CN104540240A - 无线网络支持车载客户机的接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无线网络支持车载客户机的接入方法包括步骤：①配置网络：为网络中的所有接入点配置相同的网络参数，客户机与接入点关联；②建立上行通信，即客户机向因特网发送报文；③建立下行通信，即因特网向客户机发送报文。本发明1)实现客户机始终与接入网络关联，即与一唯一网络参数的“虚拟接入点”关联，能克服传统切换时的网络中断的问题，实现“无缝切换”，从而能够有效提高网络吞吐率，降低丢包率。2)具有帧确认功能，能够及时发现丢包，并能够利用速率自适应机制根据信道质量调节发送速率，从而能够提高传输效率和信道利用率。

Description

无线网络支持车载客户机的接入方法

技术领域

本发明涉及无线网络的接入方法，具体是一种基于IEEE 802.11标准的无线网络支持车载客户机的接入方法。

背景技术

在现今的各大城市中，基于IEEE(电子电气工程师协会)802.11标准的无线网络(也称WiFi网络)已经得到了广泛部署，成为为无线客户机提供因特网接入的主流技术。但是，用户在行驶的车辆上却无法使用部署在路边的WiFi网络。原因有以下几点：(1)多径衰落、干扰、噪声等因素使得道路环境下的信道质量通常比较差，导致无线客户机通信时的丢包率很高；(2)由于客户机是随车辆高速移动，信道状况动态变化，因此很难使该客户机始终与最佳的接入点关联；(3)每个接入点的覆盖范围有限，客户机的网络连接会因为切换和重新关联而频繁中断。

针对上述问题，有些研究者提出了一些解决办法，如提出无线客户机采用广播的方式发送报文，这样使得多个接入点可以接收报文，从而降低丢包率。但是使用广播的方式发送数据则只能使用最低速率，这会导致信道质量较好时传输效率较低。此外，由于接收节点在成功接收广播报文之后不会回复确认帧，使得发送节点不能及时获知发送是否成功，是否丢包只能由上层协议(如TCP)判断，导致传输效率降低。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的技术问题，提供一种基于IEEE 802.11的无线网络支持车载客户机接入的方法，具有丢包率低、信道利用率高等特点。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种无线网络支持车载客户机的接入方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：

①配置网络：为网络中的所有接入点配置相同的网络参数，客户机与接入点关联；

②建立上行通信，即客户机向因特网发送报文；

③建立下行通信，即因特网向客户机发送报文。

所述的步骤②建立上行通信，具体是：

2.1客户机向因特网发送报文，接入点收到客户机发出的上行报文；

2.2该接入点加入该客户机的多播组，并在骨干网中广播消息，建立以网关为根节点的多播树并在骨干网中广播消息；

2.3上一级节点收到该报文，并判断该报文是否是第一次收到：如果是第一次收到，则向更上一级节点转发；如果之前已经转发过该报文，则直接丢弃。

所述的步骤③建立下行通信，具体是：

3.1客户机的下行报文首先到达网关，网关将其封装成多播报文，并多播的方式发送到客户机对应的多播组；

3.2客户机发送下行报文请求，由多个接入点收到；

3.3该多个接入点对信道进行竞争，并由取得信道使用权的接入点将下行报文发送给客户机，其它没有竞争到信道的接入点在经过一段时间后其接收到的下行报文请求将失效。

所述的网络参数包括：MAC地址、IP地址、ESSID和信道。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)实现客户机始终与接入网络关联，即与一唯一网络参数的“虚拟接入点”关联，能克服传统切换时的网络中断的问题，实现“无缝切换”，从而能够有效提高网络吞吐率，降低丢包率。

2)具有帧确认功能，能够及时发现丢包，并能够利用速率自适应机制根据信道质量调节发送速率，从而能够提高传输效率和信道利用率。

附图说明

图1为多播组建立过程。

图2为上行报文传送过程。

图3为下行报文传送过程。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

一种基于IEEE 802.11的无线网络支持车载客户机接入的方法，包括以下步骤：

1)配置网络：为网络中的所有接入点配置相同的网络参数，包括：MAC地址、IP地址、ESSID和信道。

2)上行通信：指客户机向因特网发送报文。客户机发送报文时，其通信范围内的多个接入点都可以接收报文，成功接收的接入点将报文传递到网关节点；

接入点网组织成树形拓扑，成功接收的接入点将报文发送到上一级节点，上一级节点判断该报文是否是第一次收到。如果是第一次收到，则向更上一级节点转发；如果之前已经转发过该报文，则直接丢弃。

所述接入点内部设有25兆字节以上的缓存，用于存储客户机尚未接收的下行数据报文。

将接入点配置为相同的网络参数，形成一个“虚拟接入点”。客户机关联到这个虚拟接入点。客户机向虚拟接入点发送的报文可能有多个接入点接收到，成功接收报文的接入点回复确认帧。客户机可根据报文接收情况调节发送速率。如果中间节点收到了之前已经转发过的报文，那么就将该报文丢弃。对于TCP(传输控制协议)报文，可以根据五元组<源IP地址，源端口，目的IP地址，目的端口，序列号>判断报文是否已经转发过；对于UDP(用户数据报协议)报文，可以根据五元组<源IP地址，源端口，目的IP地址，目的端口，检验和>判断报文是否已经转发过。

多播组建立：对于IP地址为10.A.B.C的客户机，其对应的多播组的IP地址为239.A.B.C。一旦某个接入点收到了这个客户机发出的报文，这个接入点就会自动加入该客户机对应的多播组。由于客户机在移动，与这个接入点地理位置邻近的其他接入点也很可能在稍后的时间与这个客户机通信。地理位置邻近的接入点通常情况下在骨干网中属于同一个骨干网广播域，因此该接入点在骨干网中广播一条消息，收到该消息的节点加入这个多播组。接入点的父节点加入多播组后再向它自己的父节点发一条通知消息，以此反复，直到以网关为根节点的多播树建立起来。多播组建立的过程如图1所示。

S1：接入点1收到客户机发出的上行报文；

S2：接入点1加入对应客户机的多播组；

S3：接入点1在骨干网中广播消息，接入点2和父节点收到；

S4：接入点2加入客户机的多播组；

S5：父节点加入客户机的多播组；

S6：接入点2在骨干网中广播消息，接入点1和父节点收到；

S7：父节点向骨干网中广播消息，网关收到；

S8：网关加入客户机的多播组。

上行报文传送过程如图2所示。

S9：接入点1和接入点2都收到客户机发出的上行报文；

S10：接入点1将上行报文转发给父节点；

S11：父节点判断该报文是第一次收到；

S12：父节点将上行报文转发给更上一级节点，即网关；

S13：接入点2将上行报文转发给父节点；

S14：父节点判断该报文不是第一次收到，直接丢弃；

3)下行通信：指因特网向客户机发送报文。来自因特网的报文到达网关后，网关节点将该报文以多播的方式发送到一组接入点并由这些接入点缓存，客户机周期性地发送下行报文请求，这一组接入点中收到下行报文请求的接入点将报文发送给客户机。

每个客户机接入网络时都被分配一个A类私有IP地址，网关需要运行网络地址翻译(NAT)服务使其能与因特网通信。此外，网关还需为每个客户机维护一个序列号来记录该客户机下行报文的数量。序列号初始时为0。当一个报文从因特网到达网关时，网关首先查看映射表来确定客户机的IP地址(假设为10.A.B.C)。接下来，网关用新的IP头将报文封装起来，封装后的报文目的地址为239.A.B.C。网关还将序列号写入新IP头的可选字段，并将所维护的对应客户机的序列号加1。

新封装的报文通过多播方式发送，并由多播组成员缓存。由于不确定哪个接入点是传送该报文的最佳选择，因此客户机需要按顺序从一组接入点中申请获得自己的下行报文。客户机发送一个被称为“下行报文请求”的数据链路层帧，其中指明了下行报文的序列号。在收到请求序列号为n的下行报文的帧后，接入点查看其缓存中是否有序列号为n的报文。如果有，接入点就把为了多播而加的新IP头去掉，并立即将这个报文发送给客户机。由于无线链路具有较强的对称性，这时客户机能成功接收该报文的概率很大。如果有多个接入点收到同一个下行报文请求，这些接入点就将以竞争的方式占用信道，取得信道使用权的接入点将向客户机发送数据报文。如果一个接入点没有能够占用信道，那么它将继续缓存数据报文，但是经过一段时间后，之前收到的下行报文请求将失效，即这个接入点在收到新的下行报文请求之前不再尝试发送这个数据报文。这样设计有两个原因：一是另一个接入点很可能已经将这个报文发送给客户机；二是由于信道具有很弱的时间关联性，所以信道质量很可能已经变化，以致无法保证传输成功。下行报文请求的有效时间等于报文传输时间，即用报文长度除以发送速率得到。根据链路对称性，报文发送速率等于下行报文请求的发送速率。

如果客户机发送下行报文请求之后没有收到相应的数据报文，它将重复发送这个下行报文请求。如果客户机成功收到相应的数据报文，则将下一个下行报文请求中的序列号加1。接入点查询自己的缓存中对应该客户机序列号更大的报文有多少，将数目附带在数据报文中，这样客户机就能够知道接入点的缓存中还有多少未接收的数据报文。如果有尚未接收的数据报文，客户机就会立即发送另一个下行报文请求；否则，客户机在如下情况下发送下行报文请求：将下行报文请求附带在上行报文之后发送，若没有上行报文则间隔30毫秒后发送。

一旦接入点成功交付了下行报文，它就将这个报文连同序列号更小的报文从缓存中清除，同时接入点向多播组成员发送一条消息，通知它们删除相应的报文。因此，多播组中所有的接入点是同步的，不会为客户机存储无用的数据报文。每当收到一个上行报文或下行报文请求，接入点都向多播组发送一条“保持活跃”消息。如果一个接入点在连续3秒内没有收到某个客户机相应的上行报文、下行报文请求或保持活跃消息，那么该接入点将删除所有为这个客户机缓存的报文并退出这个客户机对应的多播组。

下行报文传送过程如图3所示。

S15：客户机的下行报文首先到达网关；

S16：网关将客户机的下行报文封装成多播报文；

S17：网关以多播的方式将下行报文发送到客户机对应的多播组；

S18：客户机发送下行报文请求，接入点1和接入点2收到；

S19：接入点2竞争到信道，将客户机的下行报文发送给客户机；

S20：接入点1因为没有竞争到信道，所以经过一段时间下行报文请求失效。

通过仿真实验验证，采用本发明后的网络吞吐率能够比传统方法提高100％至200％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种无线网络支持车载客户机的接入方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

①配置网络：为网络中的所有接入点配置相同的网络参数，客户机与接入点关联；

②建立上行通信，即客户机向因特网发送报文；

③建立下行通信，即因特网向客户机发送报文。

2.根据权利要求1所述的无线网络支持车载客户机的接入方法，其特征在于，所述的步骤②建立上行通信，具体是：

2.1客户机向因特网发送报文，接入点收到客户机发出的上行报文；

2.2该接入点加入该客户机的多播组，并在骨干网中广播消息，建立以网关为根节点的多播树；

2.3上一级节点收到该报文，并判断该报文是否是第一次收到：如果是第一次收到，则向更上一级节点转发；如果之前已经转发过该报文，则直接丢弃。

3.根据权利要求1所述的无线网络支持车载客户机的接入方法，其特征在于，所述的步骤③建立下行通信，具体是：

3.1客户机的下行报文首先到达网关，网关将其封装成多播报文，并多播的方式发送到客户机对应的多播组；

3.2客户机发送下行报文请求，由多个接入点收到；

3.3该多个接入点对信道进行竞争，并由取得信道使用权的接入点将下行报文发送给客户机，其它没有竞争到信道的接入点在经过一段时间后其接收到的下行报文请求将失效。

4.根据权利要求1所述的无线网络支持车载客户机的接入方法，其特征在于，所述的网络参数包括：MAC地址、IP地址、ESSID和信道。