专利名称：用于最小化无线网络中的包传输丢失的方法和装置的制作方法
技术领域：
本公开总体上涉及无线通信环境中的包传输(packet transmission)领域，特别涉及依赖于通信链路的当前状况来改变无线设备中的包传输速率。
背景技术：
无线网络包传输速度和范围的新发展已经使得众多新的激动人心的广域音频和 /或视频应用得以实现。例如，在办公室和寄宿制校园环境中安装无线移动监视网络来改善安全性和紧急响应时间，在城市街道、石油和矿山领域、仓库和工厂楼层中用于监视，如今这是实用的。无线IPTV已经出现以实时地到达街头大量的移动手持设备中，并且基于 Web2. 0，富含多媒体的计算和通信正活跃于智能无线设备上以用于即时信息共享和检索。 为了保持高水平的性能，这种无线、多媒体应用的典型目标是就传输速率和帧接收成功率 (接收到的帧/时间周期)的乘积而言，使吞吐量最大化。和使用无线移动设备来接收多媒体信号相关联的一个问题是传输设备和接收设备之间的无线电链路的状况会依赖于其中一个或两个设备是否处于运动中、依赖于环境条件以及与以同一频带正在进行广播的其他设备的接近度而改变。信号变化的状况大部分归因于其他无线设备的干扰、对环境中存在的无线电信号的阻碍，且归因于传输设备和接收设备之间的距离。为了适应变化的信号状况，已开发出在运行多媒体应用程序的无线移动设备上实施的无线传输技术，以便以多个不同的传输速率进行操作，而根据对干扰的速率敏感度，这些不同传输速率中的一部分可以使用不同的调制方案。因此，举例而言， 对于相对较低的链路速率而言可以使用BPSK调制方案(该方案在存在干扰时是稳健的 (robust))，而对于高的链路速率而言，可采用在存在多径失真时是稳健的OFDM作为调制方案。此外，QPSK调制方案适于更高的链路速率并以更高的功率进行操作，因此信号可被传送更大的距离。基于无线技术(例如IEEE 802. 11标准)的若干无线音频/视频应用是可用的。 已将802. 11标准扩展成能提供许多不同的链路速率，可以以这些链路速率来对信号进行传输。因而，举例而言，可以以1Mbps，2Mbps，5. 5Mbps或IlMbps来传输802. lib信号，其中传输速率很大程度上依赖于接收机处测量到的信号噪声/干扰比(SINR)。采用动态速率控制方法来进行SINR测量并自动改变传输速率，以便最大化吞吐量。这种动态速率控制方法被典型地称作自动传输速率适配或简言之速率适配。随着SINR的增加，速率适配方法可操作以自动增加包传输速率。速率适配方法通常会相当好地达到其设计目标，只在细节上有所不同关于如何估计和预测信道质量，关于如何测量丢帧率，以及如何增减信道速率。通用的吞吐量评估工具(例如，通过过载(blast)UDP或TCP业务量而导出吞吐量的iperf)确实报告了好的吞吐量结果。虽然该速率适配方法对于非实时业务而言运转良好，但对于实时业务而言却未必。对于实时业务传递，最优吞吐量或信道速率帧成功率(channel-rate frame-success-ratio)乘积并不必然会转换成最佳视频回放质量。实际上，例如，所有的现有速率适配方法对于视频流而言执行得都很差。因为过多的随机帧丢失，在回放中经常观察到视频拼接(video mosaic) 0因为失去同步的原因，经常有大块的和摇摆的图像，所述失去同步后跟有对视频源的漫长的再同步。主要问题在于，当两个临近的速率之间的间隙大时，即使包丢失率相对高，速率适配方法仍然支持更高的速率。例如在IEEE 802. 11标准中，和6Mbps包传输速率时可能的最大吞吐量(包丢失率为0)相比，在9Mbps包传输速率时总的吞吐量(或信道速率帧成功率乘积)是更高的，但包丢失率达到38%。结果，即使包丢失率高达23 % 38 %，在考虑下一个较低速率之前，所有的现有吞吐量优化速率适配方法都选择更高的包传输速率。因此，无线网络趋向于稳定在这样的状态中，即由端到端实时传送所感知的包丢失率比有线网络中的包丢失率高几个数量级。被设计成优化有线网络(其中包丢失的发生率通常低得多)中的吞吐量，现有的视频解码器不能在无线网络(其中包丢失的发生率高)中操作，以处理视频信息的实时流使得视频为高且在播放时没有伪像。相对于总的包吞吐量，对于无线实时多媒体应用的最优操作来说，包延迟和包丢失是要管理的更重要的参数。因此，不考虑现有的基于吞吐量的速率适配方法的局限性，如果设计速率适配方法所依据的模型是基于对无线实时多媒体应用的最佳操作来说最关键的参数(即包延迟和包丢失参数)，则将是有利的。
发明内容
实施基于包传输丢失参数来选择包传输速率的速率适配方法显著地降低了传输期间丢失的包的数量，其具有改善视频回放质量的有益效果。可基于包传输延迟预算来计算包传输丢失参数，其中，根据视频应用程序指定的包延迟需求来选择和分配所述包传输延迟预算。在一个实施方式中，通过使用包延迟和包丢失预算来针对无线设备支持的每个传输速率预计算(pre-calculate)包重试限制和包传输丢失率限制，无线移动多媒体设备实施用于自动适配包传输速率的方法；将传输速率之一选定为初始传输速率，并将用于所选传输速率的计算后的包重试限制选定为初始限制；某一时间段内所有包传输的失败和成功被检测和存储，并用于计算当前包传输丢失率；当前包传输丢失率和预计算的包传输丢失率限制相比较，如果计算后的当前包传输丢失率高于初始设置的包传输丢失限制，则将初始包传输速率改变为较低速率。
图1为显示无线网络和相关联的移动无线设备的图示。图2为显示实现本发明需要的功能的无线路由器框图。图3为本发明方法的逻辑流程图。
具体实施例方式诸如图1中的WN 10之类的无线网络典型地被部署在通过有线方式链接网络设备是有问题的环境中，或者被部署在与部署有线网络相比仅仅是方便和适宜部署无线网络的环境中。无线通信网络被部署在建筑物内，部署在例如校园环境中彼此邻近的建筑物之间， 以及部署在大城市区域中以支持大城市安全组织的移动通信。依赖无线通信网络的其中一个缺点在于，由无线网络基础架构设备收发的信号遭受不同类型的干扰(通常是多径、其他无线信号、或者RFI)，并且由于进出该无线网络基础架构设备的范围，信号强度或者增强或者恶化。为了减轻这些问题，已扩展了诸如802. 11和802. 16家族标准之类的无线传输技术，以通过使用多个不同的调制方案来支持多个包传输速率。因此，例如IEEE 802. Ilb标准详述了对1Mbps、2Mbps、5. 5Mbps和IlMbps传输速率的支持，其中，可根据移动设备所处的环境并根据该移动设备距离无线网络接入点或路由器有多远来选择其中的每种速率。速率适配方法存在并在无线、移动设备中实施，其中，根据信噪比测量值或信号强度测量值， 所述无线、移动设备将包传输速率由当前传输速率自动改变为新的传输速率。虽然这种速率适配方法对于某些类型的音频通信和文件传输应用来说运行良好，但是它们没有被设计成与实时视频应用一起操作。与实时视频应用对网络的整个吞吐量的敏感性相比，实时视频应用典型地对包延迟和包丢失更加敏感，因此被设计成用于优化吞吐量的速率适配方法通常在与实时视频应用一起运行时明显不佳。图1示出了无线通信网络(WN 10)，其包括视频监视器11、视频摄像机13、无线移动通信设备14、两个无线路由器12A和12B以及无线接入点(AP) 15。无线路由器12A和 12B以及无线AP 15中的任何一个都能够收发视频包、语音包、数据包和诸如管理信息之类的其他信息包。路由器12A和12B可被配置为网状网络拓扑或点对点拓扑；不论如何，此处采用的特定网络拓扑对于本发明的操作来说并不重要。WN 10可以是任意类型的公共网络或者专用网络，例如诸如由政府机构操作的蜂窝网络或者城市网络。虽然本发明被描述成在使用IEEE 802. 11标准协议的无线通信设备中实施，但是本发明能够结合许多其他无线通信协议而容易地实施。无线通信设备14可以是移动电话，或者是能够收发视频、音频或其他信息的任意智能无线通信设备。总的来说，WN 10操作以支持由诸如设备14之类的无线通信设备建立的无线通信会话。WN 10操作以支持由诸如视频摄像机13之类的设备捕获的视频信息包的传输，并且它操作以支持由其他类型的捕获或通信设备生成或传送的信息、视频或音频的传输。特别地，例如，包括在WN 10中的路由器12A和12B以及AP 15都能够被配置成支持由能够在视频捕获设备13或者移动通信设备14上运行的实时视频应用程序生成的视频信息包的传输。路由器12A和12B、AP 15和移动通信设备14都能够根据 802. Ilb协议或被设计成以两个或更多个不同的包传输速率进行操作的其他任何合适的无线协议，来支持包的传输。根据本发明的一个实施方式，路由器12A和12B、AP 15和移动通信设备14中的每一个都包括新颖的包传输速率适配方法，该方法操作以支持由实时视频应用程序(例如，视频会议应用程序、移动电话上运行的视频捕获应用程序、视频监视或 VoIP)生成的视频包的传输，使得包传输丢失率最小化。图2显示了执行本发明的方法所需的功能元件。虽然将在无线路由器20上下文中描述本发明，但本发明也能够在移动通信设备或无线接入点(例如之前参照图1描述的那些)中实施。无线路由器20包括收发信机或无线电设备21、处理器22、存储器23和网络接口连接元件27，所有这些都是通过系统总线来彼此进行通信。在其他部件中，存储器23 包括介质接入控制(MAC)模块Μ、操作系统模块25和实时视频处理应用程序模块沈，该实时视频处理应用程序模块沈例如可以是视频会议应用程序、集成的视频监视应用程序或长期安全视频监视记录应用程序。总的来说，处理器22采用存储于操作系统模块25中的指令，来运行路由器20操作所需要的各种功能。收发信机21操作以向无线介质传送信号/从无线介质接收信号，并且典型地实施通常称作802. 11物理层的功能。该物理层可以包括支持以多种不同的传输速率来传输信息包的功能，其中使用不同的调制方案(例如，公知的BPSK、QPSK或OFDM调制方案)来实施多种不同传输速率中的一些或所有速率。正如之后将详述的那样，物理层功能在MAC 24的控制下操作，以便以传输速率来传送包，使得最小化包传输丢失率。继续参见图2，为了捕获视频信息、将视频信息转换为路由器20能处理的形式， 视频应用程序26包括路由器20所需要的所有功能，所述视频信息转换例如是编码/解码视频信息、对该视频信息进行分帧和分包以及通常准备要通过无线介质进行传送的视频信息。该应用程序能够在视频会议系统或视频捕获应用程序上运行，所述视频捕获应用程序在移动电话或一些其他类型的智能移动通信设备上运行。正如前面描述的那样，本发明的方法在MAC M中实施，特别地，它在与之后将详述的MAC M相关联的管理实体24A中实施。典型地，某些包传输参数被指定用于实时视频应用程序，这些参数应当被满足以便该应用程序以最优方式进行操作。这些参数之一是最大包延迟(Dmax)值，另一个参数是最大包丢失(Lmax)值。包延迟(D)指的是一个包传输的结束与下一个包传输的开始之间的时段。依赖于信道状况，此延迟可以是更长或更短的时段，并且很大程度上依赖于传输成功之前，不得不重发包或帧的次数。因此，例如，在嘈杂环境中，在其成功传输之前有必要将特定的包重发五次，或者在信道状况良好的情况下，包在第一次尝试下就可以成功传送，所以该延迟将会短很多。包丢失(L)指的是在特定时段内未被成功传输的包的数量，且可被表述为包传输丢失率。本发明的新颖的包传输速率适配方法操作以最小化丢失包的速率，同时为实时视频业务保持可接受的包传输速率。另外，本发明的方法操作以自适应地改变包传输速率(Ratei),作为当前包丢失率(L)的直接结果以及间接作为所选的最大包延迟参数 (Dmax)的结果。正如下面将描述的那样，对于WN 10支持的每个Ratei,Dmax用于在不违反指定Dmax参数的情况下，计算重发单个包的最大次数(Ni)。然后，给定针对特定Ratei的计算后的Ni和最大包丢失参数或预算(Lmax)，可计算出用于包丢失率(Li)的上边界或限制。 下面描述的两个等式用于计算Ni和Li的值。为了实施本发明的方法，Dmax和Lmax的值被分发给包括在WN 10中的每个通信设备(诸如路由器20)，并由每个设备使用以计算由新颖的速率适配方法所采用的Ni和Li值。针对特定应用程序所指定的Dmax值可存储于路由器20的存储器23中，并且是该新颖的速率适配方法结合等式1来计算最大重发值(Ni)的限制。等式1示为等式
权利要求
1.一种用于控制无线通信设备中的包传输速率的方法，该方法包括为多个包传输速率中的每个速率计算包重发限制值和包传输丢失率限制值；从所述多个包传输速率中选择当前包传输速率，并将所述无线通信设备设置成以该初始速率进行传送；将初始的包重发限制设置成与所选的初始包传输速率相关联的所计算的重发限制；检测指定时段内的包传输失败和成功，并将失败次数存储为失败值以及将成功次数存储为成功值；使用所存储的包传输失败值和成功值来确定当前包传输丢失率；将所述当前包传输丢失率和与所选的包传输速率对应的所计算的包传输丢失率限制相比较；以及如果所述当前包传输丢失率小于所述所计算的包传输丢失率限制，则将所述包传输速率变为更高的包传输速率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述包包括语音信息、视频信息和数据信息中的“"者 ο
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述无线通信设备是无线路由器、无线接入点和移动通信设备中的一者。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述包重发限制值小于指定的最大包延迟值，并且所述包传输丢失率限制值小于指定的最大包丢失限制。
5.根据权利要求1所述的方法，其中改变所述包传输速率进一步包括在所述当前包传输速率和所述更高的包传输速率之间对施加到一个或多个包上的包传输速率进行交替， 直到所述当前包传输丢失率经比较小于针对所述更高的包传输速率的所述所计算的包传输丢失率为止。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，在期间检测传输失败和成功的指定时间段等于传送所选数量的包所花费的时间。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，如果所述当前包传输丢失率经比较大于所述所计算的包传输丢失率，则所选的包数量大于预先确定的包数量。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，如果所述当前包传输丢失率经比较小于所述所计算的包传输丢失率，则所选的包数量小于预先确定的包数量。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述预先确定的包数量为6。
10.一种无线通信设备，该无线通信设备包括收发机；处理器；以及包括通信模块和MAC模块的存储器，该MAC模块对由所述通信模块生成的信息包进行操作以为多个包传输速率中的每个速率计算包重发限制值和包传输丢失率限制值；从所述多个包传输速率中选择当前包传输速率，并将所述无线通信设备设置成以初始速率进行传送；将初始的包重发限制设置成与所选的初始包传输速率相关联的所计算的重发限制；检测指定时段内的包传输失败和成功，并将失败次数存储为失败值以及将成功次数存储为成功值；使用所存储的包传输失败值和成功值来确定当前包传输丢失率；将所述当前包传输丢失率和与所选的包传输速率对应的所计算的包传输丢失率限制相比较；以及如果所述当前包传输丢失率小于所述所计算的包传输丢失率限制，则将所述包传输速率变为更高的包传输速率。
11.根据权利要求10所述的无线通信设备，其中所述包包括语音信息、视频信息和数据信息中的一者。
12.根据权利要求10所述的无线通信设备，其中所述无线通信设备是无线路由器、无线接入点和移动通信设备中的一者。
13.根据权利要求10所述的无线通信设备，其中包重发限制值小于指定的最大包延迟值，并且所述包传输丢失率限制值小于指定的最大包丢失限制。
14.根据权利要求10所述的无线通信设备，其中改变所述包传输速率进一步包括在所述当前包传输速率和所述更高的包传输速率之间对施加到一个或多个包上的包传输速率进行交替，直到所述当前包传输丢失率经比较小于针对所述更高的传输速率的所述所计算的包传输丢失率为止。
15.根据权利要求10所述的无线通信设备，其中，在期间检测传输失败和成功的指定时间段等于传送所选数量的包所花费的时间。
16.根据权利要求15所述的无线通信设备，其中，如果所述当前包传输丢失率经比较大于所述所计算的包传输丢失率，则所选的包数量大于预先确定的包数量。
17.根据权利要求15所述的无线通信设备，其中，如果所述当前包传输丢失率经比较小于所述所计算的包传输丢失率，则所选的包数量小于预先确定的包数量。
18.根据权利要求15所述的无线通信设备，其中所述预先确定的包数量为4-23范围内的任意包数量。
全文摘要
一种无线通信设备，例如无线路由器或接入点，其根据若干标准或私有无线协议中的任一个来传输和接收信号，并根据其在其上收发信号的链路或信道的状况来自动适配其传输速率。包延迟值用于计算给定特定应用时可接受的包重发的最大数量。包重发值用于计算最大的可接受包丢失值，之后将该值与实际的包丢失相比较以确定是否改变包传输速率。如果确定实际的包丢失小于最大的可接受值，则可将包传输速率改变成更高速率，以及如果确定实际的包丢失大于最大的可接受值，则可将包传输速率改变成更低速率。
文档编号G06F11/00GK102239474SQ200980138232
公开日2011年11月9日 申请日期2009年7月30日 优先权日2008年7月30日
发明者H·罗, J·范 申请人:安移通网络(开曼群岛)公司