基于IGMP的IEEE 802.11无线组播速率自适应机制*

王金涛， 李明齐

(1. 中国科学院 上海高等研究院， 上海 201210； 2. 中国科学院大学 电子电气与通信工程学院， 北京 101407； 3. 上海科技大学 信息科学与技术学院， 上海 201210)

基于IGMP的IEEE 802.11无线组播速率自适应机制*

王金涛1，2，3， 李明齐1，2

(1. 中国科学院 上海高等研究院， 上海 201210； 2. 中国科学院大学 电子电气与通信工程学院， 北京 101407； 3. 上海科技大学 信息科学与技术学院， 上海 201210)

针对组播速率不能满足传输需求的问题，提出了基于因特网组管理协议(IGMP)与改进自动速率回退(ARF)算法的无线组播速率自适应机制.该机制利用组播中必须发送的IGMP报文来获取接收信噪比，进而决定组播速率.基于IGMP报文的周期间隙调整，加入了改进后的ARF算法进行速率调整.该机制规避了大量反馈帧产生碰撞的问题，可以使组播路由器获得传输结果的有效反馈，从而更准确地进行速率调整.结果表明，所提机制能够较好地调整无线组播速率，提升无线组播的吞吐量.

无线局域网； 无线组播； 因特网组管理协议； 速率自适应； 改进ARF； 信噪比； 吞吐量

在现有的IEEE 802.11单播通信中，用户通过连接AP(access point)执行CSMA/CA机制来完成对信道的争用，但仅当较少用户争用信道时，无线网络的性能才能得到保障，在人流密集的情况下，例如地铁和商场等地区，在接入用户很多时，WiFi的连接和使用总不是很通畅.此外，如果一个BSS(basic service set)中的众多用户同时请求大量数据的收发，如视频直播等，采用单播的方式为每一个用户建立连接分配资源无疑会使得数据发送时延过高，最终导致数据传输速率极低.上述情形对于无线局域网(WLAN)的承载能力提出了更高的要求.

无线组播技术的应用初步解决了上述问题.系统不必为每一个在组播组中的用户单独建立一条链接，因此节省了带宽资源.由于无线信号具有天然的广播特性，当用户在AP覆盖范围之内并且加入组播组时，就能够接收到AP发出的无线组播信号，从而不必考虑接收端数量的问题[1].因此，无线组播技术被应用于大量用户接入的场景并适合传输视频直播等需要同时向多个用户传送的业务，从而提高了频谱资源的利用率，增大了用户接入的数量.

现有的802.11协议规定了在相应制式下，组播速率采用AP及与其连接的各终端组成的独立基础服务集(independent basic service set，IBSS)中速率集的最低速率.例如，在802.11b协议下，AP发送组播帧采用最低速率1 Mbit/s，这一设定的目的为使数据能够被信道条件最差的接收终端接收到.实验表明，在标准的1 Mbit/s无线组播系统中，传输MPEG2-TS视频流的输入门限约为930 kbit/s，该视频码率意味着视频具有极低的清晰度，接收终端的视频播放体验受到组播速率的限制而变差.因此，如何提高基于802.11无线组播的传输速率，提高网络的吞吐量，是本文需要解决的问题.

1 相关工作

目前，无线单播的速率自适应机制已经比较成熟，主要有文献[2]提出的ARF机制，其主要思想为随着信道质量的变化而调整对应的单播速率，连续十次传送成功，增大下一次发射速率；连续两次发送失败，则降低下一次发射速率；如果升高传输速率后传输的第一个包传输失败，则降回原来的传输速率.另外一个常见的单播速率自适应机制为RBAR(receiver-based auto rate)[3]，其利用RTS/CTS帧在发送者和接收者之间进行接收信号强度或接收信噪比等信道状况信息的交互，发送端根据反馈的接收信号强度等信息对照相应阈值，决定发送的速率.这一机制能够在每一帧数据发送时决定发送的速率，具有良好的实时性，但大量RTS/CTS帧的发送会浪费有限的无线带宽资源，导致网络吞吐量下降[4].由于上述单播中的方法均需要反馈信息或者确认信息，所以均无法直接移植到组播中实现.

文献[5]提出的LBMS(leader-based multicast service)由领导者反馈确认信息给发送端，因此有研究将LBMS与ARF相结合，提出了LB-ARF方案[6-7]，利用方案中领导者反馈的信息运行ARF算法，确认之后组播发送的速率，但该方案当接收站点增多时，反馈数目增大，碰撞的可能性增大，传输性能会不断恶化.

2 方案设计

基于以上无线组播问题及研究现状，本文提出了一种依靠IGMP[8]来获取接收信噪比信息确定组播速率并结合改进的ARF算法进行无线组播速率自适应的方案.由于IGMP协议为组播通信必须执行的协议，本文对IGMP帧进行了修改，以便对其充分利用，同时避免引入额外的控制帧传输.考虑到组播路由器会周期性地向组播组成员发送查询报文，在周期内的空闲时间采用了改进ARF算法辅助进行无线组播速率自适应.该方法没有产生额外的数据报文传输，利用IGMP报文获得接收信噪比来确定组播速率，是基于信道状况的决策，具有良好的准确性，为后续利用改进ARF算法调整组播速率奠定了基础.基于IGMP及改进ARF的组播速率自适应方案流程图如图1所示.

2.1 基于IGMP协议的信道信息获取方法

2.1.1 接收信噪比获取

接收站点的接收信噪比(signal noise ratio，SNR)是接收信号功率与噪声的比值，其中，噪声的功率设定为高斯白噪声功率，为-95 dBm.在802.11协议中物理层分为两个子层：物理层汇聚协议(physical layer convergence protocol，PLCP)与实际搭配介质(physical medium dependent，PMD)，其中，PLCP负责将MAC层协议数据单元(MPDU)对应到传输介质，最终封装成为PLCP子层协议数据单元(PPDU)，而PMD负责帧的传送.以802.11g协议帧格式为例，MPDU帧与PPDU帧中均没有接收信号功率相关的字段.但协议中规定接收信号强度值(received signal strength indication，RSSI)随PHY Preamble部分能量单调递增，在实践中可以通过接收到的PHY Preamble部分测量出RSSI.RSSI为接收信号功率的转化形式，其计算表达式为

RSSI=10lgP

(1)

式中，接收信号强度RSSI单位为dBm，接收功率P单位为mW.

RSSI由接收端测量得到后，PMD子层通过发送PMD_RSSI.indicate指令将当前RSSI信息告诉PLCP子层，PHY就将向MAC发出一个PHY_RXSTART.indicate(RxVECTOR)指令.RxVECTOR是参数矢量，其取值依赖于物理层，不同物理层RxVECTOR的参数可能有所不同，RSSI是其中的一个元素.依据接收信号强度可以计算出各站点的接收信噪比SNR.

2.1.2 基于IGMP报文的组播速率决定策略

由于组播接收者在加入组播组的过程中必须遵守IGMP协议，组播接收者如果要加入组播组，需要发送IGMP成员关系报告给组播组.在组播过程中路由器周期性地向所有组播组成员发送IGMP成员关系查询信息，之后组播组成员回复发送IGMP成员关系报告.本文利用现有的IGMP报文发送机制，报文中的“最大响应时间”字段，当且仅当在IGMP普通查询报文中其值不为0；在其他IGMP报文中其值为0.本文修改“最大响应时间”字段为站点接收信噪比SNR，如图2所示.

图2 修改前后的IGMP报文Fig.2 IGMP packets before and after modification

IGMP报文发送机制流程如下：

1) 接收站点加入组播组时，向组播组发送修改过的IGMP成员关系报文，报文中含有该站点的接收信噪比信息.

2) AP接收到成员关系报文后，检查报文的“最大响应时间”字段，如果此字段不为0，则标志发送该报文的站点支持本文算法，AP记录该站点对应的MAC地址与SNR；否则，遵照原始的IGMP协议执行.AP记录所有站点的SNR后，挑选出最小SNR.

3) AP依照原始IGMP协议周期性发送IGMP普通查询报文，接收站点接收到IGMP普通查询报文后，反馈修改后的带有自己SNR信息的IGMP成员关系报文.AP依据接收到的信息更新接收站点SNR表，并更新最小接收信噪比.

组播速率选择方法是通过误码率与信噪比之间关系推导出不同传输速率所需要的最小信噪比临界值.本文为了得到更为实用的结果，采用了商业WiFi芯片所使用的最小SNR需求[9]，其数值如表1所示.AP选择出接收站点中的最小接收SNR，对照表1决定无线组播发射速率.

2.2 基于改进ARF算法辅助组播速率自适应机制

由于IGMP报文的查询周期较长，虽然缩短了IGMP报文的发送周期，使得组播速率的调整能够更及时地适应接收站点信道状况的变化.如果将IGMP报文的发送周期缩短到更小的时间，无疑会增加大量的IGMP查询报文和IGMP成员关系报告报文，增加了网络的额外开销.但接收终端的移动性等特点造成无线信道不断变化，因此，在运行基于IGMP报文的组播速率调整机制的同时加入了改进ARF算法.在基于IGMP报文的组播速率调整机制完成之后，改进ARF算法继续对组播速率进行细微调整.

ARF算法是应用于单播传输的非常成熟的速率自适应算法，在商业上有广泛应用，如果直接将ARF算法移植到组播机制中，由于需要大量的接收站点反馈的ACK帧的传输，势必会造成ACK帧碰撞，因此，本文利用NACK帧代替ACK帧进行传输.当接收站点接收组播帧失败时，其反馈一个NACK帧；如果所有的组播帧都被成功接收，那么信道会一直保持空闲，并持续一段由NACK定时器决定的特定时间，这时无线路由器不会采取任何行动.如果一个或者多个接收站点都反馈了NACK帧，只要无线路由器侦听到信道处于繁忙状态，无论有没有接收到站点反馈的NACK帧，其都会认为至少有一个站点没有成功接收到此次发送的组播帧.在接收站点接收组播帧不成功的情形下，因为在802.11协议中，帧头部分总是会以基本速率，即最低速率来发送，这样接收站点可以有较大可能接收到帧头部分，并由帧头信息判断出其正在接收的是一个组播帧，但是完整的帧没有接收成功，这样站点便会发送一个NACK帧.

当连续两次没有传输成功时，降低无线组播的速率一档；当连续十次传输成功时，则升高无线组播传输的速率一档；升高速率后传输的第一个组播数据包若有站点接收不成功，则降回原来的组播传输速率.

3 算法仿真与性能评估

本文利用NS-3仿真平台[10]搭建了基于IGMP及改进ARF算法的组播速率自适应算法仿真平台，并对算法进行了多种情境下的仿真，设定仿真信道为高斯白噪声信道，衰落模型为NS-3中Log Distance Propagation Loss Model，接收站点信道质量只与接收站点和无线路由器之间的距离有关[11].仿真参数设置如表2所示.

表2 仿真参数设置Tab.2 Setting of simulation parameters

本文在以下几个场景中对所提出算法的机制进行了仿真，并与原始的802.11组播和ARF+LBP组播速率自适应方案进行了对比.

1) 仿真场景一

在距离无线路由器1 m距离的圆周上，增加接收站点的数目，从1～49每次增加2个接收站点，接入站点不具有移动性.输入的数据流速率恒定为50 Mbit/s，数据包大小为1 500字节，以此研究无线组播速率、无线组播网络的吞吐量及传输时延变化.

图3为无线组播速率、平均网络吞吐量及平均时延随加入组播组站点增加的变化情况.由图3可知，ARF+LBP方案由于需要领导者站点反馈ACK帧，当站点数目增加时，反馈的ACK帧数目随之增加，从而增加了大量的网络开销.同时反馈ACK帧的增加势必会导致反馈帧碰撞的可能性升高，最终导致路由器没有接收到有效的ACK帧而错认为帧传输失败，导致组播传输速率降低，同时传输时延也不断升高.因此，在接入站点数目不是很多的情况下，ARF+LBP方案性能相对较好，但当接入站点数目较大时，ARF+LBP方案网络吞吐量急剧下降.在接入点数目增加到27和39个时，ARF+LBP方案网络吞吐量出现了断崖式下降，这可能是由于反馈量增大并发生碰撞，导致AP误认为传输不成功而降低了组播速率.本文所提方案由于只传输必要的IGMP报文，虽然接收站点数目的增加增大了传输的IGMP报文数量，但对网络整体吞吐量影响不大，同时接收站点反馈的NACK帧数目增加，但是因为反馈时间固定，所以对传输时延几乎没有影响，传输时延由0.48 ms增加到5.11 ms.因此，在接入站点数目较大时，本文方案也优于ARF+LBP方案.原生802.11组播方案中组播站点的增加对其发送组播帧没有影响，因此，传输速率恒定为基本速率，传输时延基本恒定，约为12.4 ms.

本文所提方案虽然传输时延随接入站点数目增长有所提高，但整体传输速率及吞吐量高于对比的两种方案，时延较对比的两种方案低.

2) 仿真场景二

放置39个接收站点，接收站点从距离AP 0 m位置开始，以10 m/s远离AP移动，站点移动的距离大于采用1 Mbit/s速率所能传输的最远距离，在结果分析中截取从实验开始到略小于此最远距离的一段距离内(10～250 m)数据进行研究.输入的数据流速率恒定为50 Mbit/s，数据包大小为1 500字节，以此研究组播发送速率及网络吞吐量随AP与接收站点间距变化的情况.

图3 网络性能随组播组成员数目的变化Fig.3 Change of network performance withmember number in multicast group

图4分别为无线组播速率随接收站点与AP距离的变化、平均网络吞吐量随接收站点与AP距离的变化情况.由图4可知，本文所提方案与ARF+LBP方案组播速率都随着接收站点与AP间距离的变化而变化.当站点移动远离AP时，采用某个组播速率，在一定距离内位置的变化不会影响接收可靠性，但当接收站点移动超过了该组播速率的可靠覆盖范围时，由于信道状况变差，使得传输失败次数增加，从而使得本文所提方案与ARF+LBP方案都利用ARF算法将组播速率调低一档，网络吞吐量随之下降.原生802.11组播传输速率、吞吐量依然保持恒定.在接收终端与AP距离分别小于200和230 m时，ARF+LBP方案与本文所提方案网络吞吐量均分别远大于原始的802.11组播，而本文所提方案网络吞吐量明显高于ARF+LBP方案.结合图3，由于在相同接入站点情况下，例如39个接入站点，本文方案组播速率通常大于ARF+LBP方案，而且本文方案控制帧开销小于ARF+LBP方案.当接收终端与AP距离分别超过200和230 m时，ARF+LBP方案与本文所提方案组播速率相继被调整为1 Mbit/s，因为，本文所提方案与ARF+LBP方案均有额外开销，此时网络吞吐量均小于原生802.11组播.

图4 网络性能随接收站点与AP间距离的变化Fig.4 Change of network performance with distancebetween receiving stations and AP

4 结 论

本文提出了基于IGMP报文与改进的ARF算法的无线组播速率自适应方案.该机制利用组播中必须发送的IGMP报文来获取接收信噪比，以此来判断合适的组播速率，充分利用了协议中必要的帧.同时加入了改进后的ARF算法，规避了大量反馈帧产生碰撞的问题，可以使组播路由器有效获得传输结果信息，从而更准确进行速率调整.在基于NS-3网络平台实现了所提出的基于IGMP及改进ARF的组播速率自适应方案，与其他组播方案进行比较并对仿真结果进行了详细分析.仿真结果表明，本文所提基于IGMP报文与改进ARF算法的无线组播速率自适应方案能够较好地提高组播传输吞吐量.

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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

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

2017-03-16.

863计划项目(2015AA01A709)； 中科院战略性先导专项子课题基金资助项目(XDA06010301)； 上海市张江管委会基金资助项目(2016-14)； 上海市科委基金资助项目(16511104204).

王金涛(1991-)，男，甘肃张掖人，讲师，硕士，主要从事无线局域网等方面的研究.

* 本文已于2017-10-25 21∶13在中国知网优先数字出版. 网络出版地址： 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

(责任编辑：钟 媛 英文审校：尹淑英)