（通信与信息系统专业论文）无线局域网上voip的性能分析研究.pdf

中文摘要 摘要：随着无线局域网( w i ，a n ) 技术和v o i p m i c eo v e ri p ) 技术的不断发展，利用 w l a n 来传输i p 语音的技术成为近些年研究的热点。但是由于i p 网络提供的是尽力 而为的服务，加上无线网络带宽资源的有限性，这使得在w i ，a n 上传输语音时面 临很多的问题。研究在m ，a n 上语音业务用户容量的问题具有重要的意义，本论 文正是在这样的背景下展开研究的。 本文的主要工作是分析和验证了8 0 2 1 1 b 网络的d c f 机制和p c f 机制下语音业 务的容量问题，并针对常用的d c f 机制提出了改进方案，提高了语音业务的容量。 具体的工作有以下几个方面： 首先对无线局域网及i e e e8 0 2 1 1 系列标准协议进行了研究，详述了i e e e 8 0 2 1 l 的体系结构、工作模式、m a c 协议和无线媒体的接入机制。接着对v o i p 的 通信原理作了研究，简要描述了v o i p 的关键技术和v o i p 的q o s 问题，为后面的研究 做好理论的铺垫。 其次，在g i u s e p p eb i a i l c l l i 的马尔可夫链的传输模型的基础上，通过理论的计 算推导，分析了d c f 机制下语音的有效吞吐率和容量问题；接着根据p c f 的传输机 制，建立了相关的数学模型，通过理论的计算推导，分析了p c f 机制下语音的有效 吞吐率和容量问题。最后，根据推导出的吞吐率和容量公式，计算了v o i p 在目前 常用的编码方式下在i e e e8 0 2 1 1 b 上的理论容量值。 第三，利用了o p n e tm o d e l e r 网络仿真工具，对v o i p 在w l a n 上传输时的吞吐 量和时延进行了仿真分析，得到了不同语音编码方式下的用户容量值，验证了理 论分析的结果。 最后，结合相关的文献以及理论分析和仿真实验，分析了影响无线局域网上 语音业务容量的因素，进而针对目前常用的d c f 机制提出了m a c 层帧汇聚的改进 方案，通过理论分析计算和仿真实验验证了这种改进方案能够有效的提高语音业 务在无线局域网上的用户容量。 关键词：无线局域网；、，o i p ；d c f 机制；p c f 机制；容量；o p n e tm o d e l e r 分类号：t p 3 9 3 j e 塞交通太堂亟堂僮i 金塞 垦墨ib 垡i a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i lt l l ed e v e l o p m e mo ft l l ew i i - e l e s sl ，a nt e c l l i l o l o g y 锄dv o i c eo v e ri p ( v o i p ) t e c h n o l o g y ，u s m g 丽r e l e s sn e t w o r kt 0 位m s i i l i tv o i c eo v e rd b e c o m e sah o t r e s e a r c hd i r e c t i o ni i lr e c e my e a r s h o w e v e r ，t h es e r v i c ep r o v i d e db yi pn 咖r ki st l l e o n ew l l i c hc a l l e d b e s te 肺r t a i l d 廿l el i l i l i t e db a n 捌d t l lo f 丽r e l e s sn e 鲥o r km a 玉【ev o i c e o v e rw i r e l e s sl a nf a c em 哪7p r o b l 伽帱s t l l d y i n g l ec a p a c i 够o fv r 0 i pu s e r so v e r 、，a nh 嬲v e 巧呻o r t a n ts i 鲥f i c a i l c e 1 1 1 i sp 印e r sr e s e a r c hi sc a 币e do u to nt h j s b a c k 目o u n d 1 1 1 i sp a p c r sm a i nw o r ki st 0a 1 1 a l z e 锄dv e r i f i e sn l ec 印a u c 时o fv o i c e 仃a 笳co n d c fm e c h a m s m 锄dp c fm e c h a i l i s mo fw l a n f o rt l l e c u r r e n tc o m m o nd c f m e c h 锄i s m ，趾i l l l p r o v e ds c h e m ei sp r o p o s e dt 0 硫p r o v et l l ec a p a c i 够o fv o i c e 的衔c o v e r 埘r e l e s sl a n i i lt l l et l l e m ew em 枷yw o r ki nf o l l o w i i l ga s p e c t s f i r s to fa l l ，as i m p l ei i 内的d u c t i o na b o mn l ew i r e l e s sl a n ( i e e e8 0 2 1 1 ) s t a n d 脚d s 锄dc l l r r e n tr e s e a r c ho nw l a nt e c h l l o l o g i e sa r e 西v e n t h e 删t e c t u r eo f i e e e8 0 2 11 ，t 1 1 em o d eo fo p e r a t i o n ，t l l em a cp r o t o c o l ，m e d i u ma c c e s sm e c h a l l i s m s a i l ds oo na r ed e s c r i b e di nd e t a i l s a r e r 廿l a t ，t l l ep r i n c i p l eo fv o i pc o m m u i l i c a t i o ni s r e s e a r c h e d ，锄dm eb r i e fi r m 0 d u c t i o no fv o i pk e yt e c h n o l o g ya i l dq o sa r e 西v e n ，w m c h l a yt l l ef o u l l d a t i o nf o r1 种e rs t u d y s e c o n d l y ，o nt h eb 嬲e o fa 1 1 a l y z i n gm em a r k o vc h a j n 仃觚s i i l i s s i o nm o d e lo f g i u s e p p eb i a n c m ，t ：h ee a e c t i v em r o u g h p u ta n d 也ec 印a c i 够a _ b o u tv o i c e a r ei i l v e s t i g a t e d o n 也ed c fm e c h a i l i s ma c c o r d i n gt ot l l em e o r e t i c a la i l a l y s i s 锄dc a l c u l a t i o n a c c 0 r d i n g t 0m e 旬阻1 1 s m i s s i o np r i n c i p l eo fp c f ，t 1 1 er e la t i 甜m a ：c l ：i e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e d n e n ，t l l ee 能以v et l l r o u g l l p u t 锄d 也ec a p a c 时a b o u tv o i c ea r ei n v e s t i g a t e do n l ep c f m e c h a l l i s mb yt l l e t l l e o r e t i c a l 锄a l y s i sa 1 1 dc a l c u l a t i o n a r e rt 1 1 l 吒t l l en l e o r c t i c a l c a p a c i 够v a l u e so f 、，o i pu s e r sa r ec a l c u l a t e db yt l l e a ：b 0 v et l l r o u 对q u ta n dc a p a c i 哆 f o 肌u l 如w h e n 、厂0 i pu s e r sc h o o s ed i 妇陪r e n tv o i c ee n c o d i n go v e ri e e e8 0 2 1 1b ，n 】i r d l y ，0 p n e tm o d e l e ri su s e dt 0e v 2 l l u a t e 鹏u g h p u ta n dd e l a ya b o u tv o i po v e r 、析r e l e s sl a n t h er e s u l ts h o 、) r st l l a tt h es i m u l a t i o nr e s u l t 觚dt h et 1 1 e o r e t i c a lv a l u e 锄c c l o s e ，w 1 1 i c hv e r i f i e sm et l l e o r e t i c a ld e r i v a t i o n a tl a s t ，w i mr e l e v 锄tl i t e r a n 】r e ，n l e o r e t i c a la n a l y s i sa i l ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ， m a i nf a c t o r s 挝c hl i m i tt h ec 印a c 时o fv o i c eo v e r 谢r e l e s sl a na r e 锄a l y z e d 胁g i n t oa c c o u n tm e s ef 缸o r s ，f o rt l l ec u r r e n tc o m m o nd c fm e c h a i l i s m ，觚i m p r o v e d s c h e m ew k c hc a j l e d1 j r a m ea g 伊e g a t i o ni sp r o p o s e d t h e o r e t i c a la n a l y s i sa 1 1 ds i i i l u l a t i o n e x p e r i m e n ts h o wt l l a tm ei i n p r o v e ds c h e m ec 趾e 丑e c t i v e l yi i i l p r 0 v et l l ec 印a c i t ) ro f v o i c e 仃a 衢co v e rw i r e l e s sl a n 1 o i m s ：w h l e s sl a n ；v o i p ；d c fm e c h 砌s m ；p c fm e c h a n i s m ；c 印a c 时； o p n e tm o d e l e r c l a s s n o ：t p 3 9 3 v 致谢 时间过得真快，转眼间硕士生活即将结束。在北京交通大学两年半的研究生 学习期间，我收获颇丰。回想起来，除了自身的努力之外，更多的是实验室的老 师和同学的关心和帮助。在此，我衷心地向他们表示谢意。 本论文的工作是在我的导师卢燕飞副教授的亲切关怀和悉心指导下完成的， 卢燕飞副教授严谨的治学态度、渊博的学术知识、诲人不倦的敬业精神以及独到 的学术眼光使我获益颇多。从课题的选择到论文的最终完成，卢老师都倾注了大 量的心血，给予了我细心的指导和不懈的支持。两年多来，卢老师不仅在学业上， 同时还在思想和生活上他给我以无微不至的关怀，使我明白了许多待人接物与为 人处世的道理。在此谨向卢老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在实验室工作及撰写论文期间，胡少荣、胡聚宁、代勇、唐禹行等同学对我 论文的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 最后，我要特别感谢我的家人以及亲人和朋友在学习和生活上对我给予的关 心、支持和帮助，在我多年的求学路上他们给了我无微不至的关怀，他们的勉励 和支持使我得以顺利地完成论文。 1 引言 1 1 课题研究背景 信息技术的飞速发展，使得人们对网络通信的需求也随之不断的提高，希望 打破不同的地域或客观条件的限制，能够实现“任何人在任何时候的任何地方与任 何人进行任何方式”的通信的目标。无线局域网以其更灵活、更廉价并且易于扩展 的特点，得到广泛的应用。目前以m e e8 0 2 1 1 l l j 系统标准为主的无线局域网技术 最受欢迎，它能够实现语音、视频和电子邮件等的传输。 v o i p ( v o i c eo v e ri n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 1 2 j 【3 j 是2 0 世纪9 0 年代出现的新通信应用技 术，又称i p 电话。它是把语音、压缩编码、打包分组、分配路由、存储交换、解 包解压等交换技术处理在i p 网或互联网上实现语音通信。目前v o i p 技术的通话质 量尽管不尽人意，但由于价格上比p s t n 电话便宜得多，所以v o i p 技术仍在最近 几年全球多媒体通信中被广泛研究。 无线局域网技术和v o i p 技术都是当前的热门技术，两门技术相结合，在w i a n 上支持v o i p ，简称w b w l a n ( v o i c eo v e rw l 砧奶吲更是当前w i ，a n 应用领域的热 点业务之一。 1 2 课题研究意义和研究现状 w l a n 最初也就是为提供无线数据接入业务而设计的，当然在其上传输语音 业务时，存在以下两个问题p j ： ( 1 ) 业务服务质量( q u a l 时o fs e r v e r ，q o s ) 问题。即在w l 蝌上同时有多种 业务传输时，如何保证话音业务分组的及时和有效传输。 ( 2 ) 话音业务的容量问题。i e e e8 0 2 1 1 支持的速率高达兆级，v o i p 语音编 码的速率仅为几十k b p s ，从表面上看这样的通信链路能够支持上百对v o i p 语音流。 然而根据文献 6 8 】的分析可知，真正的w l a n 话音容量远远低于理想中的容量。 同时国内外现有的对无线局域网上v o i p 的研究更多仍然停留在实验的层面上 的，对更深一层的理论分析有所欠缺。所以，给出无线局域网上v o i p 业务在目前 标准机制下性能情况的理论分析模型，以及如何改善话音业务在w l a n 的服务质 量和提高话音业务的容量具有很高的现实意义。 1 3 本文的工作内容 本文通过理论分析和网络仿真工具仿真相结合，重点研究了在8 0 2 1 1 b 【lo 】网络 上v o m 性能的语音业务用量问题。本文的主要工作有：首先通过理论计算推导， 分析和计算了v o p 在选择不同语音编码方式的情况时，在d c f 机制和p c f 机制 下的吞吐量和容量问题；其次，通过o n 厄tm o d e l e r 网络仿真工具对8 0 2 1 1 b 网 络下的语音系统进行建模仿真，考察了d c f 和p c f 机制下的语音性能，同时验证 了上述的理论分析；最后，针对目前常用的d c f 机制提出了改进方案，一方面使 其更加适合实时语音的传输，另一方面能够有效增加语音业务在8 0 2 1 1 b 网络下的 容量。 1 4 本文的组织结构 第一章为绪论，提出了课题研究背景、课题研究意义和概述了本文所完成的 主要工作内容。 第二章主要介绍了无线局域网络的组成架构，i e e e8 0 2 1 1 协议的基本知识， 并详细介绍了m a c 层d c f 机制和p c f 机制。接着本文又介绍了v o 口通信系统， 介绍了v o i p 的封装原理、相关协议、几种常用语音压缩编码技术和衡量q o s 性能 的指标，为后面的理论计算和仿真分析奠定基础。 第三章从理论上分析了，a n 上v o i p 的传输性能。通过建立数学模型和理 论推导，分析和计算了v o i p 在选择不同语音编码方式的情况时，在d c f 机制和 p c f 机制下的吞吐率和容量问题。 第四章通过使用o p n e tm o d e l e r 网络仿真工具，选择在i e e e8 0 2 1 1 b 网络上 对前文推导出的理论模型进行了仿真，并对仿真结果进行分析，验证了理论的相 应的理论分析。 第五章接着针对现有d c f 机制的缺陷提出自己的改进方案，使其能够更加适 合语音的传输和提高语音业务的容量，并通过网络仿真验证了改进方案的优越性。 第六章对本文论文的工作进行的总结，提出目前研究的不足并指出了将来要 做的工作。 2 2w l a n 和v o i p 的概述 2 1 无线局域网w l a n 无线局域网( w l e s sl o c a l 觚a n 咖o r k ，w l a n ) 就是在局部区域内以无线 媒体或介质进行通信的无线网络。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，而是可以随意移动，自由变换位置，用户终端之间不用连线， 进而降低了组网成本，也省去了许多日常的线缆维护，网络的扩展和调整也更加 灵活方便。 最早的，a n 产品运行在9 0 0 m h z 的频段上，速度只有1 m b p s 2 m b p s 。1 9 9 2 年，工作在2 4 g h z 频段上的w l 产品问世，之后的大多数w l a n 产品也都在 此频段上运行。目前的w l a n 产品所采用的技术标准主要包括：m e e8 0 2 1 l 、i e e e 8 0 2 1 1 b 、i e e e8 0 2 1 1a 【1 2 】、i e e e8 0 2 1 l 一1 3 1 、i e e e8 0 2 1 1 n i l 4 】、h o m e i 之f 、h d a 和 蓝牙等【1 1 】。本文重点介绍执行i e e e8 0 2 1 1 系统标准的无线接入技术。 2 1 1i e e e8 0 2 11 的网络体系结构 i e e e8 0 2 1 1 网络体系结构如图2 1 ，其组成包括：无线站点( s t a l i o n ，s t a ) ， 无线介质( w h l e s sm e d i 啪，w m ) ，无线接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) ，独立基本 服务子集( i i l d e p e n d e n tb a s i cs e n ，i c es e t ，i b s s ) ，基本服务子集( b a l s i cs e i c es e t ， b s s ) ，分布式系统( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，d s ) 和扩展服务子集( e x t e n d e ds e n r i c e s c t ，e s s ) 【1 5 】【1 6 】【17 1 。 站点也称主机或终端，是无线局域网的最基本组成单元。无线接入点是一个 特殊的站点，用于提供站点和现有骨干网络之间的桥接。基本服务子集的每个单 元包含若干个站点。用于连接多个基本服务子集的网络构件被称作分布式系统。 分布式系统和多个基本服务子集构成一个任意大小的无线网络，该网络既为扩展 服务集。 无线局域网提供了非常强的组网灵活性，它定义了两种工作模式：a d h o c 网 络和基础结构网络【4 】。a d h o c 网络是一种独立的b s s ，没有a p ，站点之间的关系 是对等的。基础结构网络中，至少要有一个a p 。a p 是b s s 的中心控制站，网中 的站点在该中心站点的控制下与其他站点通信。 3 7 一、 e s s 1l33 j b s s ?j ，一，一一飞。r 。：。：i j ；，一一 。- 、 ：d s 卡藩、) j ?：岔：_，7。 j 、 、 、， 图2 1i e e e8 0 2 1 1 网络体系结构 f i g u r e2 - 1i e e e8 0 2 1 1n e t w o r ka r c h i t e c t 眦e 2 1 2i e e e8 0 2 1 1 的m a c 帧格式 为了完成数据的传输，i e e e8 0 2 1 l 的m a c 层将从协议栈高层接受的数据加 入相应的头部和尾部信息后封装成为一个完整的帧，然后可靠地将其发送到对等 协议层。 下图2 2 描述了一个通用的m a c 帧格式。每个帧由以下部分组成：1 ) m a c 头部，该部分包括帧控制域、持续时间域、地址和顺序控制等信息。2 ) 帧实体， 该部分包括帧类型特定信息，其长度可变，最小的帧实体为o 字节。如果帧实体 没有加密，则其最大长度是2 3 0 4 字节；如果帧实体被加密，则其最大长度为2 3 1 3 字节。3 ) 帧校验序列( f r a m ec h e c ks e q u e n c e ，f c s ) ，包括一个i e e e3 2 位循环 冗余校验码。 图中具体每个域字段的含义请参考文献【1 7 】，这里不再一一叙述。 4 2266626 0 2 3 1 34 帧控制持续时间地址1地址2地址3 顺序控制 地址四 帧实体 f c s mac头部 图2 2m a c 帧格式 f i g u 陀2 - 2m a cf r 锄ef 0 咖a t 2 1 3i e e e8 0 2 1 1 的无线媒体接入机制 i e e e8 0 2 1 1 的m a c 层定义了两种接入机制：分布式协调功能d c f ( d i s t r i b u t e d c o o r d i r l a t i o nf u n c t i o n ，d c f ) 和点协调功能( p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ，p c f ) ， 如图2 3 所示。 无争用服务 ( 选用) 争用服务 一l ( 必；页实现) jl 点协调功能p c f 分布协调功能d c f 物理层 l 訇2 3i e e e8 0 2 1 1 的m a c 层 f i g u r e2 3i e e e8 0 2 1lm a cl a y e r ( 1 ) 帧间间隔 为了尽量避免碰撞，i e e e8 0 2 11 规定，所有的站点在完成发送后，必须等待 一段很短的时间才能发送下一帧。这段时间通常称为帧间间隔( i n t e r - h 锄es p a c e ， i f s ) 。帧间间隔的长度取决于该站打算发送的帧类型。高优先级需要等待的时间 较短，可优先获得发送权，而低优先级帧就必须等待较长的时间。图2 4 显示了几 十f蚤po湖ill丫 种常用的帧间隔【l 引。 短帧间间隔( s h o r th l t e r - f 姗es p a c e ，s i f s ) ，是e e8 0 2 1 1 规定的最短的 帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各帧。在这段时间内，一个站点能够从发 送方式切换到接收方式。 点协调功能帧间间隔( p c fi i l t e r - f r 锄es p a c e ，p i f s ) ，是为了在开始使用p c f 方式时优先获得接入媒体中。p i f s 的长度是s i f s 加一个时隙时间的长度。 分布协调功能帧间间隔( d c fi n t e r - f r a u 【n es p a c e ，d i f s ) ，工作在d c f 方式下 的站点竞争信道时的最小帧间隔。d i f s 的长度比p 正s 再多一个时隙的长度，p i f s 比d i f s 短，这使得采用p c f 的帧相比于采用d c f 的帧，更容易获得无线信道的使用 权。 扩展的帧间间隔( e x t e n d e di n t e r - f r a m es p a c e ，e i f s ) ：没有正确接收m a c 帧的站点的等待时间。所有的帧间间隔中长度最长。 上述各种帧间间隔和提及的时隙的具体长度，都取决于所使用的物理层特性。 退避 上一次传输下一次传输 短帧间间隔s i f s _ 一 点协调功能帧间间隔p i f s 时隙 分布协调功能帧间间隔d i f s 扩展的帧间间隔e i f s 图2 - 4 基本接入机制的几种帧间间隔 f i g u r e 2 4s e v e r a li n t e r v a l 疔踟e s0 fb i ca c c e s sm e c h a l l i s m ( 2 ) d c f 机制 d c f 是i e e e8 0 2 1l 的m a c 层基本的接入机制，它采用载波监听多点接入碰撞 避免( c a 仃i e rs e i l s em u l t i p l ea c c e s s 晰t 1 1c o l l i s i o na v o i d a i l c e ，c s m 刖c a ) 的方式， 在所有的站点上都要实现，可用于a d h o c 网络和基础结构网络。 在c s m 刖c a 模式下，一个站点在发送数据前，必须首先监听是否有其他站点 在信道中发送数据，如果监听到信道空闲时间大于d i f s 后，那么站点就可以发送 数据；否则，推迟数据的发送，选择退避时间进入退避。退避的是通过二进制退 避算法来执行的。 发送站点通过竞争得到信道后，直接发送数据帧。为了增强传输的可靠性， i e e e8 0 2 1 1 d c f 使用了m a c 层确认机制，接收站点检验所收到的数据帧的c r c ， 6 如果正确，则在等待s i f s 间隔后，向发送站点发送一个确认帧a c k 以表明没有碰 撞发生。如果在一定的时间内，没有返回a c k ，发送站点使用退避算法重传该帧。 图2 5 所示为d c f 基本接入机制示意图。 图2 - 5d c f 基本接入机制 f i g u 恍2 5d c f b 笛i ca c c e s sm e c h 锄i s m ( 2 ) p c f 机制 d c f 只能提供竞争型的异步业务，实时业务传输的时延较大。为了支持时延 敏感的数据业务，m e e 8 0 2 1 l 标准还提供了一种用户可按需选择的点协调功能p c f 的接入机制。p c f 是可选的方式，只适用于基础结构网络中，依赖于d c f 接入方式 而存在，通过接入点a p 的点协调器( p c ，p o i n tc 0 0 r d i n a t o r ) 来决定当前哪一个站 点有权发送数据。p c f 机制通过d c f 机制以较高的优先级来竞争信道，获得信道后， 将通过发送信标帧( b f ，b e a c 0 nf m m e ) 定义无争用期( c f p ，c o n t e n t i o nf r e ep 耐o d ) 通知站点p c f 机制开始运作。基本服务子集内所有的站点在每个c f p 的开始，设 置它们的网络分配矢量n a v ，告诉其它所有的站点该段时间内要延迟接入信道。 p c f 机制采用轮询的工作方式，在c f p 期间，点协调器p c 维护一个需要轮询的 站点列表，逐个向表中站点发送c f p o l l 帧轮询，站点接收到轮询帧后，如果有数 据需要发送，将数据帧传递给点协调器p c ，再由p c 根据帧内包含的地址转发给目 的站点。若p c 在等待了一段时间后没有收到被轮询站点的响应，表示此时该站点 没有数据要发送，则p c 继续轮询其它的站点，直到c f p 结束。控制帧c f e n d 的发 出标志着的c f p 的结束。图2 6 显示了p c f 的工作过程。 7 o r r吖 p 爿岛1 目高唯 s 劬“ 一 n t j 攀 h 一 n a v 忒沁蕊心沁 n a v r a d 2 2 v o i p 技术 2 2 1v o i p 概述 c f p m 戤d 哪d 图2 6 p c f 工作过程 f i g u r e2 - 6p c fw o r kp r o c e s s ( 1 ) v o i p 基本原理 v o i p ( v o i c eo v e ri p ) 也称i p 电话，是在i p 网络上传送话音业务的技术。v o i p ： 语音信号的处理是在发送端先将模拟信号转化为数字信号，通过语音编码算法： 语音信号进行处理，然后再封装成i p 分组通过i p 数据网络发送出去；在接收端， 先利用缓冲器来调节网络产生的抖动，然后经过解码器将语音分组解压缩，最。 解码还原为模拟语音信号【3 】【1 引。 整个过程如下图2 7 所示。 r 、模拟电器信号 二进制位数 分组流 i p 数据包 二刊接收器 ：纠模拟转化器 = 二判压缩编码器 二蚓i p 封装发送卜p i p 数据网络 发生器矧模拟转换器觚黧鹏徽髫 解 斟 模拟电气信号二进制位数流分组流 i p 数据包 图2 7v o i p 语音处理流程 f i g u 陀2 7v 0 l pv 0 i c ep r o c e s s i n g 8 v o i p 数据包一般采用r t p 舢d p 佃方式封装，把语音负荷从上往下封装进v o i p 帧。v o w u 心是用w l a n 承载v o i p 的技术，即v o i p 帧是w l a n 的m s d u 。图2 8 显 示了v o p 数据包在w l a n 网络中封装的全部过程，数据包每经过一层都加入相应 的包头开销【1 9 1 。 a p p l i c 缸i ( 1 玎p ) t m s p o f tl 叫c r ( u d p ) i n t 锄既l a y c ro p ) m a c l g v 盯 s c c 研t y l l c i pd a l a u n i t t a c o v e r h e a d s4 b 3 0 b 0 2 0 b m a c b 0 d y m 扯d a t a p l c p 2 4 b m p r 咖c o ld a 阻u n i t ( m p d u ) p l c pp n ) t o c o ld 砒au n i t ( p p d u ) 2 2 2v o i p 关键技术 图2 8v o i p 包的封装 f i g u r e2 8v o i pp a c k e te n c a p s u l a t i o n ( 1 ) v o i p 相关协议标准 v o i p 使用了许多通信协议，通过下图2 9 的协议栈可知，v o i p 包含三个主要的 方面，分别是信令、网关控制协议和媒体控制协议【2 0 】。 建立一次v o i p 的会话，需要信令来控制会话的建立、修改和终止。目前的最 常用的信令协议主要有两种，分别是i t u t 制定的h 3 2 3 协议和i e t f 制定的s i p 协 议，两种信令协议都支持u d p 和t c p 。网关控制协议的作用是为了实现不同网络之 间的转换与互通。媒体控制协议的作用在于保证v o i p 通话质量，利用r t p 和r t c p 协议来保证实时业务的通信，选择不同的语音编码方式以便充分利用网络的资源。 9 曰日固曰日日 二二 二二二三二 图2 - 9 v o i p 协议栈 f i g u r e2 - 9v 0 i pp o r i ，t o c o ls t a c k 下面对不同的协议分别做一些简单的介绍： 1 ) h 3 2 3 协议【2 l 】 h 3 2 3 是i t u t 制定的在i p 网络上传输音频、视频和数据的规范。h 3 2 3 标准主 要是针对呼叫信令和控制、多媒体传输和控制，以及点对点和多点会议的带宽控 制。h 3 2 3 是目前v o i p 系统的主流协议，我国的商用i p 电话骨干网使用的就是h 3 2 3 协议。 h 3 2 3 标准是i t u t 有关多媒休通信的一个协议集，编码机制、协议范围和基 本操作类似于i s d n 的q 9 3 1 信令协议的简化版本，高层应用之间、提供设备之间和 提供商之间的互操作性，独立于硬件平台和操作系统，不依赖于网络结构，还具 备相当的灵活性，支持包含不同功能的节点之间的会议和不同网络之间的会议。 由于h 3 2 3 不支持组播发送会议，因此只能采用多点控制单元m c u 来构成会 议。h 3 2 3 也不支持呼叫转移，且建立呼叫的时间比较长。 2 ) s i p 协议【2 2 j s 口( s e s s i o ni i l i t i a t i o np r o t o c 0 1 ) 是i e t f 制定的一个应用层控制协议，也称为 会话初始协议。该协议只定义会话建立、修改及结束等进程，不涉及媒体控制。 s p 协议的出发点是以现有的i n t e m e t 协议为基础来构架i p 电话业务网，有这与 h 3 2 3 完全不同的设计思想。它是一个分散式的协议，将网络设备的复杂性推向网 络的边缘。在设计上定位于分布式的呼叫模型，会话终端可以通话组播、单播或 者两者结合的方式进行通信，具有分布式组播功能和简单、开发、兼容性好、可 扩展性强的特点。 与h 3 2 3 相比，s i p 是基于文本的协议，呼叫建立快，支持号码传送，支持移动 性，更适用于智能用户终端。s i p 目前正处于一种不断扩充、完善的过程中，其中 蕴含着许多创新的机会，同时也存在着许多创新的机会。 l o 3 ) r t p 协议四j i 玎p ( r e a l t 曲e1 r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 被称为实时传输控制协议，是用于i n t e m e t 上针对多媒体数据流的一种传输协议。一个r 1 t 会话使用两个端口：一个给i m ， 一个给r t c p ( 实时传输控制协议，r e a 】- t i l l l e1 r a n s p o r tc o n 仃0 lp r o t o c 0 1 ) 。i 汀p 不能 为按顺序传输的数据包提供可靠的传输机制，也不提供拥塞控制和流量控制，它 依靠i 玎c p 来监控数据传输，提供最小的控制和识别功能。 4 ) 语音压缩编码技术【2 4 】 语音压缩编码技术是i p 电话技术的一个重要组成部分。编解码器的主要功能是 在发送端把语音等模拟信号转换并压缩成数据包，而在接收端还原成语音信号。 下表2 1 是集中常用的编码标准。 表2 1 几种常用语音编码方式的参数 t a b l e2 1c 0 m m o nv 0 i c ee n c o d i n gp a 阳m e t e r s 编码器 编码算法 比特率( 1 ( b p s )帧时长( m s )帧字节数( b ) g 7 1 1p c m6 42 01 6 0 m p m l q 6 33 02 4 g 7 2 3 1 a c e l p5 33 02 0 g 7 2 9c s a c e l p81 01 0 g s m r p e 【j p1 3 22 03 3 2 2 3v o i p 的q o s 问题 由于i p 网络的尽力而为的特征，使语音、视频等多媒体数据在传输时得不到特 别的保障，这就影响了v o i p 的质量。国际上对基于i p 的语音q o s 一般从端到端时延、 时延抖动和丢包率等【2 6 】几个方面来评价。 1 ) 端对端时延 根据i t u t 组织建议使用g 1 4 4 协议阿，端到端时延规定如下：0 m s 1 5 0 m s 对大 部分应用都可接受；1 5 0 m s 4 0 0 m s 对于部分的应用可接受；4 0 0 m s 以上对于一般的 通信网络应用不可接受。 2 ) 时延抖动 在v o i p 技术中，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。时延抖动对需要规则化传输包的v o i p 等技术应用的性能有显著的影响。 抖动是由网络的拥塞、数据包大小的变化还有数据包的失序等因素引起的。可以 接受的抖动值是在0 m s 到1 5 0 m s ，超过这个范围将认为是不可接受的。 3 ) 数据包丢失率 数据包丢失被定义为数据包被传输路径中的媒体链路、节点和终端系统有意 或无意的丢弃。网络阻塞、时延或者错误重传都可能导致丢包，进而使谈话间断。 我们用丢包率来衡量数据包的丢失，一般认为丢包率在o 到1 5 之间是可以接受 的，超过这个范围是不可接受的。 4 ) 吞吐量 吞吐量是在一定时间段内对网上流量( 或带宽) 的度量。吞吐量出冲突率、 延时、抖动等因素决定，一般讲，吞吐量越大越好。 2 3 本章小结 本章是一个理论介绍性的章节，主要介绍了i e e e8 0 2 1 1 无线局域网和v o i p 通信系统的相关知识，为后续的章节做二个理论为铺垫。 1 2 3 理论分析 本章通过理论分析推导了d c f 和p c f 机制下v o 口在w i ，a n 上的系统吞吐量公 式，接着根据该公式得到了两种机制下v o i p 的理论容量值。 3 1d c f 机制下v o i p 的系统容量分析 本节根据g i l l s 印p eb i a n c l l i 【2 酗于2 0 0 0 年在“p e r f o m 锄c ea n a l y s i so fm ei e e e 8 0 2 1 1d i s t r i b u t e dc 0 0 r d i n 撕o nf u l l c t i o n 中提出二进制指数退避的里程碑模型来分 析d c f 机制下v o i p 的系统容量的。 3 1 1 数据包传输概率和条件碰撞概率 c s m 刖c a 采用二进制退避算法，一个时隙。为退避的最小时间间隔。二进制 退避算法是这样的，当站点监听到到信道空闲时间不大于d i f s 时或发生碰撞时， 该站点要选择一个退避时间进行退避，根据均匀分布规则，该站点要从 0 ，c w 二1 】 中随机选取一个整数值，再将该值乘以一个时隙6 即得到退避时间。c w 是退避窗 口，c w = 2 l c w m i i l ，i ( 0 ，m ) ，i 是退避阶次，m 代表退避算法可退避的最大退避阶 次，c w m 戤= 2 m c w m i i l 。 令一个站点的退避时间计数器的取值的统计过程表示为b ( t ) ，两个连续的时隙 分别为t 和t + 1 ，在每个时隙的开始时刻这个计数器减1 。b ( t ) 不是马尔可夫过程，因 为其值依赖于于一个帧的先前的传输。令在时刻t 站点的退避阶次( 0 ，n 1 ) 的随 机过程为s ( d ，则s ( t ) 的取值范围为( o ，m ) ，b ( t ) 取值范围为( o ，c w 二1 ) 。 假设p 为条件碰撞概率，且其值恒定并相互独立，假设站点的每次传输的碰撞 概率和碰撞次数无关，那么就可以把非马尔可夫过程的退避算法变换成一个二维 离散时间的马尔可夫链 s ( t ) ，b ( t ) ，如图3 1 所示。 那么通过对图3 1 的分析可得状态转移函数如下： p i ，kii ，k + 1 = 1k ( o ，w ：一2 )i ( o ，m ) 黜墨苯猡妻茎甚二：；：主器 p ， p i ，kli l ，o j = p w ：k ( o ，w ：一1 )i ( 1 ，m ) ”7 p i n ，km ，o ) = p w mk ( o ，w 二一1 ) 表达式中我们利用了简化的表达方式，其中 p i ，k lii o ，k o = p s ( t + 1 ) = i l ，b ( t + 1 ) = k lis ( t ) = i o ，b ( t ) = k o ) 图3 - 1 马尔可夫链模型 f i g u 陀3 - 1m a r k o vc h a i nm o d e l 公式( 3 1 ) 中，第一个等式的意思是对于任意退避阶次，站点执行退避时，： 减少一个时隙，退避时间计数器减1 的概率为1 。第二个等式的意思是，对于一 一退避阶次的数据传输过程而言，在一个帧成功传输之后，新的下帧从退避1 次o 开始，退避时间初始值是从( 0 ，w o 一1 ) 中等概率的取一个整数值。第三个等式： 示了，数据包传输的退避已经i 1 次，然而在再次重传时却又发生了碰撞，此时： 避阶次加1 ，退避时间值从( o ，w i 1 ) 中等概率选取一个整数值。最后一个等式i 含义是，退避阶次已经达到了最大，如果数据包的在传输中又发生了碰撞，要： 行重新传输时退避阶次不再加1 ，仍取最大值m ，退避时间值从( o ，w m 1 ) 中等j 率取一整数值。 长时间观察站点退避时间的二维随机过程，此时马尔可夫链表现为稳态分看 即可令b i k = l i i n ，p s ( t ) = i ，b