（通信与信息系统专业论文）自组织网络的语音广播协议研究.pdf

摘要 摘要 i p 电话日益盛行，它以带宽利用率高的优势得到迅速发展。i p 电话应用越来 越广，对于新兴的自组织网络，在其上实现i p 电话势在必行。 本课题的主要目标是研究自组织网络下的语音广播，分析语音广播的特性， 进而讨论语音广播是否能在自组织网络下进行，以及能传播的跳数。针对语音广 播存在的问题，提出一种新的广播协议p d p 3 c t s ，以提高语音通信质量。 本文首先分析盲目洪泛b f 及p d p 协议下语音广播的性能。自组织网络下语 音广播是受跳数限制的，在一定的跳数内才能得到良好的语音通信。当语音报文 的产生间隔相同时，语音广播的性能不受编码速率影响。随着背景流量的增加， 语音通信性能会变差。b f 虽然可以得到较高的覆盖率，但是这种广播会产生广播 冗余，浪费信道利用率，带来更多的竞争和冲突，而且当节点的疏密变化时，b f 性能也发生变化。p d p 协议减少了转发节点数，从而减少了广播冗余，但是覆盖 率降低了。由于自组织网络具有多跳共享特性，语音广播给网络带来了更严重的 隐蔽终端问题，影响语音广播性能。针对以上问题，本文基于p d p 协议，提出一 种采用r t s c t s 交互的广播协议以减少隐蔽终端问题。 广播采用r t s c t s 交互可以减少隐蔽终端问题，但是会带来c t s 报文冲突。 本文提出c t s 分时隙发送并按正常交互，减少c t s 冲突，提高接收率。c t s 交互 的目的是减少隐蔽终端，只要潜在的隐蔽终端能收到c t s 报文，就能抑制隐蔽终 端发送报文，所以本文提出c t s 时隙在3 个以内，所有顺序排在第3 以后的转发 节点都在第3 个时隙发送c t s 。这样减少了发送c t s 带来的时延和时延抖动。 在o p n e t 下编程实现p d p 3 c t s 的协议，仿真得出本协议有较高的报文接收 率，不过比b f 、p d p 的时延和时延抖动大。语音广播是种非交互式的通信，对时 延要求不大，在一定的抖动范围内，接收率越高，语音广播质量越好。本文通过 降低对时延和时延抖动的要求，达到较高的接收率，进而增加了语音广播通信的 范围，提高了语音广播通信质量。 关键词：i p 电话，自组织网络，广播，隐蔽终端 a b s t r a c t i pp h o n eb e c o m e sm o r ea n dm o r ep o p u l a r , a n di td e v e l o p sq u i c k l yw i t hi t sh i g h b a n d 、航d t l lu t i l i z i n gr a t e i pp h o n ec a nb ea p p l i e da n y w h e r e ，e s p e c i a l l yi n a dh o c n e t w o r kw h i c hd e v e l o p sr e c e n t l y t h em a i ng o a lo ft h i ss u b j e c ti sr e s e a r c h i n gv o i c eb r o a d c a s t i n gi na d h o cn e t w o r k ， a n a l y z i n gw h e t h e ri ti sp o s s i b l et or e a l i z ev o i c eb r o a d c a s t i n ga n dh o w f a rt h eb r o a d c a s t c 孤b er e a c h e d 诹t ht h ev o i c eb r o a d c a s t i n gp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c ，a n dp r o p o s i n ga n e wp r o t o c o lp d p 3 c t st oi m p r o v e t h ec o m m u n i c a t i o nq u a l i t yf o r t h e v o i c e b r o a d c a s t i n gp r o b l e m f i r s t l v ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eo fv o i c eb r o a d c a s t i n gu n d e rb f a n d p d pp r o t o c 0 1 t h ev o i c eb r o a d c a s t i n gi na dh o cn e t w o r ki sl i m i t e db yh o p sw h i c h c a n o i 岫g e tg o o dc o m m u n i c a t i o nq u a l i t yw i t h i ns o m eh o p s v o i c eb r o a d c a s t i n g i sn o t 雄i e c t e db vv o i c ec o d i n gw h e nt h ed a t ai n t e r v a la f t e re n c o d e di st h es a m e t h ev o i c e c o m m l m i c a t i o ni sg e t t i n gw o r s ew h e nt h eb a c k g r o u n dt r a f f i ci sg e t t i n gm o r e a l t h o u g h b fc a l lg e th i 幽p a c k e tr e c e i v i n gr a t e ，i tc a nr e s u kb r o a d c a s tr e d u n d a n c y , w a s t i n g c h a n n e lu t i l i z i n gr a t ea n db r i n g i n gm o r ec o n t e n t i o na n dc o l l i s i o n ，a n di t sp e r f o r m a n c e v a r i e sb yn o d e ，sd e n s i t y p d pr e d u c e sb r o a d c a s t i n gr e d u n d a n c yb yr e d u c i n gr e b r o a d c a s t n o d e sb u tg e tl o w e rr e c e i v i n gr a t e a dh o cn e t w o r kb r i n g sv o i c eb r o a d c a s t i n gh i d d e n t e r m i n a lp r o b l e mb e c a u s eo fi t sm u r i - h o ps h a r i n gc h a n n e l ，s ov o i c ec o m m u n i c a t l o n q l l a l i t yg e t sw o r s e b a s e do np d p ，t h i sp a p e rp r o p o s e dab r o a d c a s tp r o t o c o lw h i c h a d o p t sr t s c t st or e d u c eh i d d e nt e r m i n a lp r o b l e m s a l 也o u g hr t s c t sc a nr e d u c eh i d d e nt e r m i n a lp r o b l e m ，i tb r i n g sc t sp a c k e t c o l l i s i o n t h i sp a p e rp r o p o s e dt h a tc t s c o u l db es e n ti nd i f f e r e n tt i m es l o t sw h i c hh a v e b e e na l l o c a t e da l r e a d y b yt h i sm e a nw e c a l ln o to n l yr e d u c ec t sc o l l i s i o nb u ta l s o i m p r o er e c e i v i n gr a t e w ea d o p tc t s t or e d u c eh i d d e nt e r m i n a lp r o b l e mi fp o t e n t i a l h i d d e nt e 】鼢i n a lc 缸r e c e i v ec t sp a c k e tt h e ni tv 吁i l lb ep r e v e n t e ds e n d i n gp a c k e t w e o i l l yp e r m i tn om o r et h a nt h r e et i m es l o t st os e n dc t s a st o om a n yc t sw i l lc a u s el o n g d e l a ya n dd e l a yj i t t e r ip r o b r a m m e di no p n e ta n dr e a l i z e dt h e n e wp r o t o c 0 1 a f t e rs i m u l a t i n gi i i a b s t r a c t c o n c l u d et h a tt h en e wp r o t o c o lh a sh i g h e rr e c e i v i n gr a t ea n dh a ss t e a d yp e r f o r m a n c eb u t h i g h e rd e l a ya n dd e l a yj i t t e rt h a nb fa n dp d eb e c a u s ev o i c eb r o a d c a s t i n gi sn o t i n t e r a c t i v ec o m m u n i c a t i o n ，i tr e q u i r e sd e l a yn o tm u c ha n dw i t h i nac e r t a i nd e l a yji t t e r t h em o r ep a c k e ti tr e c e i v e dt h eb e t t e rv o i c eq u a l i t yi tw i l lg e t t h en e wp r o t o c o l i n c r e a s e st h ep a c k e tr e c e i v i n gr a t eb yc o n s i d e r i n gt h ed e l a ya n dd e l a yj i t t e rn o ts om u c h ， a n di tr e s u l t si nw i d e rb r o a d c a s t i n gc o m m u n i c a t i o na r e aa n di m p r o v e st h eq u a l i t yo f v o i c ec o m m u n i c a t i o n k e y w o r d s ：i pp h o n e ，a dh o c ，b r o a d c a s t ，h i d d e nt e r m i n a l i l i 图目录 图目录 图2 1v o l p 模型的基本结构图4 图2 2i p 电话系统的结构5 图2 3 涉及v o l p 技术的协议6 图2 - 4h 3 2 3 标准协议栈7 图2 5 不包括p s t n 和i s d n 终端媒体路径7 图2 - 6 一个自组织网络图1 3 图3 1 简化的协议栈结构1 6 图3 24 0 个节点场景的一个随机拓扑图1 9 图3 3b f 协议接收率与节点疏密关系图2 0 图3 4p d p 协议接收率与节点疏密关系图2 0 图3 5b f 协议时延抖动与节点疏密的关系图2 1 图3 6p d p 协议时延抖动与节点疏密的关系图2 2 图3 7b f 协议时延与节点疏密的关系图2 2 图3 8p d p 协议时延与节点疏密的关系图2 3 图3 - 9b f 协议接收率与报文间隔的关系图2 4 图3 1 0p d p 协议接收率与报文间隔的关系图2 4 图3 1 1b f 协议时延抖动与报文间隔的关系图2 5 图3 1 2p d p 协议时延抖动与报文间隔的关系图2 5 图3 1 3b f 协议时延与报文间隔的关系图2 6 图3 1 4p d p 协议时延与报文间隔的关系图2 6 图3 1 5b f 协议接收率与背景流量的关系图。2 7 图3 1 6p d p 协议接收率与背景流量的关系图2 7 图3 1 7b f 协议时延抖动与背景流量的关系图2 8 图3 1 8p d p 协议时延抖动与背景流量的关系图2 8 图3 1 9b f 协议时延与背景流量的关系图：2 9 图3 2 0p d p 协议时延与背景流量的关系图2 9 图4 1 语音广播中的隐蔽终端示意图3 2 图4 - 2 控制时延的回复c t s 方法3 4 v i 图目录 图4 3 自组织网络协议栈示意图3 6 图4 4 本研究的广播转发模型3 7 图4 5 报文交互顺序3 8 图4 - 6 一个随机拓扑图3 9 图4 7p d p 3 c t s 报文交互顺序4 0 图4 8 链路层帧格式4 2 图4 - 9 捎带域格式4 3 图4 1 0 邻居信息表4 4 图4 1 l 地址字段示意图4 6 图4 1 2 乱序报文举例4 6 图4 1 3 新旧报文判断流程4 7 图4 1 4 优先级处理过程4 8 图4 1 5w l a nb r t s 格式4 8 图4 1 6w l a nb e t s 格式4 9 图4 1 7w l a nm a c格式4 9 图5 1 协p d 议p p d p3 c t s接收率与节点疏密的关系图5 l 图5 2p d p 3 c t s 协议时延抖动与节点疏密关系图5 2 图5 3p d p 3 c t s 协议的时延与节点疏密关系图5 2 图5 - 4p d p 3 c t s 协议接收率与报文间隔关系图5 3 图5 5p d p 3 c t s 协议时延抖动与报文间隔的关系图5 3 图5 6p d p 3 c t s 协议时延与报文间隔的关系图5 4 图5 7p d p 3 c t s 协议接收率与背景流量的关系图5 5 图5 8p d p 一3 c t s 协议时延抖动与背景流量的关系图5 5 图5 - 9p d p 3 c t s 协议时延与背景流量的关系图5 6 v i i 缩略语 v o 口 b f m p r d p p d p s i p i e t f r t p r t c p r s v p p s t n i s d n p c m m o s p c f d c f i 玎s p 缩略语 v o i c eo v e ri p b l i n df l o o d i n g m u l t i p o i n tr e l a y i n g d o m i n a n tp r u n i n g p a r t i a ld o m i n a n tp r i m i n g s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c o l i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c o l r e a l t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k p u l s ec o d em o d u l a t i o n m e a n o p i n i o n s c o r e p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n r e a lt i m es t r e a m i n gp r o t o c o l v i i i i p 电话 盲目洪泛 多节点中继 显性修剪 部分显性修剪 会话启动协议 i n t e m e t 工程任务组 实时传输协议 实时传输控制协议 资源预留协议 公共交换电话网络 综合业务数字网 脉冲编码调制 平均意见值 点协调功能 分布式协调功能 实时流协议 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 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 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：杓苏 导师签名： 孤吲 日期：2 , o 。7 年j ，月夕日 第一章引言 第一章引言1 帚一早 ji 函 近些年来，i p 电话以通信代价低，带宽利用率高的优势得到了迅速发展。自 组织网络作为一种新兴的网络，在它上面实现语音通信成为发展的趋势。自组织 网络上点对点语音通信已经得到了很好的研究，研究点对多点的语音通信势在必 行。 1 1 研究背景 传统电话是以电路交换方式传输语音，所要求的传输宽带为6 4 k b i t s 。i p 电话， 顾名思义即在i p 网络上传输的电话，与此相关的技术简称v o l p ( v o i c eo v e ri p ) 。 i p 电话的通信流程为：首先将模拟语音信号转换为数字信号，然后对数字信号进 行压缩编码，变成低速率的数据流，并以固定的长度组成帧，在i p 网络中传输， 接收端收到语音帧后，经过解码器解码最终还原成语音信号。i p 电话与传统电话 的区别在于，p 电话采用先进的编码技术，降低了编码速率，而且i p 电话基于分 组交换，信道可以统计复用，提高信道利用率【l j 。 v o l p 具有成本低、灵活性高、生产率高及效率高等优点，这些优点使得v o l p 技术得到广泛的应用和发展【1 1 。目前i p 电话已经得到广泛的研究9 1 ，有线网络上 话音通信可以获得良好的话音质量，随着无线网络的广泛应用，在无线网络上实 现语音通信成为研究的主题。 自组织网络又叫a dh o c 网络、多跳无线网、无固定设施的网络或对等网络。 一般的移动通信都需要预先架设的基础设施，如基站，自组织网络不需要这些预 先架设的基础设施，而且自组织网络无需中心控制节点，节点具有路由和报文转 发功能，通过无线信道组成一个多跳的对等网络。由于自组织网络不需要预先架 设的基础设施，而且是对等网络，所以自组织网络组网速度快，抗毁性能力比较 强，个别节点的加入和离开不会影响整个网络的运行。在不方便架设基础设施， 或者临时性组网的情况，自组织网络发挥着重要的作用。自组织网络中的节点发 送数据时，可以被所有的一跳邻居接收到，当不被干扰的情况下，自组织网络的 信道是可以复用的，所以自组织网络是多跳共享的无线信道【2 例。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 研究内容与目标 有线网络上i p 电话已经得到很好的研究，并且已经应用到现实生活中。随着 i p 电话网络的扩展，人们自然会想在无线网络上实现i p 语音通信。无线网络分为 有基础设施和无基础设施两种。有基础设施的无线网络需要事先搭建好一些通信 必须设备，如基站，对于一些不适合搭建通信设备或需要临时快速的搭建网络的 场合，有基础设施的无线网络则无法满足需要。a dh o c 网络以自组织，快速组网， 抗毁性强得到快速的应用和发展。在自组织网络上实现口电话通信成为发展的趋 势。 自组织网络的信道是多跳共享的无线广播信道。当一个节点发送信息的时候， 只有相邻节点可以收到，而一跳之外的其他节点无法感知到。那些感知不到的节 点也可能会同时发送信息，从而造成冲突。自组织网络的多跳共享无线广播信道 会带来隐蔽终端和暴露终端问题。隐蔽终端和暴露终端的存在会造成报文冲突， 浪费无线信道宝贵的带宽资源【2 0 】。由于各节点发送报文具有随机性，必须由信道 接入协议来完成多跳共享信道的随机接入机制。本文的信道接入协议采用i e e e 8 0 2 1 1 d c f 。 自组织网络采用盲目洪泛b f ( b l i n df l o o d i n g ) 进行广播时，容易出现广播风 暴问题【2 1 1 。广播风暴使得报文冲突大，信道利用率低。减少广播风暴的方法分为 两大类：轻量级的【2 1 。2 4 1 和基于邻居信息的【2 5 瑚】。轻量级的广播有基于概率、基于 转发次数、基于接收到的信号强弱、基于距离和基于位置等的转发方式，但是这 些转发都是不确定的，不能准确地确定是否对广播报文转发，报文接收率低。基 于邻居信息的广播根据网络拓扑信息，准确确定部分转发节点来覆盖整个网络， 广播覆盖率高。语音通信对报文丢失、时延及时延抖动有很高的要求，采用轻量 级的广播不能满足稳定的接收率，所以语音广播采用基于邻居信息的广播协议。 自组织网络具有无线网络的一般特点，无线传输信道质量较差。在自组织网 络上传输语音数据，如何满足接收率高也即丢包率小、时延小、时延抖动小成为 研究的关键。 本文研究的目的是分析自组织网络上实现语音广播的性能特性，研究语音广 播受什么因素影响，分析在在组织网络上能够传多远，是否能可靠的实现语音广 播通信。本文首先分析研究语音广播采用盲目洪泛和基于邻居信息的广播机制下 的性能特点。研究不同的语音编码、网络节点的疏密、背景流量的大小及动态网 2 第一章引言 络拓扑下语音广播特性。在此基础上，设计一种可靠的适合语音广播通信的协议。 1 3 论文章节安排 本文结合语音通信和自组织网络的特点，分析自组织网络上实现语音广播存 在的问题及特点，设计一种适合语音广播的通信协议。论文具体结构如下： 第一章： 引言，本章，阐述自组织网络的特性和v o i p 及自组织网络广播协议研究现状，提 出语音广播的研究内容及意义。 第二章： 介绍v o i p 相关知识，分析广播风暴问题，介绍现有的自组织网络广播协议，结合 语音通信和广播的特点，提出研究问题的方法。 第三章： 在o p n e t 下实现b f ( b l i n df l o o d i n g ) 和p d p ( p a r t i a ld o m i n a n tp r u n i n g ) 协议，仿 真并分析语音广播采用盲目洪泛b f 和p d p 协议下的性能特性。 第四章： 基于p d p 协议，采用r t s c t s 减少广播风暴问题，提出分时隙回复c t s 来减少 c t s 冲突问题，并采用最多3 个c t s 时隙来减少因此带来的时延，通过降低对时 延和时延抖动的要求来提高语音报文的接收率，进而提高语音广播质量。 第五章： 分析新的广播协议的性能，得出p d p 3 c t s 协议比p d p 协议接收率提高了，而且 新的协议受节点移动性小于p d p 协议。 第六章： 总结本课题的研究内容及意义，阐述工作内容及创新点。 3 电子科技大学硕士学位论文 2 1v o l p 技术 第二章v o l p 及自组织网络广播协议 i p 电话是指在i p 网络上传送话音业务，它所采用的技术被称为v o l p 技术。 由于计算机网络采用分组交换技术，它传送的数据单元是独立的数据包，通常称 为分组，因此从更一般的意义上来说，i p 电话是基于分组交换技术传送的语音业 务 2 1 。随着i n t e m e t 在全球范围内的兴起和语音编码技术的发展，v o l p 获得了突破 性的进展，而且得到实际应用，并正在逐步占领传统电话业务的市场【3 1 。 2 1 1 v o l p 基本传输过程 传统电话基于电路交换，传输语音要求的带宽为6 4 k b p s ，并且每个通话都是 独享信道的。v o l p 基于分组交换，以i p 网络为传输平台，对模拟信号进行压缩、 打包等一系列的处理后，通过计算机网络协议进行封装传输。v o l p 占用带宽比传 统电话小，一般在8 k b p s 1 2 k b p s2 _ n ，而且分组交换使得带宽利用率高【4 1 。 v o l p 模型的基本结构图如图2 1 所示【5 】【6 1 。 模 拟 语 音 数 字 语 音 语音代理 分 组 语 音 模拟语音l 数字语音j 语音代理 分组语音i i p 分组网络 ( 电子光子) 分 组 语 音 数 字 语 音 语音代理 模 拟 语 音 图2 1v o i p 模型的基本结构图 i p 电话的基本原理是把语音模拟信号转换为数字信号，然后用语音压缩算法 4 第二章v o l p 及自组织网络广播协议 对数字信号进行处理，经过压缩处理的数字信号以帧的形式产生，按照t c p i p 标 准打包封装，通过i p 网络传输到接收端；接收端依次解封装各层报文，最终获得 语音数据，把这些语音数据包送入解码器，将它还原成语音信号，达到通过i n t e m e t 传输语音的目的。i p 网络采用分组交换，以虚电路的形式进行信道的多路复用， 实现资源共享，可以在一个实际链路上实现多个虚链路，信道利用率高，所以m 电话可以提高网络资源的利用率，降低运营成本【7 】。 2 1 2v o l p 系统组成 i p 电话系统的基本组成如图2 2 所示。 图2 - 2i p 电话系统的结构 i p 电话系统由4 个基本组件组成：终端设备、网关、多点控制单元m c u ( m u l t i p o i n tc o n t r o lu n i t ) 和网守。除了以上4 个基本组件以外，i p 电话系统还包 括网络管理服务器、记账服务器等其他组件。 v o 口系统采用网关技术，网关的一边连接到传统的电路交换网，如 p s t n i s d n ，另一边连接到分组交换网络，如i n t e m e t 等。v o l p 技术的核，t l , 和关键 是口语音网关，完成本地电话网与i n t e m e t 的接入和转换处理等，实现本地电话 网与i n t e r a c t 的融合。本地电话网把标准电话信号传送到网关，网关对模拟信号进 行数字化，然后进行压缩编码处理，再经过t c p i p 标准封装后通过i p 网络传送到 接收端网关；接收端网关收到i p 网络传来的语音包后，经过解压缩处理将数字信 号还原成语音信号，再交给本地电话系统。网关为全双工通信，可以同时接入和 转出电话信号【。 5 电子科技大学硕士学位论文 2 1 3i p 电话的基本标准 目前涉及v o i p 技术的主要协议如图2 3 所示【7 1 。 图2 - 3 涉及v o i p 技术的协议 会话启动协议s i p ( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c 0 1 ) 是i e t f 提出的，它是一种基于 i p 网络中实现实时通讯的信令协议。h 3 2 3 是i t u t 的一个标准协议簇，它制定 了无服务质量保证的分组网络上的多媒体通信系统标准。它是目前在i p 电话系统 中应用最广泛的协议，我国的几家主要的i p 电话运营商的i p 电话系统都是基于 h 3 2 3 协议1 7 1 。 r t p ( r e a l t i m et r a n s p o r tp r o m c 0 1 ) 和r t c p ( r e a l t i m ec o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 7 为 实时传输协议和实时传输控制协议。r t p 用来传输语音数据包，它可以封装0 到 多个语音帧。r t c p 负责管理传输质量在当前应用进程之间交换控制信息。资源预 留协议r s v p ( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 对特定的业务进行资源预留，如带 宽，以保证其服务质量。实时传输流协议r t s p ( r e 小q i m et r a n s p o r ts t r e a m i n g p r o t o c 0 1 ) 是应用级的协议，控制实时数据的发送。h 3 2 3 和s i p 协议的呼叫建立 都基于t c p ，后续的语音报文的交互通过u d p 封装。 图2 。4 为h 3 2 3 标准协议栈结构【7 】。图中h 2 2 5 0 是呼叫信令协议，h 2 4 5 为 媒体控制协议。r a s 为注册许可状态协议，它在终端、网关与网守之间传输接入 认证、地址翻译等。g 7 x x 是与语音编码相关的协议。h 2 6 x 为与视频编码相关的 协议。t 1 2 x 为数据文件的传输协议。 6 第二章v o i p 及自组织网络广播协议 数据会议控制和呼叫信令音频视频 g 7 u o g 7 2 2 h 2 6 l t s h a r e t 1 2 6t - 1 2 7g 7 2 9h 2 6 3 g 7 2 3 1 h 2 4 5 *g 7 2 9 a h 2 2 5 o o t 1 2 4 r a s t 1 2 2 、t 1 2 5 r t p r t c p t 1 2 3 t c pu d p 网络层( i p ) 链路层 物理层 为必选组件 2 1 4 语音编码标准 图2 4h 3 2 3 标准协议栈 图2 - 5 为i p 电话呼叫的媒体路径，其中不包括p s t n ( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n e n e t w o r k ) 和i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k ) 终端。 图2 5 不包括p s t n 和i s d n 终端媒体路径 7 电子科技大学硕士学位论文 语音模拟信号经过模数转换后，由编码器进行编码。语音编码根据编码原理 可以分为两大类：波形编码和参数编码 2 1 。波形编码的基本思想是发送端按照一定 的周期对语音信号进行抽样，再对抽样值进行数字编码，在接收端按照数字编码 重现原始语音。波形编码包括抽样、量化和编码三个过程。p c m 是一种典型的波 形编码( g 7 1 1 编解码器) 。 参数编码基于语音生成的模型，提取语音信号特征参数进行编码。接收端根 据语音信号特征参数还原语音信号。由于发送的主要信息是语音信号的参数而不 是具体的语音波形幅值，而语音信号变化缓慢，所以语音信号的参数更新频度较 低，所以参数编码比波形编码的速率低。 我国p 电话系统主要采用参数编码中的g 7 2 9 、g 7 2 3 1 编码。g 7 2 9 有较高 的综合性能指标，m o s ( m e a no p i n i o ns c o r e ) 分为4 0 t 引，所以g 7 2 9 编码在我国通 信行业标准中被推荐为优选的压缩编码算法，它在我国i p 电话系统中得到了广泛 的应用。( 3 7 2 9 编码器模拟语音经话带滤波后，按8 k h z 频率抽样并转换成1 6 b i t 线形p c m 信号，作为编码器的输入语音信号。g 7 2 9 声码器的总比特为每帧8 0 比 特，即编码比特率为8 k b i t s 。g 7 2 3 1 是双速率l p a s ( l i n e a rp r e d i c t i o na n a l y s i s s y n t h e s i s ) 声码器，编码速率有6 3 k b i t s 和5 3 k b i t s 两种。1 3 7 2 3 1 帧较长，一般 3 0 m s 组一个帧，比特率较低，其代价是时延加大。总的来说，g 7 2 3 1 的语音质量 和g 7 2 9 相仿【7 1 。 2 1 5i p 电话的服务质量 1 影响i p 电话服务质量的主要因素 i p 网络采用尽力而为的传送方式，不能保证数据的可靠传输。数据包在交互 过程中，由于种种原因会造成数据包的丢失。i p 电话是一种实时性要求比较高的 通信，当语音报文丢失时，不会像数据包一样采取重传，语音报文的丢失造成语 音通话不连贯甚至中断现象。i p 网络中报文一股要经过一次或多次转发才会到达 目的节点，每次接收与转发过程中都需要入队列和出队列，排队和网络拥塞等情 况会造成语音报文的时延和时延抖动的增加，严重影响接收端语音信号的还原。 综上所述，影响语音服务质量的主要因素有：时延、时延抖动和报文丢失【2 1 。 ( 1 ) 时延 时延是指语音报文的产生到接收端接收到语音报文之间的时间。当时延太大 时，会导致回声的产生和交互性的丧失，严重影响通话质量。当时延较大时，可 8 第二章v o i p 及自组织网络广播协议 以加入回声抑制，一般情况下，当端到端时延大于2 5 m s 时，或者虽然时延小于2 5 m s 但是回声水平比较大时，都需要加入回声抑制来提高话音质量【9 】。采用回声抑制后， 较大的时延也可以得到较好的话音质量，不过时延太大会使消除回声的时间也随 之变长，降低了回声的消除效果，所以时延应该控制在一定范围内才能得到流畅 的通话。当回声得到充分控制时，对于大多数i p 电话用户来说，时延在1 0 0 m s 以 下时觉察不到，当时延在1 0 0 m s 到3 0 0 m s 之间时就会感觉到轻微的犹豫【l0 1 。 ( 2 ) 时延抖动 时延的变化产生时延抖动，时延抖动一般是指语音流中两个连续的语音包的 端到端时延的差值。语音发话端以恒速率产生语音报文，由于各种原因，导致语 音报文的时延不同，即产生时延抖动，接收端不能得到恒速率的报文，影响语音 信号的还原。通常消除抖动的方式是在接收端采用抖动缓存，在将语音报文在输 出为声音流之前对时延抖动进行吸收。在接收端加入缓冲区，语音报文到达时， 先在缓冲区中存放，当缓冲区中存放了足够多的报文时，再以恒速率送入语音编 码器中，从而消除抖动带来的影响【l l 】【1 2 】。显然，采用缓冲消除抖动会增加时延， 所以在消除时延抖动的情况下，尽量使时延最小，一般的语音缓冲为4 0 m s 1 3 j 。 ( 3 ) 数据包的丢失 在i p 网络中传输数据报文，不可避免的会产生丢失。语音报文的丢失会影响 到接收端话音的还原，少量的数据丢失，可以通过一定的机制进行恢复，当数据 报文丢失比较多时，会严重影响到语音通信质量。一般来说语音传输中分组丢失 率为3 - - 5 是允许的【l o 】【1 4 】【1 5 】。不同的语言对帧丢失敏感程度不一样，英语中1 0 的帧丢失对语音质量的影响不大，汉语中帧丢失在5 左右是可以接收的i l 引。 自组织网络中i p 电话也得到广泛的研究。文献【1 7 认为d c f 模式下不适合传 输实时业务，因为实时业务需要提供特定的带宽来满足q o s 保证，在d c f 模式下， 所有的报文都采取同样的竞争方式，没有优先级之分。自组织网络共享信道的特 点使得信道资源比较宝贵，一个典型的v o i p 报文由4 0 字节的i p u d p r t p 头组成 【1 9 】，真正的负载由编码技术决定，一般在1 0 - - - 3 0 字节，文献 1 8 】指出，有效负载所 占总开销的效率只有3 左右。文献 1 9 提出在应用层对发往同一目的的语音报文 进行整合，使得多个报文共享同一个报头，减小开销。 2 影响语音广播的主要因素 在集群调度和应急通信等场合，语音广播有不可替代的重要性。语音广播和 语音点对点通话不一样，它只要被广播的节点接收到语音报文并能还原话音就行， 不需要被广播的节点进行语音回复，所以交互性不强，对时延要求不高，即使抖 9 电子科技大学硕士学位论文 动增加，可以通过在接收节点延迟报文一段时间再交给语音解码器。总的来说， 只要保证语音广播报文的接收率，语音广播的话音质量就可以得到保证。 2 2 自组织网络广播协议 自组织网络是一种特殊的无线移动通信网络。自组织网络中所有节点的地位 平等，不需要设置中心控制节点，具有很强的抗毁性。网络中的节点不仅具有普 通移动终端所需的功能，而且具有报文转发能力。当通信的源节点和目的节点不 在直接通信范围之内时，可以通过中间节点转发报文进行通信。 2 2 1 广播风暴 自组织网络中，广播是一个很常见的操作，如路由发现；一些应用也经常采 用广播的形式，如基于图的问题、分布式计算、广播警报等。本文的研究基于 8 0 2 1 1 c s m a c a ，由于自组织网络中没有基站，所以排除8 0 2 1 l p c f 功能，主要 基于d c f 模式下。 。 广播采用b f ( b l i n df l o o d i n g ) 时，每个节点都对第一次收到的广播报文进行 转发，如果网络中共有n 个节点，那么一个广播报文在网络中将要被转发n 次。 采用c s m a c a 广播会产生严重的广播风暴，主要表现如下【2 i 】： ( 1 ) 广播冗余：当一个节点准备转发一个广播报文时，它的所有邻居都已经收到 了这个报文，此时转发这个报文已经是多余的。 ( 2 ) 竞争：当一个节点发送了一个广播报文，它的所有邻居收到以后，每个节点 都打算对这个报文进行转发，如果这些节点又互为邻居，那么它们的转发将会竞 争信道。 ( 3 ) 冲突：由于没有采用r t s c t s 的交互，并且c s m a c a 只有冲突避免，没 有冲突检测c d ( c o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 功能，广播的时候更容易产生冲突。 2 2 2 轻量级广播 减少广播风暴的一个方法就是减少节点对广播报文的转发，进而减少冗余、 竞争和冲突。根据节点选择转发基于的策略不同，可以分为轻量级【2 1 - 2 q 和基于邻 居信息【2 孓2 8 】的方法。轻量级的广播不需要网络拓扑信息，根据概率、距离、计数 器等信息决定对广播报文的转剧2 1 1 。 1 0 第二章v o i p 及自组织网络广播协议 ( 1 ) 概率机制 一个减少广播的简单方法就是控制转发广播报文的概率。当一个节点第一次 收到一个广播报文时，它以概率p 进行转发。当p = l 时，这个机制相当于盲目洪 泛【2 ”。 ( 2 ) 基于计数器的机制 当一个节点打算转发一个广播报文时，它可能被信道忙、退避机制和其他排 队的报文而阻挡。在这种情况下，当节点还没转发前，节点就有可能多次收到同 样的广播报文。 当一个节点b 收到节点a 的广播报文时，额外覆盖区域为b 能覆盖