[硕士论文精品]无线局域网上voip传输的性能分析与仿真研究

无线局域网上VOLP传输的性能分析与仿真研究摘要摘要目前针对无线局域网WLAN的研究主要沿两个方向发展，一是对WLAN各主要技术环节的深入研究和性能改善另一个就是WLAN应用领域的扩展。IP语音VOIP技术是在LP网络上以数字分组方式传输语音的技术，它实现了电话网与数据网的结台，并使在IP网上实现多种业务综合成为可能。VOLP技术应用于WLAN即VOWLAN技术拓展了无线局域网的应用。VOWLAN技术韵应用面临许多问题，其中语音在无线网络中传输的性能分析和实现是亟待解决的方向之一。该论文就是在这样的背景下开展研究的。本论文首先对无线局域网及IEEE80211系列标准协议进行了研究，详细描述了无线局域网的物理组成、逻辑结构、传输方式及工作过程，分析了80211标准MAC层的基本接入机制CSMACA机制。然后对VOLP传输技术进行研究，详细描述了VOIP传输的相关技术，并对VOLP控制信令及语音编解码等技术进行了分析。在以上两方面基础上，论文给山了VOLP应用于WLAN的VOWLAN应用模型，提出了VOWLAN体系结构并描述了VOWLAN的在家庭，企业和公共热点区域应用的模式。重点是通过建立基于概率分析的马尔可夫链MARKOVCHAIN数学模型对VOWLAN的性能特别是最大吞吐量进行了理论研究，得到并确定了四种语音编码方式在80211B和】1A、1IG上传输的最大容量值，并揭示了在IEEE802I1协议中通过适当增加语音信号的打包长度以提高支持VOLP用户容量的规律。接着利用LINUX系统下的NS2网络仿真器，对VOWLAN系统的时延、丢包率、时延抖动和单链路获得的带宽等进行了仿真分析，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。本文同时提出通过采用PLCP短帧头进行IP语音包的物理层封装的方法来提高容量，并通过仿真验证，在静态环境下接入点秆I站点使用短PPDU帧格式传送单一语音数据包可将VOWLAN的用户容量提高33IFL39。最后，本论文对IEEE80211E协议支持VOLP传输的QOS机制进行了分析。提出了基于碰撞检测的动态容量估计方法，并可做为有效的接纳控制方法来管理VOIP在无线局域网上的传输。该论文提出的VOWLAN用户容量的理论分析值和仿真结果值对规划干实施实际的VOWLAN网络具有参考价值。通过该论文的工作，为VOWLAN技术的继续研究及进一步提高语音在WLAN上有效传输提供帮助。关键词无线局域网，VOLP，VOWLAN吞吐量，容量，服务质量，碰撞检测，马尔可夫链无线局域网VAIP传输的性能分析与仿真研究ABSTRACTNOWADAYS，THEMAINWIRELESSLANWLANRESEARCHESAREEXTENDEDALONGTWODIRECTIONS，THEFIRSTONEISTHEFURTHERSTUDYOFTHEMAINWLANTECHNOLOGYANDTHEIMPROVEMENTOFITSPERFORMANCE；THEOTHERONEISTHEEXTENSIONOFTHEWIDEWLANAPPLICATIONVOICEOVERIPVOLPTECHNOLOGY,WHICHTRANSMITSVOICEBYWAYOFDIGIMLPACKETSOVERIPNETWORK，CANREALIZETHECOMBINATIONOFTHETELEPHONENETWORKANDDATACOMMUNICATIONNETWORKUSEOFV01PCALLMAKEITPOSSIBLETOREALIZEMULTIPLESERVICESOPERATEDSYNTHETICALLYINIPNETWORKVOICEOVERWLANVOWLANWHICHEXTENDVOICETRANSMISSIONOVERWLANHASBECOMETHEMAINAPPLICATIONFORWLANHOWEVER,THEAPPLICATIONOFVOWLANALSOFACOSLOTSOFPROBLEMSTHEREALIZATIONANDPERFORMANCEANALYSISOFDILYERENTCODINGDIGITALVOICETRANSMITTEDOVERWLANARETHEURGENTONESTOBESOLVEDTHEBACKGROUNDOFTHISPAPERISBASEDONTHIS妇CTFIRSTLY，THISPAPERCARRIESOUTTHERESEARCHOVERWLANTECHNOLOGIESANDTHEIEEE802I1STANDARDSANDTHEN，THEPHYSICSCOMPONENTS，LOGICALARCHITECTURE，TRANSMISSIONMODESANDWORKINGMECHANISMOFWLANAREDESCRIBEDINDETAILTHECARRIERSENSEMULTIPLEACCESSCOLLISIONAVOIDANCECSMACAMECHANISMISANALYSESINDEPTHMOREOVER,THEVOLPTECHNOLOGYISDESCRIBEDINDETAILANDTHESIGNALINGMECHANISMSANDVOICECOMPILEDCODESAREDESCRIBEDTOOBASEDONTIREABOVEANALYSESTHEVOWLANAPPLICATIONMODELISPROPOSEDTHEVOWLANSYSTEMARCHITECTUREISDESCRIBEDANDTHEAPPLICATIONMODELSOFITATHOMES，INENTERPRISESANDHOTSPOTAREASAREPROPOSEDTOOTHEEMPHASISOFTHISPAPER；STHECONSTRUCTIONOFAMALRKOVCHAINMODEIBASEDONSTOCHASTICANALYSISWHICHISUSEDTOEVALUATETHECAPACITYPERFORMANCEOFVOWLANTHEUPPERBOUNDCAPACITIESOFFOURCODINGVOICESTRANSMITTEDOVERIEEE80211BAANDGAREFIGUREDOUTWEALSOFINDOUTTHATTHECAPACITIESCANBEENHANCEDIFTHEVOICEPACKETPAYLOADFENGTHISIMPROVEDINTHENS2NETWORKSIMNLATORUNDERLINUXTHEDELAY,PACKETLOSSRATE，JITTERANDSINGLEDIRECTIONTHROUGHPUTPERFORMANCESARESIMULATEDTHEANALYSISRESULTS，ESPECIALLYTHEUPPERBOUNDCAPACITIESAREVALUATEDBYTHESIMULATIONRESULTSTHISPAPERALSOPROPOSESTHATTINDERSTATICSTATECIRCUMSTANCE，ANDWHENALITHEWLANSTATIONSANDACCESSPOINTSAREUSINGSHORTPLCPPREAMBLEANDHEADERTHECAPACITIESOFV0WLANCANIMPROVE33TO39TAKEINTOACCOUNTDIFFERENTVOICECODINGALGORITHMSANDDIFFERENTVOICEPACKETLENGTHFINALLY，THETRANSMISSIONOFVOLPOVERIEEE8021LEISSIMPLYANALYSESANDADYNAMICCAPACITYESTIMATIONSCHEMEBASEDONCOLLISIONMEASUREMENTISPROPOSEDTHISSCHEMEALSOCANBEUSEDASADMISSIONCONTROLMECHANISMTOMANAGETHETRANSMISSIONOFVOICEOVERWLANTHEANALYSISVALUESANDTHESIMULATIONONESFORTHEVOIPCAPACITYOVERWLANDERIVEDINT11ISPAPERAREHELPFULFORTHELAYOUTANDIMPLEMENTOFTHEACTUALVOWLANSYSTEMANDTHEWORKSOFTHISPAPERALSOHELPTHEFURTHERRESEARCHOFVOICETRANSMISSIONOVERWLANKEYWORDSWIRELESSLAN，VOICEOVERIP,VOICEOVERWLAN，QUALITYOFSERVICEQOS，THROUGHPUT，CAPACITY，COLLISIONMEASUREMENT，MARKOVCHAINII东南大学学位论文独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，也不包含为获得东南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。东南大学学位论文使用授权声明东南大学、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、缩印或其他复制手段保存论文。本人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东南大学研究生院办理。研究生签名髓导师签名日期型翌垒Z第一章绪论第一章绪论11引言网络的出现和大量使用彻底改变了人们的生活甚至是思维方式，越来越多的人在越来越多的情况F使用互联网，这也使互联网的资源更加丰富，甚至有人曾说“INTERNET是一个无限的资源”。在这个“网络就是计算机”的时代，INTEMET的无所不在，使得利用INTERNET传送语音信息成为可能。同时，由于IP协议体系在网络架构中的统治地位，VOLPVOICEOVERIP技术应运而生，VOIP就是利用IP网络实现语音通信的先进的话音传输技术。VOIP从1995年出现至今只有不到十年的时间，但极低的费用及良好的话音质量促使这一技术的发展异常迅速，最初只能在联网的PC间通话，而现在已经可以在普通的电话机上享用了。VOIP可以使电话物理网络和IP物理数据网络合二为一，有效地简化通信系统，降低系统成本和管理成本。利用IP分布式的、灵活易于扩展的通信方式以及VOLP所提供的新的话音功能可以使企业、雇员、合作伙伴和客户进行更灵活有效的沟通。VOTP可以使话音应用与原有的数据业务应用有机地融合在一起，并进一步开发包括传真、视频在内的更多的业务应用。有专家分析预测，今后十年VOIP技术陪改变电活通讯的现状。无线州域同FWIREIESSLOCALAREANETWORKWLAN，就是采刷无线通砒技术代替传统电缆，键供传筑_C；线同域阐功能的网络。它利用无线多址信道支持通信，提供了移动化、个性化和多媒体通信的可能4J。无线局域网摆脱了线缆介质的束缚，不受地理环境的限制，利用电磁波发送和接收数据，网络可以覆盖到有线网难以到达的位置，从这个角度讲，无线网络成为有线网络的补充和延伸，满足人们任何时间任何地点进行通信的需求。面同时无线局域网技术更具有许多独特的不可比拟的优势1由于采用无线电波做介质，高频无线电波可以穿透玻璃或墙壁，能够满足一定范围内的局部组网2在开放性办公区、频繁变化的办公场所、移动办公、展示会议以及场地条件恶劣不适宜布线的场合，无线局域网具有有线网络无可替代的优越性；3无线局域网构建简单，组网容易，管理和维护的技术要求也不高，比如在无线局域网络中就不会发生电缆断线或接头连接等故障；4能够保持与有线网络的兼容，通过接入点设备可以实现无线局域网与有线网络的无缝连接5对经常变动的办公网络，无线局域网方案比有线网络成本更低。目前，无线局域网已逐渐成为技术和消费热点，随着更多标准的制定和推行，不同产品兼容性的不断加强，产品成本的大幅下降，电信运营商的积极参与，无线局域网在现代通信中正扮演更加重要的角色。东南大学硕士学位论文12本论文的行文结构基于WLAN架构的VOIP即VOWLAN是VOIP技术的自然扩展，这一技术有着广阔的应用前景，目前已经有公司研制出了适用于IEEE802】1标准的支持VOIP的终端产品，如SPECTRALINK公司的NETLINK无线电话系统，并且随着80211E等标准的进一步完善，网络的QOS质量将得到较大改善，未来的三五年VOWLAN一定会有大规模的应用。当然，VOWLAN并不是VOLP与WLAN的简单组合，实现完善的通信过程还有许多的工作要做，包括优先级、安全性、接入点切换、通话质量等问题。首先要面对的就是改善8021LWLAN的性能以使之更适合进行语音信号的分组传送。本论文的主要内容安排如下首先我们需要掌握与VOWLAN相关的基本知识，即论文的第二、三章，其中第二章介绍了无线局域网技术特点，IEEE80211系列标准包括1LB、11A、119、1LE等，详细讲述了80211的MAC层和CSMACA机制；在第三章我们详细分析了VOIP的发展及其技术特点，并展示VOLP的未来趋势。进入第四章，我们首先分析VOIP与WL_N结合的必要性和可能性，提出了在WLAN上架构VOLP的模型及各部分的实现，然后对语音在无线局域网上的传输进行理论分析，得出最大吞吐量和最大用户容量的理论值。第五章对VOWLAN的性能进行分析和仿真，首先介绍开展仿真工作要使用的仿真工具NS2，然后针对基于IEEE802LLB和儿A、“G下的系统容量进行分析，得出结论，最后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。第二苹无线局域网及其相关技术第二章无线局域网及其相关技术2，L无线局域网技术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，而是可以随意地移动，自由变换位置。无线局域网的优点还不止于此，由于用户终端与服务器间不用连线从而大大降低了组网成本，L鱼_省去了烦琐的日常线缆维护，网络的扩展和调整也更加灵话方便。目前的无线接入技术有HOMERF家用射频技术、BLUETOOTB蓝牙技术、HIPERLAN欧洲的无线接人标准和IEEE80211系列。我们在这里重点介绍执行IEEE80211系列标准的无线接入技术。本节介绍无线局域网的基本概念和技术特点。21I无线局域网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，无线网一G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APACCESSPOINT由三部分绢成，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或称工作站STATION发送的信息并转发给其他殴备，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可以访问引有线网络，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ACACCESSCONTROLLER和认证鉴权服务器ASAUTHENTICATIONSERVER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。212无线局域网逻辑结构及接口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东南大学硕士学位论文层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实体闻韵通信。IEEE8022标准定义了LLC子屡。将在下节详细介绍MAC层和物理层及系列标准。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酶接日，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。这种接口方式一股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。2I3无线局域网网络拓扑结构无线局域网的拓扑结构包括无中心拓扑或对等式拓扑，PEERTODEER和有中心拓扑CENZERPOINTBASED。L、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CS64A载波监测多址接入类型的多址接入协议。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G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，IEEE802、11标准中定义的IBSS独立基本服务集髓终就是这神无中心拓扑网络，无中心拓扑结构如图21A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。这种厨络结构在网络业务量增大时网络吞吐性麓及两络对延性能鹄恶化不明显，网络中4第二章无线局域网及其相关技术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。IEEE80211标准中定义的一种基础结构BSS基本服务集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BBSS扩展服务集。有中心拓扑结构如图21B所示。A无中心拓扑结构214无线局域网传输方式7播边界图21WLAN网络拓扑结构B有I山拓扑结构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丁。802I1标准规定了跳频扩频FTTSS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A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，窄带干扰和东南大学硕士学位论文频率选择性衰落只破坏传输信息的一部分，在其他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。80211标准中使用1L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、红外线方式红外线电可用做无线局域网的俦输介质，一般使用的波长为820HM，因为在红外线频谱中空气在这个数值点产生的衰减最小。田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。215WLAN主要工作过程扫频STA在加入服务区之前要查找哪个频道有数据信号，分主动承L被动丽种方式。主动扫颁是指STA启动或关联成功后扫描所有频道；一次扫描中，STA采用缀频道做为扫描范围，如果发现某个频道空闲，就广播带有ESSID的探测信号AP根据该信号做啊应。被动扫频是指AP每L00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ASSOCIATE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LIMBPS，J5MBPS，2MBPS和IMBPS。重关联REASSOCIATE当无线工作站从一个扩展服务区中的一个基本服务匿移动到另外个基本服务区时，与新的”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EBSS内部。扩展漫游指无线SAT从一个扩展服务区EBSS中的一个KSS移动到另一个扩展服务区EBSS的一个BSS。第二章无线局域网及其相关技术22IEEE8021I系列标准1980年2月，国际电子电气工程师协会IEEE成立了802工作组，负责局域网标准的制定802的名字也就是由此得来。22180211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IEEE8021I工作组。经过七年的工作，于1997年推出了802，11标准，主要针对WL州的物理层PHY和媒体访问控制于层MAC进行了规定。802IIWLAN工作在开放的24GHZ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IMBPS和2MBPS的速率。在1999年推出的80211B标准是8021L的扩展，它采用直序扩频它在802，儿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IMBPS、2MBPS、55MBPS及11IBPS速率，最高可提供IIMBPS的速率。802UA标准工作在5GHZ频带，采用OFDI调制技术，可提供最高速率达54IBPS，传输距离也更远达5LOKM。由于工作在不同的频带，由于LLA与LLB标准并不兼容，IEEE组织于2001年又推出了8021LG标准，它实际是一种混合标准，它规定了两种调制万式即LLA中的CCK和LLB甲的OFDM，既能适应8021IB标准，提供24G频带下LIMBPS速率，也能提供8021LA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LLA、IIB和LLG都已开始执行，而IEEE8021IB标准成为主流WLAN标准，采用8021LB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，802N工作组又制定了针对MAC层服务质量和安全保障的一系列标准。其中802儿I标准采用了TKIP加密技术，并使用802IX作为认证标准。802NE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HDCF和混合协调功能HCF。正在制定的预定在2005年推出的IEEE8021IN标准将采用MIO0F蹦F多输入多输出的OFDM技术，可将WLAN的传输速率从8021LA和8021LG的54MBPS增加至08MBPS以上，最高速率可东南大学硕士学位论文达320MBPSJ_F加入了服务质量管理功能，以支持语音和视频应用。也许IEEE8021IN标准将带来IVLAN的全新时代。裹21WLAN80211系列标准标准进度主要内容IEEE802L11997年完成，己执行LAN的最祝标准支持IMBPS到2BTBPS。IEEE80211A1999年完成。已执行用于5GHZ频带的高速WLAN标准，支持54MBGS。IEEE802ILB1999年完成，己执行当前主流的凡AN标准，支持LLMBPS。IEEE8021X200T年完成用于所有IEEE网络的安全架构，艾中包括以太网积无线圈。IEEE802TIG2001年完成用于24GHZ频带的高速VLAN标准，史抒多种速率并兼窖儿AIEEE802，I预计2004年5只完成采甩1酣P日口密秘EE8621X认证的WL拼安全标准IEEE80211E预计在2004年完成支持所有EEEWLAN无线广播接口的OOS机制。正在进展中，预计2005IEEE8021LN定义速率高达TOOMBPS的新一代高速WLAN。年推出222具有冲突检测退避的载波监听多路访问机制CSMACAE匪E80211凇C层提供了两种实现网络连接的方法分布式访问控制方式D1STRIBUTEDCOORDINATIONFUNCTION简称DCF和中心协调方式POINTCOORDINATIONFUNCTION，简称PCF，DCF分布式访问控制方式是一种竞争溪入方式，它采用具有冲突检测遐避的载波监听多路访问机制CARRIERSENSEMULTIPLEACCESSCOLLISIONAVOIDANCE，简称CSMACA来决定什么时候哪个工作站能开始收发数据。DCF是IEEE80211眦C层的基本接入方法。PCF中心协调方式是一种无竞争CONTENTIONFREE接人方式，可用傲实时性数据的收发。PCF方式是架构在DCF方式之上的一种可选的方式。在分布式访阃控制方式中。MAC层通过信遭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，则表示信遭目前是忙碌的，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8第二章无线局域网及其相关技术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。IEEE8021I定义了帧的三种不同优先权等级，帧在传送之前的等待时问，称为“帧间隔”INTERFRAMESPACE，IFS，不同优先级帧的帧间隔时间不同，优先权等级越高的帧其帧间隔越短，使用传输媒介的机会就越大。SIFSSHORTIFS；短帧间隔，用来做立即的响应动作。下列帧送出的等候时间都是SIFS等级要求传送帧RTS、允许传送帧CTS、回复帧ACK等等。PIFSPCFIFSPCF帧间隔。在进行PCF无竞争式传输功能时，作站传送帧前所必须等待的时间。DIFSDCFIFS；DCF帧间隔。在进行DCF竞争式传输功能时，R作站传送帧前所必须等待的时间。EIFSEXTENDEDIFS延长帧间隔。工作站在进行重送帧时所必须等待的时间。其中SIFSRO而WILTZWF1_EN包C功30J上第五章VOWLAN性能的仿真分析和改进砹向性，我们可以计算得到最大用户释量的理论值。表57IEEE80珠JLA标准F的四种语音编码标准对应的壤人用户容量G，7UG。729G。723。L63KG72315，3K最大吞吐量9515MBPS2826MBPS3596MBPS3389MBPS单路话音传送所需带宽80K40K17K16K传送时长20MSLOMS30MS30MS_1墓灞麟熬爹J黉瀚鼍躺妒察磐；蠢滋氨。J臻疆；。I55改善在WLAN上传输VOLP用户容量的方法551使用PPDU短帧头提高用户容量的方法语音数据包的长度较短，而在MAC层和物理层封装过程中的嗣定开销却占州了较大比例，这是影响VOW用户容量的一个原因。可以通过压缩物理层帧头的方法提高实时数据的传输质餐。IEEE8021LB标准中强制使用192BITS的长PREAMBLE和HEADER，升以1MBPS同定速率传输，但也同时提供了一种可选方案，就是短PLCPPPDU格式SHORTJ，LCPPPDUFONILAT，如下图示，这种格式通过最小化负荷从而获得晟大的吞吐量。短PLCPPPDO格式的PREAMBLE包括56BITS的曲OFTSYNC域雨J16BITS的SHORTSFD域，由144BLTS压缩为72BITS，采用LMBPS速率巴克码DBPSK方式传输，HEADER部分没有压缩，仍IJ48BITS，但采用巴克码DQPSK方式，传输速率提高为2MBPS，从而整个物理层前导帧头传输所用时间缩短为96LAA。如图512所示。短PPDUPREAMBLE的SYNC字段也提供了接收与发送方的同步，但与LONGSYNC不同的是它由56侮0序列组成，扰频器的初始状态SEED是LONGSYNC的反向序列，即OOL1011。SHORTSFD定义了下一个帧的开始，该字段与LONGSFD字段序列的次序相反，为0000010I11001111。接收方可以通过该字段判定接收到的是LONGPPDU格式还是SBORTPPDU格式的帧。由丁HEADER域采用2MBPS速率传输，要求接收方和发送方都要采用短帧格式。6“十WI十M，X_图512IEEE8021LBSHORTPLCPPPDUFORMAT在本爷中，分别针对G729和G，72315，3K使用短帧头格式重新仿真后看到，各性能参数有了明显提高，G729标准的最大用户容量提高到8个，G723153K的最大用户容量提高到了25个。仿真得到的结果如图513A到D和幽514A到B所示。其中图513A是在G，729沿音编码不同VOLP用户数的时延曲线；图513H是丢包拳的曲线；幽513C是时延抖动的曲线图513D是吞吐量性能的曲线。而倒514A剑B则分别是G723，153K编码方式下的时延和丢包率的曲线。图513A分别使用长帧头和短帧头得到的G729的州盘；王比较一册一XE|O第五章VOWLAN性能的仿真分析和改进南令；赢A。小I；群一，鼙S。曼。囊，曲RI；酥丽十JS五I_N81FORSHORTF，K9歹趴硝；图513B分别使用长帧头和短帧头得到的CT729的丢包率比较。1N1_百_I丁1R1R弓R一3S图513C分别使用长帧头和短顿头得到的G729的抖动比较鼍V飞。嘲R。严9剃。一、矿H一一TLP一雌叶2忡、一十件。乒甄彝鳓毋守芦占黼芬乎G毫图513D分别使用长帧头和短帧头得到的G729的吞吐量比较一S一2QUIL；巴僻4OUS一矗兰；曾日AEOO一I口一芎C|LL口巳SSI弓粤AEOO东南大学硕士学位论文固514AN25时两种帧格式的G723163K时延比较。芒兰兰一510152025303540图514BN25时两种帧格式的G723163K丢包率比较表58使用短帧头提高数据传输性能的参数比较使用短帧头使用【主帧头参数时延丢包率抖动吞吐量时延丢包率抖动吞吐量C729N9T85NS36478翮S2929K2T8，32872862157N8523MSO2016MS3056K244220863224OL最大容量誊一“J8。L6个时延丢包率抖动吞吐量时延丢包率抖动吞吐量G7231N25469IS096071MS1326K2375239635101865K最大容量渗。誊J25F。、誊I。18个LNG，NN卜。王FS一苦I。口岳一；百PM盘OU_爷一一一一一擎；锎酬剐搿槲渺擎第五章VOWLAN性能的仿真分析和改进通过仿真和数据分析得出结论，采用96US的短帧头进行语音数据封装可以有效提高WLAN中通话用户数量，并且对音频、视频等实时数据的传送都可以提供较好的性能保证。使用短帧头格式进行数据传输要求接入点AP和站点都可以接收短帧头数据包，在802UB标准甲，这一格式是可选项，因此它的使用可能会受到一定限制。而在IEEE8021LG标准中，则强制使用这种短PPDU帧格式，我们期待随着IEEE8021LG标准的推广，这一方法也会有很好的应用前景。552IEEE80211E机制的方法IEEE80211E是为在无线局域网中提供QOS支持而提出的新的草案。它能保证在WLAN中传输语音、视频和音频所要求的QOS支持。802，1LE在802T1的DCF机制的基础上提出增强的DCF机制EDCF和混合协凋接入机制HCF吐EDCF机制在新的草案版本中又修正为增强分布式控制接入EDCA机制。EDCA机制采用了区分服务DIFFSERV的原理，将链路上层传过来的数据包进行优先级的分类。在MAC中定义了四个不同优先级的队列，分别对应于语音、视频、音频和尽力而为等级的数据包的传送。上层过来的遵循8021D标准的8个优先级分别对应到这四个优先级队列中。不同优先级数据包的接入的参数不同。一般高优先级的数据包采用小的初始竞争窗口、小的竞争窗口变化率和小的最大竞争窗口数，因而，高优先级的站点在竞争接入时能够优先接入。IEEE80211E中，语音包的优先级是最高的。除了使用EDCA机制来提高VOLP的传输外混合协调接入机制HCF也为语音的实对传送提供了保障。HCF提供接入过程是建立在DCF和PCF的基础上。在一个超级帧SUPERFRAME中，HCF可以工作在竞争周期CP和非竞争周期CFP的模式下，更好的组织信道的资源来适应实时媒体的需求。HCF机制中还提供了一个控制接入间隔CAP的概念。已有文献27】对在WLAN中采用多优先级队列来支持语音的传输进行仿真实验上的分析，实验表明，采用多优先级队列的机制可以极大地提高语音传输的能力和性能。80211E还提出了诸多控制接入的机制，首先它在原来80211E帧头上增加了与QOS调度相关的部分，同时增加了与QOS相关的传送帧类型，定义了资源保护接入的机制和竞争控制机制，定义了控制接入间隔CAP的概念。同时还增补了其他的如群AEK机制BURSTACK和节点直接相连机制DIRECTLINK机制等。采用80211E的调度机制的原理T可以得到高性能的支持更多用户的VOIP在WLAN上的传输。东南大学硕士学位论文553基于实时碰撞检测的方法缘上所述，可以看到在无线局域网WLAN中传输IP语音仍有许多作要做。首先是提高系统的吞吐量的问题另外还要降低时延和丢包率，降低时延的抖动。单纯的IEEE80211的CSMACA机制支持同时通信的VOLP用户容量有限，如在G7LT语音编码方式下，20MS的语音包传送时，理论上同时支持的用户容量为14个左右。虽然通过提高系统的传送速率如在IEEE8021LA和IEEE8021LG甲采用最高达54MBPS的传送速率可以得到更多的用户接入数量。但CSMACA帆制的本身限制了在其上的IP用户容量。CSMAICA机制下的DCF模式在链路负载较低时能极好的体现它的效率，但在链路负载很高甚至饱和的状态下，DCF的效率会由于碰撞加大的原因而降低。现今，已有多种方法来改善DCF机制使得它更适合支持VOLP的传输。文献283M已经说明了在WLAN中支持同时通信的VOLP用户数与语音包的大小有关，因而文献30】中提出了动悉凋整语音包的大小来支持平衡语音时延和用户数的要求。而文献F3I提出了基于区分优先级的VOP传输的方法，在语音和数据共同传输的过程中，让语音包的优先级处于最优，从而在语音和数据共存的环境中支持更多的语音用户。另外还有其他的文献表述了在DCF丰几制中采用多优先队列来提高VOLP数据的传送过程。在上述的文献28，29，30】和本文上述部分中描述的都是对无线局域网中静态的最大VOLP用户数的估计，同时他们的假设也是基于全部源为VOLP包的假设。在实际系统的运行过程中，系统的传送状态往往是动态变化的，同时也大部分可能是语音与数据共存的情况。此时，需要动态地估计出系统中的空余资源，来进行对新的VOIP用户的接钠控制过程，同时采用一蔗的调控机制，改善并保证已有VOLP通话的语音的质量问题。这里，我们提出了基于碰撞估计的无线局域网【P语音动态接纳方法。传统的DCF机制在传送数据包时并没有估计当前链路的拥塞情况，在重负载时节点仍然采用阻前的初始竞争窗口接入信道，同时仍然采用静态的VOLP用户的估计过程，这必然会造成碰撞过多和频繁的退避，最终导致系统的吞吐量的下降和信道特性的恶化。同时过多的VOIP用户的接入会引起灾难性的后果会严重堵塞AP豹下行链路的传送过程。从而影响到所有通信用户的通话过程。本文提出的基于碰撞估计动态接纳控制过程COLLISIONESTIMATIONADAPTIVEADMISSIONCONTROLCEAAC一方面动态地提供在一个无线局域网的AP覆盖范围中可支持的VOFP的容量；另外一方面可以完成接纳控制的过程，当系统中的链路情况己经达到了饱和的状态，第五章VOWLAN性能的仿真分析和改进则不能再接纳新的VOP链路的接入。CEAAC机制中，首先引入一个与链路碰撞密切相关的参数碰撞水平估计，来反映当前链路的负载状况A在重负载的情况下，参数的最优值0，具有与当前网络中活动站点数近似无关的特性，定义碰撞水平估计L为碰撞平均时间眨度和空闲平均民度ZKF“。每次成功的数据传输会触发计算一次成功传送数据所经历的平均碰撞的时间长度和空闲时间长度的统计过程。他们分别用E【T。】和EFM】表示。而用0，和T。表示本次数据传送过程中经历的碰撞时长和空闲时长。园而，计算，的方法定义如下E叵【K“1一O。54ET。】ETM1五F。55，ECO。JEP。J56其中，_和T分别是计算平均碰撞时长和空闲时长的滑动因子。另外根据参考文献32计算出来，然后在每次计算，值时都判断它是否在乙，的邻域内，若不是，则游动计数器COTER靛据，值的犬下或小于。而加L或减L。经过M次成功传送后，刿断游动计数器的大小，若大于设定值MAXCOUNTER，则增大站点的初始竞争窗口；若小于MAXCOUDTEF值，则减少站点初始竞争窗口，通过调节窗口的大小，实现了当所有站点尽力而为接入时自适应凋节系统的性能最优。系统的吞吐量为最大。在实际的系统中，。和，。的统计是通过站点或AP的CCA检测过程完成。系统检测每一个SLOTTIME间隔是处于忙的状态还是空闲的状态来作为R。和T。的统计。他们的单位用SLOTTIME间隔的个数来表示。得到，的值，32】说明了。，是与节点数目无关的量。当初始的竞争窗口是一定的情况下，以确定下来的。为标准，而根据检测到的系统的平均碰撞水平，当VOLP站点或其它数据通信站点增加时，碰撞加大，值变大，新的VOP用户的接入就受到限制。也就表明了该阶段的动态的VOIP用户的容量。当VOIP站点或其它数据通信站点减少时，碰撞减少，值变小，可以接纳新的VOIP用户的进来。554接纳控制过程VOIP是将语音采集编码后打包成语音包的格式，然后在RTP协议的承载基础上加上东南大学硕士学位论文UDP和LP的包头后以UDP的模式传送。由于在网络中语音包传输的服务质量难以得到蘸好的保证。在无线局域网中，由于无线环境中存在干扰、衰落辞的影U同，无线信道的误码率处于一个变动的过程中。80211标准中主要采用了DCF机制。DCF机制采用的CSMAICA机制是一个尽力而为的接入机制。当VOLP在802J1的DCF上传输时，当VOIP的连接数加大时，语音质量会降低，当超过它的容量范围时，所有的语音连接的质量都会恶化。因此，必须采用一定的机制来控制VOIP的接八，保证已接入的VOIP链路的语音质量的问题。根据553所述的动态碰撞水平的估计方法，我们可以动态自适应地调节VOW用户的接入保证已有接入用户的通话质量过程。实现的动态接纳控制的过程如图5【5所示。新的和其图515动态接纳控制过程第六章总结与展望第六章总结与展望语音在IP网络上传输已经形成一定的规模，VOWLAN是这一技术的补充和扩展，它有着巨大的发展潜力和市场需求。要拥有市场技术要先行提高语音在WLAN上传输的性能是一个十分重要的课题。论文在介绍了无线局域网和VOIP技术的基础上对VOWLAN的性能从理论和仿真两方面进行了深入分析。第四章和第五章是全文的重点，第四章提出了VOWLAN的应用模型和体系结构模型，描述了VOWLAN的家庭、企业、公共热点地区等应用模式，重点进行了8021LB环境下G7IL、G729、G7231的饱和吞吐量和最大容量的理论分析。第五章利用网络仿真器进行了语音在WLAN上传输性能的仿真，并分别得到了IEEE8021LB环境下的针对不同语音编码标准的最大用户容量由于仿真过程中节点位置、源起动时间等存在人为参与的因素，实际环境中的VOIP用户容量可能还会低一些，但这一数据无疑对实际组网是具有一定参考价值的。我们还进行了IEEE80211A和LLG标准下，即最高速率可远54BPS的VOIP性能进行了分析，由于8021LA的更高的数据速率和更低的网络开销，它的VOIP用户接入数量要比1LB环境下的高得多。IP语音的传输过程中WLAN的物理层平|IMAC层的固定开销时间占了相当大的比例，第五章中提出可以将物理层的PPDU前导头采用SHORTPLCPPREAMBLE的格式，这样可以将物理层前导帧头传输所用的时间由192US减少为96US，经过仿真验证，这一方法可以有效提高8021LH环境下的用户容量。当然，必须说明的是仿真的环境是在静态的单一语音业务情况下进行的。使用SHORTPLCPPPDU格式进行语音数据传输要求网络中的站点和接入点都应可以发送和接收这种帧格式。8021LB标准中的这种格式是可选的，而在802119中已经定义为强制使用格式。第五章对能保证在WLAN中传输语音、视频和音频所要求的QOS支持的IEEE80211E标准进行了简单分析。考虑到实际系统运行过程中数据的传送往往是动态变化的，而且是多业务的，本章提出了基于碰撞估计的无线局域网IP语音动态接纳方法。由于时间有限，对动态接纳控制的研究还只停留在理论阶段。目前，无线局域网和VOIP是倍受瞩目的两大技术，而两者的结合更有羞广阔的前景，未来的VOIP产品应该是高集成的，集语音、音频、视频、数据、传真丁一体，即XOIP或者XOWLAN，这对无线局域网从带宽到安全到服务质量都提出了更高的要求。无线局域网VOLP传输的性能分析与仿真研究致L谢致谢首