CN102497619A

CN102497619A - 车地通信时的无线多播传输及速率自适应的方法和系统

Info

Publication number: CN102497619A
Application number: CN201110392291XA
Authority: CN
Inventors: 彭敏; 刘海峰; 李翔; 黄溅华
Original assignee: Zhongxing Intelligent Transport System Wuxi Co Ltd
Current assignee: ZTE ITS Beijing Ltd
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2031-12-01
Also published as: CN102497619B

Abstract

本发明涉及一种车地通信时的无线多播传输及速率自适应的方法和系统，其通信方法包括如下步骤：a、接入点及移动节点工作于多播机制状态，将多播机制对应帧控制域相应设置；b、接入点起始以固定速率向移动节点发送多播数据流，且接入点接收来自多播组内移动节点的ACK数据帧；c、接入点接收到移动节点对应的ACK数据帧后，分析比较ACK数据帧对应移动节点与接入点间的链路通信质量，并将接入点与移动节点间通信质量较差的链路选定为参考链路，所述参考链路的信噪比选定参考信噪比；d、接入点根据参考信噪比的范围，选择以参考链路对应的最佳传输速率发送多播数据流。本发明能实现多播速率的自适应，提高车地通信系统中数据传输的流畅性及可靠性。

Description

车地通信时的无线多播传输及速率自适应的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种无线通信方法和系统，尤其是一种车地通信时的无线多播传输及速率自适应的方法和系统，属于无线通信的技术领域。

背景技术

PIS(Passenger Information System)系统伴随WLAN移动通信等相关技术日益受到青睐，作为地铁公司与乘客之间最直观的信息交互平台，既确保了列车的运行安全又增加了乘客的舒适感；除了能在车厢内显示乘车须知、列车时刻表等文本信息以外，还可播放股票信息、新闻、赛事直播、广告等实时动态信息，发生火灾、阻塞及恐怖袭击等非正常情况。

为了满足多辆列车同时接收赛事、股票等实时信息的转播需求，列车PIS系统均要求支持组播技术，组播能有效减少网络和主机开销，较单播和广播有其独特优越性，从而得到了广泛的应用。但由于列车在快速行驶过程中车载设备与轨旁AP存在漫游切换，而车载网络却无法及时感知这个过程，会依然试图从原有轨旁AP(Access Point)接收数据，最终导致组播数据流的中断，如何保障车辆移动过程中的组播报文不丢失，也是PIS系统成功应用的关键。

在最初的无线局域网(WLAN)标准IEEE 802.11中，所有的帧都以单一的速率发送。而IEEE 802.11a和802.11b、802.11g在物理层都提供多速率传输的能力，所有控制帧及广播、多播帧以基本速率发送，RTS/CTS，ACK都必须以此速率发送，一般为1Mbps，这个速率无法保障多播视频流的正常传输，势必造成严重的丢包，引起图像不清晰、不流畅的现象。随着技术的发展，单播传输时由于采用了速率控制算法使得单播数据帧可以根据信道状况选择不同的速率：当信道具有高信噪比时可以选择高速率发送数据，但是这种方法只依赖于对单个信道状态的估计，不能直接应用在多播服务中。对于多播传输还没有切实可行的速率控制算法可以做到这一点。在802.11b标准中，允许使用的速率有1Mbps，2Mbps，5.5Mbps和11Mbps；在802.11a标准中，允许使用的速率有6Mbps，9Mbps，12Mbps，18Mbps，...，54Mbps。802.11标准没有规定如何根据信道状态选择和切换合适的发送速率。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种车地通信时的无线多播传输及速率自适应的方法和系统，其能实现多播速率的自适应，提高车地通信系统中数据传输的流畅性及可靠性。

按照本发明提供的技术方案，所述车地通信时的无线多播传输及速率自适应的方法，包括接入点及与所述接入点无线连接的移动节点；所述无线多播传输及速率自适应的通信方法包括如下步骤：

a、接入点及移动节点工作于多播机制状态，将多播机制对应帧控制域的类型域设置为10，子类型域设置为0001，并将帧控制域内的To DS域置为0，FromDS域置为1；

b、接入点起始以固定速率向移动节点发送多播数据流，且接入点接收来自多播组内移动节点的ACK数据帧；

c、接入点接收到移动节点对应的ACK数据帧后，分析比较ACK数据帧对应移动节点与接入点间的链路通信质量，并将接入点与移动节点间通信质量较差的链路选定为参考链路，所述参考链路的信噪比选定参考信噪比；

d、接入点根据参考信噪比的范围，选择以参考链路对应的最佳传输速率发送多播数据流。

所述接入点通过信道信息直接测量与信息统计测量相结合方式对接收的ACK数据帧分析后得到移动节点与接入点间的链路通信质量。

所述步骤c中，接入点接收多播组内移动节点的ACK数据帧的数量不多于多播组内移动节点与接入点间的通信链路数量。

所述接入点接收多播组内移动节点的ACK数据帧数量与多播组内移动节点与接入点间的通信链路数量相一致时，接入点将ACK数据帧对应移动节点与接入点间最差的通信链路作为参考链路。

所述接入点接收多播组内移动节点的ACK数据帧的数量小于多播组内移动节点与接入点间的通信链路数量且接收到ACK数据帧的数量大于一个时，接入点将未收到移动节点对应的ACK数据帧视为信号质量差放弃，接入点选择ACK数据帧对应移动节点与接入点间通信质量较差的通信链路作为参考链路；

所述接入点接收多播组内移动节点的ACK数据帧的数量为一个时，接入点进行避退；避退后，接入点没有接收到其他ACK数据帧时，接入点进行再次避退；在接入点进行再次避退后，若接入点接收到其他移动节点的ACK数据帧时，接入点选择ACK数据帧对应移动节点与接入点间通信质量较差的通信链路作为参考链路；在接入点进行再次避退后，若接入点依然没有接收到其他的ACK数据帧时，接入点选择当前接收到的通信链路作为参考链路。

所述接入点接收多播组内移动节点的ACK数据帧数量为零时，接入点进行避退；若接入点避退后收到ACK数据帧，则接入点选择ACK数据帧对应移动节点与接入点间通信质量较差的通信链路作为参考链路；

若接入点避退后依然没有收到ACK数据帧，接入点重新发送多播数据流，发送多播数据流后进行ACK数据帧接收，若接入点接收到ACK数据帧时，接入点ACK数据帧对应移动节点与接入点间通信质量较差的通信链路作为参考链路，若接入点依然没有接收到ACK数据帧时，接入点视为未有通信链路，不进行多播数据流发送。

一种车地通信时的无线多播传输及速率自适应的系统，包括接入点及与所述接入点无线连接的移动节点；所述接入点与移动节点工作于多播工作机制；接入点向移动节点发送多播数据流，并接收移动节点反馈的ACK数据帧；接入点根据ACK数据帧确定相应移动节点与接入点间的链路通信质量，且接入点选择较差ACK数据帧对应的移动节点与接入点间的链路作为参考链路，并根据参考链路的信噪比调节接入点的传输速率。

所述信道信息直接测量方法包括根据IEEE 802.11协议直接获得对应通信链路的信噪比。

本发明的优点：接入点AP与移动节点STA工作于多播机制，不采用请求发送/清除发送机制，采用ACK反馈机制，不会改变接入点AP的结构及传输协议，能够降低短数据帧的开销，提高传输速率，同时通过反馈机制能够提高服务的可靠性；接入点AP对接收到的ACK数据帧进行分析比较后，选择通信质量较差的通信链路作为参考链路，并以参考链路对应的参考信噪比来调节接入点AP的传输速率，避免了接入点AP采用固定速率传输时造成车地通信系统的不稳定及不流畅问题，实现多播速率的自适应。

附图说明

图1为车地通信基本服务集结构原理图。

图2为本发明车地通信的结构原理图。

图3为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

车地通信采用802.11无线网络技术，一般服从基础结构型基本服务集(infrastructure BSS)，它被界定在接入点AP的传输范围内，如图1所示。移动节点STA必须先与接入点AP建立关联(associate)，才能取得网络服务。关联是指移动节点加入某个802.11网络的过程。对移动节点STA而言，关联必须独一无二；每个移动节点STA同一时间内只能与一个接入点AP连接；而802.11标准并未限制AP可服务的STA的数量。

WLAN(Wireless Local Area Networks；WLAN)的MAC工作环境要比802.3的环境复杂的多。为了适应环境，MAC子层提供多种服务实体，每个服务都由一种或以上帧类型支持。IEEE802.11标准协议中，定义了三种消息类型：数据、管理、控制。管理帧主要用来进行接入点AP的关联和探测，控制帧主要完成RTS/CTS，ACK等数据发送控制。控制帧用来支持数据帧和管理帧的传递，常用的有RTS/CTS、ACK。IEEE802.11标准中，多播被规定为简单的广播机制，以固定的最低传输速率进行组播。一般使用请求发送/清除发送(RTS/CTS)技术在数据发送之前预留信道，可提高数据传输的可靠性，但是增加了短数据帧的开销，降低了传输效率，因此本发明不予采纳(不予采纳是指不采用，去掉RTS/CTS)。由于多播传输不使用ACK控制帧来作为数据传输成功的响应，这种缺乏反馈的机制大大影响了为用户提供服务的可靠性。现有的速率自适应都只针对单播通信，对单个信道条件进行统计。而多播应用的难点在于接入点AP和多播组内每个移动节点STA间的信道状况是不同的，并且缺乏ACK等反馈机制，AP没有办法知道多播组中每个STA的链路状况。

IEEE802.11标准协议中帧格式如下：

而IEEE802.11标准协议中，帧控制域内类型(Type)与子类型(Sub type)分别取不同值时，对应的MAC工作机制如下表所示：

而IEEE802.11标准协议中，帧控制域内To DS域与From DS分别取不同值时，对应的意义如下表所示：

在正常情况下，帧控制域内的type是管理帧，数据帧还是控制帧，根据不同的帧类型进行处理。接入点AP及移动节点STA根据不同的type类型，来确定采用相应的处理程序。

本发明为了降低短数据帧的开销，提高传输效率，去掉RTS/CTS后，为了能够增加反馈的机制需要使用ACK数据帧的反馈机制，因此接入点AP及移动节点STA工作于多播机制状态时，需要将帧控制域内的帧控制域的类型域设置为10，子类型域设置为0001，并将帧控制域内的To DS域置为0，From DS域置为1。根据上表及上述设置后，使得帧控制域的类型工作于数据帧，并且带有ACK数据帧的反馈机制，移动节点STA能够向接入点AP发送ACK数据帧，接入点AP根据接收到的ACK数据帧能够确保提供服务的可靠性。

如图2所示：当上述设置后，车地通信时的无线多播传输及速率自适应的系统，包括接入点AP及与所述接入点AP无线连接的移动节点STA；所述接入点AP与移动节点STA工作于多播工作机制；接入点AP向移动节点STA发送多播数据流，并接收移动节点STA反馈的ACK数据帧；接入点AP根据ACK数据帧确定相应移动节点STA与接入点AP间的链路通信质量，且接入点AP选择较差ACK数据帧对应的移动节点STA与接入点AP间的链路作为参考链路，并根据参考链路的信噪比调节接入点AP的传输速率。

为了能够对接入点AP与移动节点STA间的速率进行自适应，本发明的通信方法包括如下步骤：

a、接入点AP及移动节点STA工作于多播机制状态，将多播机制对应帧控制域的类型域设置为10，子类型域设置为0001，并将帧控制域内的To DS域置为0，From DS域置为1；如图3中步骤100所示；

b、接入点AP起始以固定速率向移动节点STA发送多播数据流，且接入点AP接收来自多播组内移动节点STA的ACK数据帧；如图3中步骤101所示；

c、接入点AP接收到移动节点STA对应的ACK数据帧后，分析比较ACK数据帧对应移动节点STA与接入点AP间的链路通信质量，并将接入点AP与移动节点STA间通信质量较差的链路选定为参考链路，所述参考链路的信噪比选定参考信噪比；如图3中步骤102所示；

d、接入点AP根据参考信噪比的范围，选择以参考链路对应的最佳传输速率发送多播数据流；如图3中步骤103所示。

上述选择通信质量最差的链路作为参考链路，并将参考链路的信噪比作为参考信噪比，根据参考信噪比的范围，来调整接入点AP的发送多播数据流的速率；由于其他通信链路的通信质量都优于参考链路的通信质量，当根据参考链路的信噪比调整接入点AP的发送速率后，确保车地通信时整体的传输质量。工作时，接入点AP不断重复步骤b～d的过程，以不断调节发送速率，确保整个工作过程中车地通信系统整体的传输质量。

下面以一个接入点AP与三个移动节点STA相连接的状态，来说明本发明接入点AP进行自适应调节速率的过程。

接入点AP接收多播组内移动节点的ACK数据帧的数量不多于多播组内移动节点STA与接入点AP间的通信链路数量，具体地，接入点AP接收到的ACK数据帧的个数为三个或小于三个。

所述接入点AP接收多播组内移动节点STA的ACK数据帧数量与多播组内移动节点STA与接入点AP间的通信链路数量相一致，即接入点AP接收到三个移动节点STA反馈的ACK数据帧时，接入点AP将ACK数据帧对应移动节点STA与接入点AP间最差的通信链路作为参考链路。

接入点AP根据反馈的ACK数据帧来获取对应通信链路的信息方法为对信道信息直接测量和基于信息统计相结合的方式。对信道信息直接测量的方法是直接测量信道的信噪比(SNR)、接收信号强度(RSS)或者误码率(BER)，能快速反应信道状态，这是802.11标准协议本身具备的功能。基于信息统计的方法是在相应时间内发送数据的某些信息，如误帧率、ACK成功接收次数，吞吐量等(所述信息存在于ACK数据帧内)，作为判断无线信道质量的依据。根据ACK数据帧统计信息感知信道状态，通过对不同信道条件某一传输速率下，每10个ACK数据帧做一次统计，对10个ACK数据帧中获取的信号强度做统计平均，得出下表所示信噪比与传输速率对应关系，从而能够自适应地调整多播传输速率，无需修改现有IEEE802.11标准。

调制方式	OFDM	OFDM	OFDM	OFDM	CCK	CCK	DQPSK	DQPSK
									传输速率Mbps	54	48	36	24	11	5.5	2	1
信噪比(S/N)	-68	-70	-75	-79	-83	-87	-91	-94

当得到参考链路的参考信噪比后，根据参考信噪比的范围，来调节接入点AP的发送数量，由于其他通信链路的质量均好于参考链路，因此当调节接入点AP的发送速率后，能够使得整个车地通信系统的传输质量。

所述接入点AP接收多播组内移动节点STA的ACK数据帧的数量小于多播组内移动节点STA与接入点AP间的通信链路数量且接收到ACK数据帧的数量大于一个时，接入点AP将未收到移动节点STA对应的ACK数据帧视为信号质量差放弃，接入点AP选择ACK数据帧对应移动节点STA与接入点AP间通信质量较差的通信链路作为参考链路；

此时，接入点AP根据接收ACK数据帧的情况包括接入点AP和某个移动节点STA或某两个STA间的通信质量太差，导致通信无法进行。若接入点AP接收到两个ACK数据帧时，将未收到ACK数据帧的通信链路视为信号质量差放弃，选择收到两个ACK数据帧中，对应信道条件差的通信链路作为参考链路，接入点AP根据相应的参考信噪比调节发送速率。

所述接入点AP接收多播组内移动节点STA的ACK数据帧的数量为一个时，接入点AP进行避退；避退后，接入点AP没有接收到其他ACK数据帧时，接入点AP进行再次避退；在接入点AP进行再次避退后，若接入点AP接收到其他移动节点STA的ACK数据帧时，接入点AP选择ACK数据帧对应移动节点STA与接入点AP间通信质量较差的通信链路作为参考链路；在接入点AP进行再次避退后，若接入点AP依然没有接收到其他的ACK数据帧时，接入点AP选择当前接收到的通信链路作为参考链路。

退避是为了选择更好的通信速率作为当前的最佳速率，同时为避免冲突而做的行动，其实就是等待一个周期。接入点AP和三个移动节点STA关联，只收到一个ACK数据帧，这种情况下极有可能是误报，因此先退避，也就是再等待一个周期看看情况，如果没收到响应，说明有异常，再进行二次退避，也就是再等待两个周期，如果在两个周期后还能收到ACK数据帧，说明这个移动节点STA与接入点AP间的信道是正常的。

所述接入点AP接收多播组内移动节点STA的ACK数据帧数量为零时，接入点AP进行避退；若接入点AP避退后收到ACK数据帧，则接入点AP选择ACK数据帧对应移动节点STA与接入点AP间通信质量较差的通信链路作为参考链路；

若接入点AP避退后依然没有收到ACK数据帧，接入点AP重新发送多播数据流，发送多播数据流后进行ACK数据帧接收，若接入点AP接收到ACK数据帧时，接入点AP的ACK数据帧对应移动节点STA与接入点AP间通信质量较差的通信链路作为参考链路，若接入点AP依然没有接收到ACK数据帧时，接入点AP视为未有通信链路，不进行多播数据流发送。

当接入点AP与三个以上的移动节点STA进行连接时，接入点AP同样根据接收到的ACK数据帧情况进行类似分析比较，选择通信质量较差的通信链路作为参考链路，根据对应的参考信噪比来调节接入点AP的发送速率，能提升整个车地通信系统的传输质量。

本发明接入点AP与移动节点STA工作于多播机制，不采用请求发送/清除发送机制，采用ACK反馈机制，不会改变接入点AP的结构及传输协议，能够降低短数据帧的开销，提高传输速率，同时通过反馈机制能够提高服务的可靠性；接入点AP对接收到的ACK数据帧进行分析比较后，选择通信质量较差的通信链路作为参考链路，并以参考链路对应的参考信噪比来调节接入点AP的传输速率，避免了接入点AP采用固定速率传输时造成车地通信系统的不稳定及不流畅问题，实现多播速率的自适应。

Claims

1.一种车地通信时的无线多播传输及速率自适应的方法，包括接入点(AP)及与所述接入点(AP)无线连接的移动节点(STA)；其特征是，所述无线多播传输及速率自适应的通信方法包括如下步骤：

(a)、接入点(AP)及移动节点(STA)工作于多播机制状态，将多播机制对应帧控制域的类型域设置为10，子类型域设置为0001，并将帧控制域内的To DS域置为0，From DS域置为1；

(b)、接入点(AP)起始以固定速率向移动节点(STA)发送多播数据流，且接入点(AP)接收来自多播组内移动节点(STA)的ACK数据帧；

(c)、接入点(AP)接收到移动节点(STA)对应的ACK数据帧后，分析比较ACK数据帧对应移动节点(STA)与接入点(AP)间的链路通信质量，并将接入点(AP)与移动节点(STA)间通信质量较差的链路选定为参考链路，所述参考链路的信噪比选定参考信噪比；

(d)、接入点(AP)根据参考信噪比的范围，选择以参考链路对应的最佳传输速率发送多播数据流。

2.根据权利要求1所述的车地通信时的无线多播传输及速率自适应的方法，其特征是：所述接入点(AP)通过信道信息直接测量与信息统计测量相结合方式对接收的ACK数据帧分析后得到移动节点(STA)与接入点(AP)间的链路通信质量。

3.根据权利要求1所述的车地通信时的无线多播传输及速率自适应的方法，其特征是：所述步骤(c)中，接入点(AP)接收多播组内移动节点(STA)的ACK数据帧的数量不多于多播组内移动节点(STA)与接入点(AP)间的通信链路数量。

4.根据权利要求3所述的车地通信时的无线多播传输及速率自适应的方法，其特征是：所述接入点(AP)接收多播组内移动节点(STA)的ACK数据帧数量与多播组内移动节点(STA)与接入点(AP)间的通信链路数量相一致时，接入点(AP)将ACK数据帧对应移动节点(STA)与接入点(AP)间最差的通信链路作为参考链路。

5.根据权利要求3所述的车地通信时的无线多播传输及速率自适应的方法，其特征是：所述接入点(AP)接收多播组内移动节点(STA)的ACK数据帧的数量小于多播组内移动节点(STA)与接入点(AP)间的通信链路数量且接收到ACK数据帧的数量大于一个时，接入点(AP)将未收到移动节点(STA)对应的ACK数据帧视为信号质量差放弃，接入点(AP)选择ACK数据帧对应移动节点(STA)与接入点(AP)间通信质量较差的通信链路作为参考链路；

所述接入点(AP)接收多播组内移动节点(STA)的ACK数据帧的数量为一个时，接入点(AP)进行避退；避退后，接入点(AP)没有接收到其他ACK数据帧时，接入点(AP)进行再次避退；在接入点(AP)进行再次避退后，若接入点(AP)接收到其他移动节点(STA)的ACK数据帧时，接入点(AP)选择ACK数据帧对应移动节点(STA)与接入点(AP)间通信质量较差的通信链路作为参考链路；在接入点(AP)进行再次避退后，若接入点(AP)依然没有接收到其他的ACK数据帧时，接入点(AP)选择当前接收到的通信链路作为参考链路。

6.根据权利要求3所述的车地通信时的无线多播传输及速率自适应的方法，其特征是：所述接入点(AP)接收多播组内移动节点(STA)的ACK数据帧数量为零时，接入点(AP)进行避退；若接入点(AP)避退后收到ACK数据帧，则接入点(AP)选择ACK数据帧对应移动节点(STA)与接入点(AP)间通信质量较差的通信链路作为参考链路；

若接入点(AP)避退后依然没有收到ACK数据帧，接入点(AP)重新发送多播数据流，发送多播数据流后进行ACK数据帧接收，若接入点(AP)接收到ACK数据帧时，接入点(AP)ACK数据帧对应移动节点(STA)与接入点(AP)间通信质量较差的通信链路作为参考链路，若接入点(AP)依然没有接收到ACK数据帧时，接入点(AP)视为未有通信链路，不进行多播数据流发送。

7.一种车地通信时的无线多播传输及速率自适应的系统，包括接入点(AP)及与所述接入点(AP)无线连接的移动节点(STA)；其特征是：所述接入点(AP)与移动节点(STA)工作于多播工作机制；接入点(AP)向移动节点(STA)发送多播数据流，并接收移动节点(STA)反馈的ACK数据帧；接入点(AP)根据ACK数据帧确定相应移动节点(STA)与接入点(AP)间的链路通信质量，且接入点(AP)选择较差ACK数据帧对应的移动节点(STA)与接入点(AP)间的链路作为参考链路，并根据参考链路的信噪比调节接入点(AP)的传输速率。

8.根据权利要求7所述的车地通信时的无线多播传输及速率自适应的系统，其特征是：所述接入点(AP)通过信道信息直接测量与信息统计测量相结合方式对接收的ACK数据帧分析后得到移动节点(STA)与接入点(AP)间的链路通信质量。

9.根据权利要求8所述的车地通信时的无线多播传输及速率自适应的系统，其特征是：所述信道信息直接测量方法包括根据IEEE 802.11协议直接获得对应通信链路的信噪比。