專利名稱：無線網路的群播封包傳送方法
技術領域：
本發明是有關于一種封包傳送方法，且特別是有關于一種無線網路的封包傳送方法。
背景技術：
近年來，無線網路系統(Wireless Network)如無線區域網路(WLAN)，無線都會網路(WMAN)相繼發展出來，網路的布建也陸續的完成并提供服務，其中封包語音及封包視訊(Packet Voice/Video)被視作是無線網路系統上最重要的應用服務項目之一。然而，在無線網路系統上提供即時通訊服務(Real-time Communication Services)卻面臨數個挑戰，例如無線手持裝置多半使用電池供電，耗電(Power Consumption)問題需要克服；另外即時通訊系統的視訊與音訊資料多半為定時產生且較小的封包，對于無線網路系統的頻寬利用將會造成相當程度的影響。
反觀無線網路系統的設計多半以傳遞資料封包(Data Packet)為主，并未針對即時通訊封包(Real-Time Packet)的傳遞進行最佳化的改進。即時通訊封包的特性未能完全利用在無線網路系統的設計上，例如即時通訊多半可以容忍若干程度的封包掉落，利用額外頻寬來達到可靠性的傳輸將不是傳送語音封包時的最重要考量。因此，若能提升網路頻寬使用容量以及改善手持裝置的耗電，將有助于發展無線網路環境的即時通訊服務。
標準802.11的運作流程如圖1所示，行動通訊裝置(Mobile Station，MS)在傳送封包時，如果無線媒介有其他行動通訊裝置正在使用，則行動通訊裝置會等待直到無線媒介無人使用，然后再等待一個分散式協調介接空間(DCF Interframe Space，DIFS)，開始倒數競爭視窗(Contention Window，CW)。當競爭視窗倒數至0之后便開始傳送，如要求傳送(RTS)、確定傳送(CTS)等控制封包，或資料(Data)及切割(Fragmentation)封包(如Frg#1與Frg#2)。在接收端接收到正確封包之后，會在經過一個短介接空間(ShortInterframe Space，SIFS)之后送出回應(ACK)封包給發送端。
請參閱圖2所示，其為一種使用即時通訊服務于無線網路的系統架構圖。如圖2所示，在無線網路端，一或多個無線網路裝置202、204通過無線網路存取器(Access Point)210與有線網路端相連以存取網際網路(Internet)230。以上行即時通訊封包(uplink real-time frame)為例，封包首先通過無線網路存取器210送至同一區網的路由器(Router)220，接著路由器220便將此封包經由網際網路230送至另一端與其進行即時通訊服務的節點(correspondent node)240。而以下行即時通訊封包(downlinkreal-time frame)而言，封包首先經由網際網路230送至路由器220，接著路由器220將此封包經由無線網路存取器210送至無線網路裝置202或204。
以目前的技術來看，在要使用無線網路環境傳遞即時通訊封包時，最簡單的作法是永遠啟動網路卡，使其永遠可以收送封包。但是這樣的設計將使得網路卡即使在不傳遞封包時，仍然需要消耗電力。一種改善耗電的作法是將無線網路啟動在睡眠狀態，當有封包需要傳送時，再喚醒無線網路裝置加以傳送，這種方法一般稱為PS-Poll傳送機制。請參閱圖3所示，其為以PS-Poll機制在無線網路中傳遞即時封包的封包時序圖及相應的能量消耗示意圖。如圖3所示，無線網路裝置(STA)在進行相關聯結注冊動作后，便可進行上行與下行即時通訊封包的傳輸。在上行即時通訊封包(ULVoice Packet)送出后，無線網路裝置由于需判斷該封包是否該重送，因此需繼續等待無線網路存取器(AP)的回應封包(ACK)。此外，由于無線網路裝置處于省電模式下，對于下行即時通訊封包(DL Voice Packet)需通過PS-Poll將存放于無線網路存取器緩沖區的封包取回。同樣的，為使無線網路存取器判斷該封包是否該重送，無線網路裝置尚須送出回應封包至無線網路存取器以使其確認此封包正確被收到。據此，為使即時通訊封包達到可靠性傳輸，將需要多耗費兩個短介接空間(SIFS)與兩個回應封包，因此將使得耗電與網路頻寬使用容量上的提升均受到限制。
若以802.11e所定義的非排序自動省電傳輸機制(Unscheduled-Automatic Power Saving Delivery，U-APSD)來傳遞即時通訊封包，則可以更進一步改善PS-Poll傳送機制的耗電。請參閱圖4所示，其為以U-APSD機制在無線網路中傳遞即時封包的封包時序圖及相應的能量消耗示意圖。與圖3相較，圖4所示的機制少了一個PS-Poll的封包，其余部分與圖3類似，在此不予詳述。
為達更佳的省電效果，除了上述的省電傳輸機制之外，目前已更進一步發展出許多相關的媒體控制技術。然而，該些省電機制有些會修改到802.11的傳送機制，而與標準不相容；有些受限于量測或是評估的結果而有不同的省電效果；有些則為了省某一部分的耗電而造成其他部分的耗電；有些則為達省電效果而造成其他影響，如傳送效能(Throughput)降低、或斷線。
為避免上述的缺點，發明人先前曾提出利用群播方式來傳遞即時通訊封包的技術。且經實驗證明，該等技術的確能有效減少電量的損耗。然而，在標準規格中，群播封包的傳遞并不進行封包確認的動作，因此在確保通訊品質上仍有改進的空間。
換言之，目前對于省電方面所進行的各項努力，都有其缺失所在。尤其部分的省電機制會因為與標準不相容而造成使用上的不便。因此，現有的技術并無法有效的解決即時通訊上所遭遇到的問題。
發明內容
根據上述，本發明的目的就是在提供一種無線網路的封包傳送方法，此種封包傳送方法藉由802.11標準定義的群播機制來傳送即時性通訊服務的封包，在相容性上，是與標準相容，同時并不會受限于評估或量測的準確性而影響，也不會以增加其他部分耗電的方式來達到省電效果，更不會造成移動裝置的其他影響，通過本提案的省電技術除了達到省電效果之外，還可增加整個網路系統的頻寬使用容量。
為達成上述目的，本發明提出一種無線網路的群播封包傳送方法，其在第一傳送端用以群播的下傳封包中加入一個碰撞次數，而接收此下傳封包的第二傳送端則根據此碰撞次數來決定上傳封包的退后時間。
在本發明的一個實施例中，碰撞次數最初是根據下傳封包的重新傳送次數而定。
在本發明的一個實施例中，更在第一傳送端用以群播的下傳封包中加入一個第一確認序號，之后發出包括此第一確認序號的下傳封包至第二傳送端，最后再根據發出此下傳封包后所接收到的由第二傳送端所傳送的上傳封包中的第二確認序號，判斷是否需重傳此下傳封包。
在本發明的一個實施例中，第二傳送端于接到下傳封包后即取出下傳封包的封包序號做為前述的第二確認序號，將此第二確認序號加入上傳封包中，再傳送包括第二確認序號的上傳封包。
在本發明的一個實施例中，第一傳送端在第二確認序號與前次下傳的下傳封包的封包序號不同時，即從后續經過適當排程(Schedule)的下傳封包，進行重傳操作。
在本發明的一個實施例中，第一傳送端使用一個通訊通道來傳送下傳封包，且第二傳送端可使用同一個通訊通道的反向鏈結來傳送上傳封包。
綜上所述，本發明利用碰撞次數的傳遞直接提供了網路環境是否擁擠的現況，據此而定的退后時間將能有效的減少封包間碰撞的機會。此外，原本通訊協定中的資料封包提供了確認封包傳送的參數，藉此將能在不增加網路負擔的前提下改善群播封包的傳送品質。
為讓本發明的上述和其他目的、特征和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合所附圖式，作詳細說明如下。
圖1為標準802.11的運作流程。
圖2為一種使用即時通訊服務的無線網路的系統架構圖。
圖3為以PS-Poll機制在無線網路中傳遞即時封包的封包時序圖及相應的能量消耗示意圖。
圖4為以U-APSD機制在無線網路中傳遞即時封包的封包時序圖及相應的能量消耗示意圖。
圖5為一種無線網路的系統架構圖。
圖6為根據本發明一實施例的無線網路的群播封包傳送方法的狀態變化流程示意圖。
圖7為根據本發明另一實施例的無線網路的群播封包傳送方法的狀態變化流程示意圖。
圖8為802.11的單播模式與本發明一實施例在同樣傳遞1000筆資料時的耗電量曲線圖。
圖9為802.11的單播模式與本發明一實施例的傳送延遲時間曲線圖。
圖10為802.11的單播模式與本發明一實施例的系統容量-耗電量曲線區。
圖11為802.11的單播模式與本發明一實施例的封包掉失率曲線圖。
圖12為802.11的單播模式與本發明一實施例的整體耗電量曲線圖。
202、204、510、520、530無線網路裝置210、500無線網路存取器220路由器230網際網路240節點S600～S640本發明一實施例的施行步驟S700～S730本發明另一實施例的施行步驟具體實施方式
以下將以無線區域網路(WLAN)來進行說明，但本發明的內容適用于各種無線網路系統，不限于使用在無線區域網路之中。此外，雖然實施例將以群播的即時通訊封包為本體來解釋，但此技術亦可運用于非即時通訊的封包或其他具備群播類似傳送行為的機制中。
請參閱圖5所示，其為可運用本發明的一種無線網路的系統架構圖。在此無線網路系統中，行動通訊裝置(Mobile Station，MS)510、520或530若要與其他的行動通訊裝置溝通訊息，一般是通過無線網路存取器(Access Point，AP)500做為訊息的集中傳播站。舉例來說，當行動通訊裝置510要與530溝通訊息時，行動通訊裝置510會先將訊息傳送至無線網路存取器500，之后再由無線網路存取器500將訊息傳送至行動通訊裝置530。對于行動通訊裝置510、520或530而言，從無線網路存取器500接收訊息或資料稱為下傳(downlink)，而從行動通訊裝置510、520或530傳送訊息至無線網路存取器500則稱為上傳(uplink)。
而根據無線網路通訊標準，每一個封包(上傳或下傳)都會有一個特定的封包序號以代表封包之間的產生次序。本發明可利用此封包序號，利用被稱為背負式回應(piggyback ACK)的方式，達成省電及提高傳輸可靠度的雙重目的。
在本發明的一個實施例中，在無線網路存取器(AP)以群播(multicast)方式下傳一個封包(后稱下傳封包)之前，除了本身的封包序號之外，還會先在這個下傳封包中加入一個預先定義好的確認序號(可使用前次接收到的上傳封包的封包序號)。而在將確認序號加入下傳封包之后，無線網路存取器(AP)就會發出此下傳封包。接下來，無線網路存取器(AP)會根據從此一下傳封包的目的地所上傳過來的封包(后稱上傳封包)內所附加的確認序號，判斷是否需要將先前傳送的下傳封包再重傳一次。此種利用上傳的資料封包來一并進行封包傳送確認的方式，就是本發明中所說的背負式回應。
為使此技術領域者能更清楚本發明的技術內容，接下來將根據圖5與圖6來進行說明。請參閱圖5與圖6，其中，如圖6為根據本發明一實施例的無線網路的群播封包傳送方法的狀態變化流程示意圖。為簡化說明，以下將以封包(k)代表封包序號為k的封包。
如圖6所示，當無線網路存取器(AP，假設為圖5中的無線網路存取器500)發出一個下傳封包(n)到行動通訊裝置(MS，假設為圖5的行動通訊裝置510)的時候，會使此下傳封包(n)進一步攜帶一個確認序號m-1(步驟S600)。其中，此確認序號m-1原則上可以使用前一次從行動通訊裝置510所接收到的上傳封包的封包序號，但當然也可以是另行定義的一組號碼。
假若下傳封包(n)順利的被行動通訊裝置510接收到了，則行動通訊裝置510會在發送至無線網路存取器500的上傳封包(m)中，加入此一封包序號n以做為回傳的確認序號。接下來，此封包(m)就會被行動通訊裝置510傳送往無線網路存取器500(步驟S610)。
當無線網路存取器500收到上傳的封包(m)之后，會檢查其內所攜帶的確認序號是否與前次發送的下傳封包的封包序號相同。假若相同，則表示前次發送的下傳封包已經被行動通訊裝置510收到了，于是無線網路存取器500就可以進行下一個封包(n+1)的下傳操作，亦即，在封包(n+1)中加入確認序號m，并將封包(n+1)向外傳送(步驟S620)。
在本實施例中，假設行動通訊裝置510由于封包碰撞、外界干擾或任何其他因素而沒有收到封包(n+1)。在此狀況下，行動通訊裝置510要傳送封包(m+1)的時候所能取得的最近的下傳封包的封包序號就是n，因此在傳送封包(m+1)的時候，其內附加的確認序號就會是n而非n+1(步驟S630)。
無論先前下傳的封包是否發生碰撞，無線網路存取器500還是從行動通訊裝置510接收封包(m+1)。然而，由于封包(m+1)中所附加的檢查序號n并非先前下傳的封包(n+1)的封包序號，因此無線網路存取器500可以從此一現象上判斷出封包(n+1)并未能被行動通訊裝置510正確的接收。是以，封包(n+1)會被重新下傳一次，不同的是，此次封包(n+1)中所附加的檢查序號是m+1而不是前次使用的檢查序號m(步驟S640)。
如此技術領域者所知，前述實施例雖然僅描述了從無線網路存取器500傳出的下載封包發生碰撞的狀況，但同樣的方法明顯也能適用于從行動通訊裝置510傳出的上傳封包發生碰撞的狀況。再者，即使有連續碰撞或封包數量不對稱的狀況出現，前述技術仍然可以適用。連續碰撞情況的處理方式當如上述實施例般的進行，而在封包數量不對稱的時候，例如一方(假設為無線網路存取器)發出多個下傳封包(n)、(n+1)、(n+2)之后才發現回傳的上傳封包中的檢查碼為(n-1)，則可考慮從封包(n)或之后的封包開始，經由適當的排序而重新進行一次封包傳送的操作。
再者，本發明除了能運用在各自利用不同通訊通道來傳送封包的網路環境中，也可以運用在使用同一通訊通道的正向(forward)與反向(reverse)鏈結來分別傳送上傳封包與下傳封包的網路環境。
必須注意的是，根據現行的無線網路通訊標準，封包中仍有許多保留的欄位。因此，前述封包中的檢查序號可以被輕易的儲存在封包中的保留欄位里。舉例來說，媒體存取控制標頭(MAC header)內的傳送期間/辨識編號區段(duration/ID field)的保留部分就可以被用來儲存檢查序號。
除了前述的背負式回應方式之外，本發明還提出一種碰撞回饋(Collision Feedback)技術以減少封包碰撞的發生機率。
請參閱圖7所示，其為根據本發明另一實施例的無線網路的群播封包傳送方法的狀態變化流程示意圖。在本實施例中，無線網路存取器(AP)嘗試對行動通訊裝置(MS)傳輸封包。在剛開始的時候，封包(n)中被加入了一個值為0的碰撞參數并被往行動通訊裝置發送(步驟S700)。假設行動通訊裝置沒有接收到此次傳送的封包，則無線網路存取器會再次嘗試對行動通訊裝置傳輸此一封包，但封包(n)的碰撞參數將會在被修改為1之后才往行動通訊裝置發送出去(步驟S710)。設若行動通訊裝置仍然沒有接收到第二次傳送的封包，則無線網路存取器會第三次嘗試對行動通訊裝置傳輸此封包，且將封包(n)的碰撞參數的值修改為2后往行動通訊裝置發送(步驟S720)。
假設行動通訊裝置終于在第三次封包傳送的時候收到了封包(n)，此時，行動通訊裝置上傳封包至此一無線網路存取器時所使用的退后時間(backoff timer)將根據封包中所攜帶的碰撞參數的值來進行調整，并根據調整后的退后時間來進行封包上傳的操作(步驟S730)。由于在本實施例中系在遇到需重送封包時即遞增碰撞參數，因此在碰撞參數的值越大的情況下，退后時間也應該相應的拉長。經由此種調整，接收端(在此為行動通訊裝置)將能夠從發送端(在此為無線網路存取器)傳送封包時所得到的經驗得知網路擁擠的概況，并從而調整本身的退后時間，以增加一次傳送即可成功的機率，進而節省重新傳送封包所需消耗的電力。
值得注意的是，接收端或發送端固然可以一直采用先前成功傳送封包時的碰撞參數來設定退后時間，但一種更有彈性的作法是，每隔一段時間或在特定條件出現的狀況下，接收端或發送端可以重新設定碰撞參數或退后時間以試著加快封包傳送的速度。
再者，碰撞參數的值的調整并非僅能以遞加方式進行，其他諸如遞減，經對應公式調整等方式也都可以經由此技術領域的一般人員的修改而適用于其他的情況。
此外，如前所述，根據現行的無線網路通訊標準，封包中仍有許多保留或不會被使用到的欄位。因此，前述封包中的碰撞參數可以被輕易的儲存在封包中里。舉例來說，在即時語音通訊的情況下，因每段資料量過短所以不會使用到媒體存取控制標頭(MAC header)內的切割編號(fragmentnumber)。據此，原本用以儲存切割編號的資料區段就可以被用來儲存碰撞參數。
以下將結合前述兩種方式來呈現本發明與習知技術間的實行效率的差異。請參閱圖8所示，其為802.11的單播模式與本發明一實施例在同樣成功傳遞1000筆資料時的耗電量曲線圖。如圖所示，在使用者(或行動通訊裝置)較少的時候，本發明所提供的方式在成功傳送1000筆資料時的耗電量與先前的技術差異不大，但隨著使用者增加，封包碰撞機率隨之提高的時候，本發明將可以節省超過70％的電力消耗。
請參閱圖9所示為802.11的單播模式與本發明一實施例的傳送延遲時間曲線圖。如圖所示，雖然本發明在使用者較少的時候會有稍長的延遲時間，但仍然可以保持在通訊規格可容忍的范圍(30ms)以內。而一但使用者變多，本發明所提供的技術相比于習知技術而言，將能有效減少延遲時間的長度。
請參閱圖10所示為802.11的單播模式與本發明一實施例的系統容量-耗電量曲線區。如圖所示，在同樣的耗電量之下，本發明所能傳輸的封包數量是大于習知技術所能傳輸的封包數量的。再者，到了網路擁塞的時候，習知技術因為封包碰撞而必須不斷進行重傳封包的操作，所以雖然耗電量增加了，但傳輸的封包數量卻反而下降。相比之下，本發明所提供的技術顯然不會發生這樣的問題。
請參閱圖11所示為802.11的單播模式與本發明一實施例的封包掉失率曲線圖。如圖所示，一但使用者變多，封包掉落率將會跟著變多。但藉由本發明所提供的技術，不但能降低封包掉落率，而且在同樣封包掉落率的情況下，本發明的技術的耗電量也小于習知技術的耗電量。
請參閱圖12所示為802.11的單播模式與本發明一實施例的整體耗電量曲線圖。其中，在此圖中考量了前述所有的操作因素。在前期(使用者較少)，因為利用背負式回應的方式來做封包傳送確認，因此比原本的單播模式省電約24％。而在后期(使用者較多)，主要則是因碰撞回饋的技術而減少重送封包所需的電力消耗，所以可以比原本的單播模式省電約33％。必須注意的是，由于此處的耗電量同時考量了系統容量，所以其比較基準并非是根據傳送同樣的封包數量，而是以系統允許的最大傳輸容量來做比較基準。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明的精神和范圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本發明的保護范圍當視前述的申請專利技術方案所界定的為準。
權利要求
1.一種無線網路的群播封包傳送方法，其特征在于其包括下列步驟一第一傳送端在傳送一下傳封包時，在該下傳封包中提供一碰撞次數；以及一第二傳送端根據所接收的該下傳封包中的該碰撞次數，決定上傳至該第一傳送端的一上傳封包的一退后時間。
2.根據權利要求1述的無線網路的群播封包傳送方法，其特征在于其中所述的碰撞次數最初是根據該下傳封包的重新傳送次數而定。
3.根據權利要求1所述的無線網路的群播封包傳送方法，其特征在于其更在一預設時間后重設該碰撞次數。
4.根據權利要求1所述的無線網路的群播封包傳送方法，其特征在于其中所述的碰撞次數儲存在封包的媒體存取控制標頭內。
5.根據權利要求4所述的無線網路的群播封包傳送方法，其特征在于其中所述的碰撞次數儲存于媒體存取控制標頭內的切割編號中。
6.根據權利要求1所述的無線網路的群播封包傳送方法，其特征在于其更包括下列步驟該第一傳送端在該下傳封包中加入一第一確認序號；該第一傳送端發出包括該第一確認序號的該下傳封包至該第二傳送端；以及該第一傳送端根據該第二傳送端所發送的該上傳封包中的一第二確認序號，判斷是否需重傳該下傳封包。
7.根據權利要求6所述的無線網路的群播封包傳送方法，其特征在于其更包括該第二傳送端于接到該下傳封包后，取出該下傳封包的一封包序號做為該第二確認序號；將該第二確認序號加入該上傳封包中；以及該第二傳送端傳送包括該第二確認序號的該上傳封包。
8.根據權利要求7所述的無線網路的群播封包傳送方法，其特征在于其中所述的第一傳送端在該第二確認序號與前次下傳的該下傳封包的該封包序號不同時，經適當排序，將從具有該第二確認序號的下傳封包的下一個封包開始進行重傳操作。
9.根據權利要求6所述的無線網路的群播封包傳送方法，其特征在于其中在每次傳送下傳封包之前，將前次接收的上傳封包內的封包序號做為該第一確認序號。
10.根據權利要求6所述的無線網路的群播封包傳送方法，其特征在于其中所述的第一確認序號與該第二確認序號分別儲存在該下傳封包與該上傳封包的媒體存取控制標頭內。
11.根據權利要求10所述的無線網路的群播封包傳送方法，其特征在于其中所述的第一確認序號與該第二確認序號儲存于媒體存取控制標頭內的傳送期間/辨識編號區段中。
12.根據權利要求6所述的無線網路的群播封包傳送方法，其特征在于其中所述的第一傳送端使用一通訊通道來傳送該下傳封包，且該第二傳送端使用該通訊通道的一反向鏈結來傳送該上傳封包。
全文摘要
一種無線網路的群播封包傳送方法，其在第一傳送端用以群播的下傳封包中加入一個碰撞次數，而接收此下傳封包的第二傳送端則根據此碰撞次數來決定上傳封包的退后時間。
文檔編號H04L1/08GK101034958SQ20061005731
公開日2007年9月12日 申請日期2006年3月8日 優先權日2006年3月8日
發明者林咨銘 申請人:財團法人工業技術研究院