无线WiFi多媒体广播系统的自适应反馈方法和装置与流程

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种无线WiFi多媒体广播系统的自适应反馈方法和装置。

背景技术：

随着无线WiFi通信技术的发展，无线用户数量快速增长，人们对无线数据传输业务的需求越来越高，无线WiFi移动通信系统在人们生活中扮演着越来越重要的作用。随着用户数量的快速增长，越来越多的用户设备接入到无线WiFi通信系统，然而受到频谱资源和通信技术的限制，提高频谱的利用率，势必会引起同频干扰，接入无线系统的用户越多，同频干扰越发的严重。

在当前提出的解决方案中，有从编码技术、干扰管理，甚至是从传输方式上进行改进WiFi通信技术，以提高无线WiFi通信系统容纳用户数量。从数据传输方式考虑，广播方式是其中一种可以提高无线WiFi系统接入用户数量的有效方案。在IEEE 802.11协议族中，广播帧通常用来传输管理及控制信息，为NACK机制。因此利用广播帧传送数据是不可靠传递，通常不用于数据传输。虽然，使用广播方式传送数据的优点是可以容纳海量用户的同时接入系统，可以降低数据的拥挤和堵塞。但是，目前还没有实现用广播方式来传送视频数据流的方案。因此，如何提高使用广播方式传输视频数据的可靠性，使得实现海量用户接入无线WiFi通信系统。这成为无线WiFi通信系统使用广播方式传播数字电视等多媒体数据必须要解决的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种无线WiFi多媒体广播系统的自适应反馈方法和装置，其能够提高无线WiFi多媒体广播系统的通信可靠性。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

无线WiFi多媒体广播系统的自适应反馈方法，包括如下步骤：

步骤1、发送端根据802.11协议数据帧格式封装视频数据流；

步骤2、发送端使用电信级WiFi设备将封装好的视频数据流通过广播方式发送；在发送过程中，先将把数据包指向广播的地址和端口，再在广播的地址和端口以广播的方式发送数据包；

步骤3、通用移动接收终端接收广播数据；

步骤4、在所有的通用移动接收终端中，选择一个通用移动接收终端作为公共终端；

步骤5、公共终端将自身的通信信息反馈给发送端；

步骤6、发送端根据反馈回来的公共终端用户的通信信息，进行决定数据是否重传；如果需要，则发送端把相应的数据帧进行重传；如果不需要，则发送端接着发送另外的数据帧。

在步骤1中，所述的数据流直接由节目流发生器或者通过无线接收器获得。

在步骤1中，所述的数据流需要经过以下步骤后，再进行封装；

步骤1.1、数据流经过编码器得到多路节目TS流；

步骤1.2、把多路节目TS流转换成为多节目IP流的数据形式；

步骤1.3、把数据流以IP包为单位进行分组排序，得到以IP包组合的数据组流；

步骤1.4、将IP包组合的数据组流送入媒体合成处理器进行纠错、标记、自适应分组和组交织处理。

在步骤2中，需要有对AP进行广播速率配置。

在步骤4中，公共终端采用自适应方式进行选择或人工方式进行选择。

在步骤4中，自适应选择公共终端的方法为：

当某个通用移动接收终端最先达到设定的丢包门限时，则该通用移动接收终端将自身通信信息反馈至发送端；发送端接到第一个通用移动接收终端的通信信息反馈后，将该通用移动接收终端即为公共终端，并通知其他通用移动接收终端无需反馈通信信息。

实现上述自适应反馈方法的无线WiFi多媒体广播系统的自适应反馈装置，包括发送端和1个以上的通用移动接收终端。发送端根据802.11协议数据帧格式封装数据流，并使用电信级WiFi设备将封装好的数据流通过广播方式发送；发送端根据反馈回来的公共终端用户的通信信息，进行决定数据是否重传。通用移动接收终端接收广播数据，并在所有的通用移动接收终端中，选择一个通用移动接收终端作为公共终端；该公共终端将自身的通信信息反馈给发送端。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

第一，给出了使用广播方式传输数据的反馈方法。因为只选择一个接收终端用户的通信质量反馈给发送端，防止了通信拥挤和堵塞的出现。

第二，根据实际的通信情况，自适应的选择公共终端用户反馈通信质量给发送端，能够实时地检测系统的通信情况。

第三，这种反馈方法还可以应用于有差错控制需求的数据传输中。

第四，可以保证无线通信系统在本地海量用户的用户端APP下载。

附图说明

图1是无线WiFi多媒体广播系统的自适应反馈方法的流程图。

图2是本发明的数据TS包和IP包的封装图。

图3是无线WiFi多媒体广播系统的自适应反馈装置的原理图。

具体实施方式

本发明的技术方案是：首先，对于无线WiFi通信技术，通常情况，广播方式传送数据没有反馈。然后，我们把数据传输给通用移动接收终端之后，需要及时获取数据的通信状况和处理突发性错误，提高系统的通信质量。因此，在众多的通用广播接收终端，根据实际的通信状况，选择当前干扰最强，丢包最多，质量最差的终端作为有代表性的公共终端。把公共终端的通信状况信息反馈给广播系统的发送端，只要保证了环境最恶劣(或者是通信状况最差)公共终端的通信质量良好，那么就可以保证了所有其他通用移动终端的通信需求，如图2所示。

一种无线WiFi多媒体广播系统的自适应反馈方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤A、根据802.11协议数据帧格式封装数据流。

这里，我们假设视频数据流的获取方式可以直接由节目流发生器或者通过无线接收器获得。然后，视频数据流经过编码器得到多路节目TS(transition stream，TS)流。再把多路节目TS流转换成为多节目IP(Internet protocol，IP)流的数据形式，以及把数据流以IP包为单位进行分组排序，如图2所示。这里一个IP包包含了7个相同或者不同节目的TS包(一个TS包长度是188字节)，如图2所示，即

这里N_t是第t^th个数据组中的多节目IP包总数。一个多节目IP包是一路音视频节目中一帧全部或者部分信息。一个多节目IP包是一路音视频节目中一帧全部或者部分信息。特别地，这里数据IP包的节目内容是根据通信状况确定，这样可以根据通信环境的好坏合理分配带宽，提高系统的带宽利用率。

单节目TS流是由一套(路)节目组成，然后多套节目复用成一路TS流。即这里的数据包含了多个节目复用TS流，如式子(2)中的R

这里N是TS数据流总路数量，s_i是第i路节目数据流，κ_i是比例因子。然后，基于式子(2)，形成一路复用多节目TS流。而且这里的多节目TS流转换成多节目IP流形式。然后，以IP包为单位根据节目流大小自适应分组，如图2。详细地，我们定义视频数据流可以分为T个组，即

V＝{G₀,G₁,…,G_T-1} (3)

这里V表示视频数据，G_t是第t个数据组。这里分组的数量T是由视频数据的实际情况决定。每一组的长度是按照干扰程度和出错情况(丢包情况)来自适应确定。但是，在选择了一种长度的情况下，每个组的多节目IP包数量保持相同。初始的组长度是人工手动设置，通常是节目数量的10倍。

这里的一组数据可以包含20到120帧的IP包。而且，每一组数据之间是串行排列。同理，每一组数据中包含N_t帧IP包，即

这里20≤N_t≤120。

由以上步骤可以得到以IP包组合的数据组流，然后输入媒体合成处理器进行纠错、标记、分组和组交织处理。为了使得视频数据能够在有限覆盖范围内的无线WiFi通信系统中传输和接收，使用802.11的帧格式封装IP包数据。

步骤B、广播方式发送数据。

基于802.11协议簇的无线通信系统，通常使用半双工通信方式。而在视频直播系统中，往往存在大量用户同时接入的情况。对于半双工的通信方式，随着接入用户数量的增加会出现拥挤和堵塞现象。根据步骤A封装方式得到的数据流，我们使用广播方式发送数据。实现多用户同时接入系统，接收视频和高清播放，多节目IP包使用指向子网的广播地址确定。目的是为了使用广播帧发送视频数据。因此，可以把数据包指向广播的地址和端口以广播的方式发送。最后，在广播的地址和端口以广播的方式发送视频数据包。这样，多个普通用户的APP可以接收从广播端口传送来的视频数据。因此，可以使得无线WiFi通信系统容纳海量用户和节目同时接收和播放。

为了提高广播发射性能，我们使用电信级WiFi设备，比如802.11g,n系列协议，发送数据。这可以保证视频直播系统有效覆盖范围内通用终端对视频多节目IP流可靠接收。

在802.11协议族中，广播帧通常是用来传输管理及控制信息，为NACK机制。因此，利用广播帧传送数据是不可靠传递，通常不用于数据传输。再者，广播传输数据的速率低，一般的WiFi设备中广播帧的速率最大值默认1Mbps。为了提高它的速率，可以对AP(Access point,AP)进行广播速率配置，以提高传输速率，电信级的AP可以配置提高到36Mbps。

步骤C、通用移动接收终端接收广播数据。

根据步骤B，因为使用了广播帧传送视频数据，不需要通用移动接收终端反馈信息，所以使得无线WiFi通信系统可以容纳海量的通用移动接收终端同时接收和播放视频。多个APP(移动接收终端)可以接收从广播端口传送来的视频数据，可以用下列式子表示为

R_k(t)＝S(t)+σ(t),k＝1,2,…,K (5)

这里R_k(t)是第k个客户端接收信号，S(t)是广播方式发送的数据，σ(t)是噪声，K是客户端数量。

因为使用了广播方式传送数据，而且节目流都有标记，以使用复用多节目IP流形式封装，降低了对通用移动接收终端的硬件要求。从而使得普通用户终端也可以随时随地接入WiFi通信系统进行接收和处理数据。

步骤D、选择公共移动终端。

对于广播方式传送数据，通常不需要通用移动接收终端把通信状况信息反馈到发送端。但是，在无线WiFi通信系统中，在发送端必须时刻跟踪通用移动接收终端接收信息的各种情况，比如丢包是否严重，是否能够完整的解码数据包等,从而决定数据是否重传保证WiFi系统的通信质量。针对我们提出的基于802.11协议使用广播方式传送视频数据，设计了一个无线WiFi通信系统通用移动接收终端信息自适应反馈方案。具体为在众多的移动接收终端中选择一个能代表它们的通信终端。这个起代表作用的通信终端是其中通信质量最差的一个(或者是出于通信环境最恶劣的地方)。详细地，在步骤B的移动终端中，检查所有通用移动终端的通信情况,选择一个能够反映出所有终端用户的通信质量。首先，我们定义每个客户端的通信质量，可以表示为

Q_k＝f(R_k(t)),k＝1,2,…,K (6)

这里Q_k是表示第k个客户端的通信质量，通常是由有效性、可靠性、丢包率、视频播放质量组成。详细地，可以用下列式子描述

这里μ_k是客户端通信的有效性，是可靠性，η_k是丢包率，I_k是视频播放的质量评价值，比如PSNR(Peak signal to noise ratio，PSNR)。

基于式子(7)，选择一个公共终端P，并反馈该终端的通信情况，不需要每个终端都反馈自己的通信情况。这里公共终端P是从所有的通信评价值中选取最小值，即

P＝min({Q_k,k＝1,2,…,K}) (8)

基于式子(8)的公共终端P的选择可以使用两种方式：

1)根据实际的通信情况，在所有的接收终端中，选择通信环境最恶劣，干扰最强，丢包最多，通信质量最差的终端，作为公共终端P。

2)可以人工专门定制一个终端用户作为公共终端P。在通信系统的覆盖范围内移动到通信干扰最强，通信质量最差的位置。这种方法就是寻找最恶劣的通信位置，作为通信的公共终端P。

在实践中，我们设定一个通信质量阈值Λ，当Q_k≥Λ时，选择该终端作为公共终端，并且通知其他终端，不需要再进行公共终端搜索。

步骤E、公共终端通信信息反馈给发送端。

根据步骤D选择的公共终端用户P，把该终端的通信情况反馈给发送端。这里的反馈不是每个客户端都反馈信息，而是有选择性客户端的反馈。这样既能够反映出无线WiFi通信系统的通信状况，也大大降低了数据传输的拥挤和堵塞现象的出现。同时，减轻了客户端的负载从而降低其硬件需求，使得普通用户终端可以随时随地的接入WiFi系统共享资源。

步骤F、应答和处理反馈信息。

发送端根据反馈回来的公共终端用户P的通信质量，进行决定视频数据流是否重传。如果公共终端的丢包率或者播放视频不流畅，视频出现坏点较多等反映通信质量较差的情况，就把相应的视频数据帧进行选择重传。如果不需要重传那么发送端接着发送另外的视频数据帧。

步骤G、完成基于广播方式传输数据的反馈，进入下一次的反馈检查。

实现上述方法的无线WiFi多媒体广播系统的自适应反馈装置，如图3所示，包括发送端和1个以上的通用移动接收终端。发送端根据802.11协议数据帧格式封装数据流，并使用电信级WiFi设备将封装好的数据流通过广播方式发送；发送端根据反馈回来的公共终端用户的通信信息，进行决定数据是否重传。通用移动接收终端接收广播数据，并在所有的通用移动接收终端中，选择一个通用移动接收终端作为公共终端；该公共终端将自身的通信信息反馈给发送端。

本无线WiFi多媒体广播系统的自适应反馈装置的工作过程如下：

第一步、把从H.264编码器输出的TS流转换成IP流的形式，使用802.11n数据帧格式封装好的视频数据流。然后，使用广播方式在发送端发送6套节目的视频数据流。使用普通的三星、苹果和华为等品牌智能手机作为移动用户终端，接收以广播方式传输的数据。

第二步、根据无线视频直播系统的通信情况，选择一个能够反映出所有移动通用用户终端的通信质量。

这里只选择一个公共终端，并反馈该终端的通信情况，不需要每个终端都反馈自己的通信情况。根据实际的通信情况，在所有的接收终端中，选择干扰最强，丢包最多，通信质量最差的终端，最为公共终端。

第三步、在无线WiFi通信系统中选择的公共终端用户，把该终端的通信情况反馈给发送端。

第四步、发送端根据反馈回来的公共终端用户的通信质量，进行决定数据是否重传。

第五步、如果数据需要重传，那么进行重传数据，如果不需要重传那么发送端接着发送另外的数据帧。

本发明能够大幅度提高无线WiFi多媒体广播系统数据传输的可靠性，以保证无线WiFi多媒体广播系统在强干扰通信环境中仍然能保持高质量的数据传送。我们称为基于WiFi方式的多媒体直播系统中的广播传送数据的自适应反馈技术，如图1所示。

上述的实施案例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例；本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。