接入设备收到组播源或分布***发出的非IP组播报文后根据预先确定的最佳广播报文发送速率向所述无线客户端发送非IP组播报文。

对于非IP组播报文，无线接入设备选择所有无线客户端中最小的最佳单播报文发送速率，作为该非IP组播报文的发送速率。

最佳单播报文发送速率是无线接入设备根据接收到的无线客户端的802.11帧确定的。

与通常无线接入点以最保守的数据速率发送组播帧(如802.11b通常为1Mbps，802.11a/g通常为2Mbps)相比，当每个无线客户端的“最佳单播报文发送速率”都高于最保守的数据速率，也就是“最佳广播报文发送速率”高于最保守的数据速率时，可以提高广播和其他组播报文的发送速率。

以IEEE 802.11a/b/g标准以及下一代无线标准IEEE 802.11n的无线局域网产品中，无线局域网接入点设备通过将IP组播转换为无线客户端单播MAC地址报文的方法，组播源发送到无线接入点的IP组播报文可以分别发送到IP组播对应的组播组成员无线客户端，不同组播组间的报文互相不影响，同时由于报文是以单播报文送达的无线客户端，其速率和可靠性达到单播报文的性能和可靠性指标，保证了以IP组播技术为主的视频直播业务在无线局域网产品的可靠应用。

在现有的IEEE 802.11a/b/g无线局域网网络以及下一代无线标准IEEE802.11n无线局域网网络内，实现组播速率自调整具体实施，如图5所示，包括以下步骤：

步骤210，无线驱动模块通过物理层向无线客户端发送数据；

最初发送时，无线驱动模块选择一个初始发送速率来发送数据，初始发送速率通常选择该模式下的最高速率。

步骤220，无线驱动模块定时记录在该报文发送速率下所发送的数据总量，并根据无线客户端返回的确认消息统计发送失败的数量，计算该定时时间内报文发送的错误率，若判断此次错误率低于上次错误率，则执行下一步，若判断此次错误率高于上次错误率，则执行步骤240，若判断此次错误率等于上次错误率或此次错误率与上次错误率之差在预定范围内，则执行步骤250；

步骤230，无线驱动模块提高数据发送速率，返回步骤210；

步骤240，无线驱动模块降低数据发送速率，返回步骤210；

步骤250，判断此次报文发送速率是否高于上次报文发送速率，如果是，则记录以此次报文发送速率为最佳单播报文发送速率，并以此速率发送报文，否则，记录上次报文发送速率为最佳单播报文发送速率，并以此速率发送报文。

当发送广播报文时，首先读取每个组播成员的最佳单播报文发送速率，从中选择一个最低的发送速率作为最佳广播报文发送速率。

上述实施例考虑的是报文发送速率与错误率之间成正向关系的情况，即报文发送率提高或降低时，错误率也相应提高或降低。在其他实施例中，报文发送速率与错误之间也有可能是反向关系，无线驱动模块提高/降低发送速率后，若计算得出错误率降低/提高了，则继续调高/降低报文发送速率。

在另一实施例中，上述两方案也可结合使用。如计算出错误率后，执行下述步骤：

(i)无线驱动模块提高数据发送速率，计算数据发送错误率，与原发送速率的错误率相比较，如果错误率降低了，则记录当前发送速率，反之如果错误率提高了，则将发送速率调回原发送速率；

(ii)无线驱动模块降低数据发送速率，计算数据发送错误率，与原发送速率的错误率相比较，如果错误率降低了，则将无线模块的发射速率调整到当前较低的速率，反之如果错误率提高了，则将发送速率调回原发送速率。

经过上面三个步骤轮循执行，根据不同速率下数据错误率，一段时间过后无线驱动的发送速率将会自动调整到最优的速率(就是在发送过程中产生最低错误率的发送速率)。只要有报文发送就会调节报文发送速率，每个报文都会根据以前的统计进行调整。

总之，原则是选择错误率最低的速率进行发送，在错误率相差很小的情况下，选择其中最高的速率进行发送，例如在低速率下，错误率可能都是零，则寻找其中较高的速率进行发送，最后达到低错误率、高发送速率的效果。

本方法克服了IEEE 802.11传输IP组播报文带宽低可靠性差的缺陷，极大地拓展了无线局域网产品的应用，特别是以IP组播技术为主的视频直播业务在无线局域网产品的应用，为无线局域网产品在家庭网络的普及与发展提供了有力的保证。

Claims (10)

1、无线局域网IP组播帧传输速率动态自调整的实现方法，包括以下步骤：

(a)无线接入设备将该IP组播报文以单播报文形式向组播组中的成员无线客户端发送；

(b)无线接入设备通过统计一段时间内发送的数据总量和发送失败的数据数量获取报文发送的错误率，根据错误率调整下一次报文发送速率。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以单播报文形式发送是指，无线接入设备将该IP组播报文的组播目的地址替换成该组播组成员无线客户端的MAC地址。

3、如权利要求2所述的方法，其特征在于，当无线客户端有多个时，无线接入设备将该IP组播报文的组播目的地址依次替换为组播组中各无线客户端的MAC地址，每替换一次地址发送一次，直到向组播组中所有成员无线客户端全部发送完毕。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(b)中，获取报文发送错误率具体指：所述无线接入设备定时记录在该报文发送速率下所发送的数据总量，并根据无线客户端返回的确认消息统计发送失败的数量，计算该定时时间内报文发送的错误率。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(b)中，所述根据错误率调整报文发送速率是指，无线接入设备提高报文发送速率后，发现所述错误率提高时，降低所述报文发送速率，发现所述错误率降低时，提高所述报文发送速率。

6、如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(b)中，所述根据错误率调整报文发送速率是指，无线接入设备降低报文发送速率后，发现所述错误率提高时，提高所述报文发送速率，发现所述错误率降低时，降低所述报文发送速率。

7、如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(b)中，如果所述错误率相同，则记录最高的报文发送速率。

8、如权利要求1或7所述的方法，其特征在于，将所述报文发送速率记录为最佳单播报文发送速率。

9、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述报文发送速率的调整进行多次。

10、如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述报文发送速率在每次发送报文时都会根据之前错误率变化进行调整。

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