（计算机系统结构专业论文）接入3g的无线局域网及传输性能研究.pdf

i 摘摘 要要 目前，3g（the 3rd generation mobile communication system）发展迅速；另一方 面，wlan（wireless local area network）也取得了广泛的应用。3g能提供广阔的移 动服务范围但数据速率相对较低，wlan数据速率很高但服务范围相对较小；而将两 者结合起来，就能在提供无缝连接的同时，给用户提供高速廉价的无线数据服务，所 以它们的融合成为大势所趋， 相关的融合方案以及接入3g的wlan上的语音与视频传 输也就成为了亟待解决的问题。 针对wlan接入3g，从简单互通到完全无缝的系统间操作共有6种方案，根据两 者互相依赖的程度，又可分为紧耦合与松耦合两种模式。紧耦合模式中，wlan作为 一个3g接入网，直接连接在3g核心网上，两个网络共享相同的资源。松耦合模式中， wlan只是与3g分享对aaa（authentication、authorization and accounting）的使用， 不需要直接连接在3g核心网中，与3g网络互相独立，有较好的灵活性。 接入3g的wlan中，vowlan(voice over wireless local area network)成为支持 无缝语音业务的一个重要应用，其性能主要包括语音质量与容量，而容量问题是大规 模应用的关键。对于容量问题，采用了一种新的复用多播解决方案：通过把多个voip （voice over internet protocol）包复用为一个包，然后多播到wlan中，大大降低了系 统开销，可显著提高vowlan系统容量且不需要改变标准的媒体访问控制层协议，适 用于3g与wlan的松耦合模式。与语音传输相比，实现wlan上的高质量视频传输更 加迫切，无线视频编码与wlan视频传输技术是研究的重点。无线视频编码中， mpeg-4（motion picture experts group 4）是比较理想的编码方式，其中的精细分级 编码是一种全新的可分级编码方法；在此基础上，针对wlan视频传输，重点研究了 几种交叉层技术，综合考虑应用层与底层的传输机制，具有较好的性能。 关键词: 无线局域网，第三代移动通信，无线局域网语音通信，容量，语音质量， 复用多播，传输性能 ii abstract nowadays, the 3rd generation mobile communication system (3g) is developing fast. at the same time, wlan （wireless local area network） is poised to become an important application.3g can provide wide-covered services but it has a low datarate. wlan has a high datarate, but it covers a small area. therefore, high-speed and low-price wireless data services can be provided by seamless link between 3g and wlan. wlan is promising to be integrated with 3g.how to integrated wlan with 3g and how to transmit voice and video over wlan integrated with 3g will be problems that need to be solved quickly. six schemes for integrating 3g with wlan has been discussed, which are from simple link to seamless operation between the two systems.according to the extend of depending on each other, there are two modes of integrating wlan and 3g: the loose coupling mode and the tight coupling mode.in the tight coupling mode, wlan acts as a radio access network, which is connected with 3g and shares the common resources. in the loose coupling mode, wlan only shares aaa （authentication、 authorization and accounting） server and is not connected with 3g. after the integration, vowlan（voice over wireless local area network）will be an import application supporting seamless voice services. its performance are mainly voice qos （quality of service）and voice capacity. as to the capacity problem, the proposed multiplex-multicast scheme can improve the capacity by close to 100% without changing the standard 802.11 protocol, which can be deployed over the loose coupling mode above. in the scheme, packets from several voip（voice over internet protocol）streams has been multiplexed into one multicast packet for transmission over the wlan.compared to the voice transmission over wlan, high-quality video transmission is more difficult to be achieved. wireless video coding and wlan video transmission has become the focuses. among the wireless video codings, fgs(fine granularity scalability) is a fire-new scalable video coding method. several cross-layer techniques has been studied, in which the transmission mechanism over application layer and link layer are both considered . keywords: wireless local area network 3g voice over wireless local area network capacity voice quality multiplex-multicast transmission performance 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他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， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 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，即： 学校有权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。 本人授权华中科技大学可以将本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 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 1 1 绪绪 论论 1.1 引言引言 近年来， 在无线技术领域有两项技术十分引人注目， 即无线局域网技术 （wlan） 和基于第三代移动通信（3g）标准的无线宽带网络技术。受到传统数据通信力量的推 动， wlan 是有线局域网向无线世界的拓展，其目标主要是在无线环境下提供数据 通信（而非语音）能力， 因此 wlan 当前的技术结构中尚缺乏支持像语音、多媒体 内容等更高水平应用的必需架构，如适应 qos、可伸缩性和计费机制要求的架构。而 3g 植根于传统的电信领域，其目标与理念为直接面向公众提供电信级的业务，3g 从 一开始就确立了高带宽、 提供多媒体业务（包括语音和数据） 、全球漫游等目标，其 用户可享受良好的安全性和不同的 qos。 3g 提供广域的覆盖， 但带宽远低于 wlan。 wlan 适用于短距离覆盖，但带宽高。因此 3g 运营商完全可以采用 wlan 来进行 大楼内的覆盖，提供更高的带宽。充分利用 3g 和 wlan 的优势互补，将给运营商的 网络投资和运营带来巨大的收益1。3g 和 wlan 的融合将成为研究的热点，相关的 融合方案以及接入了 3g 的 wlan 上的语音传输成为了亟待解决的问题。3g 相比 2g/2.5g 而言，其热点应用在视频方面，要做到在 3g 与 wlan 融合的系统中为用户 提供无缝的高速数据业务，视频应用必不可少。目前 wlan 视频方面的应用还处于 初级阶段，但是随着 3g 与 wlan 的融合，视频在 wlan 上的传输也将成为越来越 迫切的问题。 运营商和设备商希望提供将蜂窝电话和wlan结合在一起的手机，可使用户通话 时方便地在蜂窝网络和wlan网络之间无缝切换。日本的ntt docomo和美国的 t-mobile推出了蜂窝wlan双模手机，使用户能够在高速公路上和在办公室时实现 同一次通话使用同一部手机。爱立信与日本软银集团旗下bbmobile公司联手，在3g 和wlan之间成功演示了基于电路交换的语音和基于ip多媒体子系统(ims)的视频服 务的无缝切换。随着3g的发展，wlan与3g的融合的应用会越来越多，vowlan、 视频会议、远程监控、iptv等都会应用于wlan之中，且这些应用能在wlan与3g 2 之间进行无缝切换。 ieee 802.11无线局域网的出现将无线局域网推向了一个新的发展 阶段，不少学者对802.11无线局域网技术进行了大量的研究，但是多集中在对数据链 路层的性能研究。对无线局域网语音传输主要集中在语音质量与容量的研究，取得了 一定的效果，针对容量问题，主要集中在mac协议的改进。对802.11无线局域网视频 传输技术的研究是近几年才开始的，无线局域网的视频传输技术还有待继续改进。 1.2 本论文的行文结构本论文的行文结构 3g 在中国呼之欲出。 眼下， 大唐的 td-scdma 正在五大城市进行规模网络测试， 相信中国不久就可以颁发第一张 3g 牌照。与此同时，wlan 上的 vowlan 应用也 发展迅速，有消息说 wifi 手机将登陆上海，国际长途降低到 0.3 元/分钟。在未来的 若干年内，中国 wlan 与 3g 的融合大势所趋， wlan 上的 vowlan、视频服务将 成为影响两者融合的关键应用。相关的融合方案与传输性能问题将成为研究的重点。 本论文的主要内容安排如下： 第二章介绍无线局域网技术特点以及 ieee 802.11 系列标准，详细讲述 802.11 的 mac 层和 csma/ca 机制;简单介绍 homerf 标准、蓝牙标准以及中国的 wapi 标准 等。 在第三章我们分别介绍 3g 的三个标准：wcdma、cdma2000 以及中国的 td-scdma 标准，并展示 3g 的网络结构与发展趋势。 进入第四章，我们首先分析 3g 与 wlan 结合的必要性和可能性，给出相关的互 连模型、融合方案与融合模式。 第五章结合 wlan 和 3g 的融合需求， 介绍 wlan 上的 vowlan 应用， 并描述 相关的体系结构模型、应用模式、关键技术以及终端构架等。详细分析 vowlan 的 性能问题，主要包括容量问题、语音质量问题，总结目前的一些改进方案；同时采用 一种复用多播方案， 可显著提高vowlan系统容量与性能且不需要改变标准的802.11 csma/ca 协议，适合于 3g 与 wlan 的松耦合模式。最后对本方案进行详细论证与 仿真。 第六章结合wlan和3g的融合需求， 介绍wlan上的无线视频流编码技术与视频 3 传输技术。无线视频编码技术方面介绍mepg-4以及fgs，mpeg-4是比较理想的编码 方式，其中的fgs是一种全新的可分级编码方法；针对wlan视频传输，重点研究了 几种交叉层技术，它们综合考虑应用层与底层的传输机制，具有较好的性能。 第七章是对论文工作的总结和展望。作者水平有限，文中存在的疏漏及错误之处 恳请读者批评指正。 4 2 wlan 及其相关技术及其相关技术 wlan具有价格低廉、 组网灵活、 支持高速无线数据接入、 使用开放频段等优势， 适合移动办公、移动商务、移动互联网接入等应用。使用无线局域网技术接入网络的 设备不必受限在一个固定节点上，可以随意地移动，自由变换位置2。本章将介绍 wlan技术、 标准， 还将简单介绍其发展现状与存在的问题、 技术热点以及应用前景。 2.1 wlan 技术技术 2.1.1 wlan 基本组成要素基本组成要素 无线局域网的物理结构主要由用户终端设备，无线网卡和无线接入点(ap)组成。 用户终端设备可以是笔记本电脑、pda、掌上pc以及手持式扫描仪等。无线网卡使用 射频技术实现与有线网卡相同的功能，即进行数据的发送和接收，它可以安装或集成 在用户终端设备上，网卡的天线可以是内置的，也可以在外部，甚至可以是伸缩的。 无线接入点ap由三部分组成，一个用于数据发送接收的天线和无线电发送/接收器、 一个与有线网络连接的接口和桥接专用软件。 ap的功能之一是接收到网络中用户终端 (station)发送的信息并转发给其他设备，另一个则是作为无线网络与有线网络的连接 桥梁，使无线网络内的station可以访问到有线网络，并进入互联网。更复杂的无线局 域网中还可以包括接入控制点ac和认证/鉴权服务器as等。 接入控制点ac主要完成用 户计费信息的收集、路由的指向、用户信息的收集和用户认证的请求。认证/鉴权服务 器as可以完成用户身份的识别和计费功能。 2.1.2 wlan 网络拓扑结构网络拓扑结构 无线局域网的拓扑结构包括无中心拓扑和有中心拓扑。 （1）无中心拓扑 无中心拓扑的网络中任意两个站点可以直接通信，使用公用广播信道，各站点通 过竞争公用信道建立通信，信道接入控制协议一般采用csma(载波监听多址接入)类 5 型的多址接入协议。 无中心拓扑结构的优点是网络抗毁性好、 建网容易、 且费用较低。 但当网中用户数(站点数)过多时，信道竞争成为限制网络性能的要害。并且为了满足 任意两个站点可直接通信，网络中站点布局受环境限制较大。这种拓扑结构只能互相 通信而不能访问有线网络，适合于不存在有线网或者根本不需要访问有线网的集中在 一个较小区域中的工作群，ieee 802. 11标准中定义的ibss网络就是这种无中心拓扑 网络，如图2.1 (a)所示。 （2）有中心拓扑 这是最常见的一种网络结构。在这种网络拓扑结构中，有一个无线站点充当中心 站，也是接入有线网的逻辑接入点，所有站点通过中心站访问网络，每个站点在中心 站覆盖范围内与其它站点通信。这种网络结构在网络业务量增大时网络吞吐性能及网 络时延性能的恶化不明显， 网络中心点布局受环境限制也较小。 但其弱点是抗毁性差， 中心站点的故障容易导致整个网络瘫痪，并且中心站点的引入增加了网络成本。ieee 802. 11标准中定义的一种基础结构bss网络就是这种有中心拓扑网络，它还可以通过 ap及分布式系统相互连接扩展成ebss，如图2.1(b)所示。 a站站 b站站 独立基本服务子集 （ibss） 单一小区传播边界 apap bss1bss1 apap 分布式系统分布式系统 bss1bss1 （a）无中心拓扑结构 （b）有中心拓扑结构 图 2.1 wlan 网络拓扑结构 2.1.3 wlan 传输方式传输方式 无线局域网采用无线电波或红外线作为传输媒质。采用无线电波传输时，为了提 高信号传送质量，使用了扩展频谱的调制方式，就是在更宽的频带上“扩展”信号的 6 功率，通过扩频可以使数字信号对电子噪声的敏感程度大大下降，而且由于单位频带 内的功率降低，对其它电子设备的干扰也减小了。802.11标准规定了跳频扩频(fhss) 和直序扩频(dsss)二种扩频调制方式。 下面分别介绍: （1）跳频扩频fhss方式 跳频扩频，正如其名字所描述的，它对发送的数字信号用载波信号调制，而载波 信号在一个很宽的频带上从一个频率跳变到另一个频率，跳变是按照一个随机数发生 器产生的伪随机序列进行的。为了正确接收数据，接收器必须设置相同的跳跃编码， 适时收听接收到的信号并校正频率。跳频技术能有效地减少来自窄带系统的干扰信 号，由于载波频率一直处于变化之中，窄带干扰和频率选择性衰落只破坏传输信息的 一部分，在中心频率处传送的信号却不受影响。 （2）直序列扩频dsss方式 直序扩频方式中，每一个传输的信息比特被扩展为n个更小的数字脉冲，被称为 码片(chip),然后再用传统的数字调制器发送出去，而在接收端，则执行相反的操作， 先进行解调，然后送入一个相关器进行信号的解扩。802. 11标准中使用11位的巴克码 做为扩频序列，因为巴克码具有很好的自相关性，解扩时可以得到非常高的峰对旁瓣 比值，从而很好地恢复数据。 （3）红外线方式 红外线也可用作无线局域网的传输介质一般使用的波长为820nm，因为在红外线 频谱中空气在这个数值点产生的衰减最小。由于红外线无法穿过不透明的物体，而且 不受无线电信号的干扰，因而比无线电波具有更好的安全性。同时，红外线具有较大 的带宽，可以实现数据高速传输。这种方式的缺点是视距传送，传输距离有限。 2.1.4 wlan 主要工作过程主要工作过程 扫频：sta(无线工作站)在加入服务区之前要查找哪个频道有数据信号,分主动和 被动两种方式。主动扫描是指sta启动或关联成功后扫描所有频道：一次扫描中sta 采用一组频道做为扫描范围，如果发现某个频道空闲， 就广播带有essid(扩展服务 7 区标识号)的探测信号：ap根据该信号做响应。被动扫频是指ap每100毫秒向外传送 灯塔信号，包括用于sta同步的时间戳，支持速率以及其它信息，sta接收到灯塔信 号后启动关联过程。 关联：用于建立无线访问点和无线工作站之间的映射关系。分布式系统将该映射 关系分发给扩展服务区中的所有ap。一个无线工作站同时只能与一个ap关联。在关 联过程中，无线工作站与ap之间要根据信号的强弱协商速率，速率变化包括11mbps, 5.5mbps, 2mbps和lmbps等等。 重关联：当无线工作站从一个扩展服务区中的一个基本服务区移动到另外一个基 本服务区时，与新的ap关联的整个过程。重关联总是由移动无线工作站发起。 漫游：指无线工作站在一组无线访问点之间移动，并提供对于用户透明的无缝连 接，包括基本漫游和扩展漫游。基本漫游是指无线sta的移动仅局限在一个扩展服务 区内部。扩展漫游指无线sta从一个扩展服务区中的一个bss移动到另一个扩展服务 区的一个bss。 2.1.5 wlan 逻辑结构及接口逻辑结构及接口 osi参考模型的第一层物理层和第二层数据链路层以及第三层网络层的较简单的 接口功能构成无线局域网的逻辑结构，其中将第二层数据链路层再进一步划分为2个 子层即逻辑链路控制层(llc)和媒体访问控制层(mac)。llc子层向上提供与网络高 层的接口，向下实现与mac子层的通信并利用llc帧实现两个对等llc实体间的通 信。ieee802.2标准定义了llc子层。 无线局域网可以从数据链路层接入网络。这时的mac层及其以下层对上层是透明 的，只要配置相应的驱动程序就可完成与上层的接口，这样可以保证现有的有线局域 网操作系统或应用软件可在无线局域网上正常运行。这是常用的一种接口方法。另一 种方法还可以选择物理层接入网络，使用无线信道替代通常的有线信道，而物理层以 上各层不变，这样上层的网络操作系统及相应的驱动程序可以不做任何修改。这种接 口方式一般用来做为有线局域网的集线器和无线转发器以实现有线局域网间互联或 扩大有线局域网的覆盖范围。 8 2.2 wlan 标准标准 目前的无线接入技术有homerf(家用射频技术)、bluetooth蓝牙技术)、 hiperlan(欧洲的无线接入标准) 、ieee 802.11系列和中国的wapi标准。其中 ieee802.11标准系列由于它的以太网标准802.3在业界的影响力使得在业界一直得到 最广泛的支持3。在我国ieee802.11系列标准目前已经成为主流，我们在这里重点介 绍执行ieee 802.11系列标准的无线接入技术。 2.2.1 ieee 802.11 系列标准系列标准 ieee 802.11 系列标准介绍系列标准介绍 1990年，ieee执委会成立了旨在负责制定无线局域网标准的ieee 802.11工作组。 经过七年的工作，于1997年推出了802. 11标准，主要针对wlan的物理层(phy)和媒 体访问控制子层(mac)进行了规定。802.11wlan工作在开放的2.4ghz频带，采用跳 频扩频和直序扩频两种扩频方式， 使用dbpsk和dqpsk两种调制方式， 可提供1mbps 和2mbps的速率。在1999年推出的802.1lb标准是802. 11的扩展，它采用直序扩频，它 在802. 11标准中的两种调制方式基础上，增加了补码键控(cck)调制，分别可提供 1mbps、2mbps、5.5mbps及11mbps速率，最高可提供11mbps的速率。 802. 11a标准 工作在5ghz频带，采用ofdm调制技术，可提供最高速率达54mbps，传输距离也更 远达5-10km。由于工作在不同的频带，由于11a与11b标准并不兼容，ieee组织于2001 年又推出了802.11g标准，它实际是一种混合标准，它规定了两种调制方式即11a中的 cck和11b中的ofdm.既能适应802. 11b标准，提供2. 4g频带下11mbps速率，也能提 供802. 11a标准的54mbps数据速率，但需转频后才能工作在5ghz频带。这几种标准的 主要区别是工作频段、数据传输率、最大传输距离等物理层的指标有所不同。目前 11a 、 11b和11g都已开始执行， 而ieee802. 11b标准成为主流wlan标准， 采用802.11b 的产品已广泛进入市场。 为了能够提供与在有线网上一样的高质量的话音、视频以及多媒体信息传送，进 一步提高网络安全性能， 802. 11工作组又制定了针对mac层服务质量和安全保障的一 9 系列标准。其中802. 11 i标准采用了tkip加密技术，并使用802. lx作为认证标准。802. 11e标准构建了可提供qos服务质量保证的增强型无线局域网标准，它定义了4种数据 的优先级，分别用于语音、音频、视频和普通信号的传送，并重新定义了支持qos的 接入点(qap)、工作站qsta)和基本服务集(qbss),定义了两种改进的mac层接入方 式， 即增强的分布式协调功能和混合协调功能。 通过基于wlan的qos协议， 802.11a、 b、g能够进行voip。也就是说，802.11e是通过无线数据网实现语音通话功能的协议。 802.11i与802.11e已在2004年6月获得ieee批准。 预定在今年（2006年）推出的ieee 802.11n标准将采用mimo ofdm(多输入多输 出的ofdm)技术，可将wlan的传输速率从802.11a和802.11 g的54mbps增加至 108mbps以上，最高速率可达320mbps ，并加入了服务质量管理功能，以支持语音和 视频应用。软件无线电在802.11n中也会被应用，将根本改变网络结构，实现wlan 与无线广域网融合并能容纳各种标准协议，提供更为开放的接口，最终大大增加网络 的灵活性。也许ieee 802.11n标准将带来wlan的全新时代。 表2.1 几种不同的ieee 802.11标准 标 准 进 度 主要内容 ieee 802.11 1997年完成，己执行 wlan的最初标准，支持1mbps到2mbps ieee 802.11a 1999年完成，己执行 用于5ghz频带的高速wlan标准，支持54mbps ieee 802.11b 1999年完成，己执行 当前主流的wlan标准，支持11mbps ieee 80211g 2001年完成 用于2.4ghz频带的高速ran标准，支持多种速率 ieee 802.11i 2004年6月完成 采用tkip加密和ieee 802.1x认证的安全标准 ieee 802.11e 2004年6月完成 支持所有ieee wlan的qos机制 ieee 802.11n 预计2006年完成 定义速率高达100mbps的新一代高速wlan 具有冲突检测退避的载波监听多路访问机制具有冲突检测退避的载波监听多路访问机制 csma/ca ieee 802.11 mac层提供了两种实现网络连接的方法： 分布式访问控制方式(dcf) 和中心协调方式(pcf )。dcf分布式访问控制方式是一种竞争接入方式，它采用具有 冲突检测退避的载波监听多路访问机制(csma/ca)来决定什么时候哪个工作站能开 10 始收发数据，如图2.2。dcf是ieee 802.11 mac层的基本接入方法。pcf中心协调方 式是一种无竞争接入方式，可用做实时性数据的收发。pcf方式是架构在dcf方式之 上的一种可选的方式。 在分布式访问控制方式中， mac层通过信道中的信号能量大小 来判定信道是否繁忙。如果信号的强度在某一基准点之下，就表示信道未被占用，工 作站可以收发数据。反之，若信号强度在基准点之上，则表示信道目前是忙碌的，此 时，工作站必须延迟(defer)帧传送时间，直到发现传输介质是空闲的，才能发送帧， 但介质繁忙状态刚结束时又是碰撞可能发生的高峰期，因此这时还不能马上送出帧， 还要按照帧的优先权等级再等待一段适当的帧间隔时间，并且在这段时间内介质仍保 持是空闲的才能将帧发送出去。 ieee 802.11定义了三种不同优先权等级的帧在传送之前的等待时间，称为“帧间 隔” ，不同优先级帧的帧间隔时间不同，优先权等级越高的帧其间隔越短，使用传输 媒介的机会就越大。 sifs： 短帧间隔， 用来做立即的响应动作。 下列帧送出的等待时间都是sifs等级： 要求传送帧（rts） 、允许传送帧（cts） 、回复帧（ack）等等。 pifs：pcf帧间隔。在进行pcf传输功能时，工作站传送帧前所必须等待的时间。 difs： dcf帧间隔， 在进行dcf传输功能时， 工作站传送帧前所必须等待的时间。 eifs：延长帧间隔，工作站在进行重传帧时所必须等待的时间。 其中sifspifsdipsra） ，应用层 fec 针对基本层和增强层队列分别应用不同的 rs 编码方案 rs （n，kb） 、rs（n，ka） ， （kbka） 。位于不同优先级队列中的视频流按优先级别顺 利地递交给 mac 层。 基本层视频包被高优先级的队列优先传输， 接下来是第一个 fgs 增强层的视频包。只要高优先级的队列不为空，它就优先传输它的数据包，如果位于 任何队列中的一个视频包超过了它的最大时延限制，它将被丢弃以保证视频流的实时 性。 （2） hybird arq 算法 伊利诺斯大学 daniel grobe sachs 和加州大学伯克利分校的 abhik majumdar 等将 无线网络信道模型转化为网络层级的包擦除（packet-erasure）信道模型4344，并基于 该模型提出了 hybrid arq 算法，算法采用一定的策略将应用层 fec 和 arq 相结合 提高视频在无线局域网中的传输质量。 应用层 fec 采用的是 rs 编码， 在 802.11 无线 局域网中， 出错的 mac 层数据帧被丢弃， 在采用 udp 进行视频数据传输时导致 udp 57 包的丢失，所以如果将 rs 编码仅用在应用层的一个单独数据包内，出错的数据包不 可能在应用层被检测和纠错。所以43在应用层使用交织器对多个数据包应用 rs 编 码。首先将视频数据分成数据包分组，每一组有 k 个长度为 l 字节的视频包，这 k 个 视频包被缓存在 interleaver 中并应用 rs 编码器对 k 个视频包进行编码，产生（n-k） 个奇偶校验包附加在 k 个视频包后。 在进行数据传输时，发送方开始只发送前 k 个数据包给接收方，如果接收方完整 地接收到这 k 个数据包，就立即向发送方发送一个应答包（由应用层产生，不同于 802.11mac 层产生的 ack 帧） ，发送方接收到应答信息后就重新开始下一组中 k 个 数据包的发送； 如果发送方在发完前 k 个数据包未收到应答信息， 则继续发送校验包， 直到以下两种情况中的任何一个出现： （1） 发送方接收到来自接收方的应答信息。 （2） 发送方（n-k）个校验包全部发送完毕。 一旦完全地接收到 k 个包（可能包括部分校验包） ，接收方就发出一个应答信息， 并对 k 个包进行译码恢复原始数据。如果在发送 k 个数据包的过程中某些数据丢失， 发送方会继续发送校验包使接收方能及时恢复丢失的数据包，从而在一定程度上减小 了视频传输的时延。 （3）基于 udp lite 的交叉层技术 密歇根大学 shirish karande 博士在45中提出了基于 udp lite 并结合 mac 层控 制与应用层 fec 的交叉层技术来提高无线局域网视频传输的质量，udp lite 主要基 于以下考虑提出，即视频传输中向上层递交部分破坏的包可能比完全的包丢弃更可 取。 它利用视频内容内在的容错特性来提高带宽的利用率， 如在 mpeg-4 视频传输中， mpeg-4 本身提供了一定的差错恢复机制能够处理部分传输错误，但如果底层完全丢 弃了受损的包，则其差错控制机制将不能够有效应用。udp lite 允许向上层递交部分 破坏的数据包从而为这种差错控制技术提供了很大的灵活性。在 udp lite 中，udp 中的长度字段被 udp lite 的覆盖域（coverage）字段替换，该字段规定了从 udp lite 头部的第一个字节开始有多少个字节需要进行校验保护。这个字段的最小值为 8，即 仅包括覆盖 udp lite 包头部的字节。 在 udp 中包只要被破坏就被丢弃； 而在 udp lite 中仅当头部破坏时 udp lite 包才被丢弃（coverage 字段取 8） 。在 udp 中包长度的增 58 加会导致包丢失率的增加， 而 udp lite 包的丢失率只依赖包的头部， 包的大小不会对 其造成影响， 所以在易出错的无线信道中进行视频传输， 用 udp lite 进行视频数据的 承载具有一定的优势。 source address destination address zeroprotoudp length source port destination port coveragechecksum udp lite header pseudo header 图 6.1 udp lite 包头部示意图 在基于 ieee 802.11 无线局域网的视频传输中，由于 mac 层重传机制导致错误 的数据帧不可能到达传输层，从而造成 udp lite 的失效。因此45中引入了成为 mac-lite 的策略，即要求 802.11mac 层放弃重传机制，将出错的数据帧传递给高层 处理。45中实验表明 udp lite 通过将破坏的包递交给上层应用而提高了高层的数据 吞吐量， 但是它并没有明显的增强视频的质量， 在结合应用层纠错机制 fec 后视频传 输质量才得以改善。视频解码中被动的差错隐藏技术要求为解码器提供足够的冗余信 息来定位和隐藏错误， 由于 udp lite 交付的受损的包提供更多的冗余信息， 从而方便 了接收方应用差错恢复机制提高视频质量。45中通过 mpeg-4 视频序列的实验测试 表明采用这种交叉层策略能够较好地提高视频传输的质量。 （4）wlan 视频传输方法分析比较 基于 udp lite 的交叉层技术要求 mac 层放弃重传机制并结合应用层 fec 来提 高视频传输的质量。由于这种方法要求 mac 层放弃重传机制并把出现错误的帧交给 上层处理，在视频传输应用中基本上不会产生时延影响，但由此引入的一个弊端是在 链路状况较差时，虽然此时系统保持较高的数据吞吐量，但是很可能由于错误数据太 多而造成上层差错控制机制不能有效进行差错处理，产生较多无用数据造成许多不必 要的系统开销而视频质量并无明显提高。 hybrid arq 算法适合多种格式视频的传输， 该算法综合了应用层 fec 和 arq 的 59 优点， 避免了单纯采用 fec 时在信道条件较好时的额外开销， 又避免了单纯采用 arq 时在信道条件较好时所引用的高时延缺点。但是该算法没有考虑底层传输机制，在无 线链路状况较差时，导致视频数据的传输时间增加，由于接收方解码器播放缓冲区的 大小是限制的，超过时延限制的视频包会被解码器丢失。 基于优先级排队的自适应应用层fec和mac层重传算法根据视频编码级别的不 同为优先级队列应用不同的应用层和 mac 层保护策略， 这对基于 fgs 编码的视频传 输有较好的效果。算法的关键是为不同优先级队列寻找最优的保护策略，进一步的研 究应结合链路质量的动态变化， 动-态地为优先级队列寻找不同的控制参数， 使其传输 的视频质量在无线链路质量变化时能够始终处于最优。 60 7 总结与展望总结与展望 wlan技术经过几年的推进和发展，其标准和产品已经日见成熟，应用也日渐广 泛。中国的无线局域网标准wapi引起广泛的关注，wlan的应用中结合了voip技术 的vowlan被寄予了厚望。与此同时3g被炒得沸沸扬扬，仅中国对3g的投入预计就 以数千亿计，中国的td-scdma标准也将在未来占据一席之地。wlan解决的是无线 宽带问题，并没有真正解决“移动”问题。3g则相反，“移动”是其强项，“宽带”方面落 后于wlan。因此wlan和以3g为代表的移动通信技术是互补的关系，wlan与3g 最终将走向融合。 wlan与3g融合，有着巨大的发展潜力和市场需求。在融合的网络上传输语音、 视频等业务将是最热门的应用。3g因为“移动性“好且植根于传统的电信领域，语音以 及视频传输方面能获得不错的服务质量。但是，wlan在支持像语音、视频、多媒体 内容等更高水平应用上比较欠缺， 接入3g的wlan系统上语音以及视频的传输性能及 实现是一个十分重要的课题。 论文在介绍了wlan和3g技术的基础上对两者的融合进行了深入分析， 给出了相 关的互连模型、融合方案与融合模式。第五章详细介绍了3g与wlan松耦合模式下的 语音传输vowlan应用，并描述了相关的体系结构、应用模式、终端构架等；接着详 细分析了vowlan的性能问题，主要包括容量问题、语音质量问题，总结了一些改进 方案，同时采用一种复用多播方案，可显著提高vowlan系统容量与性能且不需要改 变标准的802.11 csma/ca 协议，适用于松耦合模式，并对方案进行了详细论证与仿 真。 第六章详细介绍了wlan上的视频传输技术。 介绍了无线视频流编码技术、 wlan 视频传输技术。无线视频编码中，mpeg-4是比较理想的编码方式，其中的fgs是一 种全新的可分级编码方法，分别作了介绍；针对wlan视频传输，研究了几种交叉层 技术，这些技术综合考虑应用层与底层的传输机制，具有较好的性能。本论文描述的 融合模式、传输性能改进与实现方法为3g与wlan的融合、接入3g的wlan系统上 语音以及视频传输的后续研究提供帮助。 61 无线局域网和3g的融合有着广阔的前景。未来的网络应该是高集成的，集语音、 视频、数据等于一体，移动终端可以在3g网络和wlan之间快速切换，用户可以在不 同网络中保持业务的连续性，且获得较好的语音、视频、数据、多媒体等服务。如何 有效地将无线局域网与3g融合，并保证语音、视频、数据、多媒体等的服务质量，对 无线局域网从带宽到安全到服务质量以及传输性能提出了更高的要求。 62 致致 谢谢 首先我要深深地感谢我的导师文远保教授。是文老师将我领进了无线局域网这个 广阔的领域，为我创造了学习研究的良好条件。师从文老师攻读硕士学位期间，我真 切感受到文老师严谨的治学态度，广博精深的专业知识，多少次苦思冥想找不到解决 问题的办法而与文老师的交谈都能令我茅塞顿开，在文老师的严格要求和悉心指导下 自己的学业也得到了很大提高。生活中，文老师和蔼可亲，他工作繁忙却仍经常关心 我们的学习和生活。成为文老师的学生我感到幸运，文老师平易近人、为人师表的高 尚品德是我今后学习的榜样。 感谢我的女朋友周玲，她的关怀与鼓励让我能够在最困难的时候坚持下来，完成 论文，顺利毕业。 同时，我还要感谢石正贵、刘涛、刘学东、杨翔、林建明、李鹏、邓小明、项鹰、 黄志葵、王斌斌、杜冠、张炫、汤澹、马洋明、刘峰、齐笑等同学。他们真诚热情的 指点和帮助给我留下了难忘的回忆。 最后，我要感谢我深爱的父母和家人，他们无尽的关心和支持永远是我前进的动 力。 63 参考文献参考文献 1 张莹常,永宇.3gpp网络同wlan的互连.电信工程技术与标准化, 2006(2):7175 2 秦福高.wlan的技术发展与应用前景.电脑知识与技术.2001(11):8385 3 陈辅平, 陈继努, 韦薇. wlan标准及其最新进展.电信工程技术与标准 化.2005(4):4244 4 l.kittel.radio signalling design and discrete channel for mobile automatic telephone system.ieee:international mobile radio and technique.1984:8691 5 雷绪恳.wlan应用方案.移动通信,2004(3):4151 6 李杨文.wlan技术应用分析.电脑知识与技术,2005(15):4749 7 李建中,周冠宇.无线局域网在国内的建设模式.移动通信, 2004(3):3740 8 林祥德.第三代移动通讯标准浅析.电信工程技术与标准化,2005(12):2428 9 韦玮,李钊.3g网络与wlan 的综合结构设计方案. 电信工程技术与标准 化,2005(12):5759 10 朱成, 王芙蓉. 3g与wlan网络互通技术及方案.现代电信技,2005(6):4850 11 项 丽 娟 . 802.11wlan 和 第 三 代 无 线 数 据 网 络 的 集 成 . 邮 电 设 计 技 术,2005(8):1620 12 陈丽琴. phs、wlan 和3g 的融合与发展.移动通信,2005(2):3537 13 赵辉. wlan、3g、wimax 的竞争与融合.电信工程技术与标准化, 2005(11):8388 14 孙元庆,李梅.wlan与2g/3g移动网络的集成.电信网技术,2005(1):811 15 孔 松 , 张 旭 武 . 从 3g_wlan 融 合 看 基 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