[硕士论文精品]wlan承载ip语音的qos和切换技术研究

南京邮电大学硕T研究生学位论文摘要摘要VOIP技术自1995出现以来，得到了迅速的发展。随着无线局域网技术的进步，在无线局域网上传输实时语音信号成为可能。在无线局域网上承载职语音信号也越来越受到人们的重视。由于IP网络提供的是尽力而为的服务，并不能提供良好的QOS保证但是语音通信必然需要一定的服务质量保证，而且无线网络由于天生的开放性，QOS保障就更加重要了。首先，论文详细阐述了IEEE8021L局域网协议的物理层，MAC层技术。接着，论文详细分析了目前无线局域网提供的QOS机制，并指出这些机制并不足以为在无线局域网上传输语音信号提供可靠的服务质量。在GBANCHI的马尔可夫的传输模型的基础上，论文分析了IEEE80211B无线局域网承载IP语音的容量。在此基础上，论文提出降低AP负载，将源目地址相同的数据包进行合并，改善传输效率，从而提高无线局域网承载IP语音的QOS。并利用网络仿真工具，进行了实验仿真，证明了本方法确实能有效改善在无线局域网上传输口语音的服务质量。最后，论文分析了在SIP协议下，WLAN承载IP语音的切换性能在此基础上，论文提出了基于SIP协议的WLAN承载IP语音的软切换机制，分析了其切换性能，并且通过数值仿真，证明了该机制能有效改善WLAN承载IP语音的切换性能。关键词无线局域网，口语音，服务质量，切换南京邮电大学硕士研究生学位论文ABSTRAC丁ABSTRACTTHETECHNOLOGYOFVOIPHAVEDEVELOPEDVERYFASTSINCEITAPPEAREDIN1995ITISPOSSIBLETHATTOTRANSMITVOICESIGNALONTHEWIRELESSLOCALAREANETWORKWITILTHEADVANCEMENTOFTECHNOLOGYOFWLANVOICEOVERWLANHASATTRACTEDMOREANDMOREATTENTIONHOWEVER,BECAUSETHESERVICEPROVIDEDBYIPNETWORKISTHEODEWHICHCALLEDBESTEFFORT，ITDOESNTHAVEEFFECTIVEQUANTYOFSERVICEASWEALLKNOW，ITISNECESSARYTOPROVIDEQOSFORVOICECOMMUNICATIONS，WHICHISMOREIMPORTANTINWLANWHICHISEXOTEFICINTHEBEGINNING,THEPAPEREXPATIATEDTHEMAC，PHYSICSLAYERTECHNIQUEOFIEEE80211WLANAFTERTHAT，THEQOSMECHANISMWASINTRODUCEDITWASPOINTEDNLATEXISTINGQOSMECHANISMCALLTPROVIDECREDIBLEQUALITYOFTRANSMITTINGVOICESIGNALOVERWLANONTHEBASEOFANALYZINGTHETRANSMISSIONMODELOFGBIANCHI，THECAPACITYOFTRANSMITTINGVOIPOVERIEEE8021LBWLANWASINVESTIGATEDINTHISPAPERAFTERTHAT,WEPROPOSEDTHATWECOULDREDUCETHEPAYLOADOFAPBYCOMBININGTHEVOICEPACKETSWHICHHAVETHESAMESOURCEANDOBJECTIVEADDRESSES，SOTHATWECOULDIMPROVETHEQOSOFTRANSMITTINGVOICESIGNALOVERWLANWEALSOHAVEANEXPERIMENTWITLLNETWORKSIMULATIONANDTHERLCSULTPROVEDTHATTHENEWMEANINGCOULDIMPROVETHEQOSOFTRANSMITTINGVOICESIGNALOVERWLANINTHEEND，THEHANDOFFMECHANISMOFVOIPOVERWZANONSIPPROTOCOLWASANALYZEDAFTER也ATTHESOFTHANDOFFTECHNIQUEBASEDONSIPPROTOCOLOVERWLANWASINVESTIGATEDTHENWEANALYZEDTHEABILITYOFTHENEWSORHANDOFFMECHANISMEXPERIMENTSALSOSHOWTHATTHESOFTHANDOFFMECHANISMCANIMPROVETHEPERFORMANCEOFHANDOFFEFFICIENTLYKEYWORDSWIRELESSLAN，VOICEOVERIP，QUALITYOFSERVICE，HANDOFF塑室坚皇奎兰堡圭型窒竺兰垡笙茎一兰竺塑墨_I_。_一一缩略词姣ARQBERBSSCFPCPC取CNC11DCSDCFDIFSDSSSFCSFERFHSSMSSIPST缩略词表英文全称ACCESSPOINTAUTOMATICREPEATREQUESTBITERRORRATEBASICSERVICESETCONTENTIONFREEPERIODCONTENTIONPERIODCARRIERTOINTERFERENCERATIOCORRESPONDNODECOMPUTERTELEPHONEINTEGRATIONDYNAMICCHANNELSELECTIONDISTRIBUTEDCOORDINATIONFUNCTIONDCFINTERFRAMESPACEDIRECTSEQUENCESPREADSPECTRUMFRAMECHEEKSEQUENCEFRAMEERRORRATEFREQUENCYHOPPINGSPREADSPECTRUMINDEPENDENTBASICSERVICESETINTERACTPROTOCOLSTANDARDTRANSMIT中文译名接入点自动重传请求误码率基本服务集信道无竞争周期信道竞争周期载波干扰比响应节点计算机电话综合技术动态信道选择分布协调功能DCF帧间隔直接序列扩频帧检验序列误帧率跳频扩频独立服务集因特网协议标准传输南京邮电大学硕上研究生学位论文缩略词表ISDNITUMACMSDUMGCPNAPOFDMOAPPCPCFPCMPERPIFSPLRPSTNQOSRLPRSVPRSSLU甲SIFSSMINTEGRATEDSERVICESDIGITAL综合业务数字网络NETWORKINTERNATIONALTELEGRAPH国际电报联盟UNIONMEDIAACCESSCONTROL媒体接入控制层MACSERVICEDATAUNITMAC服务数据单元MEDIAGATEWAYCONTROL媒体网关控制协议PROTOCOLNEWAP新APORTHOGONALFREQUENCY正交频分复用DIVISIONMULTIPLEXINGOLDAP原APPOINTCOORDINATION点协调器POINTCOORDINATION点协调功能FUNCTIONPULSECODEMODULATION脉冲编码调制PACKETERRORRATE误包率PCFINTERFRAMESPACEPCF帧间隔PACKETLOSSRATE丢包率PUBLICSWITCHED公共交换电话网络TELEPHONENETWORKQUALITYOFSERVICE服务质量RADIOLINKPROTOCOL无线链路协议RESOURCERESERVATION资源预留协议PROTOCOLRECEIVEDSIGNALSTRENGTH接收信号强度REALTIMETRANSMIT实时传输协议PROTOCOLSHORTINTERFRAMESPACE最短帧间隔SESSIONINTIATIONPROTOCOL会话初始协议N南京邮电大学硕士研究生学位论文缩略词表SNRSTA11PCTCPUDPVOIPVOWLANM。ANSIGNAJTONOISERATIOSTATIONTRANSMISSIONPOWERCONTROLTRANSMISSIONCONTROL信噪比接入站传输功率控制传输控制协议PROTOCOLUSERDATAGRAMPROTOCOL用户数据报协议VOICEOVERIPIP网络传输语音信号VOICEOVERWIRELESSLOCAL无线局域网传输语音信AREANETWORK号WIRELESSLOCALAREA无线局域网NETWORK111南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得南京邮电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了谢意。研究生签名鳓眺吐牛南京邮电大学学位论文使用授权声明南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布包括刊登论文的全部或部分内容。论文的公布包括刊登授权南京邮电大学研究生部办理。研究生签名雄导师签名南京邮电大学硕上研究生学位论文绪论11课题研究背景第一章绪论VOLPVOIC宅OVERIP通常被称作INTEMET电话或网络电话。顾名思义，就是通过INTEMET打电话。从广义上说，它应被称为INTEMET电信，因为它包括语音、传真、视频传输等多种电信业务。M电话的话音是利用基于路由器分组交换的口数据网进行传输。TCP1P协议则负责将要传输的IP数据分组排队发送到网络上。每个分组均包含地址及数据重组信息，以确保数据安全和数据分组正确无误的传输。与VOIP技术相比，传统的电信网络即公用电话网PSTNPUBLICSWITCHEDTELEPHONENETWORK是为传送话音而设计的电路交换系统。PSTN中，每次呼叫都完全占用一条固定带宽的64KBITS的专用话音线路，以及时分复用的面向连接方式，进行实时媒体信息的传送，并提供端到端的电信级服务质量。然而正是固定带宽、独占电路和时分复用方式导致了PSTN的先天缺陷带宽利用率低和网络的N平方问题M。此外，由于通过传统电路交换网络进行语音通信的计费方式与距离的远近有关，因此长途电话的通话费用比较昂贵。正是由于PSTN固有的缺点，VOIP技术自诞生以来，以其经济、高效率和超时代的技术发展等特点，得到了迅猛发展。目前已成为数据语音通信中最有竞争力的技术之一。由于VOIP技术采用分组交换网“存储一转发“的方式传递数据包，并不独占电路，并且对语音信号进行了很大的压缩处理，因此VOIP占用带宽仅为8“10KBITS，再加上分组交换的计费方式与距离的远近无关，大大节省了长途通话费用眨。目前，全球许多国家开通了IP电话的运营业务，我国的IP电话试运营工作也已经半年有余，VOIP技术正呈现出蓬勃的生命力，必定推动信息产业的进一步发展。随着以磁EE8021L系列31标准为主的无线局域网技术获得越来越多的应用，在WLAN无线局域网WIRELESSLOCALAREANETWORK上传输多媒体信息成为应用的可能和需求。在建设好公共无线局域网PUBLICWLAN的基础上，在公共热点地区通过WLAN的接入点实现语音的通话过程和获取多媒体信息过程都是极具前景意义的。在众多的多媒体应用中，语音通信技术无疑是最具有发展潜力的。在无线局域网上传送语音信号VO、，AN也越来越受到人们的重视。服务质量保证是影响WLAN承载VOIP技术发展的一个重要技术难题。由于VOIP语音通信业务是在IP网络上传输实时语音信号，而IP网络本身并非为实时业务而设计，因此口1南京邮电大学硕士研究生学位论文绪论网络给VOLP语音通信业务带来的主要问题就是服务质量问题。12VOLP技术的基本原理VOIP是建立在IP技术上的分组化、数字化传输技术，其基本原理是通过语音压缩算法对语音数据进行压缩编码处理，然后把这些语音数据按M等相关协议进行打包，经过IP网络把数据包传输到接收地，再把这些语音数据包串起来，经过解码解压处理后，恢复成原来的语音信号，从而达到由IP网络传送语音的目的。VOIP的传输过程可以大致分为五个阶段51如图11一是将模拟语音信号进行编码，通过对模拟语音信号进行量化处理使得语音信号得以在口网络中传输，数字化的过程可以使用多种语音编码方案来实现；二是将语音包以特定的帧长进行压缩编码，同时并添加寻址及控制信息，这样才能通过网络将数据转发到目的地；三是M包的传送，根据每个数据报文的目的地址，路由完成报文从源地址到目的地址的传送；四是口包的数据处理，到了目的地址，由目的地的VOIP设备接收这个IP数据包并开始处理，去掉寻址和控制信息，保留原始的数据；最后是将数字语音信号重新还原为模拟语音信号，并播放。13VBIP的发展历程图11VOIP的传输过程VOIP从1995以来得到了迅速的发展，其大致的发展历程可分为三个阶段。2南京邮电大学硕士研究生学位论文绪论131技术积累阶段在技术积累阶段，CTI领域的专家提出语音传输的分组设想所有的分组语音系统都遵循一种通用的模式，分组语音传输网络可以采用IP、帧中继或ATM。在这些网络的边缘设置称为“语音代理”的设备或部件，其任务是将语音信息从传统的语音格式转换为适用于分组传输的格式，然后通过上述网络将分组数据发送到目的地的语音代理设备上。语音代理连接模式在分组语音网络传输系统中需要解决两个问题，才能使分组语音服务满足用户的需要。首先是语音编码的转换，即如何将语音信息转换为数字信号；另一个问题是信令转换，它主要是鉴别呼叫方所呼叫的对象，以及呼叫方在网络中的位置。人类的语言都是以模拟信号形式表示的，早期的电话模拟信号可以描述为平滑的“正弦波“，虽然模拟通信技术已相当发达，但是传输的效率不高，当传输衰减导致模拟信号变弱时，要将复杂的模拟语音信息和传输噪声区分开来是很困难的。数字信号只有“1“和“O刀两种状态，易于同噪声区分开，而且不易发生畸变。因此，全球的通信系统已转换为数字传输格式，称为脉冲编码调制PCM，PCM将模拟语音转换为数字格式。标准电话PCM使用8位代码和8000秒采样频率，所以每一路电话占用64KBS信道带宽，另一种称为自适应差分脉冲编码调制ADPCM的电话语音标准将语音转换为4位代码，因此仅占用32KBS，ADPCM通常用于长途线路。正是基于这样的技术，人们研制成功了第一代IP电话设备，利用计算机上的声卡语音采集原理，将64KBS的模拟语音转换为ADPCM数字信号，在INTERACT上实现计算机到计算机的初级IP电话功能。这种系统由于主要是利用计算机来完成语音的压缩和控制，所以，一般只能实现一路话音的实时通信。例如，在PIL233的计算机系统上最多只能完成4个话路的语音通信。在这些系统中，比较实用的P电话系统有很多，如VOCALTEC的IHONE、MICROSOFT的NETMEETING系统等。第一代碑系统的研制成功，激起了人们对IP电话系统的极大兴趣，从而，推动了IP电话技术的应用研究，人们希望像一般电话系统一样来使用IP电话系统。132实用阶段P电话的第二个发展阶段是在第一个阶段的基础上的飞跃，它不但可以实现像PSTN系统一样使用IP电话系统进行通信，而且也可以实现大话务量的呼叫。利用目前的PSTN交换系统，进行M电话的通信的阶段称为“实用阶段”。实用阶段的IP电话主要是一个网3南京邮电大学硕上研究生学位论文绪论络接入设备，它完成数据网络传输和PSTN的转接功能。一个实用的IP电话接入终端系统，一般包括五个部分嘲1建立和控制电话的接续、通话和拆线工作；2语音压缩和数据编码处理；3数据网络传输和控制；4系统维护部分5用户信息管理；这类系统仍是组建在计算机系统上的，但它不是终端用户设备。所以，对一般用户来说，只需要一个电话机，即可实现M通信。下面我们来研究各部分的功能及实现方法。1建立和控制电话的接续、通话和拆线建立和控制电话的接续、通话和拆线是IP电话系统和PSTN的信息交换界面，也是目前的一般电话系统向INTEMCTINTRANET转换的出入网关。这部分的工作主要是通过对电话卡例如E1卡的编程控制来实现。由于E1卡可以接受PSTN信息，并去掉有关的信令，录制成为纯数字语音信号，所以，信令的转换工作基本上由EL卡来完成。但在一个完整的P电话网关中，各个部件之间必须相互交流信息，协调工作。EL卡和语音压缩卡之间，语音压缩卡和网卡之间，以及各部件和用户界面之间，都需要充分的信息交换。这些信息的交换，可以通过状态机的行为来控制。2电话的接续和拆线工作首先，由PSTN上的主叫用户A摘机，发端交换机收到主叫用户的摘机信号后，向主叫用户送拨号音或IVR交互式语音应答，INTERACTIVEVOICERESPONSE提示。主叫用户听到拨号音，开始拨号，将被叫号码送到A端交换机。A端交换机根据被叫号码选择P地址和最佳路径，并在选择好的路径上向B端交换机发送通道占用信号，即由A端交换机的出信号占用B端交换机的入信号。然后由A端的交。换机将被叫号码送往B端的交换机。B端的交换机根据被叫号码，将纯数字信号转化为PCM信号送到B端的PSTN上，接通被叫用户。被叫用户摘机应答，并将摘机信号送到B端的交换机上，再由B端交换机转发给A端交换机，双方开始通话。当通话结束时，若A端用户先挂机，则主叫用户向交换机送复原或拆线信号，并由B端交换机将此信号发送给B端的PSTN；若B端用户先挂机，则B向A端交换机送复原或拆线信号，一切复原。3语音压缩的数据处理4南京邮电大学硕士研究生学位论文绪论语音压缩主要是对语音信号进行压缩处理，常用的语音处理方法有G71L、G722、G729和G723，这些压缩算法必须在硬件上处理完成，否则，就不可能实现大话务量的呼叫任务。本部分可以利用程序来控制语言压缩卡，使它根据我们的需要对语音信号进行实时的处理。当语音数据采集完成后，必须放人内存中，在采集的过程中。第一步必须采集无压缩的数字信号，然后经压缩处理后，按要求的结构送到指定的内存，并在CPU的控制下，利用DSP中的算法，进行相应的数据压缩处理。经过压缩处理后的语音信号，再经过分组和编码，形成标准的数据包，然后将这些封包的数据按流的形式送到网络中进行传输。4数据编码处理数据编码处理是涉及语音数据发送格式能否在互异系统上相互接收的关键，具体的协议标准包括SIP会话初始协议，H255呼叫处理协议，H245控制处理协议，H261和H263视频处理协议，T120数据处理协议。在口电话系统中，这部分工作主要完成如下任务实时音频编码处理；控制协议；数据传输协议。5网关之间的数据交换网关之间的数据交换，是IP电话系统发展中十分重要又非常困难的技术。由于使用的协议标准的不同，对数据包的封装方法，解释方法不同，有可能会出现不能互相兼容的情况。133技术融合阶段网络的发展正向宽带化、智能化方向演进，目前电路交换和分组交换的相互融合，正是这种趋势发展的必然结果，由于分组交换传输效率高、费用低，它将逐步代替目前的电路交换网络。多种接入网络无线、XDSL、CABLE、光接入等将成为一个统一包交换的骨干网络。在未来的网络架构中，7号信令系统将和IP网络并存一定的时间，它将在IP网络中扮演重要的角色。在各种网络融合的趋势中，一个明显的变化就是，过去电路交换机强大的功能，正在不断地分解，而且接口正在标准化。MGCPMEDIAGATEWAYCONTROLPROTOC01协议使妒网络和PSTN网络之间的接口有了统一的规范，IPSTINTERNETPROTOCOLSTANDARDTRANSMIT协议使电路交换的信令在IN网络中有了统一的实施方法。这就使在M电话领域中的分布式呼叫处理结构成为可能，为口电话系统在目前和未来的应用奠定了坚实的网络基础。这一阶段发展起来的IP电话系统我们称为“统一阶段“的IP电话系统。统一阶段IP电话最显著的特点就是各种口电话设备相互兼容，将电路交换思想延伸到整个网络中，运营商可以在整个M网络上进行无障碍的交换。以MGCP和IPST为代表的5南京邮电大学硕士研究生学位论文绪论协议，统一了H323和SIP协议的规范，并对IP网络和PSTN网络之间的接口信令进行了标准化IPST协议。我们知道，IP电话系统一般分为三层结构，即连接层、控制层和业务管理层。连接层负责建立和实现物理层的连接，它在IP网络和PSTN网络之间完成信息交换的同时，负责将编码后的语音信号传送到控制系统。控制层完成呼叫请求连接。该层的相关协议有H323、HGCP和SIP等，这些协议的主要任务是完成对语音信号的封装，并建立适当的承载连接。业务管理层主要完成运营商的业务控制，例如用户管理、计费、结算和用户授权等功能。该层必须支持A接口智能网络接口，所以，该层也与HGCPMGCP协议密切相关。MGCP是为所有介于PSTN和口网络之间的各种网关所定义的协议标准。最为典型的应用就是IP电话网关和拨号接入服务器。因此，IP电话网关与拨号接入服务器未来的结构、有着很大的相似性。所不同的是，M电话网关完成对PSTN话路资源和RTP会话资源的捆绑，而拨号接入服务器则完成对PSTN话路资源和P会话的捆绑。因此，未来的拨号接入服务器将能够自动识别IP接入、P电话或传真接入，做到按需动态实现通道分配和资源捆绑。14课题的研究目的和贡献基于8021L协议的无线局域网的覆盖越来越广泛，目前中国电信也正在推出无线宽带业务。在无线局域网上传输多媒体业务也越来越受到人们的重视。使语音、图像、数据统一在WLAN上进行传输，实现网络融合，能够节约成本，提高效率，且语音通话费用低廉，具有较高的性价比，尤其对于大部分通话都集中在内部的企业和校园，以及线缆铺设困难的地方更具有特殊的意义。为了进一步提高无线VOLP业务的服务质量，改善在以80211B协议为基础的无线局域网上传送语音信号的QOS，论文提出了一种降低AP端负载，减少信道争用时间，从而改善无线局域网承载P语音的QOS的方法，并且进行了仿真实验。此外，针对目前WLAN承载IP语音的切换问题，综合考虑节点移动速度，切换时延，接收信号强度的基础上，论文提出了基于SIP协议的WLAN承载IP语音的软切换机制，并进行了数值仿真。15论文的结构和安排论文的具体安排如下6南京邮电大学硕士研究生学位论文绪论第一章描述了VOLP的基本概念，发展历程，并详细阐述了进行在无线局域网上传输语音信号的意义，实用价值。第二章介绍了无线局域网技术，IEEE8021L协议。并详细描述了80211协议簇的MAC层、物理层技术等。第三章首先分析QOS原理，并在此基础上总结了目前IP网络和IEEE80211无线局域网提供的QOS机制，并指出了不足。第四章在分析GBANCHI的马尔可夫模型的基础上，分析IEEE80211B无线局域网承载口语音的特点，提出了降低AP端负载，从而提高无线局域网承载妒语音的QOS的方法。第五章对基于SIP协议的无线局域网承载口语音的切换技术进行了研究。第六章提出了基于SIP协议的WLAN承载IP语音的软切换技术，并进行了数值仿真分析。第七章对全文进行了总结，并提出了下一步工作展望。7南京邮电人学硕上研究生学位论文无线局域网技术第二章无线局域网技术在研究无线局域网传送语音信号之前，我们首先介绍下无线局域网的相关技术。21无线局域网接入技术的发展目前，无线网络接入方法有多种实现途径和标准，如IEEE8021L系列标准、HIPERLAN系列标准、“蓝牙“标准、各产业集团标准包括OPENAIR和HOMERE等。这些标准相互竞争、相互融合，不断推动无线技术的迅速发展。无线局域网指的是采用无线媒体传输的计算机局域网。IEEE8021L系列是现今最重要的无线局域网接入技术。1997年，IEEE标准组织通过了第一个无线局域网国际标准皿EE80211。该标准定义物理层和媒体访问控制规范，允许无线设备制造商建立互操作网络设备。为了增加吞吐率，IEEE组织还专门成立了两个工作组来研究8021L的改进方案。工作组A研究在5GHZ频段上的工作模式，提高数据率达到54MBS的范围61。工作组B研究24GHZ频段上更为复杂的扩频技术。1999年9月发布的80211B标准可以把原始数据率提高到11MBS。它支持点到点和点到多点的连接，并支持从点到多点体系结构派生出的构架模式。2001年11月15日，IEEE试验性地批准了一种新的技术标准8021LG【101，这是一种混合标准，既兼容传统的8021LB标准，支持在24GHZ频段下的高速传输同时还支持在5GHZ频段下提供54MBS的传输速率。它利用正交频分复用OFDM，ORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXING作为主流调制技术，提供高速的数据接入过程。除了上述的协议标准之外，IEEE802111作组还致力于提出更多地解决各方面包括增强QOS功能、考虑漫游切换、安全访问控制等方面的一系列8021L扩展标准1IEEE8021LD标准，它是对80211的补充，规定接入点能够使用的可接受功率电平，在允许的信道上对用户站点传送信息。鉴于5GHZ频段的使用在不同的国家差别很大，80211D的诞生将有利于提高这一频段的使用率。2IEEE8021LE标准71，它的提出目的在于改进和管理WLAN的服务质量，保证能在80211无线网络上进行音频、视频的传输、媒体流的传送、增强的安全应用及移动访问应用等。3IEEE8021L傣准，定义了接入点之间通讯的过程，为漫游等功能规定接入点间8南京邮电大学硕士研究生学位论文无线局域网技术的协议，对接入点提供必需的信息交换，并大大增强不同厂商接入点的互通性。4IEEE80211H标准嵋，它主要满足欧洲管理机构的需求，增强5GHZ波段的MAC规范及高速物理层规范规定，对工作在这一频段设备提供动态信道选择DCS和传输功率控匍ITPC，增强信道能源测度和报告机制，以便改进频谱和传送功率管理。5IEEE8021LI标准，它加入安全相关内容，采用802IX和高级加密标准AES等技术来克服MAC层上WEP保密机制薄弱的问题，并加强安全认证过程的工作。6IEEE8021LJ则致力于推动5GHZ频段WLAN系统应用的全球化，主要考虑IEEE，ETSI的HIPERLAN2和ARIB等不同标准之间的兼容互通性问题。7IEEE8021LK主要针对WLAN与其它无线网络之间的漫游过程，以及80211产品与蓝牙等其它WLAN产品的共存问题进行了分析描述。8IEEE8021LN草案提出了属于下一代宽带无线网络范畴的WLAN技术，支持108MBS，甚至540MBS的更高传输速率。这一全新WLAN标准的性能大约是当前8021L解决方案的三倍，从而使得用户能够在指定时间内无线传输更多数据。IEEE80211协议簇目前主要流行的协议8021LB、802ILA、8021LG参数对比如下表表21所示表218021L主要协议对比名称8021LB8021LA8021LG515巧35频率CHZ242438524,248355725582554、48、36、24、速率MBSN、55、2、12018、9、6传输距离MLOM000LO肚1000150业务数据，语音，图像数据，语音，图像数据，语音，图像高速直接序列扩正交频分复用技直接序列扩频技物理层频技术术术数据传输效率高，传输率高与优点成本低，应用多干扰小8021LB兼容速率慢，易受蓝牙成本高，不兼容易受蓝牙等同频缺陷等同频率干扰80211B干扰使用情况广泛，技术成熟使用少，规模小初步利用9南京邮电大学硕士研究生学位论文无线局域网技术而我国国内，早在2003年5月12B，信息产业部报送国家标准化管理委员会正式颁布了由“中国宽带无线IP标准工作组EHINABWIPSORG负责起草的无线局域网两项国家标准信息技术系统问远程通信和信息交换局域网和城域网特定要求第1部分无线局域网媒体访F口JMAC和物理ANY层规范和信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网特定要求第1部分无线局域网媒体访问MAC和物理PHY层规范24GHZ频段较高速物理层扩展规范，它们分别对应于国际标准8021L和80211B。正式颁布的无线局域网国家标准，在原则采用国际标准ISOIEC880211和ISOIEC880211B前提下，充分考虑和兼顾无线局域网产品互联互通的基础上，针对无线局域网的安全问题，提出了具有中国特色的技术解决方案和规范要求。鉴于目前无线局域网80211B协议的使用覆盖范围最广，技术也最为成熟所以本课题采用以80211B技术为基础的无线局域网展开研究。22无线局域网的拓扑结构8021L网络的基本要素是基本服务集BSSBASIESERVICESET，它是由一组相互通信的结点组成。结点的通信在一个基本服务区域内进行，并且该区域是由无线媒介的传播特征所决定的。当结点处在这个基本服务区域时，它可以和BSS内的其它节点进行通信，基本服务集BSS一般分为3种类型独立服务集IBSSINDEPENDENTBASICSERVICESET、基础框架服务集INFRASTRUCTUREBSS、以及扩展服务集EXTENTBSS。22I独立服务集IBSS没有中枢链路基础结构，它至少包括两个无线工作站。在允许的范围内STA之间可以直接进行通信，它不需要太多规划就能迅速建立，所以这类网络又称为自组网ADHOE网络。这种工作模式适合于在有线网络不存在或者根本就不需要使用有线网络的任何地方来实现快速、简单地组建无线网络，这些地点包括宾馆的房间、会议中心或者机场等。它的缺点是无线工作站只能相互通信，而不能对有线网络进行访问。这种结构如图21所示。10南京邮电人学硕士研究生学位论文无线局域网技术222基础框架服务集图21独立服务集和IBSS不同的是基础框架网络有一个接入点AP，AP负责基础框架网络内的所有通信，包括在同一个服务区域内的结点之间的通信。在一个基础框架网络内，如果一个站点STA，STATION和另一个站点STA之间进行通信，则通信必须分两步首先，发送方把数据发给AP，然后AP把收到的数据包转发给目的STA。因为所有的通信都经过AP，所以基础框架网络的服务区域变为结点可以从AP进行数据传输的区域。尽管基础框架模式比ADHOE模式下的结点直接通信占用了更多的传输资源，但是这种模式也有它自身的优点。当然，缺点也是存在的，如当AP出现故障时，整个网络的通信就会中断等等。这种结构如图22所示。图22基础框架服务集223扩展服务集单独一个服务集BSS在一个小的办公室或家庭环境下已经足够了，但是它们却不能覆盖更大的网络区域。为了提高网络的无线服务区域，80211通过采用分布式系统把多个AP相互连接起来的方法，构成一个扩展服务集，并且在实际网络环境中，类似于蜂窝电话系统，为了提供持续、不间断的AP覆盖区域，ESS内的每个BSS覆盖区域是相互重叠的。在一个ESS内的结点，尽管它们不属于同一个BSS，但相互之间仍可以通信。这种结构如图南京邮电大学硕士研究生学位论文无线局域网技术23所示。图23扩展服务集23无线局域网的物理层技术范。IEEE8021L定义了三种物理层规范咖，分别为红外线技术规范以及两种扩频技术规231红外线INFRARED局域网红外线局域网使用小于一微米的波长，基本传输速率为1MBITS。调制方式为16PPM。具有较强的方向性，受太阳光的干扰较大，适合于近距离通信。232一跳频扩频ORHSS局域网跳频是指载波频率在很宽的频带范围内按某种图案伪随机序列进行跳变，此序列能被收信机识别、同步并解调。跳变频率至少为1跳秒。跳变过程中将平均能量扩散到整个频带中，以实现扩频的目的。FHSS的频道定义在24GHZ的ISMINDUSTRY、SCIENCEANDMEDICINE，工业、科研和医疗波段内，该频段是免费的，良08021L设备不需要任何许可便可使用。在其工作带宽范围内，频率按照随机规律由伪随机码控制不断改变，发射端与接收端变化保持一致。跳频越高，网络抗干扰性越好，但出于成本的考虑，实际应用的FHSS网络跳频较慢，多为低速网络。12南京邮电大学硕士研究生学位论文无线局域网技术233直接序列扩频DSSS局域网直接序列扩频是将要发送的信号用伪随机码PN码扩展到一个很宽的频带上去。在接收端。用与发端相同的PN码进行相关处理，恢复出发送信息。对干扰信号，由于和PN码不相关，在接收端被扩展，使落入信号通带内的干扰信号功率降低。提高相关器的输出信，干比，达到抗干扰的目的。直扩系统采用相干解扩解调，它利用了频率和相位信息，性能优于跳频系统。直接序列扩频是商业上在WLAN采用最普遍的方式。24无线局域网的MAC层技术无线局域网是有线局域网技术在无线环境上的拓展，它主要描述并规定了物理层PHY和媒体接入层MAC的实现规范，而在链路层之上，WLAN的调度运行机制是跟有线网一样的，都是基于IP互联的拓展。无线局域网中的PHY层主要描述和规定了无线传输频率，调制解调，速率等方面的传输问题，而MAC层则主要完成数据接入调度，资源分配，属性管理等方面的工作，QOS在WLAN上的拓展应用离不开物理层和MAC层的支持。IEEE8021L的媒体接入MAC的基本结构按照站点STA访问媒体的方式来分，可以由两部分组成，一种是分布式协调功能DCF，DISTRIBUTEDCOORDINATIONFUNCTION，另一种是点协调功能PCF，POINTCOORDINATIONFUNCTION。241分布式协调功能DCFIEEE8021L协议MAC协议的基本访问方法是DCF，它主要使用带碰撞避免机制的载波侦听多址访NCSMACA技术来实现信道的接入。DCF功能在所有的1EEE8021L的站点上都必须实现，可以用于ADHOC网和基础结构网中。DCF基于最基本的CSMA算法，当站点第一次传送并检测到媒体空闲时，站点马上发送这个MAC服务数据单元MSDU；如果有两个站点同时检测到媒介为空闲状态时，就会同时发它们的MSDU从而导致碰撞的发生，为了避免这种碰撞的发生，8021L引入了碰撞避免机制CA来减少这种碰撞发生的概率。CA机制的核心是站点采用随机退避过程来解决各站点竞争产生的碰撞。DCF的具体时序如图24所示。13南京邮电大学颀T研究生学位论文无线局域网技术PLL嗒科争亩叫IJLI乇蚕画LR7信道忙一一ILLLI退避对阀II警LSLOTTL啦_卜延迟时翘图24DCF的时序和回退过程图中SIFS，PIFS，DIFS是8021L协议主要的三种帧间隔。1SIFSSHORTINTERFRAMESPACE，最短帧间隔，为相应帧提供最高的介质优先访问权。使用SIFS的帧主要有ACK、CTS和分段的数据单元等。2PIFSPCFINTERFRAMESPACE，工作在PCF方式下的站点获得介质访问权的时间间隔。PIFS时间较短，这使得PCF很容易获得无线信道控制权。3DIFSDCFINTERFRAMESPACE，1作在DCF方式下的站点都使用DIFS来发送和管理数据帧。242点协调功能PCF为了支持实时数据服务，IEEE8021L定义了点协调功能，它具有一定的QOS支持能力。PCF采用集中控制的算法，有一个主控制器点协调器PC，P0MCOORDINATION用于给各个联入PC的站点分配媒体访问权。由于PC使用PIFS的帧间隔时间，而PIFSM其中，M是一个整数参数，表示第M次重传后，重传定时器时间设置保持不变；B是STA和CN的端到端包传输时延，根据链路层是否采用RLP，分别由式55与式58表示；6是重传定时器初值，一般是两倍STA和CN间数据包往返时间，再加上至少LOOMS信息处理时间；丫是重传机制下的重传定时器递增因子，典型值F2。利用式510和式5“，可以得到完整的信令包平均时延计算公式，见式512。Q吼互QTTG，Z吼ZTIT2IML1一P曰P卜11一P8RSR2艿7卜2万B】512面P扣11一P【艿舻72艿Y_一28IMR册一2艿B】南京邮电大学硕士研究生学位论文基于SIP的IP语音切换技术52基于SIP的切换性能521SIP协议切换的特点基于SIP的移动性管理，并不需要对口协议堆做任何改动，而且它还支持定位服务，应用实施非常容易。SIP协议的切换性能特点主要有以下四点。1在切换过程中，需要利用SIPPROXY和SIPREDIRECTSERVERS。2切换完成后，CN和接入STA之间的通信将不再经过SIPPROXY和SIPREDIRECTSERVERS，所以端到端包时延并没有增加。3SIP不支持TCP连接【39】，即SIP移动切换对TCP协议不透明。4SIP切换管理的信令采用安全机制，SIP移动性管理是可靠的。ISTAOAPNAPCNRSILIDATA，I获取地址NREINVITE200OKDATALK7，REGISTE之200OK522切换时延图51SIP基本切换信令过程当移动节点STA进入新WLAN时，发送REINVITE信令4给响应节点CN收到后，知道STA将采用新的口地址与之进行通信，于是向STA新的P地址发送数据包。基于SIP的基本切换信令过程如图图51所示。其中包含获取地址，发送REINVITE消息修改会话信息，以及STA向家乡注册服务器重新注册的信令交互过程。由上述分析可以得出SIP协议的切换时延见式瓦印513。五一印2气2TO2DMC一印51353南京邮电大学硕上研究生学位论文基于SIP的IP语音切换技术其中，TL是第二层切换所需的时间；TO是STA从新网络获取IP地址的时间一印是STA和CN之间SIP信令包的单程传输时延，由式512可得，见式519O一却吼Z吼五吼巧吼巧I1I2JT辨L1一见矿11一见【如成，2乳厂卜2瓯】519T2矿11一见成。厂2靠广2既FMR”2K吃。】其中，M是一个整数参数，表示第M次重传以后，重传定时器时间设置保持不变；是STA和CN端到端包传输时延，根据链路层是否采用RLP，分别由式55与式58表示；乳是重传定时器初值，一般是两倍STA和CN间数据包往返时间，再加上至少LOOMS信息处理时间；丫是重传机制下的重传定时器递增因子，典型婶；见是STA和CN间的端到端丢包率，根据链路层是否采用RLP，分别由式52与式54表示。523切换时的丢包由于切换时的丢包与切换时延有直接关系，假设CN和STA之间的数据传输率为R，则切换时引入的丢包只一却见式520只印尺瓦一印RTM，口2一印520其中，TL2是第二层切换所需时间，口是STA从新网络获取IP地址的时间，一却J毛STA和CN之间SIP信令包的单程传输时延。524端到端时延对于SIP而言，数据传输路径是对称的，从S1A到CN和从CN到S1A的路径是一致的。基于SIP的端到端传输时延见式521。乙一却2K一印2DK521其中，D是链路层接入时延，是CN和新的AP之间的有线传输时延。南京邮电大学硕士研究生学位论文基于SIP的IP语音切换技术53本章小结本章首先阐述了影响切换性能各项参数，包括端到端丢包率，端到端传输时延，信令包传输的平均时延。接着，在详细分析SIP信令过程的基础上，分析SIP协议的主要切换性能参数，本章是下一章节提出基于SIP协议软切换机制的基础。55南京邮电大学硕士研究生学位论文基于SIP的软切换机制第六章基于SIP的软切换机制上一章我们分析了影响切换性能的参数和基于SIP协议切换性能。本章，我们首先分析软切换技术，并在此基础上提出基于SIP的综合考虑移动速率，切换时延，信号强度等参数的软切换机制，并进行仿真分析。61软切换理想的切换管理协议，应该尽可能实现最小的切换时延、最低的丢包率以及百分之百的切换成功率。软切换技术4421应运而生，在旧的连接断开之前，先建立新的连接。软切换技术的基本思想是利用链路层相关信息，提前判断移动节点的运动切换趋势，并且在移动节点进入新网络前的某个时刻，提前开始完成切换准备工作。这样一旦移动节点进入新网络，链路层切换之后，就可以完成整个切换任务，从而降低切换时延。文献41，利用UMPUSERMOBILITYPROFILE来更有效地支持移动性管理；文献43】提出网络边界覆盖的概念，让移动节点提前准备切换，这样可以很大程度上降低切换时延。所有这些基于链路层信息的高层切换协议，都是利用链路层接收到的信号强度，预判节点的移动情况，协助移动性管理机制提前开始移动切换，使得切换时延和切换失误率大大减JD451。以上提到的这些借助链路层信息的移动切换协议，都是假设切换时延值是固定的，并以此预先设定一个固定的接收信号阈值，当移动节点的接收信号强度下降到该阈值时，系统就触发切换。尽管这种切换机制能够很好地降低切换时延，提高切换质量，但是在实际无线网络中，切换信令的传输时延并不是一成不变的，它受到骨干网的通信状况、无线链路质量以及移动用户与本地网络的距离等因素影响，切换时延也是可变的，因此基于固定接收信号阈值的软切换技术，并不能达到最佳的切换性能。另外，这些切换管理协议并没有考虑移动节点运动速度的影响。我们考虑可以综合利用移动节点速度、切换信令时延、接收信号强度等信息。利用移动节点速度和切换信令时延等信息，选择恰当的时间点，提前开始移动切换，将会大大提高切换成功率。文献【44】从切换模型出发，分析了切换失败率。如图所示，假定移动节点STA从1日网络向新网络以匀速速度为V，方向恒定运动时，在P点开始切换，此时的接收信号南京邮电大学硕上研究生学位论文基于SIP的软切换机制强度RSSSTH，在O点完全进入新网络，O点接收信号RSS，如图52所示。其中，A是网络覆盖半径，D是P点到O点的距离，F为切换时延，则切换失败率仇为PH20TD|V19ARCC06VTD、A214D2V61图61切换模型我们可以根据节点运动速度、切换信令时延等参数，估算出软切换的提前时刻，确定节点提前切换的具体位置P点，进而推断出接收信号阈值。首先，根据式61，可以计算出给定的A情况下的D值，求出D后，就可以利用有关无线链路路径损耗模型62、63来计算相应的接收信号强度RSS。瓯LOL0910【EAD】62PAXE磊净口占63工其中，X垂STA与AP之间的距离；A是路径衰减系数，它与网络覆盖范围、通信环境特性有关，通常对于大范围覆盖的网络，A取值是34，而对于小范围覆盖的网络，A取值是28闱；是高斯白噪声干扰，它是一个随机变量；E蟊是一定参考距离下的接收信号的能