无线网路的群播封包传送方法

专利名称：无线网路的群播封包传送方法
技术领域：
本发明是有关于一种封包传送方法，且特别是有关于一种无线网路的封包传送方法。
背景技术：
近年来，无线网路系统(Wireless Network)如无线区域网路(WLAN)，无线都会网路(WMAN)相继发展出来，网路的布建也陆续的完成并提供服务，其中封包语音及封包视讯(Packet Voice/Video)被视作是无线网路系统上最重要的应用服务项目之一。然而，在无线网路系统上提供即时通讯服务(Real-time Communication Services)却面临数个挑战，例如无线手持装置多半使用电池供电，耗电(Power Consumption)问题需要克服；另外即时通讯系统的视讯与音讯资料多半为定时产生且较小的封包，对于无线网路系统的频宽利用将会造成相当程度的影响。
反观无线网路系统的设计多半以传递资料封包(Data Packet)为主，并未针对即时通讯封包(Real-Time Packet)的传递进行最佳化的改进。即时通讯封包的特性未能完全利用在无线网路系统的设计上，例如即时通讯多半可以容忍若干程度的封包掉落，利用额外频宽来达到可靠性的传输将不是传送语音封包时的最重要考量。因此，若能提升网路频宽使用容量以及改善手持装置的耗电，将有助于发展无线网路环境的即时通讯服务。
标准802.11的运作流程如图1所示，行动通讯装置(Mobile Station，MS)在传送封包时，如果无线媒介有其他行动通讯装置正在使用，则行动通讯装置会等待直到无线媒介无人使用，然后再等待一个分散式协调介接空间(DCF Interframe Space，DIFS)，开始倒数竞争视窗(Contention Window，CW)。当竞争视窗倒数至0之后便开始传送，如要求传送(RTS)、确定传送(CTS)等控制封包，或资料(Data)及切割(Fragmentation)封包(如Frg#1与Frg#2)。在接收端接收到正确封包之后，会在经过一个短介接空间(ShortInterframe Space，SIFS)之后送出回应(ACK)封包给发送端。
请参阅图2所示，其为一种使用即时通讯服务于无线网路的系统架构图。如图2所示，在无线网路端，一或多个无线网路装置202、204通过无线网路存取器(Access Point)210与有线网路端相连以存取网际网路(Internet)230。以上行即时通讯封包(uplink real-time frame)为例，封包首先通过无线网路存取器210送至同一区网的路由器(Router)220，接着路由器220便将此封包经由网际网路230送至另一端与其进行即时通讯服务的节点(correspondent node)240。而以下行即时通讯封包(downlinkreal-time frame)而言，封包首先经由网际网路230送至路由器220，接着路由器220将此封包经由无线网路存取器210送至无线网路装置202或204。
以目前的技术来看，在要使用无线网路环境传递即时通讯封包时，最简单的作法是永远启动网路卡，使其永远可以收送封包。但是这样的设计将使得网路卡即使在不传递封包时，仍然需要消耗电力。一种改善耗电的作法是将无线网路启动在睡眠状态，当有封包需要传送时，再唤醒无线网路装置加以传送，这种方法一般称为PS-Poll传送机制。请参阅图3所示，其为以PS-Poll机制在无线网路中传递即时封包的封包时序图及相应的能量消耗示意图。如图3所示，无线网路装置(STA)在进行相关联结注册动作后，便可进行上行与下行即时通讯封包的传输。在上行即时通讯封包(ULVoice Packet)送出后，无线网路装置由于需判断该封包是否该重送，因此需继续等待无线网路存取器(AP)的回应封包(ACK)。此外，由于无线网路装置处于省电模式下，对于下行即时通讯封包(DL Voice Packet)需通过PS-Poll将存放于无线网路存取器缓冲区的封包取回。同样的，为使无线网路存取器判断该封包是否该重送，无线网路装置尚须送出回应封包至无线网路存取器以使其确认此封包正确被收到。据此，为使即时通讯封包达到可靠性传输，将需要多耗费两个短介接空间(SIFS)与两个回应封包，因此将使得耗电与网路频宽使用容量上的提升均受到限制。
若以802.11e所定义的非排序自动省电传输机制(Unscheduled-Automatic Power Saving Delivery，U-APSD)来传递即时通讯封包，则可以更进一步改善PS-Poll传送机制的耗电。请参阅图4所示，其为以U-APSD机制在无线网路中传递即时封包的封包时序图及相应的能量消耗示意图。与图3相较，图4所示的机制少了一个PS-Poll的封包，其余部分与图3类似，在此不予详述。
为达更佳的省电效果，除了上述的省电传输机制之外，目前已更进一步发展出许多相关的媒体控制技术。然而，该些省电机制有些会修改到802.11的传送机制，而与标准不相容；有些受限于量测或是评估的结果而有不同的省电效果；有些则为了省某一部分的耗电而造成其他部分的耗电；有些则为达省电效果而造成其他影响，如传送效能(Throughput)降低、或断线。
为避免上述的缺点，发明人先前曾提出利用群播方式来传递即时通讯封包的技术。且经实验证明，该等技术的确能有效减少电量的损耗。然而，在标准规格中，群播封包的传递并不进行封包确认的动作，因此在确保通讯品质上仍有改进的空间。
换言之，目前对于省电方面所进行的各项努力，都有其缺失所在。尤其部分的省电机制会因为与标准不相容而造成使用上的不便。因此，现有的技术并无法有效的解决即时通讯上所遭遇到的问题。

发明内容
根据上述，本发明的目的就是在提供一种无线网路的封包传送方法，此种封包传送方法藉由802.11标准定义的群播机制来传送即时性通讯服务的封包，在相容性上，是与标准相容，同时并不会受限于评估或量测的准确性而影响，也不会以增加其他部分耗电的方式来达到省电效果，更不会造成移动装置的其他影响，通过本提案的省电技术除了达到省电效果之外，还可增加整个网路系统的频宽使用容量。
为达成上述目的，本发明提出一种无线网路的群播封包传送方法，其在第一传送端用以群播的下传封包中加入一个碰撞次数，而接收此下传封包的第二传送端则根据此碰撞次数来决定上传封包的退后时间。
在本发明的一个实施例中，碰撞次数最初是根据下传封包的重新传送次数而定。
在本发明的一个实施例中，更在第一传送端用以群播的下传封包中加入一个第一确认序号，之后发出包括此第一确认序号的下传封包至第二传送端，最后再根据发出此下传封包后所接收到的由第二传送端所传送的上传封包中的第二确认序号，判断是否需重传此下传封包。
在本发明的一个实施例中，第二传送端于接到下传封包后即取出下传封包的封包序号做为前述的第二确认序号，将此第二确认序号加入上传封包中，再传送包括第二确认序号的上传封包。
在本发明的一个实施例中，第一传送端在第二确认序号与前次下传的下传封包的封包序号不同时，即从后续经过适当排程(Schedule)的下传封包，进行重传操作。
在本发明的一个实施例中，第一传送端使用一个通讯通道来传送下传封包，且第二传送端可使用同一个通讯通道的反向链结来传送上传封包。
综上所述，本发明利用碰撞次数的传递直接提供了网路环境是否拥挤的现况，据此而定的退后时间将能有效的减少封包间碰撞的机会。此外，原本通讯协定中的资料封包提供了确认封包传送的参数，藉此将能在不增加网路负担的前提下改善群播封包的传送品质。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。


图1为标准802.11的运作流程。
图2为一种使用即时通讯服务的无线网路的系统架构图。
图3为以PS-Poll机制在无线网路中传递即时封包的封包时序图及相应的能量消耗示意图。
图4为以U-APSD机制在无线网路中传递即时封包的封包时序图及相应的能量消耗示意图。
图5为一种无线网路的系统架构图。
图6为根据本发明一实施例的无线网路的群播封包传送方法的状态变化流程示意图。
图7为根据本发明另一实施例的无线网路的群播封包传送方法的状态变化流程示意图。
图8为802.11的单播模式与本发明一实施例在同样传递1000笔资料时的耗电量曲线图。
图9为802.11的单播模式与本发明一实施例的传送延迟时间曲线图。
图10为802.11的单播模式与本发明一实施例的系统容量-耗电量曲线区。
图11为802.11的单播模式与本发明一实施例的封包掉失率曲线图。
图12为802.11的单播模式与本发明一实施例的整体耗电量曲线图。
202、204、510、520、530无线网路装置210、500无线网路存取器220路由器230网际网路240节点S600～S640本发明一实施例的施行步骤S700～S730本发明另一实施例的施行步骤具体实施方式
以下将以无线区域网路(WLAN)来进行说明，但本发明的内容适用于各种无线网路系统，不限于使用在无线区域网路之中。此外，虽然实施例将以群播的即时通讯封包为本体来解释，但此技术亦可运用于非即时通讯的封包或其他具备群播类似传送行为的机制中。
请参阅图5所示，其为可运用本发明的一种无线网路的系统架构图。在此无线网路系统中，行动通讯装置(Mobile Station，MS)510、520或530若要与其他的行动通讯装置沟通讯息，一般是通过无线网路存取器(Access Point，AP)500做为讯息的集中传播站。举例来说，当行动通讯装置510要与530沟通讯息时，行动通讯装置510会先将讯息传送至无线网路存取器500，之后再由无线网路存取器500将讯息传送至行动通讯装置530。对于行动通讯装置510、520或530而言，从无线网路存取器500接收讯息或资料称为下传(downlink)，而从行动通讯装置510、520或530传送讯息至无线网路存取器500则称为上传(uplink)。
而根据无线网路通讯标准，每一个封包(上传或下传)都会有一个特定的封包序号以代表封包之间的产生次序。本发明可利用此封包序号，利用被称为背负式回应(piggyback ACK)的方式，达成省电及提高传输可靠度的双重目的。
在本发明的一个实施例中，在无线网路存取器(AP)以群播(multicast)方式下传一个封包(后称下传封包)之前，除了本身的封包序号之外，还会先在这个下传封包中加入一个预先定义好的确认序号(可使用前次接收到的上传封包的封包序号)。而在将确认序号加入下传封包之后，无线网路存取器(AP)就会发出此下传封包。接下来，无线网路存取器(AP)会根据从此一下传封包的目的地所上传过来的封包(后称上传封包)内所附加的确认序号，判断是否需要将先前传送的下传封包再重传一次。此种利用上传的资料封包来一并进行封包传送确认的方式，就是本发明中所说的背负式回应。
为使此技术领域者能更清楚本发明的技术内容，接下来将根据图5与图6来进行说明。请参阅图5与图6，其中，如图6为根据本发明一实施例的无线网路的群播封包传送方法的状态变化流程示意图。为简化说明，以下将以封包(k)代表封包序号为k的封包。
如图6所示，当无线网路存取器(AP，假设为图5中的无线网路存取器500)发出一个下传封包(n)到行动通讯装置(MS，假设为图5的行动通讯装置510)的时候，会使此下传封包(n)进一步携带一个确认序号m-1(步骤S600)。其中，此确认序号m-1原则上可以使用前一次从行动通讯装置510所接收到的上传封包的封包序号，但当然也可以是另行定义的一组号码。
假若下传封包(n)顺利的被行动通讯装置510接收到了，则行动通讯装置510会在发送至无线网路存取器500的上传封包(m)中，加入此一封包序号n以做为回传的确认序号。接下来，此封包(m)就会被行动通讯装置510传送往无线网路存取器500(步骤S610)。
当无线网路存取器500收到上传的封包(m)之后，会检查其内所携带的确认序号是否与前次发送的下传封包的封包序号相同。假若相同，则表示前次发送的下传封包已经被行动通讯装置510收到了，于是无线网路存取器500就可以进行下一个封包(n+1)的下传操作，亦即，在封包(n+1)中加入确认序号m，并将封包(n+1)向外传送(步骤S620)。
在本实施例中，假设行动通讯装置510由于封包碰撞、外界干扰或任何其他因素而没有收到封包(n+1)。在此状况下，行动通讯装置510要传送封包(m+1)的时候所能取得的最近的下传封包的封包序号就是n，因此在传送封包(m+1)的时候，其内附加的确认序号就会是n而非n+1(步骤S630)。
无论先前下传的封包是否发生碰撞，无线网路存取器500还是从行动通讯装置510接收封包(m+1)。然而，由于封包(m+1)中所附加的检查序号n并非先前下传的封包(n+1)的封包序号，因此无线网路存取器500可以从此一现象上判断出封包(n+1)并未能被行动通讯装置510正确的接收。是以，封包(n+1)会被重新下传一次，不同的是，此次封包(n+1)中所附加的检查序号是m+1而不是前次使用的检查序号m(步骤S640)。
如此技术领域者所知，前述实施例虽然仅描述了从无线网路存取器500传出的下载封包发生碰撞的状况，但同样的方法明显也能适用于从行动通讯装置510传出的上传封包发生碰撞的状况。再者，即使有连续碰撞或封包数量不对称的状况出现，前述技术仍然可以适用。连续碰撞情况的处理方式当如上述实施例般的进行，而在封包数量不对称的时候，例如一方(假设为无线网路存取器)发出多个下传封包(n)、(n+1)、(n+2)之后才发现回传的上传封包中的检查码为(n-1)，则可考虑从封包(n)或之后的封包开始，经由适当的排序而重新进行一次封包传送的操作。
再者，本发明除了能运用在各自利用不同通讯通道来传送封包的网路环境中，也可以运用在使用同一通讯通道的正向(forward)与反向(reverse)链结来分别传送上传封包与下传封包的网路环境。
必须注意的是，根据现行的无线网路通讯标准，封包中仍有许多保留的栏位。因此，前述封包中的检查序号可以被轻易的储存在封包中的保留栏位里。举例来说，媒体存取控制标头(MAC header)内的传送期间/辨识编号区段(duration/ID field)的保留部分就可以被用来储存检查序号。
除了前述的背负式回应方式之外，本发明还提出一种碰撞回馈(Collision Feedback)技术以减少封包碰撞的发生机率。
请参阅图7所示，其为根据本发明另一实施例的无线网路的群播封包传送方法的状态变化流程示意图。在本实施例中，无线网路存取器(AP)尝试对行动通讯装置(MS)传输封包。在刚开始的时候，封包(n)中被加入了一个值为0的碰撞参数并被往行动通讯装置发送(步骤S700)。假设行动通讯装置没有接收到此次传送的封包，则无线网路存取器会再次尝试对行动通讯装置传输此一封包，但封包(n)的碰撞参数将会在被修改为1之后才往行动通讯装置发送出去(步骤S710)。设若行动通讯装置仍然没有接收到第二次传送的封包，则无线网路存取器会第三次尝试对行动通讯装置传输此封包，且将封包(n)的碰撞参数的值修改为2后往行动通讯装置发送(步骤S720)。
假设行动通讯装置终于在第三次封包传送的时候收到了封包(n)，此时，行动通讯装置上传封包至此一无线网路存取器时所使用的退后时间(backoff timer)将根据封包中所携带的碰撞参数的值来进行调整，并根据调整后的退后时间来进行封包上传的操作(步骤S730)。由于在本实施例中系在遇到需重送封包时即递增碰撞参数，因此在碰撞参数的值越大的情况下，退后时间也应该相应的拉长。经由此种调整，接收端(在此为行动通讯装置)将能够从发送端(在此为无线网路存取器)传送封包时所得到的经验得知网路拥挤的概况，并从而调整本身的退后时间，以增加一次传送即可成功的机率，进而节省重新传送封包所需消耗的电力。
值得注意的是，接收端或发送端固然可以一直采用先前成功传送封包时的碰撞参数来设定退后时间，但一种更有弹性的作法是，每隔一段时间或在特定条件出现的状况下，接收端或发送端可以重新设定碰撞参数或退后时间以试着加快封包传送的速度。
再者，碰撞参数的值的调整并非仅能以递加方式进行，其他诸如递减，经对应公式调整等方式也都可以经由此技术领域的一般人员的修改而适用于其他的情况。
此外，如前所述，根据现行的无线网路通讯标准，封包中仍有许多保留或不会被使用到的栏位。因此，前述封包中的碰撞参数可以被轻易的储存在封包中里。举例来说，在即时语音通讯的情况下，因每段资料量过短所以不会使用到媒体存取控制标头(MAC header)内的切割编号(fragmentnumber)。据此，原本用以储存切割编号的资料区段就可以被用来储存碰撞参数。
以下将结合前述两种方式来呈现本发明与习知技术间的实行效率的差异。请参阅图8所示，其为802.11的单播模式与本发明一实施例在同样成功传递1000笔资料时的耗电量曲线图。如图所示，在使用者(或行动通讯装置)较少的时候，本发明所提供的方式在成功传送1000笔资料时的耗电量与先前的技术差异不大，但随着使用者增加，封包碰撞机率随之提高的时候，本发明将可以节省超过70％的电力消耗。
请参阅图9所示为802.11的单播模式与本发明一实施例的传送延迟时间曲线图。如图所示，虽然本发明在使用者较少的时候会有稍长的延迟时间，但仍然可以保持在通讯规格可容忍的范围(30ms)以内。而一但使用者变多，本发明所提供的技术相比于习知技术而言，将能有效减少延迟时间的长度。
请参阅图10所示为802.11的单播模式与本发明一实施例的系统容量-耗电量曲线区。如图所示，在同样的耗电量之下，本发明所能传输的封包数量是大于习知技术所能传输的封包数量的。再者，到了网路拥塞的时候，习知技术因为封包碰撞而必须不断进行重传封包的操作，所以虽然耗电量增加了，但传输的封包数量却反而下降。相比之下，本发明所提供的技术显然不会发生这样的问题。
请参阅图11所示为802.11的单播模式与本发明一实施例的封包掉失率曲线图。如图所示，一但使用者变多，封包掉落率将会跟着变多。但藉由本发明所提供的技术，不但能降低封包掉落率，而且在同样封包掉落率的情况下，本发明的技术的耗电量也小于习知技术的耗电量。
请参阅图12所示为802.11的单播模式与本发明一实施例的整体耗电量曲线图。其中，在此图中考量了前述所有的操作因素。在前期(使用者较少)，因为利用背负式回应的方式来做封包传送确认，因此比原本的单播模式省电约24％。而在后期(使用者较多)，主要则是因碰撞回馈的技术而减少重送封包所需的电力消耗，所以可以比原本的单播模式省电约33％。必须注意的是，由于此处的耗电量同时考量了系统容量，所以其比较基准并非是根据传送同样的封包数量，而是以系统允许的最大传输容量来做比较基准。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视前述的申请专利技术方案所界定的为准。
权利要求
1.一种无线网路的群播封包传送方法，其特征在于其包括下列步骤一第一传送端在传送一下传封包时，在该下传封包中提供一碰撞次数；以及一第二传送端根据所接收的该下传封包中的该碰撞次数，决定上传至该第一传送端的一上传封包的一退后时间。
2.根据权利要求1述的无线网路的群播封包传送方法，其特征在于其中所述的碰撞次数最初是根据该下传封包的重新传送次数而定。
3.根据权利要求1所述的无线网路的群播封包传送方法，其特征在于其更在一预设时间后重设该碰撞次数。
4.根据权利要求1所述的无线网路的群播封包传送方法，其特征在于其中所述的碰撞次数储存在封包的媒体存取控制标头内。
5.根据权利要求4所述的无线网路的群播封包传送方法，其特征在于其中所述的碰撞次数储存于媒体存取控制标头内的切割编号中。
6.根据权利要求1所述的无线网路的群播封包传送方法，其特征在于其更包括下列步骤该第一传送端在该下传封包中加入一第一确认序号；该第一传送端发出包括该第一确认序号的该下传封包至该第二传送端；以及该第一传送端根据该第二传送端所发送的该上传封包中的一第二确认序号，判断是否需重传该下传封包。
7.根据权利要求6所述的无线网路的群播封包传送方法，其特征在于其更包括该第二传送端于接到该下传封包后，取出该下传封包的一封包序号做为该第二确认序号；将该第二确认序号加入该上传封包中；以及该第二传送端传送包括该第二确认序号的该上传封包。
8.根据权利要求7所述的无线网路的群播封包传送方法，其特征在于其中所述的第一传送端在该第二确认序号与前次下传的该下传封包的该封包序号不同时，经适当排序，将从具有该第二确认序号的下传封包的下一个封包开始进行重传操作。
9.根据权利要求6所述的无线网路的群播封包传送方法，其特征在于其中在每次传送下传封包之前，将前次接收的上传封包内的封包序号做为该第一确认序号。
10.根据权利要求6所述的无线网路的群播封包传送方法，其特征在于其中所述的第一确认序号与该第二确认序号分别储存在该下传封包与该上传封包的媒体存取控制标头内。
11.根据权利要求10所述的无线网路的群播封包传送方法，其特征在于其中所述的第一确认序号与该第二确认序号储存于媒体存取控制标头内的传送期间/辨识编号区段中。
12.根据权利要求6所述的无线网路的群播封包传送方法，其特征在于其中所述的第一传送端使用一通讯通道来传送该下传封包，且该第二传送端使用该通讯通道的一反向链结来传送该上传封包。
全文摘要
一种无线网路的群播封包传送方法，其在第一传送端用以群播的下传封包中加入一个碰撞次数，而接收此下传封包的第二传送端则根据此碰撞次数来决定上传封包的退后时间。
文档编号H04L1/08GK101034958SQ20061005731
公开日2007年9月12日 申请日期2006年3月8日 优先权日2006年3月8日
发明者林咨铭 申请人:财团法人工业技术研究院