（通信与信息系统专业论文）mwimax系统中采用dtxcng编码技术的voip业务上行调度算法研究.pdf

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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他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了谢意。 学位论文作者签名：化，眨签字日期：2 0 l o 年6 月8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津j 莹有关保留、使用学位论文的规定。 特授权天津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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复e r 丁件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用苓授权说明) 学位论文作者签名：代，匣 导师签名： 签字日期：2 0 l o 年6 月8 日签字日期：幺啪年6 月8 日 摘要 m w m a xv o i p 凭借价格低廉和移动性高等优势，近年来在国内外获得了 快速发展和广泛应用。但是，m w i m a xv o i p 技术目前还存在着服务质量( q o s ) 的问题，而采用d t x c n g 技术的语音编码器能有效的提高m w i m a xv o i p 业务 的服务质量。为确保能够完整地支持m w i m a x 口应用，本文对几类主流的 d t x c n gv 0 编码进行了上行调度算法的设计。 首先，本文研究了六种主流d t x c n gv o i p 编码标准的特征和关键参数，分 析了i e e e8 0 2 16 e 定义的三类传统算法u g s 、r t p s 、e r t p s 在应用于d t x c n g p 编码的上行调度时所存在的问题。然后，针对删c n gv o i p 编码器数据包发送 周期可变以及多模式编码器q o s 参数要求可变的问题，研究了调度过程中“带宽 请求分配周期”这一关键参数和d s c 信息协商过程对算法性能的影响，由此对 e r t p s 算法进行了改进，分别对六种编码设计了更灵活有效的上行调度算法。接 着，本文建立了系统模型和性能指标，采用m a t l a b 作为数值验证工具，对所设计 的调度算法及三种传统算法进行了仿真实验。最后，通过仿真结果的对比分析， 证明了所提算法的有效性和优越性。 关键词：m w i m a x ：i p 电话；d t x c n g ；服务质量；上行调度算法 & ili i m i ” i 一 7 tii 矗 点。喊： d s c p 恤心 1 1 m e 图3 2 5 第四类编码e r t p s 调度流程 本章基于第二章的研究成果，分别对六种主流d t x c n gv 0 m 语音编码进 行了上行调度算法的设计，给出了调度流程图，并进行了详细的说明。同时，本 章还相应的给出了e r t p s 调度的流程图，通过图形上直观的比较，定性的说明了 所提算法的优势。下一章将对本章设计的算法进行仿真和定量分析，用具体的数 据来说明本章所提算法的优越性。 第四章算法仿真及性能分析 4 1 2 参数设置 为了简化计算，我们假设乙= o 4 s ( 4 0 0 m s ) ，砀= 0 6 s ( 6 0 0 m s ) 。 l = 0 6 。也就是说，某时刻用户处于o n 状态的概率为： 耻磊专加4 处于o f f 状态的概率为： = 历l o f t 百= 0 6 则l l x = 0 4 ， ( 4 3 ) ( 4 - 4 ) 下面对仿真涉及的其他参数进行说明，参数的取值都是以m w i m a x 系统 为准。 1 ：m a c 帧周期，为5 璐。 2 ：下行子帧( d o w n h n l 【s 曲疳a 趱) 的持续时间，为2 4 7 4 麟。 3 ：下行子帧和上行子帧( u p l i n l 【s 曲纳戏) 之间的时间问隔，为0 0 2 6 必。 4 ：语音帧产生周期( 璐) 。 5 t a l c ：d s c 过程造成的延时。本文假设为3 个眦帧周期，即1 5 m s 。 6 ：语音状态从o f f 切换到o n 时，缓冲区数据等待带宽授予产生的延时。 7 ：通用眦帧头大小，为6 b 如。 8 ：r t p u d p i p 头部，总大小为4 0 b 妒，本文假设用r o c c o 和c r t p 机制【3 2 】压缩到了2 b y t e 。 9 k ：语音帧的平均大小( b 妒) 1 0 ：s i d 帧的平均大小( b y t c ) 1 1 ：因带宽需求变化过快而重复带宽请求的概率。 1 2 ：s i d 帧产生周期不固定时，假设某时刻有s i d 帧产生的概率。 1 3 e 。：多模式编码下，编码器模式切换的概率。 ， 第四章算法仿真及性能分析 ( 一) 参数计算 图4 2 通用a m r - w b 帧结构 1 传输每个数据包需要的平均资源数： 印代表各种算法：u g s ，椰，e r t p s 及本文所提算法川： 其中， r 掰= 如。懈 s2 ( 肌+ ( 彘咖 s = 从( 丧儿 砩如= 似丽g s i d + 彘咖 = 1 6 0 m s ，乙= 2 0 m s ，2 8 0 m s ( k ) ( 4 5 ) ( 4 6 ) ( 4 7 ) ( 4 8 ) 一一可生警h 半h c ， 件9 ， ( km 觚是语音帧的最大长度，这里以2 3 8 5 k b p s 速率为准。) 寸半 吖半h u 件 ( k 是语音帧的平均长度，这里以1 2 6 5 k b p s 速率为准，见图4 - 3 。) 、 第四章算法仿真及性能分析 4 平均接入延时瓦 1 ) 用户数f 小于一叩时各算法的延时乙 t v o s = + = ( + ) + + = ( + ) + = ( + ) + f i x + 伽 ( 4 1 4 ) ( 4 1 5 ) ( 4 1 6 ) ( 4 1 7 ) ( 4 1 8 ) 2 ) 用户数，大于批一叩时各算法的延时一哗哪( 此时排队延时占主导) 即一止：怠剧c 南九土r o + r o # ，m _ 氏( 刀一叩) = 1 一氏( 刀 一印 因此， 一俨魄2 乙。氏伪一叩) 。荟门( 门 一叩) 州 综上， 瓦= 乙= 溉，一，露曩 ( 4 1 9 ) ( 4 2 0 ) ( 4 2 1 ) l 一氏( 刀 批一印) ( 4 - 2 2 ) ( - - ) 仿真结果 用m a t l a b 对四类算法( u g s ，朋附，e r t p s ，p r d ) 进行仿真，结果如下： 1 资源利用率和系统容量 + 一 4 “ 。脚 一4 = ， 中其 ) 妒 一 ，一 一 一， m a 一 心一印) 一哗咖。氏仰一叩) 善刀户，( 以 一印) 川 ( 4 3 6 ) ( 4 3 7 ) ( 4 3 8 ) 牡露= = 裁，p ，瓦露上i - p n , ( n n mo p ) 3 9 ， ( - - ) 仿真结果 用m a t l a b 对四类算法( u g s ，f 粥，e r t p s ，p r d ) 进行仿真，结果如下： 1 资源利用率和系统容量 5 1 ) - 叩 一 ，一 一 一， 吖 一a 一 一 一m 刀 一坼 珊 孙 篁 = 第四章算法仿真及性能分析 图4 9 表示系统吞吐量和用户数之间的关系。各算法的吞吐量分别为4 9 9 ， 6 4 3 ，7 7 4 和1 0 7 3 ，可以看到p r d 算法的吞吐量比其他算法更大，分别高出1 1 5 ， 6 7 和3 9 。 3 平均接入延时 图4 1 0 表示平均接入延时和用户数之间的关系。当用户数较小时，本文提 出的算法的延时比u g s 、r t p s 和e r t p s 的延时要大，这是因为p r d 算法节约的 资源是以增加延时为代价换取的。但是，随着用户数增加直至超过系统容量时， 排队延时逐渐占据主导地位，平均接入延时开始呈指数增长。由于p r d 算法能 获取更大的系统容量，相比三种传统算法更晚产生排队延时，因此当用户数增加 到一定程度时，p r d 算法的延时反倒大大低于传统算法，开始表现出它的优越 性。 u o e 、 蔓 o a a v e r a g ea c c e s sd e l a y n u m b e ro fu s e r s 图4 1 0 平均接入延时 假定容忍的最大延时为8 0 m s ，则各算法能支持的最大用户数分别为2 3 6 ， 2 8 5 ，3 5 3 和4 4 2 。p r d 算法的能支持的用户数比其他算法分别多出8 7 ，5 5 和2 5 。 ( 三) 结论 仿真结果表明本文提出的算法能更有效的支持采用第二类编码器( s i d 帧产 生周期不固定、单模式) 的v o i p 业务。和传统算法相比，本文所提算法能达到 更大的系统容量和吞吐量。虽然用户数较小时本文所提算法与传统算法相比延时 较大，但这是为减小资源浪费而必须付出的代价。随着用户数增加至一定程度， 本文所提算法逐渐呈现出优越性，延时特性大大优于传统算法。 r 3 ， 第四章算法仿真及性能分析 3 44 r 啷= 咫r e e ，n o + 墨- 4 + f il = u ，= 1=l(4-43) 尺栅2 萋善r l n o + r ，。善善 + r “一e n 4 j ，r o s e( 4 4 4 ) r 棚= r o x n i j + p t , ax n ，x r o s c i = 0j = l r e a p s = r o x n o i = 0 = l 这里， = 2 0 m s ，假设为o 1 。 2 系统容量心一q p 这里， 矿每丽r l o t a l ，表示单个用户传送一个语音包所需资源数。 3 吞吐量珏k _44 兀h 0 = 吾丝e e ( l v + 删+ l v n ) n o 村i = 0 = l i 平均接入延时瓦 1 ) 用户数，小于批一叩时各算法的延时乙 t u g s = + + = ( + ) + + p x + 6 6 ( 4 4 5 ) ( 4 4 6 ) ( 4 4 7 ) ( 4 4 8 ) ( 4 4 9 ) ( 4 5 0 ) 叩 一 m n u 一印) 川 ( 4 8 6 ) ( 4 8 7 ) ( 二) 仿真结果 用m a t l a b 对四类算法( u g s ，r t p s ，e r t p s ，p r d ) 的仿真结果如下： 1 资源利用率和系统容量 图4 1 7 表示各算法的资源利用率和用户数之问的关系。根据仿真结果可以 南 丧罢孙 第四章算法仿真及性能分析 3 平均接入延时 图4 1 9 表示平均接入延时和用户数之间的关系。当用户数较小时，本文提 出的算法的延时比u g s 、r 伊s 和c r t p s 的延时要大，这是因为p r d 算法节约的 资源是以增加延时为代价换取的。但是，随着用户数增加直至超过系统容量时， 排队延时逐渐占据主导地位，平均接入延时开始呈指数增长。由于p r d 算法能 获取更大的系统容量，相比三种传统算法更晚产生排队延时，因此当用户数增加 到一定程度时，p r d 算法的延时反倒大大低于传统算法，开始表现出它的优越 性。 ，、 u o 们 e 、_ ， ，、 卫 o o a v e r a g ea c c e s sd e l a y n u m b e ro fu s e r s 图4 1 9 平均接入延时 假定容忍的最大延时为8 0 m s ，则各算法能支持的最大用户数分别为1 6 4 ， 2 9 1 ，3 2 7 和4 0 4 。p p - j ) 算法的能支持的用户数比其他算法分别多出1 4 6 ，3 9 和2 4 。 4 模式切换概率影响分析 本文在仿真中将模式切换概率假设为o 1 。在实际应用中，若这一概率 增大，则本文所提算法的优越性将更加明显。这是因为传统算法在模式切换时要 增加d s c 过程，切换越频繁，d s c 过程造成的m a c 层开销就越大，带宽浪费 和延时情况就越严重。而本文所提算法将不受这一过程的影响。图4 2 0 至图4 - 2 2 分别给出了切换概率改变时对算法性能( 系统容量、吞吐量和延时) 的影响。从 图中可以明显的看到，随着切换概率的增加，传统算法的性能快速恶化，而p r d 第四章算法仿真及性能分析 a c c e s sd e l a ya g a i n s t 同孢 图4 2 2 切换概率对延时的影响 ( 三) 结论 仿真结果表明本文提出的算法能更有效的支持采用第四类编码器( s d 帧产 生周期不固定、多模式) 的v o p 业务。和传统算法相比，本文所提算法能达到 更大的系统容量和吞吐量。虽然用户数较小时本文所提算法与传统算法相比延时 较大，但这是为减小资源浪费而必须付出的代价。随着用户数增加至一定程度， 本文提出的算法逐渐呈现出优越性，延时特性大大优于传统算法。 值得一提的是，当编码模式切换频繁时，传统算法的性能将严重恶化，而本 文所提算法的性能不受这一影响。这证明本文提出的算法对复杂的信道状态具有 很好的适应性，在实际应用中将具有很大优势。 4 3 小结 本章建立了系统模型和性能指标，对第三章设计的四类调度算法以及三种传 统算法进行了性能分析，并采用m a t 龇仿真工具进行了数值验证。通过仿真结 果的比较和分析，证明了本文所提算法的有效性和优越性。 同时，仿真结果还为资源利用率和延时性能之间的权衡提供了一种新认识： 对于带宽受限系统，可以在保证延时不严重影响用户体验的前提下尽量减少带宽 浪费，提高资源利用率；而对于非带宽受限系统，并且业务的q o s 要求较高时， 应优先保证延时性能，适当放宽对资源利用率的要求。 第五章总结和展望 5 2 展望 由于时间有限，本文所设计的算法还有待完善。在未来的研究工作中，可以 考虑以下几方面的问题，以期做出改进： ( 一) 时延容限的差异 本文在算法设计中假设所有的编码具有相同的时延容限( 8 0 m s ) 。但实际 上，由于设计目标的不同( 主要适用的业务不同) ，各编码的时延容限并不一定 相同，其语音帧的产生周期也或长或短。例如，g 7 2 3 1 主要用于低速可视会议 业务，可以容忍较大延时，因此g 7 2 3 1 语音允许有3 0 m s 帧长；而g 7 2 9 b 主要 用于通话，要求具有很高的语音质量和很低的延时，其语音帧长为1 0 m s 。 由本文的设计过程可以看出，静默期的带宽请求分配周期越大，语音状态切 换时在缓冲区排队的语音包可能就越多，由此产生的延时就越大，对通话质量会 造成一定影响。因此，可以再对算法做出改进，根据各类编码的时延容限适当调 整带宽请求分配周期的设置。 ( 二) 资源利用率和延时性能的权衡 如前所述，为减小资源浪费，需要增大静默期的上行带宽请求分配周期t r e q 本文所提算法将丁m 最大化为8 0 m s ，这无疑可以获得最大的系统容量。但是， 由于单用户接入延时较大，当用户数超出系统容量时，排队延时就较大，算法最 终能支持的排队用户数则较小。 而为支持更多的排队用户数，则需要减小单用户接入延时，即减小t r e q 。由 于用于发送带宽请求的资源和用于发送数据的资源是反比关系，r 朋口的减小导致 系统可分配的数据资源减少，系统容量降低，在多用户情况下用户的接入时延反 而增大。 因此，资源利用率和延时性能之间需要一种权衡，必须对t r e q 进行优化以使 系统性能达到最佳。如何优化t r e q ，使系统能支持的排队用户数达到最大，需要 进一步研究。 ( 三) 算法复杂度和设备复杂度 本文设计的算法要使用b r u s c 帧头和通用m a c 帧头中的预留比特来进行 b s 和s s 之间的信息交互，b s 必须对帧头进行检测，这一点较传统算法来说复 杂度有所增加。并且，s s 需要判断自身状态并将信息写入码流，这也会提高s s 设备的复杂度。因此，对算法是否适合商用的问题还需要商榷。 ( 四) b s 调度器对编码类型的自适应 m w l m a xv o i p 编码标准众多，使用哪种标准取决于服务提供商。从本文 调度算法的设计可以看出，适用于不同编码标准的调度算法在很多细节上各不相 第五章总结和展望 这样一个融合的网络中，可以综合现有业务并开展新的增值业务，给人们带来焕 然一新的通信体验。虽然m w i m a xv o i p 目前还存在着服务质量的问题，但随 着研究工作的不断深入，未来m w m a x 系统中诸如流量控制、缓冲池管理和 调度算法等q o s 保证机制必将越来越成熟。一旦解决了q o s 这一技术瓶颈， m w m a xv o i p 必将给通信业带来美好的前景。 参考文献 1 4 】h ic e ，t k w o n a n dd c h o ，a ne n h a n c e du p l i n ks c h e d u l i n ga l g o r i t h mb a s e d o i lv o i c ea c t i v i t yf o rv o i ps e r v i c e si ni e e e8 0 2 16 d es y s t e m , i e e e c o m m u n i c a t i o ml e t t e r s ，2 0 0 5 ，9 ( 8 ) ：216 - 218 【15 】s o hs c h o ，k j u n ge t c ，v 0 口s c h e d u l i n ga l g o r i t h mf o ra m p s p e e c hc o d e c i ni e e e8 0 2 16 e ms y s t e m , i e e ec o m m u n i c a t i o n sl e t t e r s ，2 0 0 8 ，12 ( 5 ) ： 3 7 4 - - - 3 7 6 【1 6 】马欣，基于分层宽带语音编解码系统的d t x c n g 算法研究与实现：【硕士学 位论文】，辽宁；大连理工大学，2 0 0 7 【1 7 】陈罘，基于g 7 2 9 1 语音编解码标准的d t ) ( c n g 算法研究与实现： 硕士学位 论文】，辽宁；大连理工大学，2 0 0 7 【1 8 】余水来，d t x c n g 算法的研究与实现：【硕士学位论文】，辽宁；大连理工大 学，2 0 0 8 l9 1t e i e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d i z a t i o ns e c t o ro fi n t e r n a t i o m lt e l e c o m m u n i c a t i o n u n i o n , i t u - t r e c g 7 1 1a p p e n d i xi i ，a c o m f o r tn o i s ep a y l o a dd e f i n i t i o nf o r 1 1 r u tg 711u i np a c k 昨b 嬲记m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，g e n e v a , s w i t z c r h n d ：i t u ，2 0 0 0 - 0 2 - 2 8 【2 0 】t e l e c o m m u n i c a t i o n s t a n d a r d i z a t i o ns e c t o ro f i n t e r m t i o m lt e l e c o m m u n i c a t i o n u n i o n , i t u tr c c g 7 2 3 1 - a n n e x 八d u a lm t cs p e e c hc o d e rf o rm u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n st r a n s m i t t i n ga t5 3a n d6 3k b i t s a n n e x a ：s i l e n c e c o m p r e s s i o ns c h e m e ，g e n e v a , s w i t z c r h n d ：i t u ，19 9 6 - 11 - 0 8 【21 】3 g p pt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n , 3 g p pt s2 6 2 0 1v 9 0 0 ，a d a p t i v em u l t i - r a t e - w i c l e b a n d ( a m r - w a ) s p e e c hc o d e c ；f r a m es l r u c t u r e ( r e l e a s e9 ) ，v a l b o n n e ， f r a n c e ：3 g p b2 0 0 9 1 2 0 1 【2 2 】张世秀，吴俊，卞小林，新型宽带语音编码v m r - w b 的研究，计算机与数字 工程，2 0 0 7 ，3 5 ( 8 ) ：1 3 2 f 2 3 1 r e 以x ) m m u n i c a t i o ns t a n d a r d i z a t i o ns e c t o ro f i n t e r n a t i o n a l r e k r x ) m m u n i c a t i o n u n i o n , i t u tr e c g 7 2 9 1 ( 2 0 0 6 ) a m e n d m e n t4 g 7 2 9 - b a s e de m b e d d e d v a r i a b l eb i t - r a t ec o d e r ：a n8 - 3 2k b i t ss c a l a b l ew i d e b a n dc o d e rb i t s t r c a m i n m r o p e m b l cw i t hg 7 2 9 ：n e wa n n e xc ( d t x c n gs c h e r i n ) p l u sc o r r e c t i o i i st o m a i nb o d ya n da n n e xb ，g e n e v a , s w i t z e r l a n d ：i t u ，2 0 0 8 - 0 6 2 9 2 4 】林莉芬，8 0 2 1 6 e 系, 统仿真平台的实现及调度算法仿真：【硕士学位论文】，北 京；北京邮电大学，2 0 0 7 f 2 5 】张健，易辉跃，胡宏林，改进的w 龇x 上行链路调度机制，计算机工程与 应用，2 0 0 9 ，4 5 ( 8 ) ：1 0 1 1 0 2 【2 6 】张健，易辉跃，胡宏林，w i m a x 拓展实时轮询调度机制分析，计算机仿真， 2 0 0 9 。2 6 ( 3 ) ：1 4 0 1 4 2 6 - 发表论文和参加科研情况说明 发表的论文： 【1 】1 【2 】 【3 】 【4 】 发表论文和参加科研情况说明 z h c n gl 缸m i ny a n g , h e n gd a i , j u f c n gd a i , o n c u r r c n tt r a n s m i s s i o n s c h e d u l i n gi b rm u r i - h o pm u l t i c a s ti nw n e l e s sm e s h ”：t h e4 t h i n t e r n a t i o m lc o n f e r e n c eo nw i r e b s sc o m m u n i c a t i o n s ，n e t w o r k i n ga n d m o b i l ec o m p u t i n g ( w i c o m2 0 0 8 ) ，d a f i a nc h i n a , o c t o b e r2 0 0 8 ( e i ： 2 0 0 9 0 1ll8 3 3 5 4 5 ) z h e n gl 沁h e n gd a i , f a r o u ka l k a d h i , j u f e