基于IGMP的IEEE 802.11無線組播速率自適應機制*

王金濤， 李明齊

(1. 中國科學院 上海高等研究院， 上海 201210； 2. 中國科學院大學 電子電氣與通信工程學院， 北京 101407； 3. 上海科技大學 信息科學與技術學院， 上海 201210)

基于IGMP的IEEE 802.11無線組播速率自適應機制*

王金濤1，2，3， 李明齊1，2

(1. 中國科學院 上海高等研究院， 上海 201210； 2. 中國科學院大學 電子電氣與通信工程學院， 北京 101407； 3. 上海科技大學 信息科學與技術學院， 上海 201210)

針對組播速率不能滿足傳輸需求的問題，提出了基于因特網組管理協議(IGMP)與改進自動速率回退(ARF)算法的無線組播速率自適應機制.該機制利用組播中必須發送的IGMP報文來獲取接收信噪比，進而決定組播速率.基于IGMP報文的周期間隙調整，加入了改進后的ARF算法進行速率調整.該機制規避了大量反饋幀產生碰撞的問題，可以使組播路由器獲得傳輸結果的有效反饋，從而更準確地進行速率調整.結果表明，所提機制能夠較好地調整無線組播速率，提升無線組播的吞吐量.

無線局域網； 無線組播； 因特網組管理協議； 速率自適應； 改進ARF； 信噪比； 吞吐量

在現有的IEEE 802.11單播通信中，用戶通過連接AP(access point)執行CSMA/CA機制來完成對信道的爭用，但僅當較少用戶爭用信道時，無線網絡的性能才能得到保障，在人流密集的情況下，例如地鐵和商場等地區，在接入用戶很多時，WiFi的連接和使用總不是很通暢.此外，如果一個BSS(basic service set)中的眾多用戶同時請求大量數據的收發，如視頻直播等，采用單播的方式為每一個用戶建立連接分配資源無疑會使得數據發送時延過高，最終導致數據傳輸速率極低.上述情形對于無線局域網(WLAN)的承載能力提出了更高的要求.

無線組播技術的應用初步解決了上述問題.系統不必為每一個在組播組中的用戶單獨建立一條鏈接，因此節省了帶寬資源.由于無線信號具有天然的廣播特性，當用戶在AP覆蓋范圍之內并且加入組播組時，就能夠接收到AP發出的無線組播信號，從而不必考慮接收端數量的問題[1].因此，無線組播技術被應用于大量用戶接入的場景并適合傳輸視頻直播等需要同時向多個用戶傳送的業務，從而提高了頻譜資源的利用率，增大了用戶接入的數量.

現有的802.11協議規定了在相應制式下，組播速率采用AP及與其連接的各終端組成的獨立基礎服務集(independent basic service set，IBSS)中速率集的最低速率.例如，在802.11b協議下，AP發送組播幀采用最低速率1 Mbit/s，這一設定的目的為使數據能夠被信道條件最差的接收終端接收到.實驗表明，在標準的1 Mbit/s無線組播系統中，傳輸MPEG2-TS視頻流的輸入門限約為930 kbit/s，該視頻碼率意味著視頻具有極低的清晰度，接收終端的視頻播放體驗受到組播速率的限制而變差.因此，如何提高基于802.11無線組播的傳輸速率，提高網絡的吞吐量，是本文需要解決的問題.

1 相關工作

目前，無線單播的速率自適應機制已經比較成熟，主要有文獻[2]提出的ARF機制，其主要思想為隨著信道質量的變化而調整對應的單播速率，連續十次傳送成功，增大下一次發射速率；連續兩次發送失敗，則降低下一次發射速率；如果升高傳輸速率后傳輸的第一個包傳輸失敗，則降回原來的傳輸速率.另外一個常見的單播速率自適應機制為RBAR(receiver-based auto rate)[3]，其利用RTS/CTS幀在發送者和接收者之間進行接收信號強度或接收信噪比等信道狀況信息的交互，發送端根據反饋的接收信號強度等信息對照相應閾值，決定發送的速率.這一機制能夠在每一幀數據發送時決定發送的速率，具有良好的實時性，但大量RTS/CTS幀的發送會浪費有限的無線帶寬資源，導致網絡吞吐量下降[4].由于上述單播中的方法均需要反饋信息或者確認信息，所以均無法直接移植到組播中實現.

文獻[5]提出的LBMS(leader-based multicast service)由領導者反饋確認信息給發送端，因此有研究將LBMS與ARF相結合，提出了LB-ARF方案[6-7]，利用方案中領導者反饋的信息運行ARF算法，確認之后組播發送的速率，但該方案當接收站點增多時，反饋數目增大，碰撞的可能性增大，傳輸性能會不斷惡化.

2 方案設計

基于以上無線組播問題及研究現狀，本文提出了一種依靠IGMP[8]來獲取接收信噪比信息確定組播速率并結合改進的ARF算法進行無線組播速率自適應的方案.由于IGMP協議為組播通信必須執行的協議，本文對IGMP幀進行了修改，以便對其充分利用，同時避免引入額外的控制幀傳輸.考慮到組播路由器會周期性地向組播組成員發送查詢報文，在周期內的空閑時間采用了改進ARF算法輔助進行無線組播速率自適應.該方法沒有產生額外的數據報文傳輸，利用IGMP報文獲得接收信噪比來確定組播速率，是基于信道狀況的決策，具有良好的準確性，為后續利用改進ARF算法調整組播速率奠定了基礎.基于IGMP及改進ARF的組播速率自適應方案流程圖如圖1所示.

2.1 基于IGMP協議的信道信息獲取方法

2.1.1 接收信噪比獲取

接收站點的接收信噪比(signal noise ratio，SNR)是接收信號功率與噪聲的比值，其中，噪聲的功率設定為高斯白噪聲功率，為-95 dBm.在802.11協議中物理層分為兩個子層：物理層匯聚協議(physical layer convergence protocol，PLCP)與實際搭配介質(physical medium dependent，PMD)，其中，PLCP負責將MAC層協議數據單元(MPDU)對應到傳輸介質，最終封裝成為PLCP子層協議數據單元(PPDU)，而PMD負責幀的傳送.以802.11g協議幀格式為例，MPDU幀與PPDU幀中均沒有接收信號功率相關的字段.但協議中規定接收信號強度值(received signal strength indication，RSSI)隨PHY Preamble部分能量單調遞增，在實踐中可以通過接收到的PHY Preamble部分測量出RSSI.RSSI為接收信號功率的轉化形式，其計算表達式為

RSSI=10lgP

(1)

式中，接收信號強度RSSI單位為dBm，接收功率P單位為mW.

RSSI由接收端測量得到后，PMD子層通過發送PMD_RSSI.indicate指令將當前RSSI信息告訴PLCP子層，PHY就將向MAC發出一個PHY_RXSTART.indicate(RxVECTOR)指令.RxVECTOR是參數矢量，其取值依賴于物理層，不同物理層RxVECTOR的參數可能有所不同，RSSI是其中的一個元素.依據接收信號強度可以計算出各站點的接收信噪比SNR.

2.1.2 基于IGMP報文的組播速率決定策略

由于組播接收者在加入組播組的過程中必須遵守IGMP協議，組播接收者如果要加入組播組，需要發送IGMP成員關系報告給組播組.在組播過程中路由器周期性地向所有組播組成員發送IGMP成員關系查詢信息，之后組播組成員回復發送IGMP成員關系報告.本文利用現有的IGMP報文發送機制，報文中的“最大響應時間”字段，當且僅當在IGMP普通查詢報文中其值不為0；在其他IGMP報文中其值為0.本文修改“最大響應時間”字段為站點接收信噪比SNR，如圖2所示.

圖2 修改前后的IGMP報文Fig.2 IGMP packets before and after modification

IGMP報文發送機制流程如下：

1) 接收站點加入組播組時，向組播組發送修改過的IGMP成員關系報文，報文中含有該站點的接收信噪比信息.

2) AP接收到成員關系報文后，檢查報文的“最大響應時間”字段，如果此字段不為0，則標志發送該報文的站點支持本文算法，AP記錄該站點對應的MAC地址與SNR；否則，遵照原始的IGMP協議執行.AP記錄所有站點的SNR后，挑選出最小SNR.

3) AP依照原始IGMP協議周期性發送IGMP普通查詢報文，接收站點接收到IGMP普通查詢報文后，反饋修改后的帶有自己SNR信息的IGMP成員關系報文.AP依據接收到的信息更新接收站點SNR表，并更新最小接收信噪比.

組播速率選擇方法是通過誤碼率與信噪比之間關系推導出不同傳輸速率所需要的最小信噪比臨界值.本文為了得到更為實用的結果，采用了商業WiFi芯片所使用的最小SNR需求[9]，其數值如表1所示.AP選擇出接收站點中的最小接收SNR，對照表1決定無線組播發射速率.

2.2 基于改進ARF算法輔助組播速率自適應機制

由于IGMP報文的查詢周期較長，雖然縮短了IGMP報文的發送周期，使得組播速率的調整能夠更及時地適應接收站點信道狀況的變化.如果將IGMP報文的發送周期縮短到更小的時間，無疑會增加大量的IGMP查詢報文和IGMP成員關系報告報文，增加了網絡的額外開銷.但接收終端的移動性等特點造成無線信道不斷變化，因此，在運行基于IGMP報文的組播速率調整機制的同時加入了改進ARF算法.在基于IGMP報文的組播速率調整機制完成之后，改進ARF算法繼續對組播速率進行細微調整.

ARF算法是應用于單播傳輸的非常成熟的速率自適應算法，在商業上有廣泛應用，如果直接將ARF算法移植到組播機制中，由于需要大量的接收站點反饋的ACK幀的傳輸，勢必會造成ACK幀碰撞，因此，本文利用NACK幀代替ACK幀進行傳輸.當接收站點接收組播幀失敗時，其反饋一個NACK幀；如果所有的組播幀都被成功接收，那么信道會一直保持空閑，并持續一段由NACK定時器決定的特定時間，這時無線路由器不會采取任何行動.如果一個或者多個接收站點都反饋了NACK幀，只要無線路由器偵聽到信道處于繁忙狀態，無論有沒有接收到站點反饋的NACK幀，其都會認為至少有一個站點沒有成功接收到此次發送的組播幀.在接收站點接收組播幀不成功的情形下，因為在802.11協議中，幀頭部分總是會以基本速率，即最低速率來發送，這樣接收站點可以有較大可能接收到幀頭部分，并由幀頭信息判斷出其正在接收的是一個組播幀，但是完整的幀沒有接收成功，這樣站點便會發送一個NACK幀.

當連續兩次沒有傳輸成功時，降低無線組播的速率一檔；當連續十次傳輸成功時，則升高無線組播傳輸的速率一檔；升高速率后傳輸的第一個組播數據包若有站點接收不成功，則降回原來的組播傳輸速率.

3 算法仿真與性能評估

本文利用NS-3仿真平臺[10]搭建了基于IGMP及改進ARF算法的組播速率自適應算法仿真平臺，并對算法進行了多種情境下的仿真，設定仿真信道為高斯白噪聲信道，衰落模型為NS-3中Log Distance Propagation Loss Model，接收站點信道質量只與接收站點和無線路由器之間的距離有關[11].仿真參數設置如表2所示.

表2 仿真參數設置Tab.2 Setting of simulation parameters

本文在以下幾個場景中對所提出算法的機制進行了仿真，并與原始的802.11組播和ARF+LBP組播速率自適應方案進行了對比.

1) 仿真場景一

在距離無線路由器1 m距離的圓周上，增加接收站點的數目，從1～49每次增加2個接收站點，接入站點不具有移動性.輸入的數據流速率恒定為50 Mbit/s，數據包大小為1 500字節，以此研究無線組播速率、無線組播網絡的吞吐量及傳輸時延變化.

圖3為無線組播速率、平均網絡吞吐量及平均時延隨加入組播組站點增加的變化情況.由圖3可知，ARF+LBP方案由于需要領導者站點反饋ACK幀，當站點數目增加時，反饋的ACK幀數目隨之增加，從而增加了大量的網絡開銷.同時反饋ACK幀的增加勢必會導致反饋幀碰撞的可能性升高，最終導致路由器沒有接收到有效的ACK幀而錯認為幀傳輸失敗，導致組播傳輸速率降低，同時傳輸時延也不斷升高.因此，在接入站點數目不是很多的情況下，ARF+LBP方案性能相對較好，但當接入站點數目較大時，ARF+LBP方案網絡吞吐量急劇下降.在接入點數目增加到27和39個時，ARF+LBP方案網絡吞吐量出現了斷崖式下降，這可能是由于反饋量增大并發生碰撞，導致AP誤認為傳輸不成功而降低了組播速率.本文所提方案由于只傳輸必要的IGMP報文，雖然接收站點數目的增加增大了傳輸的IGMP報文數量，但對網絡整體吞吐量影響不大，同時接收站點反饋的NACK幀數目增加，但是因為反饋時間固定，所以對傳輸時延幾乎沒有影響，傳輸時延由0.48 ms增加到5.11 ms.因此，在接入站點數目較大時，本文方案也優于ARF+LBP方案.原生802.11組播方案中組播站點的增加對其發送組播幀沒有影響，因此，傳輸速率恒定為基本速率，傳輸時延基本恒定，約為12.4 ms.

本文所提方案雖然傳輸時延隨接入站點數目增長有所提高，但整體傳輸速率及吞吐量高于對比的兩種方案，時延較對比的兩種方案低.

2) 仿真場景二

放置39個接收站點，接收站點從距離AP 0 m位置開始，以10 m/s遠離AP移動，站點移動的距離大于采用1 Mbit/s速率所能傳輸的最遠距離，在結果分析中截取從實驗開始到略小于此最遠距離的一段距離內(10～250 m)數據進行研究.輸入的數據流速率恒定為50 Mbit/s，數據包大小為1 500字節，以此研究組播發送速率及網絡吞吐量隨AP與接收站點間距變化的情況.

圖3 網絡性能隨組播組成員數目的變化Fig.3 Change of network performance withmember number in multicast group

圖4分別為無線組播速率隨接收站點與AP距離的變化、平均網絡吞吐量隨接收站點與AP距離的變化情況.由圖4可知，本文所提方案與ARF+LBP方案組播速率都隨著接收站點與AP間距離的變化而變化.當站點移動遠離AP時，采用某個組播速率，在一定距離內位置的變化不會影響接收可靠性，但當接收站點移動超過了該組播速率的可靠覆蓋范圍時，由于信道狀況變差，使得傳輸失敗次數增加，從而使得本文所提方案與ARF+LBP方案都利用ARF算法將組播速率調低一檔，網絡吞吐量隨之下降.原生802.11組播傳輸速率、吞吐量依然保持恒定.在接收終端與AP距離分別小于200和230 m時，ARF+LBP方案與本文所提方案網絡吞吐量均分別遠大于原始的802.11組播，而本文所提方案網絡吞吐量明顯高于ARF+LBP方案.結合圖3，由于在相同接入站點情況下，例如39個接入站點，本文方案組播速率通常大于ARF+LBP方案，而且本文方案控制幀開銷小于ARF+LBP方案.當接收終端與AP距離分別超過200和230 m時，ARF+LBP方案與本文所提方案組播速率相繼被調整為1 Mbit/s，因為，本文所提方案與ARF+LBP方案均有額外開銷，此時網絡吞吐量均小于原生802.11組播.

圖4 網絡性能隨接收站點與AP間距離的變化Fig.4 Change of network performance with distancebetween receiving stations and AP

4 結 論

本文提出了基于IGMP報文與改進的ARF算法的無線組播速率自適應方案.該機制利用組播中必須發送的IGMP報文來獲取接收信噪比，以此來判斷合適的組播速率，充分利用了協議中必要的幀.同時加入了改進后的ARF算法，規避了大量反饋幀產生碰撞的問題，可以使組播路由器有效獲得傳輸結果信息，從而更準確進行速率調整.在基于NS-3網絡平臺實現了所提出的基于IGMP及改進ARF的組播速率自適應方案，與其他組播方案進行比較并對仿真結果進行了詳細分析.仿真結果表明，本文所提基于IGMP報文與改進ARF算法的無線組播速率自適應方案能夠較好地提高組播傳輸吞吐量.

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RateadaptivemechanismforwirelessmulticastbasedonIGMPinIEEE802.11

WANG Jin-tao1,2,3, LI Ming-qi1,2

(1. Shanghai Advanced Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201210, China; 2. School of Electronic, Electrical and Communication Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101407, China; 3. School of Information Science and Technology, Shanghai Technology University, Shanghai 201210, China)

Aiming at the problem that the multicast rate can not meet the transmission demand, a rate adaptive mechanism for wireless multicast based on both internet group management protocol (IGMP) and improved auto rate fallback (ARF) algorithm was proposed. In the proposed mechanism, the IGMP packets which must be sent were used to get the

signal to noise ratio (SNR), and then the multicast rate was determined. Based on the adjustment cycle interval of IGMP packets, an improved ARF algorithm was added to adjust the multicast rate. The proposed mechanism avoided the collision problem occured among a lot of feedback frames, so that the multicast access point(AP) could get the effective feedback of transmission results to perform the more accurate rate adjustment. The results indicate that the proposed mechanism can better adjust the wireless multicast rate and promote the throughput of wireless multicast.

wireless local area network (WLAN); wireless multicast; internet group management protocol (IGMP); rate adaptation; improved ARF; signal to noise ratio (SNR); throughput

SNR and transmission rate

接收信噪比范圍dB組播速率(Mbit·s-1)[0，6)1[6，8)2[8，10)6[10，12)12接收信噪比范圍dB組播速率(Mbit·s-1)[12，18)24[18，22)36[22，24)48[24，+∞)54

2017-03-16.

863計劃項目(2015AA01A709)； 中科院戰略性先導專項子課題基金資助項目(XDA06010301)； 上海市張江管委會基金資助項目(2016-14)； 上海市科委基金資助項目(16511104204).

王金濤(1991-)，男，甘肅張掖人，講師，碩士，主要從事無線局域網等方面的研究.

* 本文已于2017-10-25 21∶13在中國知網優先數字出版. 網絡出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20171025.2113.042.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.06.17

TN 919.72

A

1000-1646(2017)06-0691-06

(責任編輯：鐘 媛 英文審校：尹淑英)