（通信与信息系统专业论文）无线mesh网络voip业务聚合技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 基于i e e e8 0 2 1 1 s 标准草案的无线m e s h 网近几年得到过广泛的研究与应 用。无线m e s h 网相对于此前的w l a n 以及a dh o c 网络而言，有着自己的优 势和特点。相比于a dh o e 网络，它的拓扑结构相对静止的，在网络层次上分为 无线接入层、无线骨干层，因此它适用于作为一个无线接入网；相比于w l a n ， 无线m e s h 网的无线多跳骨干网扩展了网络覆盖的范围，并提供移动性的支持， 且结构灵活，更容易布署。因此，无线m e s h 网是下一代无线接入网的主流技术 之一。 v o i p 是近年来发展极快的一个业务，它也是下一代网络的关键应用之一。 近来v o i p 业务在无线m e s h 网的传输性能的研究也成为一个热点。v o l p 业务有 特殊的低时延、低丢包率、低时延抖动的q o s 需求，对无线m e s h 网提出了一 些挑战。研究发现，由于v o l p 业务模型近似为包长小、周期短的数据包流，在 无线m e s h 网的m a c 层上进行传输的时，存在q o s 需求难以保证、带宽利用 率低、单位带宽所支持的v o l p 连接的数量小的问题，这些问题的存将阻碍v o m 业务在无线m e s h 网中应用的发展。 本文关注v o l p 业务在无线m e s h 网中的传输性能问题，并以单位带宽所支 持的v o l p 连接数量来衡量。在分析v o l p 业务在无线m e s h 网中传输所存在的问 题的基础上，主要针对m a c 层引起的瓶颈效应及带宽利用率低的问题，提出 一种结合了m a c 层参数优化和帧聚合策略的方案，提高了无线m e s h 网v o l p 传输性能。方案的设计采用了跨层设计的思想，即在m a c 层上感知物理层拓 扑信息以及应用层业务的q o s 需求等信息，并以此进行m a c 层参数优化操作 和帧聚合策略的调整。 在传输性能提高的基础上，本文还在帧聚合策略中引入了定价的思想，提出 了一种新颖的定价聚合策略。此策略在有限带宽的前提下，通过定价机制，在 保证业务公平性的同时，实现网络收益最大化的目的。本文提出的策略以区分 服务( d i t f s e r v ) 为实现手段，采用静态静定价策略，其主要思想是以比例公平调 度算法保障业务之间的公平性，通过收益函数最优值求解动态调整比例公平调 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 度时业务之间的权重，决定各类业务的数据包在聚合帧中占的比例，最终达到 在兼顾公平性的前提下，网络收益最大化的目的。仿真表明，所提出的动态定 价帧聚合策略很好的保障了各类业务的最低q o s 需求，并使网络收益的函数收 敛于最大值。 关键词：无线m e s h 网；v o i p 传输性能；m a c 层优化；帧聚合；定价理论 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ll 页 a b s 仃a c t r e c e n t l y , w m n ( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ) b a s e do ni e e e8 0 2 1l sp r o t o c o l d r a f th a v eb e e nw i l d l yr e s e a r c h e d c o m p a r i n gw i t ha dh o cn e t w o r ko rw l a n w m - nh a sm u c h a d v a n t a g ea n dc h a r a c t e r i s t i c c o m p a r e dt oa dh o e ，w m n h a sm o r e i m m o b i l et o p o l o g y , a n dt h et o p o l o g yd i v i d e di n t oa c c e s sn e t w o r k sl a y e ra n d b a c k - b o n en e t w o r kl a y e r , s ow m ni sm o r es u i t a b l et ob eu s e da sa na c c e s sn e t w o r k w h e nc o m p a r e dt ow l a n ，w m ne x t e n d e di t sc o v e r a g eb yu s i n gm u l t i h o pw i r e l e s s b a c k - b o n e ，a n dw m n a l s oo f f e r st h ea b i l i t yo fm o b i l i t ym a n a g e m e n t , w m nh a sa f l e x i b l en e t w o r ks t r u c t u r ea n dm a k e st h ed e p l o y m e n te a s i e r s ow m ni so n eo ft h e k e yt e c h n o l o g y si nn e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k s v o l pi sa ne x t r e m e l yf a s td e v e l o p i n ga p p l i c a t i o ni nr e c e n ty e a r s ，i tb e c a m ea k e y a p p l i c a t i o no ft h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sn e t w o r k s t h ep e r f o r m a n c eo fv o l po v e r w i r e l e s sm e s hn e t w o r kb e c a m eah o t - p o i n ti nr e s e a r c ha r e a s v o l pr e q u i r e st h el o w d e l a y , l o wp a c k e tl o s sr a t e ，l o wd e l a yj i t t e r , s a t i s f i n gt h eq o sr e q u i r e m e n ti sab i g c h a l l e n g ef o rw i r e l e s sm e s hn e t w o r k i tw a sf o u n dt h a tb e c a u s eo ft h es h o r tp a c k e t s l e n g t ha n dt h es h o r tp a c k e t sc y c l e ，v o l ps u f f e r sal o wb a n d w i d t hu t i l i z a t i o nr a t ea n d i t sq o sr e q u i r e m e n ti sh a r d l yt ob es a t i s f i e d ，e v e nm o r e ，t h ev o l pc a p a c i t yo f w i r e l e s sm e s hn e t w o r k , m e a s u r e db yt h e s u p p o r t e dv o l pc o n n e c t i o n sp e ru n i t b a n d w i d t h ，i sv e r yl o w t h i sp r o b l e mg r e a t l yi n f l u e n c e st h ed e v e l o p m e n to fv o l p a p p l i c a t i o ni nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k t h et h e s i sf o c u s e so nt h ep e r f o r m a n c eo f v o l pi nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k , n a m e l y , t h es u p p o r t e dv o i pc o n n e c t i o n sp e ru n i tb a n d w i d t h b a s e do nt h ea n a l y s i so f p e r f o r m a n c eo ft h em a cl a y e ra n dp h yl a y e r , am e t h o d c o m b i n e dw i t ht h e o p t i m i z a t i o no fm a cl a y e rp a r a m e t e r sa n dp a c k e t sa g g r e g a t i o nw a sp r o p o s e dt o r e s o l v et h eb o t t l e n e c ke f f e c ta n dt h el o wb a n d w i d t hu t i l i z a t i o nr a t eo fv o l pi nw m n ， a n df i n a l l ym a k e sal o to fg r o w t ho ft h ep e r f o r m a n c eo fv o l po v e rw m n t h e c r o s s l a y e rd e s i g n i n gm e t h o dw a su s e d i nt h ep r o p o s i t i o n u s i n gt h et o p o l o g y i n f o r m a t i o ng a i n e db yc r o s s l a y e ra c c e s s i n g ，t h eo p t i m i z a t i o no fm a cl a y e ra n d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 a d j u s t m e n to f t h ep o l i c yo fp a c k e ta g g r e g a t i o nc a l lb em a d e i nt h ef o u t h p a r a g r a p hw ei n t r o d u c e d t h e p r i c i n gs t r a t e g y i n t o p a c k e t s a g g r e g a t i o nm e t h o d ，c a l l e dp a c k e t sa g g r e g a t i o n w i t h p r i c i n g n i sp a r t i c u l a r a g g r e g a t i o nm e t h o da c h i v e st h em a x i m u mn e t w o r ku i t i l i t y , u n d e rt h ep r e m i s eo f f a i r n e s sg u a r a n t e eb e t w e e nv a r i o u st r a f f i c s i nd e t a i l s ，t h i ss c h e m ec o m b i n e dw i t ht h e d i f f s e r vs e r v i c ea n ds t a t i cp r i c i n gs t r a t e g y , b yd y n a m i c l ya d j u s t i n gt h ew e i g h to f a g g r e g a t i o nb u f f e rq u e u ei np r o p o r t i o n a lf a i r n e s ss c h e d u l i n g ，t h et w og o a l s ，w h i c h a r et h ef a i r n e s sb e t w e e nt h ed i f f e r e n ts e r v i c ea n dt h em a x i m i z a t i o no ft h en e t w o r k u i t i l i t yc a na c h i e v e ds y n c h r o n o u s l y n er e s u l to ft h es i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h e s c h e m ep r o p o s e dc a nb o t hg u a r a n t e et h eq o sr e q u i r e m e n ta n do p t i m i z i n gt h e n e t w o r ke f f e c t i v e n e s s k e yw o r d s ：w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ；v o pp e r f o r m a n c e ；m a cl a y e ro p t i m i z a t i o n ； p a c k e ta g g r e g a t i o n ；p r i c i n gs t r a t e g y 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作暑签名势吣 日期：加7 川 指导老师签名：二魁至 日期：夕口夕歹吨j 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 ) v o 口业务在m e s h 网络中传输性能方面 主要的思想是结合帧聚合策略与m a c 层的优化思想。聚合策略综合考虑 各种聚合的阈值，包括时延阈值、聚合帧长阈值、冲突概率阈值，此外聚合缓 冲采取针对每个业务流的队列管理的方法；m a c 层优化分为接入层和m e s h 骨 干层，分别采用活路站点估计及跨层访问的方法。 2 ) 聚合策略的缓冲管理方面 采用定价的思想控制数据包聚合的过程，使聚合策略适用于多业务场景， 实现网络效用的最大化及公平性的保证。 易导火 1 _ 如 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 论文的背景 第一章绪论弟一早珀 了匕 近几年来，无线网络技术的发展呈现两个趋势，一个是网技术本身的发展， 表现为新的网络技术大量的涌现，在接入网技术上w i m a x 、w i f i 、w i f i m e s h 各展所长，共同发展，而3 g 网络也呈献三个标准并驾齐驱局面；二是用户需求 多样化及带宽和q o s 需求的苛刻化。这两个趋势相辅相成，互为推动，近几年 在无线网络领域，各种网络技术协议，标准在不同的无线应用领域各放异彩。 1 1 1 无线m e s h 网的发展和现状 无线m e s h 网【1 】是下一代网络中的无线接入网技术的主流之一，它的出现是 应网络发展的需求的推动。在传统的无线接入网中，主要采用的是无线单跳接 入的方式，如w l a n 2 , 3 】、g s m 等，单跳接入方式的最大的一个特点就是无线 传输限于接入点与终端之间，在接入点之后则必需依托于固定的有线网络。如 w l a n 的a p 必需连接于以太网或者其它类型的有线链路，而g s m 的基站与基 站之间，基站到r n c ( r a d i on e t w o r kc o n t r o l e r ) 或交换中心之间必需用光纤链 路进行连接。单跳无线接入网存在以下不足【4 5 6 】： 1 ) 对于w l a n 来说，单个接入点的覆盖范围有限，若要增大覆盖范围， 而需要在一个区域内布设数量较多的接入点。 2 ) 接入点本身必需依托于有线网络，因此，布设无线网络的时候，还附带 对有线网络的布设的要求及成本。对于一些有线网络很难布置到的区 域，难以得到应用。 3 ) w l a n 的各个接入点之间的孤立的，当用户在接点之间进行移动的时 候，无法实现移动性的支持，无法满足某些业务的服务质量。 基于单跳接入网的以上不足，人们提出了无线m e s h 网的概念，无线m e s h 网就是在接入点与接入点之间，引入多跳传输、转发的的概念。接入点除了为 用户提供接入服务，也为其它接入点提供数据转发业务，采用这种网络结构， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 相比之前的无线单跳接入技术，有如下优势【4 5 ，6 】： 1 ) 布署快捷方便，结构灵活。由于摆脱了对有线网络的依托，无线m e s h 网的布署可以高效、灵活的完成。此外也解决了之前由到有线网布设的 困难造成的通信死角的问题。 2 ) 覆盖范围增加。由于接入点间采用的多跳传输，并通过协议连接成一个 大的网络，可以在更大的范围内为用户提供接入服务。 3 ) 网络的鲁棒性增强。m e s h 网的接入点之间为自组织的a dh o c 网络，可 以大大提高网络的容错性能。 4 ) 实现复杂的控制，管理功能。无线m e s h 网中的接入点之间通过定义相 应的协议实现终端的移动性的管理，从而支持快速切换、实时业务；可 以对m e s h 网的接入点、终端进行统一的监测、管理，实现拓扑发现、 错误检测、网络安全、拥塞控制等复杂的功能。 由于m e s h 结构的无线网络相比于单跳的无线网络具有诸多的优势，国际标 准组织也在各种无线网络标准中加入m e s h 组网方式的支持。如i e e e 8 0 2 1 6 t 9 1 0 川标准在城域宽带无线网络中同时定义的p m p ( p o i n t t o m u l t i p o i n t ) 的组网方式和m e s h 的组网方式；i e e e8 0 2 1 5 无线个域网工作组2 0 0 3 年1 1 月 成立了m e s h 研究组t g 5 ，研究用短距离、低成本的设备通过m e s h 方式来覆盖 一个较大的范围；i e e e8 0 2 1 1 无线局域网工作组也在2 0 0 4 年初成立的m e s h 研 究组t g s ，主要研究无线分布系统的m e s h 组网协议 7 1 ，以实现多个w l a n 的a p 之间的自组织组网。 1 1 2v o i p 及其终端的发展 v o i p 即v o i c eo v e ri p 1 5 】，就是在i p 网络上传输实时语音或者多媒体的一种 技术。v o l p 属于分组通信的的范围，是以口为标志的网络分组化和以多媒体为 目标的网络业务综合化两大趋势融合的结果。 v o l p 技术一方面让运营商降低服务的成本，降低网络运营、维护的复杂度， 同时，另一方面用户也能以更低廉的价格享受到相比于传统的基于电路交换的 电信网络等同的语音服务。v o l p 还可以提供视频传输服务，为可视电话、视频 会议等应用提供了技术上的支持。由于这些优势，v o l p 在近几年中得到了非常 迅猛的发展，各种商业模式和产品也层出不穷。如s k y p e 、m s n 、y a h o om e s s e n g e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 等桌面平台应用软件应运而生并得到了广泛的运用。据调查显示，仅在北美地 区，到2 0 0 8 年底v o l p 的用户就已经有1 7 5 0 万户，而预计到2 0 1 2 年欧洲住宅 v o l p 用户的数量将达到8 8 0 0 万，而在中国，v o l p 业务也以几何级数方式在增 长【1 6 1 。 另一方面，以a n m f i m e s h 为代表的无线宽带接入网也为v o l p 带来了 新的发展契机，用户可以依托这些网络随时随地接入i p 网络，使用v o l p 或其 它各种因特网业务。因此，各种基于w l a n w i f i m e s h 接入技术的带v o l p 功 能的终端得到了很大的发展，如i p o d 、i p h o n e 、g p h o n e 等产品。这些终端类产 品出现，推动了m e s h 网和v o l p 业务的共同发展。 1 1 3v o i c eo v e rm e s h 的需求与挑战 v o i p 业务是一种实时性的业务，要求网络提供低时延、低丢包率、低时延 抖动的q o s 保障。本文关注的是基于8 0 2 1 l s 的无线m e s h 网络，在m a c 层上， 8 0 2 1 l s 采用d c f e d c a 的机制，在研究和仿真的时候，m a c 层采用单信道的 配置。d c f e d c a 协议在支持具有严格时延限制的业务具有先天不足，因而在 无线m e s h 网中v o l p 的q o s 保障是一个非常大的挑战。 本论文主要关注的是v o l p 在无线m e s h 网中的传输性能问题。研究发现， 无线m e s h 网中v o i p 业务的传输性能是不甚理想的，其最主要的表现是单位带 宽所支持的v o l p 连接的数目小，带宽利用率低。这主要是因为v o i p 业务在业 务模型上是类似于包长小、周期短的c b r ( c o n ab i tr a t e ) 业务，这类业务在 d c f e d c a 的m a c 层上进行传输的时候，就要在m a c 层和物理层上引入很多 额外的开销，带宽的利用率非常小。我们通过在n s 2 仿真平台上实验表明，在 8 0 2 1 l b 的1 1 m b p s 的物理层速率上，单跳也只支持大概8 个v o l p 的通话。提高 无线m e s h 网的v o l p 传输性能是亟待解决的一个问题，这也是本文研究的重点。 1 2 论文研究的意义及目标 传输性能是v o l p 在无线m e s h 网内广泛应用的关键因素。仅保证每一个v o l p 业务流的q o s 需求是不够的，如果单位带宽只能支持很少数量的v o i p 连接， 将增加网络成本，阻碍v o l p 业务在无线m e s h 网中应用和普及。因此，本文与 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 其它论文的关注点是v o i p 在无线m e s h 网中的传输性能，研究的目的是尽可能 的提高无线m e s h 网络单位带宽所能支持的v o i p 连接的数目，从而为实现v 0 口 在m e s h 中的大规模布署应用提供前提。 在基于8 0 2 1 l s 无线m e s h 网络中，影响v o i p 业务传输性能的两大关键是因 素是网络节点的瓶颈效应及v o i p 业务带宽利用率低的问题。对于瓶颈效应，本 文提出了一种基于网络负荷及拓扑感知的m a c 层参数优化方案。该方案在无 线m e s h 网接入层和m e s h 骨干层上，分别采用了基于活动节点估计和跨层访问 的方法，根据网络的负荷的大小和网络拓扑的变化动态的调整m a c 层的竞争 窗口的大小，使带宽在节点之间按照负荷的大小进行合理分配。 带宽利用率低的问题，本质上是由于d c f e d c a 协议在传送数据包的时候， 需要很多诸如r t s c t s 握手开销、m a c 层a c k 开销、物理层的p l c p 前导码 的开销，帧间隔及二进制退避等的额外开销。当一个数据包比较小的时候，这 些额外的开销远远大过实际用的数据包传输所用的网络资源，造成很低的带宽 利用率。帧聚合方法是解决这一问题的根本途径，本质上是把多个数据包聚合 成一个进行发送，从而使网络的带宽利用率成倍的增加，在相同的物理层速率 上，能支持更多的v o i p 业务连接。 另外，在下一代网络中，定价机制是进行网络控制的一个有效手段，也是研 究一个重要方向。用户方和网络方都可以求解自己的效用或收益函数是最优值， 据此调整自己的策略。网络定价是解决诸如拥塞、流量控制等问题的关键技术 之一。本文通过在帧聚合协议中引入定价机制，在聚合协议的层面上实现业务 区分服务，在保障用户的服务质量需求的前提下，最大化用户效用及网络收益， 实现用户与网络供应方的双赢。 综上所述，本文所要解决的问题及创新点主要有： 1 ) 解决无线m e s h 网接入层及骨干层的瓶颈效应的问题，采取m a c 层参 数优化的方法。基于跨层设计的思想，使m a c 层参数的设置基于网络 负荷的变化及网络拓扑的变化进行动态的调整。 2 ) 解决无线m e s h 网中v 0 口业务传输时带宽利用率低下的问题，采取在 m a c 层加入帧聚合协议的方法。本文全面总结8 0 2 1 l n 协议及其它论 文中聚合策略，并在聚合帧长阈值、缓冲管理上有所创新。本文设计的 聚合方案有更好的扩展性、可配置性，合理配置可在多个网络性能参量 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 如带宽、时延等合理权衡。 3 ) 把定价机制引入帧聚合协议，提出了一种在静态定价情况下，基于业务 区分的比例公平的帧聚合方案。该方案在满足业务的时延需求的情况 下，通过动态地调整业务比例公平的权重，实现网络收益的最大化。 1 3 论文的研究内容及组织结构 本文以i e e e8 0 2 1 l s 草案所定义的无线m e s h 网络为研究的对象，重点为 v o l p 业务在无线m e s h 网中的传输性能。在对v o l p 的业务模型、无线m e s h 网 的m a c 层协议进行研究与分析的基础上，提出了一种综合了m a c 层参数优化 和帧聚合方案的解决方案，使单位带宽所能支持的v o l p 连接数量大大增加。另 外，多业务的公平性和网络效用的最优也是本文所关注的重点，把定价机制引 入帧聚合过程中，然后动态地求解效用函数，设定多业务间比例公平调度权重， 在保障公平性的基础上实现帧聚合协议层次上的网络收益的最大化。 第一章介绍了论文的选题及意义，一然后介绍了无线m e s h 网的发展及现状， 然后对v o l p 在m e s h 传输中的问题进行了简要介绍。并在最后介绍了本文的组 织结构。第二章对无基于i e e e8 0 2 1 1 s 草案的无线m e s h 网络进行了详细的介绍， 包括其m a c 层、路由协议等。然后介绍v o l p 协议和语音编码及v o l p 的q o s 需求。在这两个基础上，接着对v o l p 在无线m e s h 网内传输的性能进行了分析 总结，导出本文所要研究的主要目标。 第三、第四章是本文的主体部分，其中第三章关注v o l p 在无线m e s h 网的 传输性能，即尽可能的在无线m e s h 网的有限带宽内支持更多的v o l p 连接数量， 采用的对m a c 层进行参数优化并结合帧聚合方案。采用跨层设计的思想来对 m a c 层的参数进行优化，达到合理分配带宽，减轻瓶颈效应的目的。所设计的 帧聚合方案提供一个参数集，通过适当的配置实现容量、时延等参数间的平衡。 第四章在第三章的基础上，关注了最大化网络的收益和多业务之间的公平性的 问题，提出了一种基于静态定价及比例公平的定价聚合策略。该策略考虑了业 务之间的公平性及网络收益函数，在保证各类业务最大时延限的前提下，实现 帧聚合过后的网络收益最大化。 最后总结全文，并对未来的工作方向进行了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章基于8 0 2 1ls 的无线m e s h 网和v o l p 协议 本章对基于8 0 2 1 l s 的无线m e s h 网的网络结构、m a c 层、路由协议等进 行简要的分析。然后对当前主流的v o l p 技术进行介绍。最后对v o l p 业务在无 线m e s h 网中的传输性能问题进行了分析与总结，并对问题的解决方案进行归纳 和研究。最后重点总结分析总结了本文重点研究的帧聚合的当前研究的现状。 2 18 0 2 1 1 8 协议及无线m e s h 网结构 2 1 18 0 2 1 l s 的无线m e s h 网结构 i e e e8 0 2 1 l sm e s h 标准化工作组( p 8 0 2 1 1e s sm e s h n e t w o r k i n gw g ) 于 2 0 0 4 年7 月成立，其目的是在提供高速接入速率( 1 0 0m b i t s ) 、支持q o s 、快 速切换等性能的基础上，促进基于i e e e8 0 2 1 1 的系列标准间的互操作性，从而 可以扩大w l a n 的覆盖范围和系统容量1 7 j 。 8 0 2 11 s 工作组已在2 0 0 7 年7 月发表一个初步的规范草案，迄今为止已经发 布多个阶段性的草案 1 1 , 1 2 , 1 3 ，目前该标准仍在不断发展修订中。 终端接入层小区 图2 1 基础设施的无线m e s h 网络模式 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 在网络结构上，无线m e s h 网络由两类节点组成：m e s h 功能节点和m e s h 终端。m e s h 节点又可分为m a p 节点、m p 节点、p o r t a l 节点。其中m a p 节点 向m e s h 终端提供无线接入服务，m p 节点单纯进行数据的转发，实现多跳的无 线传输，p o r t a l 节点是无线m e s h 网的出口节点，它跟其它网络进行互操作，二 般以桥接的方式为整个无线m e s h 网络提供i n t e m e t 的接入服务。 在拓扑结构上，无线m e s h 网络可以分为基础设施的无线m e s h 网络模式、 客户端m e s h 网络模式、及混合m e s h 网络模式。其中，基础设施的m e s h 网络 模式是最典型的m e s h 网络应用形式。其拓扑的结构图如图2 1 所示 2 1 28 0 2 1 l s 的m a c 层及路由协议 本文的v o i p 传输性能研究及所提出的解决方案都是基于m a c 层的，所以 有必要对无线m e s h 网的m a c 层作一些分析与介绍。 i e e e8 0 2 1 l e 的e d c a 协议 8 0 2 1 l sm a c 协议继承了8 0 2 1 l e 1 4 】的特征。在i e e e8 0 2 1 1d c f 中不支持 业务区分的q o s ，因此8 0 2 1 1 e 对原来8 0 2 1 1 中的d c f 协议进行了增强，称为 e d c a 。e d c a 定义了接入分类机制，在站点内部提供了对优先级的分类支持。 每个站点中都可以有四种a c 来支持用户的优先级( u p ) ，其中一个a c 可以施 加一个或者多个优先级。一个站点需要根据传数据帧的a c 来接入信道。 图2 - 28 0 2 1 l e 的信道竞争时序图 每一个a c 都是d c f 增强的变体，使用一组e d c a 信道接入参数去竞争发 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 送机会( t x o p ) 。具有高优先级的a c 被指定给更小的竞争窗口( c w ) ，以保 证高优先级比低优先级的a c 能优先发送。为了进一步进行服务的区分，不同 的a c 采用不同的帧间隔( i f s ) 。在e d c a 中，d i f s 被a i f s a c 】代替，一般 a i f s a c _ d i f s 。其中a i f s a c 计算公式如下： a i f s a c = s i f s + a i f s n a c x a s l o t t i m e ( 2 - 1 ) 在式( 2 1 ) 中a i f s n a c 】是一个正整数，a s l o t t i m e 是和物理层相关的时隙长 度。 如果一个使用e d c a 的站点在准备发送的时候发现信道忙，则开始推迟发 送，直到信道空闲。推迟结束后，再等待a i f s a c 时间，然后启动一个退避过 程。退避间隔是 o ，c w a c 】 内的一个随机数。c w a c 的计算如下： c w a c = m i n ( ( 原c w a c 】+ 1 ) 2 1 ，c w m a x a c ) ( 2 2 ) h w m p 路由协议 本文所提出的方案中的跨层访问设计中有涉及到无线m e s h 网的路由协议 部分，8 0 2 1 l s 标准中提出了h w m p 协议和o l s r 两种路由协议【7 】，并规定所 有8 0 2 1 1s 设备必须默认实现h w m p 协议，以保证互操作性。 h w m p 协议由两部分组成，第一部分是类似于a d h o c 网络的按需距离矢量 路由协议a o d v 并对其进行了部分改进，形成了新的路由协r m - a o d v ，这 些改进方法的目的是让该路由协议能更好的适应无线m e s h 网络环境，包括路由 判据( m e t r i c ) 、备份路由等方面。第二部分是基于树型的先应式路由协议，该协议 是对前一部分按需路由协议的一种补充，其主要思想是让带有网络出口的p o r t a l 节点作为树根( r o o t ) ，将其他m p 连接成一棵逻辑的路由树，让所有m e s h 节点 都知道去“树根”的路径。这样做的主要目的是为了便于找到无线m e s h 网络的出 口p o r t a l 节点的路由，通过网关节点进行跨网络的数据转发。 2 2v o l p 在无线m e s h 网中的传输性能 2 2 1v o i p 协议及语音编码。 在v o i p 应用领域，存在两个主流的协议：h 3 2 3 协议【1 7 】和s i p 协议 1 8 1 。h 3 2 3 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 是i t u t 的一个标准协议栈，它由一个框架协议和一系列子协议组成，其中的 h 3 2 3 协议定义了系统的总体框架，包括h 2 6 1 、h 2 6 3 视频编码，g 7 1 1 、g 7 2 2 、 g 7 2 3 1 、g 7 2 8 、g 7 2 9 音频编码【1 9 。2 2 1 ，t 1 2 0 数据通信协议，h 2 2 5 中的r a s 信 令和呼叫信令，h 2 4 5 控制信令。会话初始化协议( s i p ) 是由i e t f 提出的多媒体 i p 的体系结构。s i p 是基于文本的协议，灵活性和扩展性较好，是未来取代h 3 2 3 协议的v o l p 解决方案。v o l p 有为数众多的语音编码标准供选择。 表2 - 1v o p 常用语音编码算法1 9 2 叩1 , 2 2 1 编码标准编码类型 比特率( k b p s )质量( m o s )帧大d ( m s )延时( m s ) g 7 1 1p c m 6 44 3l0 1 2 5 g 7 2 6a d p c m 4 0 ，3 2 ，2 4 ，1 6 4 01 00 1 2 5 g s m r a e l p t 1 33 75 2 0 0 g 7 2 9 c s c e l p 8 4 03 01 0 g 7 2 3 1a c e l p6 3 5 33 82 53 0 2 2 2v o i p 的q o s 需求 欧洲电信标准化委员会( e t s i ) 提出了关于i i p 网络电话q o s 的分组要求，以 m o s 2 3 1 为话音质量的主观评价。 表2 - 2v o i p 的q o s 等级要求【2 3 2 4 1 q o s 等级 最佳高中等低等 m o s4 o 5 o3 8 _ 4 22 o 3 8 2 o - 2 9 时延( m s ) o 1 5 01 5 0 - 2 5 0 2 5 0 _ 4 5 0 4 5 0 在v o l p 的q o s 需求中，有几个比较重要的因素：时延、时延抖动、丢包率。 时延指的是端到端的时延。抖动是指由于各种时延的变化导致网络中数据分组 到达速率的变化。丢包是指语音包没有及时到达接收端而被丢弃。包的丢失率 达到一定百分比时就会影响语音质量。对于i p 包的丢失，典型的语音编码可以 允许包丢失率为3 。采取一些特殊措施后，包丢失率达到8 1 0 尚可容忍 【1 9 趣2 l 2 2 】。 对v o l p 业务进行q o s 评价的方法分为主观评价法和客观评价法，主观评价 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 法主要是m o s 模型，客观评价法常用e m o d e l 模型。e m o d e 的思想是把话音 传输过程中的若干影响q o s 的参数综合考虑为参数r ，r 值越大表明通话质量 越好其公式化表达如式( 2 3 ) p 7 i ：示 2 5 1 。 r = r o i 。一厶一l + 彳 ( 2 - 3 ) 其中参数r 表示噪音带来的影响；参数j 。表示与语音信号同时产生的质量因素 如由量化连接噪声等干扰；参数j d 表示由于时延造成的影响；l 包括由于使用 特殊的设备引入的质量损失。彳是由通信系统所决定的一个修正值。m o s 模型 与e m o d e l 的对应关系如式( 2 - 4 ) 所示【2 5 】： m o s = 1 + 0 0 3 5 r + 7 1 0 - 6 r ( r 一6 0 ) ( 1 0 0 一尺) 、 ( 2 - 4 ) 2 2 3v o i p 在无线m e s h 网传输中的问题 这节的问题分两方面。对于单个v o i p 业务连接来说，它最关键的需求就是 q o s 的需求，而对于无线m e s h 网络来说，其传输v o i p 业务的性能是一个比较。 关键的问题。其中一个很重要的问题就是，在给定一个带宽上限时，应该使网 络所能支持的v o i p 的连接的数目尽可能的大。 v o l p 在无线m e s h 网络中传输性能 在无线m e s h 网中，假设以8 0 2 1 i b 为物理层，则其最大的速率1 1 m b p s ，一 般一个v o i p 业务流的所需要的带宽大约为1 0 k b p s 0 9 2 0 2 1 2 2 1 ，一对v o i p 通话需 要2 0 k b p s ，在理想情况下单跳无线m e s h 网传输所能支持的v o i p 业务连接为 11 m 2 0 k = 5 5 0 ，研究表明，在d c f 协议中应用层带宽大概是物理层的o 6 5 左右 4 5 1 ，所以m e s h 网单跳接入层上所支持的连接应该为3 5 0 对左右，考虑多 跳传输带宽随着跳数的增加而衰减，最终稳定在为单跳带宽的l 4 到1 7 之间【5 0 】， 则其所支持的最大通话数目也应该在5 0 至8 0 左右。但在n s 2 平台的初步仿真 研究发现，实际m e s h 的支持的v o i p 通话的数目是非常低的。在没有作任何改 进的m e s h 中，v o i p 的传输性能如图2 3 所示。 m e s h 网的m a c 层是对v o l p 传输性能影响最大，d c f e d c a 在保障v o l p 的q o s 先天不足，多跳传输时带宽锐减，另外，v o i p 在d c f e d c a 上传输时 带宽利用率低下，主要原因是发送数据包的时候，有很多额外的开销。这将在 2 4 节中的帧聚合原理中进行论述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 图2 - 3 无线m e s h 网所支持的v o i p 通话的数目 路由协议对v o l p 的传输性能也有影响。合理改进路由协议，如通过跨层设 计可以在路由层面上对拥塞、流量均衡进行控制，使v o l p 的传输性能得到提高。 另外，v o l p 也是面向连接的业务，所以切换也会对其性能产生影响。切换 性能由切换时延衡量。8 0 2 1 l r 2 6 】规定了8 0 2 1 1 协议兼容的终端在接入点间切换 的规程。但经过研究发现，其性能还是难以满足v o l p 的时延要求。 v o l p 的q o s 和传输性能研究现状 针对m a c 层的问题，一些研究者研究设计了一些其它方面的m a c 层协议。 文献 2 7 提出了一种基于多信道t d m a 的m a c 层协议，旨在解决无线m e s h 网 在扩展时的容量限制问题；文献 2 8 1 提出了一种在8 0 2 1 1 的m a c 层上模拟 8 0 2 1 6 的m a c 协议的方法，实现网络节点间的同步并提供类似于t d m a 的信 道接入机制。文献 2 9 1 提出了一种在现有的8 0 2 1 1 类m a c 协议与三层i p 协议 之间加入一个2 5 层m a c 协议的方法，通过在2 5 层的软m a c 协议之上进行 接入控制、优先级调度等操作，为v o i p 业务提供更好的