专利名称：有功率控制功能的多播通信系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及多播通信系统，具体而言，涉及使用IEEE 802.11标准的多播通信。
背景技术：
虽然将IEEE 802.11系统用于多播通信是非常理想的，但IEEE802.11标准并没有为广播或多播帧(用ToDS(发往分布式系统)比特集发送的那些帧除外)提供MAC层(媒体接入控制)的恢复技术。因此，由于干扰、碰撞或时变信道特性导致帧丢失的概率提高，从而使这些业务的可靠性相对于定向业务的可靠性降较低了。用ToDS比特集从一个STA(站)传输的任何广播或多播MPDU(MAC协议数据单元)除了要遵守CSMA/CA(载波帧听多路接入/冲突避免)的基本接入过程外，还需要遵守RTS/CTS(准备发送/准许发送)交换的规则，因为MPDU针对的是AP(接入点)。
“单播”一词用于描述一段信息从一个点发往另一个点的通信。这种情况下，只有一个发射机，只有一个接收机。
“多播”一词用于描述一段信息从一个或多个点发往一组其它点的通信。在这种情况下，发射机可能是一个或多个，信息被分发到一组接收机(可能没有接收机，或者，有任何其它数量的接收机)。
多播客户机只有在它们先前已经选择了接收分组(通过加入特定的多播组地址)时才能接收一串分组。组内的成员资格是动态的，并由接收机控制(由本地的客户机应用通知)。
如果一组客户机同时需要一组公共的数据，或者当客户机能够在需要之前接收和存储(缓存)公共数据的时候，多播模式是很有用的。如果一组客户机对相同的数据都有需求，则多播传输可以大大节省带宽(与N个不同的单播客户机相比，可以等于其带宽的1/N)。
因此，IEEE 802.11系统中无法从接收终端获得当前关于分组传输成功与否(或失败)或者链路状况的反馈信息，这妨碍了使传输参数动态适应通过传输过程检测到的链路状况变化的方案的设计(例如，数据速率、信道编码方案、调制和发射功率)。
当多播通信用于音频或视频流目的时，这样的缺陷更加明显，其中，大量的数据发往多播目的组。
然而，IEEE 802.11标准为单播通信情形提供了一种可靠的逐个分组的MAC确认机制，从而阐明了链路适配和功率控制策略。
一些简单却颇有价值的链路适配方案(例如，在J.del Prado，S.Choi的“Link Adaptation Strategy for IEEE 802.11 WLAN via ReceivedSignal Strength Measurement”，Proceedings of the IEEE InternationalConference on Communications(ICC′03)，Anchorage，Alaska，USA，Volume 2，pp.1108-1113，11-15May 2003中有描述)依赖RSSI(接收信号强度指标)测量结果，可能还有背景噪声，来自进入反馈信息、控制或管理帧，如ACK(确认帧)或周期性的信标信号。这些方案基于以下假设一个终端和接入点之间的上行和下行链路状况可以粗略地估计为对称的。因此，如果向发送方终端回送确认消息，这些算法可以不加修改地适用于多播通信情形。
此外，只要能收集到关于链路状况和交换业务特性的更高质量的信息并将其反馈给发送端，则还有很多不基于RSSI的先进的链路适配方案(例如，在D.Qiao，S.Choi，and K.G.Shin，″Goodput Analysisand Link Adaptation for IEEE 802.1Ia Wireless LANs，″IEEE Trans.OnMobile Computing(TMC)，Volume 1，no.4，pp.278-292，October-December 2002 and A.Grilo，M.Nunes″Link Adaptation andTransmit Power Control for Unicast and Multicast in IEEE 802.1 la/h/eWLANs″Proceedings of the 28th Annual IEEE Conference on LocalComputer Networks(LCN′03)，Volume 1，pp.334-345，20-24 October2003中有描述)。
但是，虽然使用后面一些方案能增强性能，但前面一些方案可由任何类型的接收终端(包括，非增强型的)利用，只要中继所有业务流(当工作于基础设施模式下时)所借助的AP(接入点)仍是增强型设备即可。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于在IEEE 802.11网络上传送多播通信消息的方法，所述方法包括下列步骤(i)从一个发射机向多个接收机经由相应的网络链路发送数据流；(ii)从所述多个接收机中选择一个接收机，并选择一个时间点来生成从所选定接收机发出的反馈信号；(iii)在所选定的时间点，接收来自所选定接收机的反馈信号；以及(iv)根据所收到的反馈信号，调整所述数据流的传输，其中，将所述数据流作为一系列的多播消息发送到所述多个接收机。
根据本发明的另一个方面，提供了一种IEEE 802.11网络，包括发射机(4)，向多个接收机经由相应的网络链路发送多播数据流；多个接收机(6a、6b、6c)，均从所述发射机接收数据流；以及选择模块，从所述多个接收机中选择一个接收机，并选择一个用来生成反馈信号的时间点，其中，如果接收到所述选择模块发出的选择信号，各接收机(6a、6b、6c)就在所述时间点向所述发射机(4)提供反馈信号。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于IEEE 802.11网络的发射机，所述发射机包括发射单元，向多个接收机经由相应的网络链路发送多播数据流；选择单元，从所述多个接收机中选择一个接收机，并选择一个用来生成反馈信号的时间点，其中，所述发射机在所述时间点向选定的接收机发送选择信号，并从所选定的接收机接收反馈信号。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于IEEE 802.11网络的接收机，所述接收机包括接收单元，从发射机接收多播数据流；选择模块，选择用于生成反馈信号的时间点；以及反馈单元，在选定的时间点向所述网络的接收机提供反馈信号。
在一个实施例中，每个接收机包括用于选择时间点的计时器。在这种情况下，每个接收机可以在接收机提供反馈信号时将其计时器复位。
反馈信号可包括描述接收机端的接收质量的参数，或者，可包括用于让发射机发送后续消息的建议发射参数。
发射机的选择单元可以向所选定的接收机发送单播选择消息，并可以从所选定接收机接收形式为单播消息的反馈信号。
反馈信号可以作为多播消息提供。此外，只有在未提供等效的反馈信号时，才提供反馈信号。
对于多播通信情形，我们知道●构成多播组的接收终端的数量，其对于家用情形预期为适宜●IEEE 802.11标准所用的基于竞争的媒体访问控制方案(CSMA/CA)●与音频和视频流应用相关联的实时QoS约束条件，其可能涉及不打开分组重传(ARQ)逐个分组的确认机制类似于为单播通信设计的机制，其中，每次分组传送都需要从多播组的每个成员那里得到确认，这看起来好像不是提供反馈机制的好办法，因为相关的开销。因此，按照上述问题，这样的反馈方案应当是选择性的。因此，所得的链路适配/功率控制方案可能不如它的单播通信对应者准确，但仍然有效。
另一方面，选择性的反馈可能包括接收终端只在检测到某些事件(如由于大量进入分组丢失造成的链路状况明显恶化)时才向发射终端发送反馈信息。关于链路质量变化或者传输失败的这些反馈信息应当由接收终端报告给它所有的对等方。但随之，选择性的反馈可能包括轮询接收终端，以便向发射端报告其链路状况。
关于如何承载和利用有关链路状况和传输状态的反馈信息，有两个可用的选项1、在数据链路层上2、在较高的OSI堆栈层(如，网络层、传输层或应用层)第一个选项能加快链路适配机制的响应，甚至可以基于每个数据链路分组的基础工作，因此优选用于不相关业务应用(例如，文件传输)。另一方面，第二种选择有利于实现更精细的链路适配机制(相比依赖RSSI测量结果的那些机制而言)。它产生较慢的适配响应，但是对于高度相关的业务(例如，流)仍是有效的。
与所交换的业务密切相关的是如何在逐个分组的确认策略和块确认策略做出选择。再次，第一种策略非常适合不相关业务，而第二种策略更适合相关业务。
同样，有多种替代方式可让终端率先触发反馈机制。一方面，反馈可由多播通信的发射终端请求，另一方面，反馈可在确定一个接收终端时发出。
图1示出了一个多播通信系统；图2示出了采用本发明一个方面的方法；图3示出了本发明的第一实施例中的时序；图4示出了本发明的第二实施例中的时序。
具体实施例方式
图1示出了遵循IEEE 802.11且根据本发明可用的网络。网络1包括内容提供器2、发射机4和多个接收机6a、6b、6c。应当理解的是，可以提供任意数量的接收机6，但图1中为清楚起见只显示了三个。发射机4在网络链路5a、5b、5c上与接收机6a、6b、6c进行多播通信，这是通过向这些接收机发送数据流来实现的。如上所述，IEEE 802.11不直接适合这样的多播通信，因为缺乏合适的链路性能反馈。本发明的实施例旨在提供这样的链路性能信息，以实现链路适配。下面将结合图2的流程图描述网络1的工作过程。
图2示出了体现本发明一个方面的方法，而图3示出了第一实施例中信号传输的时序。
在步骤i中，发射机4发送多播通信分组(即，根据所交换的业务流的特性以及使用的是逐个分组的确认策略还是块确认策略，连续发送特定量的分组)——多播通信开始。
然后，选择一个接收机(步骤ii)。该选择可由发射机4完成，或者由一个或多个接收机完成。在优选实施例中，发射机选择接收机，更具体地说，由AP完成。
然后，发射机4使用多播通信模式，向多播组(包括接收机6a、6b、6c)内选定的接收机发送一个选择信号，例如零长度帧(即，没有数据负载的假消息)。
根据IEEE 802.11，如果收到了单播消息，选定的接收机就向发射机4回送一个形式为确认消息的反馈信号。收到消息后，通过RSSI测量可以提取链路性能信息。这样，就能够采用很多现有的专为单播模式设计的链路适配方案，而无需做出任何算法修改。
在本发明的这一优选实施例中，反馈机制由发射机驱动。因此，发射机4就能确定预期要对多播数据分组进行逐分组还是逐块的确认；必要的时候，根据接收多播组的接收终端个数和交换业务的延时约束条件，选择块的大小；对于所请求的每个确认，选择一个接收终端，这通过向其发送选择信号来实现。
作为由发射机4用来从各个接收机请求反馈信息所用的方案，该实施例中描述两个选项，还有其它的选项能采用任何合适的算法来安排反馈请求消息。
1、根据接收机的循环顺序(按照预定的顺序)安排反馈，循环顺序会随着有接收机加入或离开多播组而改变。在这些情况下，在出现某一事件时更新接收机列表。
2、根据接收机的均匀分布随机序列，安排反馈。
该优选实施例工作于数据链路层，并依赖于发射机请求反馈策略。根据所交换的业务流、当前多播传输传送的业务流的时间约束条件和选择性反馈策略(包括根据预定或随机的顺序，在某一时刻，轮询来自一个接收机的反馈信息)，确认可以是逐个分组的，也可以是逐块的。
下面描述当根据均匀分布的随机顺序的接收机安排反馈时如何实现本发明第一优选实施例的有关步骤和问题。首先，有必要估计值P，作为在安排反馈消息之前应当发送的多播分组的数量。
理想情况下，选择P时应当考虑多播通信方案中由于使用反馈而引起的开销。理想情况下，该开销不应平均比对于单播情形所观测到的情形超出太多。换言之，由于媒体竞争和反馈请求这两个预期阶段的持续时间以及P个分组的发送和传播时间划分出的相应反馈响应时间，开销不应超过SIFS(短帧间距)持续时间加上确认消息传输时间之和之间的比值。因此，P的优选值是P＞＝3。
更准确地说，P＞＝1+(Tc+TDD)/(SIFS+TTACK)，其中，Tc是平均媒体竞争时间，TTD是传输假分组所需的时间，SIFS是短帧间距，TTACK是传输ACK消息所需的时间。
此外，在选择P的值时，可能还需要考虑其它因素，如所用的传输模式或者正在传输的业务流的类型，例如，其延时(时间)紧急程度。诚然，使用在固定大小时间窗内最新观测的N个Tc值的均值和假设TTD＜＜Tc且TTACK＜＜SIFS，可以自适应地计算P的值。此外，对于IEEE 802.11e而言，接入类型可用于分配不同的优先级给不同类型的业务或信源，类似地，可以根据接入类型值，给P的值分配不同的值。反馈频率相关值的选择应当能平衡链路适配方案的有效性和接收终端的有效数据速率。
如上所述，可以基于随机选中的可用接收机，选择提供反馈的接收机。用于创建该随机选择的一种示范性方法是估计一个随机变量u，它在区间
遵循均匀概率密度函数。如果从随机数发生器中采样出的结果u0属于区间[(r-1)/R，r/R]，其中R是多播接收组中接收机的数量，r是区间[1，R]中的正整数。那么，接收机列表中的第r个接收机被选作下一个关于其链路状况而受轮询的对象。
源终端向多播接收组发送P个分组中的(1+ceil((R*u0-r+1)*(P-1)))个，其中，函数ceil(x)如下定义。如果x-a+b(其中b属于开区间(0，1))，并且，a是正整数。如果b＜.5，ceil(x)＝a。否则，ceil(x)＝a+1。
因此，在发送方从任何接收机获得链路状况反馈之前，能保证收到至少一个分组。
在本发明的该实施例的一种实际实现方式中●发射机4使用单播模式，发送反馈请求给先前选中的接收机，从而传达关于其链路状况的反馈请求。反馈请求优选是假数据分组。
●使用IEEE 802.11标准的可靠方案，由选中的接收机向发射机4回送ACK(反馈)消息，根据该消息，可以启动链路适配算法。
●发射机4切换回多播传输模式，并向多播接收组发送P个分组中当前的(P-1+ceil((R*u0-r+1)*(P-1)))个。
●可用接收机列表可以根据链路适配算法的结果进行更新。如果沿着滑动时间窗(包含链路适配算法选中的最新N个传输模式值)，观测结果是，所得的传输模式平均远不如轮询之前所用的强健，则这一事实指出，该接收机的链路状况既稳定又良好，所以，对于下面的一些回合来说，可以跳过对相应接收机的轮询，即，临时从接收机列表中将其剔除出去。
这样的过程可以如下方式得到进一步的改善从接收机列表中删去的不仅是对于最后轮询回合平均表现出非常良好链路状况的接收机，而且还删去表现出非常糟糕链路状况(与其接收同伴相比)的接收机，因为，这可能需要不太有效的传输模式根据流应用需求提供足够的带宽，并对于所有多播组成员导致不可容忍的服务质量降级。
只要既未达到特定的超时并且对于任何接收机也未观测到链路状况的任何急剧下跌，就应尽可能长地保持这样的临时剔除，因为后者表明，邻近干扰源影响多播组中的一个或多个接收机的效应。
概而言之，如果将体现本发明一个方面的发射机和增强型的接入点结合起来使用，则可以实现最佳的性能，该发射机基于来自进入信标帧(由发射机周期性地发送)的RSSI测量结果使用链路适配方案，该接入点根据上述轮询方案从接收机获取反馈信号，并使用可以从收到的ACK消息上的RSSI测量结果中获取信息的链路适配方案。
应当观测出的是，在该实施例中，为体现本发明的优点，只有接入点必须得到增强。这是因为，在第一个实施例中，接收终端用确认消息对假消息简单地做出应答，因为它们根据IEEE 802.11根据被迫如此，据此，即可提取链路适配算法所需的所有信息。
下面结合图4的时序图描述本发明的第二个优选实施例。在图4中，示出了多次信号传输，它们被标注如下a)表示多播传输帧，b)表示单播反馈请求，c)表示衰退质量反馈信号，d)表示改善质量反馈信号。
在第二实施例中，由接收机自己选择提供反馈的接收机。在这种情况下，与前一实施例中的瞬时不同，选中的接收机返回有关链路状况和一个时间窗上传输状态的反馈信息。
接收机观测链路质量和分组传输状态(例如，由于分组编号引起的检测到的分组丢失、被破坏的分组等等)。
当任何接收机观测到链路状况的大幅降级或改善时，接收机就竞争媒体，从而向发送方终端报告这种变化。为此，为了满足选择性的反馈需求，需要运用一些规则。
1、对于检测到最大链路状况变化的那些接收终端，应当区分媒体接入的优先次序。例如，链路状况反馈的较长退避时段可分配给较小的观测链路状况变化。
2、有限数量的(Lr个)接收终端应当能够在每次传输回合之后发送任何反馈信息。
3、应当尽可能地避免冗余的反馈信息(例如，对于有些链路适配方案而言，让两个终端都报告类似的链路状况变化没有好处)。此外，为了检测具有类似链路状况的终端，在多播会话启动时，可以执行链路质量测量阶段。
因此，报告的任何反馈消息应当使用多播传输模式发送给信源和多播组的其它成员，所以，一旦报告了Lr个接收机，或者源终端捕获到媒体状态，传输就正常进行。
对于当前情形，由于反馈信息的无发射机单播请求特性，现今的链路适配算法需要相应地做出修改，因此，不允许与非增强型的接收发射机和接收机共存。
但是，这种方法使得能在各接收机上运行链路适配。相应地，回送给源端的反馈信息能够只包括在接收处计算出的推荐传输参数设置。
类似于第一个实施例，接收机列表中最终会有一个接收机受到轮询而发出反馈消息。该消息应理解为与上述决策标准互补，因为，链路质量即使没有巨大变化，在合理调整的间隔内也应当发送一些反馈。这对以下情形起到了保护作用明显的链路降级抑制任何其它反馈消息的传输。或者，根据它们刚才取出的随机数，接收机可以本地决定是否发送反馈消息；随机序列的设计应当确保两个这样的反馈消息争用媒体的机会很低。
当考虑第二优选实施例时，下面的实现步骤和问题是很重要的。
发射机估计缺省计时器的间隔大小T。多播接收组中的每个接收机得知该值。该值可以根据PHY模式进行选择。
发射机将至少一个分组多播给多播接收组。接收之后，接收机立即在区间
内安排它们的随机计时器。
每个接收机独立地估计随机变量uk，uk在区间
内遵循均匀概率分布函数。
然后，对来自随机数发生器的采样值uk施加数学变换X()。最后，所得的量乘以T+ΔT。
附加项ΔT也是由各个接收机独立计算出来的。它是一个确定性的参数，用于对优先级进行加权，以便将接收机的链路状况告知发送方，即，它用于统计接收机的优先级，以向发送方反馈它们的链路状况或传输参数建议。以前已经提出了一些实验性的优先标准，据此可以计算这样的值。
另一方面，数学变换X()应选成为随机计时器选择的累积密度函数的倒数，因为，在发送方反馈消息的期望值和由于计时器机制造成的反馈延时的期望值是指数分布的。
X(u)=(ln1+(exp(λ)-1)*uλ)]]>看起来是计时器的合适选择。或者，也可以采用移位功率定律(shiftedpower law，参见M.Nevokee，W.H.Chong，S.Olafsson″An OptimizedTimer-Based Method for Feedback Control in Multicast Communication″London Communications Symposium 2003)X(u)＝t|u-(b*t+(1-b)*ta)＝0}其具有形成参数a和b。其中变换是用公知的统计结果计算出来的，如果随机变量X有作为累积密度函数的F(x)，则随机变量u＝F(x)是处于区间
内的均匀分布随机变量。因此，通过对均匀分别随机变量运用累积密度函数的倒数，可以生成X。
计时器一旦超时，相关的接收机就1、以多播模式向发送方和多播接收组内的其它成员发送反馈消息，如果其它接收机以前没有响应于最后的流片断而发送其它反馈消息的话；或者2、抑制其反馈，以防任何其它接收机在前一回合中已经向相同的源端提供了任何反馈。
因此，接收机应当1、能够分辩出流式源终端的MAC地址，当有一个终端加入时，这可能以与由多播接收组使用的T值相似的方式来获取，。
2、每当一个流式片断开始时，设置标志位，当接收机发送了反馈响应或者从多播接收组内的任何其它成员接收到反馈响应时，就复位标志位。标志位的状态表明在计时器超时的时候接收机是否要向源端发送任何反馈。此外，接收机应当不仅注册各个源MAC和T值，而且还有不同流式源的各自反馈抑制标志位。
概而言之，第二个优选实施例可以实现在OSI堆栈上层，依赖反馈发出策略，它也可以根据所交换业务流的特性选择逐分组的或者组确认，并且，选择性的反馈策略包括带内反馈，这是根据观测到的链路状况降级或改善和没有冗余(例如，由于优先级，在每次传输回合之后只报告最大的降低和改善，如果有的话)区分优先次序的。
对于第二个实施例，正在发送的接入点和接收终端必须都是增强型设备(即，根据本发明进行过改进)。在第二个实施例中，接收终端自身确定和收集链路状况和传输状态信息，并且a)运行链路适配算法并将优选的传输参数设置反馈给发射机；或者b)仅仅将收集到的信息反馈给发射机，由发射机对其进行处理。
权利要求
1.一种用于在IEEE 802.11网络上传送多播通信消息的方法，所述方法包括下列步骤(i)从一个发射机向多个接收机经由相应的网络链路发送数据流；(ii)从所述多个接收机中选择一个接收机，并选择一个时间点来生成从所选定接收机发出的反馈信号；(iii)在所选定的时间点，接收来自所选定接收机的反馈信号；以及(iv)根据所收到的反馈信号，调整所述数据流的传输，其中，将所述数据流作为一系列的多播消息发送到所述多个接收机。
2.如权利要求1所述的方法，其中，选择接收机和选择时间点的步骤(ii)是在所述网络的发射机端执行的，并且包括从所述发射机向所选定的接收机发送单播选择消息，所述反馈信号作为单播消息从所选定接收机返回到所述发射机。
3.如权利要求1所述的方法，其中，选择接收机和选择时间点的步骤(ii)是在选定接收机端执行的，并且，所述反馈信号作为多播消息提供给所述发射机和其它接收机。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述时间点的选择是用所选定接收机中的独立计时器实现的，并且，只有在未从其它接收机之一接收到反馈信号时才提供所述反馈信号。
5.如权利要求4所述的方法，其中，一旦接收机提供了反馈信号，所述接收机的独立计时器就被复位和重启。
6.如前述任一权利要求所述的方法，其中，接收机发送的反馈信号包含描述接收机端的接收质量的参数。
7.如前述任一权利要求所述的方法，其中，接收机发送的反馈信号包含用于让所述发射机发送后续消息的建议发射参数。
8.一种IEEE 802.11网络，包括发射机(4)，向多个接收机经由相应的网络链路发送多播数据流；多个接收机(6a、6b、6c)，均从所述发射机接收数据流；以及选择模块，从所述多个接收机中选择一个接收机，并选择一个用来生成反馈信号的时间点，其中，如果接收到所述选择模块发出的选择信号，各接收机(6a、6b、6c)就在所述时间点向所述发射机(4)提供反馈信号。
9.如权利要求8所述的网络，其中，所述选择模块是由所述发射机(4)提供的，其向所选定的接收机发送单播选择消息，所述发射机从所选定接收机接收作为单播消息的反馈信号。
10.如权利要求8所述的网络，其中，所述选择模块由至少一个接收机(6a、6b、6c)提供，并且，所述接收机将它们各自的反馈信号作为多播消息发送给所述发射机和其它接收机。
11.如权利要求10所述的网络，其中，每个接收机只有在其它接收机都未提供等效的反馈信号时才提供这样的反馈信号。
12.一种用于IEEE 802.11网络的发射机，所述发射机包括发射单元，向多个接收机经由相应的网络链路发送多播数据流；选择单元，从所述多个接收机中选择一个接收机，并选择一个用来生成反馈信号的时间点，其中，所述发射机在所述时间点向选定的接收机发送选择信号，并从所选定的接收机接收反馈信号。
13.一种用于IEEE 802.11网络的接收机，所述接收机包括接收单元，从发射机接收多播数据流；选择模块，选择用于生成反馈信号的时间点；以及反馈单元，在选定的时间点提供指明网络链路性能的反馈信号。
全文摘要
本发明提供了一种用于在IEEE 802.11网络上传送多播通信消息的方法。该方法包括将数据流作为多播通信消息，从一个发射机向多个接收机经由相应的网络链路进行发送；从多个接收机中选择一个接收机；在选定的时间点，从所选定的接收机接收反馈信号；根据所收到的反馈信号，调整数据流的传输。
文档编号H04B7/005GK101080938SQ200580042950
公开日2007年11月28日 申请日期2005年12月8日 优先权日2004年12月15日
发明者W·O·布德, S·E·博莱克里瓦斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司