（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）無線局域網(wǎng)上voip的性能分析研究.pdf

中文摘要 摘要：隨著無線局域網(wǎng)( w i ，a n ) 技術(shù)和v o i p m i c eo v e ri p ) 技術(shù)的不斷發(fā)展，利用 w l a n 來傳輸i p 語音的技術(shù)成為近些年研究的熱點(diǎn)。但是由于i p 網(wǎng)絡(luò)提供的是盡力 而為的服務(wù)，加上無線網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的有限性，這使得在w i ，a n 上傳輸語音時(shí)面 臨很多的問題。研究在m ，a n 上語音業(yè)務(wù)用戶容量的問題具有重要的意義，本論 文正是在這樣的背景下展開研究的。 本文的主要工作是分析和驗(yàn)證了8 0 2 1 1 b 網(wǎng)絡(luò)的d c f 機(jī)制和p c f 機(jī)制下語音業(yè) 務(wù)的容量問題，并針對常用的d c f 機(jī)制提出了改進(jìn)方案，提高了語音業(yè)務(wù)的容量。 具體的工作有以下幾個(gè)方面： 首先對無線局域網(wǎng)及i e e e8 0 2 1 1 系列標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行了研究，詳述了i e e e 8 0 2 1 l 的體系結(jié)構(gòu)、工作模式、m a c 協(xié)議和無線媒體的接入機(jī)制。接著對v o i p 的 通信原理作了研究，簡要描述了v o i p 的關(guān)鍵技術(shù)和v o i p 的q o s 問題，為后面的研究 做好理論的鋪墊。 其次，在g i u s e p p eb i a i l c l l i 的馬爾可夫鏈的傳輸模型的基礎(chǔ)上，通過理論的計(jì) 算推導(dǎo)，分析了d c f 機(jī)制下語音的有效吞吐率和容量問題；接著根據(jù)p c f 的傳輸機(jī) 制，建立了相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，通過理論的計(jì)算推導(dǎo)，分析了p c f 機(jī)制下語音的有效 吞吐率和容量問題。最后，根據(jù)推導(dǎo)出的吞吐率和容量公式，計(jì)算了v o i p 在目前 常用的編碼方式下在i e e e8 0 2 1 1 b 上的理論容量值。 第三，利用了o p n e tm o d e l e r 網(wǎng)絡(luò)仿真工具，對v o i p 在w l a n 上傳輸時(shí)的吞吐 量和時(shí)延進(jìn)行了仿真分析，得到了不同語音編碼方式下的用戶容量值，驗(yàn)證了理 論分析的結(jié)果。 最后，結(jié)合相關(guān)的文獻(xiàn)以及理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)，分析了影響無線局域網(wǎng)上 語音業(yè)務(wù)容量的因素，進(jìn)而針對目前常用的d c f 機(jī)制提出了m a c 層幀匯聚的改進(jìn) 方案，通過理論分析計(jì)算和仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種改進(jìn)方案能夠有效的提高語音業(yè) 務(wù)在無線局域網(wǎng)上的用戶容量。 關(guān)鍵詞：無線局域網(wǎng)；、，o i p ；d c f 機(jī)制；p c f 機(jī)制；容量；o p n e tm o d e l e r 分類號：t p 3 9 3 j e 塞交通太堂亟堂僮i 金塞 墾墨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 鋤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 麗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 麗r e l e s sn e 鰣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 伽幬s t l l d y i n g l ec a p a c i 夠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 鰣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 幣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 鋤dv e r i f i e sn l ec 印a u c 時(shí)o fv o i c e 仃a 笳co n d c fm e c h a m s m 鋤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 鋤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 夠o fv o i c e 的銜c o v e r 塒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 內(nèi)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 腳d s 鋤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 刪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 ，鋤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 種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 夠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 鋤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 鋤d 也ec a p a c 時(shí)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 鋤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 夠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 對q u ta n dc a p a c i 哆 f o 肌u l 如w h e n 、廠0 i pu s e r sc h o o s ed i 婦陪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 鵬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 鋤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 鋤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 撾c hl i m i tt h ec 印a c 時(shí)o fv o i c eo v e r 謝r e l e s sl a na r e 鋤a l y z e d 脅g i n t oa c c o u n tm e s ef 缸o(hù) 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 時(shí)； o p n e tm o d e l e r c l a s s n o ：t p 3 9 3 v 致謝 時(shí)間過得真快，轉(zhuǎn)眼間碩士生活即將結(jié)束。在北京交通大學(xué)兩年半的研究生 學(xué)習(xí)期間，我收獲頗豐?；叵肫饋恚俗陨淼呐χ猓嗟氖菍?shí)驗(yàn)室的老 師和同學(xué)的關(guān)心和幫助。在此，我衷心地向他們表示謝意。 本論文的工作是在我的導(dǎo)師盧燕飛副教授的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的， 盧燕飛副教授嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的學(xué)術(shù)知識、誨人不倦的敬業(yè)精神以及獨(dú)到 的學(xué)術(shù)眼光使我獲益頗多。從課題的選擇到論文的最終完成，盧老師都傾注了大 量的心血，給予了我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。兩年多來，盧老師不僅在學(xué)業(yè)上， 同時(shí)還在思想和生活上他給我以無微不至的關(guān)懷，使我明白了許多待人接物與為 人處世的道理。在此謹(jǐn)向盧老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 在實(shí)驗(yàn)室工作及撰寫論文期間，胡少榮、胡聚寧、代勇、唐禹行等同學(xué)對我 論文的研究工作給予了熱情幫助，在此向他們表達(dá)我的感激之情。 最后，我要特別感謝我的家人以及親人和朋友在學(xué)習(xí)和生活上對我給予的關(guān) 心、支持和幫助，在我多年的求學(xué)路上他們給了我無微不至的關(guān)懷，他們的勉勵(lì) 和支持使我得以順利地完成論文。 1 引言 1 1 課題研究背景 信息技術(shù)的飛速發(fā)展，使得人們對網(wǎng)絡(luò)通信的需求也隨之不斷的提高，希望 打破不同的地域或客觀條件的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)“任何人在任何時(shí)候的任何地方與任 何人進(jìn)行任何方式”的通信的目標(biāo)。無線局域網(wǎng)以其更靈活、更廉價(jià)并且易于擴(kuò)展 的特點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。目前以m e e8 0 2 1 1 l l j 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)為主的無線局域網(wǎng)技術(shù) 最受歡迎，它能夠?qū)崿F(xiàn)語音、視頻和電子郵件等的傳輸。 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 世紀(jì)9 0 年代出現(xiàn)的新通信應(yīng)用技 術(shù)，又稱i p 電話。它是把語音、壓縮編碼、打包分組、分配路由、存儲(chǔ)交換、解 包解壓等交換技術(shù)處理在i p 網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)語音通信。目前v o i p 技術(shù)的通話質(zhì) 量盡管不盡人意，但由于價(jià)格上比p s t n 電話便宜得多，所以v o i p 技術(shù)仍在最近 幾年全球多媒體通信中被廣泛研究。 無線局域網(wǎng)技術(shù)和v o i p 技術(shù)都是當(dāng)前的熱門技術(shù)，兩門技術(shù)相結(jié)合，在w i a n 上支持v o i p ，簡稱w b w l a n ( v o i c eo v e rw l 砧奶吲更是當(dāng)前w i ，a n 應(yīng)用領(lǐng)域的熱 點(diǎn)業(yè)務(wù)之一。 1 2 課題研究意義和研究現(xiàn)狀 w l a n 最初也就是為提供無線數(shù)據(jù)接入業(yè)務(wù)而設(shè)計(jì)的，當(dāng)然在其上傳輸語音 業(yè)務(wù)時(shí)，存在以下兩個(gè)問題p j ： ( 1 ) 業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量( q u a l 時(shí)o fs e r v e r ，q o s ) 問題。即在w l 蝌上同時(shí)有多種 業(yè)務(wù)傳輸時(shí)，如何保證話音業(yè)務(wù)分組的及時(shí)和有效傳輸。 ( 2 ) 話音業(yè)務(wù)的容量問題。i e e e8 0 2 1 1 支持的速率高達(dá)兆級，v o i p 語音編 碼的速率僅為幾十k b p s ，從表面上看這樣的通信鏈路能夠支持上百對v o i p 語音流。 然而根據(jù)文獻(xiàn) 6 8 】的分析可知，真正的w l a n 話音容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理想中的容量。 同時(shí)國內(nèi)外現(xiàn)有的對無線局域網(wǎng)上v o i p 的研究更多仍然停留在實(shí)驗(yàn)的層面上 的，對更深一層的理論分析有所欠缺。所以，給出無線局域網(wǎng)上v o i p 業(yè)務(wù)在目前 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制下性能情況的理論分析模型，以及如何改善話音業(yè)務(wù)在w l a n 的服務(wù)質(zhì) 量和提高話音業(yè)務(wù)的容量具有很高的現(xiàn)實(shí)意義。 1 3 本文的工作內(nèi)容 本文通過理論分析和網(wǎng)絡(luò)仿真工具仿真相結(jié)合，重點(diǎn)研究了在8 0 2 1 1 b 【lo 】網(wǎng)絡(luò) 上v o m 性能的語音業(yè)務(wù)用量問題。本文的主要工作有：首先通過理論計(jì)算推導(dǎo)， 分析和計(jì)算了v o p 在選擇不同語音編碼方式的情況時(shí)，在d c f 機(jī)制和p c f 機(jī)制 下的吞吐量和容量問題；其次，通過o n 厄tm o d e l e r 網(wǎng)絡(luò)仿真工具對8 0 2 1 1 b 網(wǎng) 絡(luò)下的語音系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，考察了d c f 和p c f 機(jī)制下的語音性能，同時(shí)驗(yàn)證 了上述的理論分析；最后，針對目前常用的d c f 機(jī)制提出了改進(jìn)方案，一方面使 其更加適合實(shí)時(shí)語音的傳輸，另一方面能夠有效增加語音業(yè)務(wù)在8 0 2 1 1 b 網(wǎng)絡(luò)下的 容量。 1 4 本文的組織結(jié)構(gòu) 第一章為緒論，提出了課題研究背景、課題研究意義和概述了本文所完成的 主要工作內(nèi)容。 第二章主要介紹了無線局域網(wǎng)絡(luò)的組成架構(gòu)，i e e e8 0 2 1 1 協(xié)議的基本知識， 并詳細(xì)介紹了m a c 層d c f 機(jī)制和p c f 機(jī)制。接著本文又介紹了v o 口通信系統(tǒng)， 介紹了v o i p 的封裝原理、相關(guān)協(xié)議、幾種常用語音壓縮編碼技術(shù)和衡量q o s 性能 的指標(biāo)，為后面的理論計(jì)算和仿真分析奠定基礎(chǔ)。 第三章從理論上分析了，a n 上v o i p 的傳輸性能。通過建立數(shù)學(xué)模型和理 論推導(dǎo)，分析和計(jì)算了v o i p 在選擇不同語音編碼方式的情況時(shí)，在d c f 機(jī)制和 p c f 機(jī)制下的吞吐率和容量問題。 第四章通過使用o p n e tm o d e l e r 網(wǎng)絡(luò)仿真工具，選擇在i e e e8 0 2 1 1 b 網(wǎng)絡(luò)上 對前文推導(dǎo)出的理論模型進(jìn)行了仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證了理論的相 應(yīng)的理論分析。 第五章接著針對現(xiàn)有d c f 機(jī)制的缺陷提出自己的改進(jìn)方案，使其能夠更加適 合語音的傳輸和提高語音業(yè)務(wù)的容量，并通過網(wǎng)絡(luò)仿真驗(yàn)證了改進(jìn)方案的優(yōu)越性。 第六章對本文論文的工作進(jìn)行的總結(jié)，提出目前研究的不足并指出了將來要 做的工作。 2 2w l a n 和v o i p 的概述 2 1 無線局域網(wǎng)w l a n 無線局域網(wǎng)( w l e s sl o c a l 觚a n 咖o r k ，w l a n ) 就是在局部區(qū)域內(nèi)以無線 媒體或介質(zhì)進(jìn)行通信的無線網(wǎng)絡(luò)。使用無線局域網(wǎng)技術(shù)接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備不必受限 在一個(gè)固定節(jié)點(diǎn)上，而是可以隨意移動(dòng)，自由變換位置，用戶終端之間不用連線， 進(jìn)而降低了組網(wǎng)成本，也省去了許多日常的線纜維護(hù)，網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展和調(diào)整也更加 靈活方便。 最早的，a n 產(chǎn)品運(yùn)行在9 0 0 m h z 的頻段上，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 頻段上的w l 產(chǎn)品問世，之后的大多數(shù)w l a n 產(chǎn)品也都在 此頻段上運(yùn)行。目前的w l a n 產(chǎn)品所采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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 藍(lán)牙等【1 1 】。本文重點(diǎn)介紹執(zhí)行i e e e8 0 2 1 1 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的無線接入技術(shù)。 2 1 1i e e e8 0 2 11 的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) i e e e8 0 2 1 1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖2 1 ，其組成包括：無線站點(diǎn)( s t a l i o n ，s t a ) ， 無線介質(zhì)( w h l e s sm e d i 啪，w m ) ，無線接入點(diǎn)( a c c e s sp o i n t ，a p ) ，獨(dú)立基本 服務(wù)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 ) ，基本服務(wù)子集( b a l s i cs e i c es e t ， b s s ) ，分布式系統(tǒng)( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，d s ) 和擴(kuò)展服務(wù)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 。 站點(diǎn)也稱主機(jī)或終端，是無線局域網(wǎng)的最基本組成單元。無線接入點(diǎn)是一個(gè) 特殊的站點(diǎn)，用于提供站點(diǎn)和現(xiàn)有骨干網(wǎng)絡(luò)之間的橋接?；痉?wù)子集的每個(gè)單 元包含若干個(gè)站點(diǎn)。用于連接多個(gè)基本服務(wù)子集的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件被稱作分布式系統(tǒng)。 分布式系統(tǒng)和多個(gè)基本服務(wù)子集構(gòu)成一個(gè)任意大小的無線網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)既為擴(kuò)展 服務(wù)集。 無線局域網(wǎng)提供了非常強(qiáng)的組網(wǎng)靈活性，它定義了兩種工作模式：a d h o c 網(wǎng) 絡(luò)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)【4 】。a d h o c 網(wǎng)絡(luò)是一種獨(dú)立的b s s ，沒有a p ，站點(diǎn)之間的關(guān)系 是對等的。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，至少要有一個(gè)a p 。a p 是b s s 的中心控制站，網(wǎng)中 的站點(diǎn)在該中心站點(diǎn)的控制下與其他站點(diǎn)通信。 3 7 一、 e s s 1l33 j b s s ?j ，一，一一飛。r 。：。：i j ；，一一 。- 、 ：d s 卡藩、) j ?：岔：_，7。 j 、 、 、， 圖2 1i e e e8 0 2 1 1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 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 眥e 2 1 2i e e e8 0 2 1 1 的m a c 幀格式 為了完成數(shù)據(jù)的傳輸，i e e e8 0 2 1 l 的m a c 層將從協(xié)議棧高層接受的數(shù)據(jù)加 入相應(yīng)的頭部和尾部信息后封裝成為一個(gè)完整的幀，然后可靠地將其發(fā)送到對等 協(xié)議層。 下圖2 2 描述了一個(gè)通用的m a c 幀格式。每個(gè)幀由以下部分組成：1 ) m a c 頭部，該部分包括幀控制域、持續(xù)時(shí)間域、地址和順序控制等信息。2 ) 幀實(shí)體， 該部分包括幀類型特定信息，其長度可變，最小的幀實(shí)體為o 字節(jié)。如果幀實(shí)體 沒有加密，則其最大長度是2 3 0 4 字節(jié)；如果幀實(shí)體被加密，則其最大長度為2 3 1 3 字節(jié)。3 ) 幀校驗(yàn)序列( f r a m ec h e c ks e q u e n c e ，f c s ) ，包括一個(gè)i e e e3 2 位循環(huán) 冗余校驗(yàn)碼。 圖中具體每個(gè)域字段的含義請參考文獻(xiàn)【1 7 】，這里不再一一敘述。 4 2266626 0 2 3 1 34 幀控制持續(xù)時(shí)間地址1地址2地址3 順序控制 地址四 幀實(shí)體 f c s mac頭部 圖2 2m a c 幀格式 f i g u 陀2 - 2m a cf r 鋤ef 0 咖a t 2 1 3i e e e8 0 2 1 1 的無線媒體接入機(jī)制 i e e e8 0 2 1 1 的m a c 層定義了兩種接入機(jī)制：分布式協(xié)調(diào)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 ) 和點(diǎn)協(xié)調(diào)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 ) ， 如圖2 3 所示。 無爭用服務(wù) ( 選用) 爭用服務(wù) 一l ( 必；頁實(shí)現(xiàn)) jl 點(diǎn)協(xié)調(diào)功能p c f 分布協(xié)調(diào)功能d c f 物理層 l 訇2 3i e e e8 0 2 1 1 的m a c 層 f i g u r e2 3i e e e8 0 2 1lm a cl a y e r ( 1 ) 幀間間隔 為了盡量避免碰撞，i e e e8 0 2 11 規(guī)定，所有的站點(diǎn)在完成發(fā)送后，必須等待 一段很短的時(shí)間才能發(fā)送下一幀。這段時(shí)間通常稱為幀間間隔( i n t e r - h 鋤es p a c e ， i f s ) 。幀間間隔的長度取決于該站打算發(fā)送的幀類型。高優(yōu)先級需要等待的時(shí)間 較短，可優(yōu)先獲得發(fā)送權(quán)，而低優(yōu)先級幀就必須等待較長的時(shí)間。圖2 4 顯示了幾 十f蚤po湖ill丫 種常用的幀間隔【l 引。 短幀間間隔( s h o r th l t e r - f 姍es p a c e ，s i f s ) ，是e e8 0 2 1 1 規(guī)定的最短的 幀間間隔，用來分隔開屬于一次對話的各幀。在這段時(shí)間內(nèi)，一個(gè)站點(diǎn)能夠從發(fā) 送方式切換到接收方式。 點(diǎn)協(xié)調(diào)功能幀間間隔( p c fi i l t e r - f r 鋤es p a c e ，p i f s ) ，是為了在開始使用p c f 方式時(shí)優(yōu)先獲得接入媒體中。p i f s 的長度是s i f s 加一個(gè)時(shí)隙時(shí)間的長度。 分布協(xié)調(diào)功能幀間間隔( 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 的站點(diǎn)競爭信道時(shí)的最小幀間隔。d i f s 的長度比p 正s 再多一個(gè)時(shí)隙的長度，p i f s 比d i f s 短，這使得采用p c f 的幀相比于采用d c f 的幀，更容易獲得無線信道的使用 權(quán)。 擴(kuò)展的幀間間隔( 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 ) ：沒有正確接收m a c 幀的站點(diǎn)的等待時(shí)間。所有的幀間間隔中長度最長。 上述各種幀間間隔和提及的時(shí)隙的具體長度，都取決于所使用的物理層特性。 退避 上一次傳輸下一次傳輸 短幀間間隔s i f s _ 一 點(diǎn)協(xié)調(diào)功能幀間間隔p i f s 時(shí)隙 分布協(xié)調(diào)功能幀間間隔d i f s 擴(kuò)展的幀間間隔e i f s 圖2 - 4 基本接入機(jī)制的幾種幀間間隔 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 機(jī)制 d c f 是i e e e8 0 2 1l 的m a c 層基本的接入機(jī)制，它采用載波監(jiān)聽多點(diǎn)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， 在所有的站點(diǎn)上都要實(shí)現(xiàn)，可用于a d h o c 網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。 在c s m 刖c a 模式下，一個(gè)站點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前，必須首先監(jiān)聽是否有其他站點(diǎn) 在信道中發(fā)送數(shù)據(jù)，如果監(jiān)聽到信道空閑時(shí)間大于d i f s 后，那么站點(diǎn)就可以發(fā)送 數(shù)據(jù)；否則，推遲數(shù)據(jù)的發(fā)送，選擇退避時(shí)間進(jìn)入退避。退避的是通過二進(jìn)制退 避算法來執(zhí)行的。 發(fā)送站點(diǎn)通過競爭得到信道后，直接發(fā)送數(shù)據(jù)幀。為了增強(qiáng)傳輸?shù)目煽啃裕?i e e e8 0 2 1 1 d c f 使用了m a c 層確認(rèn)機(jī)制，接收站點(diǎn)檢驗(yàn)所收到的數(shù)據(jù)幀的c r c ， 6 如果正確，則在等待s i f s 間隔后，向發(fā)送站點(diǎn)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)幀a c k 以表明沒有碰 撞發(fā)生。如果在一定的時(shí)間內(nèi)，沒有返回a c k ，發(fā)送站點(diǎn)使用退避算法重傳該幀。 圖2 5 所示為d c f 基本接入機(jī)制示意圖。 圖2 - 5d c f 基本接入機(jī)制 f i g u 恍2 5d c f b 笛i ca c c e s sm e c h 鋤i s m ( 2 ) p c f 機(jī)制 d c f 只能提供競爭型的異步業(yè)務(wù)，實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)傳輸?shù)臅r(shí)延較大。為了支持時(shí)延 敏感的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，m e e 8 0 2 1 l 標(biāo)準(zhǔn)還提供了一種用戶可按需選擇的點(diǎn)協(xié)調(diào)功能p c f 的接入機(jī)制。p c f 是可選的方式，只適用于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，依賴于d c f 接入方式 而存在，通過接入點(diǎn)a p 的點(diǎn)協(xié)調(diào)器( p c ，p o i n tc 0 0 r d i n a t o r ) 來決定當(dāng)前哪一個(gè)站 點(diǎn)有權(quán)發(fā)送數(shù)據(jù)。p c f 機(jī)制通過d c f 機(jī)制以較高的優(yōu)先級來競爭信道，獲得信道后， 將通過發(fā)送信標(biāo)幀( b f ，b e a c 0 nf m m e ) 定義無爭用期( c f p ，c o n t e n t i o nf r e ep 耐o d ) 通知站點(diǎn)p c f 機(jī)制開始運(yùn)作?；痉?wù)子集內(nèi)所有的站點(diǎn)在每個(gè)c f p 的開始，設(shè) 置它們的網(wǎng)絡(luò)分配矢量n a v ，告訴其它所有的站點(diǎn)該段時(shí)間內(nèi)要延遲接入信道。 p c f 機(jī)制采用輪詢的工作方式，在c f p 期間，點(diǎn)協(xié)調(diào)器p c 維護(hù)一個(gè)需要輪詢的 站點(diǎn)列表，逐個(gè)向表中站點(diǎn)發(fā)送c f p o l l 幀輪詢，站點(diǎn)接收到輪詢幀后，如果有數(shù) 據(jù)需要發(fā)送，將數(shù)據(jù)幀傳遞給點(diǎn)協(xié)調(diào)器p c ，再由p c 根據(jù)幀內(nèi)包含的地址轉(zhuǎn)發(fā)給目 的站點(diǎn)。若p c 在等待了一段時(shí)間后沒有收到被輪詢站點(diǎn)的響應(yīng)，表示此時(shí)該站點(diǎn) 沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則p c 繼續(xù)輪詢其它的站點(diǎn)，直到c f p 結(jié)束?？刂茙琧 f e n d 的發(fā) 出標(biāo)志著的c f p 的結(jié)束。圖2 6 顯示了p c f 的工作過程。 7 o r r吖 p 爿島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 技術(shù) 2 2 1v o i p 概述 c f p m 戤d 哪d 圖2 6 p c f 工作過程 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 ) 也稱i p 電話，是在i p 網(wǎng)絡(luò)上傳送話音業(yè)務(wù)的技術(shù)。v o i p ： 語音信號的處理是在發(fā)送端先將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過語音編碼算法： 語音信號進(jìn)行處理，然后再封裝成i p 分組通過i p 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去；在接收端， 先利用緩沖器來調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的抖動(dòng)，然后經(jīng)過解碼器將語音分組解壓縮，最。 解碼還原為模擬語音信號【3 】【1 引。 整個(gè)過程如下圖2 7 所示。 r 、模擬電器信號 二進(jìn)制位數(shù) 分組流 i p 數(shù)據(jù)包 二刊接收器 ：糾模擬轉(zhuǎn)化器 = 二判壓縮編碼器 二蚓i p 封裝發(fā)送卜p i p 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò) 發(fā)生器矧模擬轉(zhuǎn)換器觚黧鵬徽髫 解 斟 模擬電氣信號二進(jìn)制位數(shù)流分組流 i p 數(shù)據(jù)包 圖2 7v o i p 語音處理流程 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 數(shù)據(jù)包一般采用r t p 舢d p 佃方式封裝，把語音負(fù)荷從上往下封裝進(jìn)v o i p 幀。v o w u 心是用w l a n 承載v o i p 的技術(shù)，即v o i p 幀是w l a n 的m s d u 。圖2 8 顯 示了v o p 數(shù)據(jù)包在w l a n 網(wǎng)絡(luò)中封裝的全部過程，數(shù)據(jù)包每經(jīng)過一層都加入相應(yīng) 的包頭開銷【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 鋤既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 關(guān)鍵技術(shù) 圖2 8v o i p 包的封裝 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 相關(guān)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) v o i p 使用了許多通信協(xié)議，通過下圖2 9 的協(xié)議棧可知，v o i p 包含三個(gè)主要的 方面，分別是信令、網(wǎng)關(guān)控制協(xié)議和媒體控制協(xié)議【2 0 】。 建立一次v o i p 的會(huì)話，需要信令來控制會(huì)話的建立、修改和終止。目前的最 常用的信令協(xié)議主要有兩種，分別是i t u t 制定的h 3 2 3 協(xié)議和i e t f 制定的s i p 協(xié) 議，兩種信令協(xié)議都支持u d p 和t c p 。網(wǎng)關(guān)控制協(xié)議的作用是為了實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之 間的轉(zhuǎn)換與互通。媒體控制協(xié)議的作用在于保證v o i p 通話質(zhì)量，利用r t p 和r t c p 協(xié)議來保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的通信，選擇不同的語音編碼方式以便充分利用網(wǎng)絡(luò)的資源。 9 曰日固曰日日 二二 二二二三二 圖2 - 9 v o i p 協(xié)議棧 f i g u r e2 - 9v 0 i pp o r i ，t o c o ls t a c k 下面對不同的協(xié)議分別做一些簡單的介紹： 1 ) h 3 2 3 協(xié)議【2 l 】 h 3 2 3 是i t u t 制定的在i p 網(wǎng)絡(luò)上傳輸音頻、視頻和數(shù)據(jù)的規(guī)范。h 3 2 3 標(biāo)準(zhǔn)主 要是針對呼叫信令和控制、多媒體傳輸和控制，以及點(diǎn)對點(diǎn)和多點(diǎn)會(huì)議的帶寬控 制。h 3 2 3 是目前v o i p 系統(tǒng)的主流協(xié)議，我國的商用i p 電話骨干網(wǎng)使用的就是h 3 2 3 協(xié)議。 h 3 2 3 標(biāo)準(zhǔn)是i t u t 有關(guān)多媒休通信的一個(gè)協(xié)議集，編碼機(jī)制、協(xié)議范圍和基 本操作類似于i s d n 的q 9 3 1 信令協(xié)議的簡化版本，高層應(yīng)用之間、提供設(shè)備之間和 提供商之間的互操作性，獨(dú)立于硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)，不依賴于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，還具 備相當(dāng)?shù)撵`活性，支持包含不同功能的節(jié)點(diǎn)之間的會(huì)議和不同網(wǎng)絡(luò)之間的會(huì)議。 由于h 3 2 3 不支持組播發(fā)送會(huì)議，因此只能采用多點(diǎn)控制單元m c u 來構(gòu)成會(huì) 議。h 3 2 3 也不支持呼叫轉(zhuǎn)移，且建立呼叫的時(shí)間比較長。 2 ) s i p 協(xié)議【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 制定的一個(gè)應(yīng)用層控制協(xié)議，也稱為 會(huì)話初始協(xié)議。該協(xié)議只定義會(huì)話建立、修改及結(jié)束等進(jìn)程，不涉及媒體控制。 s p 協(xié)議的出發(fā)點(diǎn)是以現(xiàn)有的i n t e m e t 協(xié)議為基礎(chǔ)來構(gòu)架i p 電話業(yè)務(wù)網(wǎng)，有這與 h 3 2 3 完全不同的設(shè)計(jì)思想。它是一個(gè)分散式的協(xié)議，將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的復(fù)雜性推向網(wǎng) 絡(luò)的邊緣。在設(shè)計(jì)上定位于分布式的呼叫模型，會(huì)話終端可以通話組播、單播或 者兩者結(jié)合的方式進(jìn)行通信，具有分布式組播功能和簡單、開發(fā)、兼容性好、可 擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。 與h 3 2 3 相比，s i p 是基于文本的協(xié)議，呼叫建立快，支持號碼傳送，支持移動(dòng) 性，更適用于智能用戶終端。s i p 目前正處于一種不斷擴(kuò)充、完善的過程中，其中 蘊(yùn)含著許多創(chuàng)新的機(jī)會(huì)，同時(shí)也存在著許多創(chuàng)新的機(jī)會(huì)。 l o 3 ) r t p 協(xié)議四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 ) 被稱為實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議，是用于i n t e m e t 上針對多媒體數(shù)據(jù)流的一種傳輸協(xié)議。一個(gè)r 1 t 會(huì)話使用兩個(gè)端口：一個(gè)給i m ， 一個(gè)給r t c p ( 實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議，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 為按順序傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包提供可靠的傳輸機(jī)制，也不提供擁塞控制和流量控制，它 依靠i 玎c p 來監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸，提供最小的控制和識別功能。 4 ) 語音壓縮編碼技術(shù)【2 4 】 語音壓縮編碼技術(shù)是i p 電話技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。編解碼器的主要功能是 在發(fā)送端把語音等模擬信號轉(zhuǎn)換并壓縮成數(shù)據(jù)包，而在接收端還原成語音信號。 下表2 1 是集中常用的編碼標(biāo)準(zhǔn)。 表2 1 幾種常用語音編碼方式的參數(shù) t a b l e2 1c 0 m m o nv 0 i c ee n c o d i n gp a 陽m e t e r s 編碼器 編碼算法 比特率( 1 ( b p s )幀時(shí)長( m s )幀字節(jié)數(shù)( 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 問題 由于i p 網(wǎng)絡(luò)的盡力而為的特征，使語音、視頻等多媒體數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)得不到特 別的保障，這就影響了v o i p 的質(zhì)量。國際上對基于i p 的語音q o s 一般從端到端時(shí)延、 時(shí)延抖動(dòng)和丟包率等【2 6 】幾個(gè)方面來評價(jià)。 1 ) 端對端時(shí)延 根據(jù)i t u t 組織建議使用g 1 4 4 協(xié)議阿，端到端時(shí)延規(guī)定如下：0 m s 1 5 0 m s 對大 部分應(yīng)用都可接受；1 5 0 m s 4 0 0 m s 對于部分的應(yīng)用可接受；4 0 0 m s 以上對于一般的 通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用不可接受。 2 ) 時(shí)延抖動(dòng) 在v o i p 技術(shù)中，時(shí)延抖動(dòng)一般是指語音流中兩個(gè)連續(xù)的語音包的端到端時(shí)延 的差值。時(shí)延抖動(dòng)對需要規(guī)則化傳輸包的v o i p 等技術(shù)應(yīng)用的性能有顯著的影響。 抖動(dòng)是由網(wǎng)絡(luò)的擁塞、數(shù)據(jù)包大小的變化還有數(shù)據(jù)包的失序等因素引起的?？梢?接受的抖動(dòng)值是在0 m s 到1 5 0 m s ，超過這個(gè)范圍將認(rèn)為是不可接受的。 3 ) 數(shù)據(jù)包丟失率 數(shù)據(jù)包丟失被定義為數(shù)據(jù)包被傳輸路徑中的媒體鏈路、節(jié)點(diǎn)和終端系統(tǒng)有意 或無意的丟棄。網(wǎng)絡(luò)阻塞、時(shí)延或者錯(cuò)誤重傳都可能導(dǎo)致丟包，進(jìn)而使談話間斷。 我們用丟包率來衡量數(shù)據(jù)包的丟失，一般認(rèn)為丟包率在o 到1 5 之間是可以接受 的，超過這個(gè)范圍是不可接受的。 4 ) 吞吐量 吞吐量是在一定時(shí)間段內(nèi)對網(wǎng)上流量( 或帶寬) 的度量。吞吐量出沖突率、 延時(shí)、抖動(dòng)等因素決定，一般講，吞吐量越大越好。 2 3 本章小結(jié) 本章是一個(gè)理論介紹性的章節(jié)，主要介紹了i e e e8 0 2 1 1 無線局域網(wǎng)和v o i p 通信系統(tǒng)的相關(guān)知識，為后續(xù)的章節(jié)做二個(gè)理論為鋪墊。 1 2 3 理論分析 本章通過理論分析推導(dǎo)了d c f 和p c f 機(jī)制下v o 口在w i ，a n 上的系統(tǒng)吞吐量公 式，接著根據(jù)該公式得到了兩種機(jī)制下v o i p 的理論容量值。 3 1d c f 機(jī)制下v o i p 的系統(tǒng)容量分析 本節(jié)根據(jù)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 鋤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 中提出二進(jìn)制指數(shù)退避的里程碑模型來分 析d c f 機(jī)制下v o i p 的系統(tǒng)容量的。 3 1 1 數(shù)據(jù)包傳輸概率和條件碰撞概率 c s m 刖c a 采用二進(jìn)制退避算法，一個(gè)時(shí)隙。為退避的最小時(shí)間間隔。二進(jìn)制 退避算法是這樣的，當(dāng)站點(diǎn)監(jiān)聽到到信道空閑時(shí)間不大于d i f s 時(shí)或發(fā)生碰撞時(shí)， 該站點(diǎn)要選擇一個(gè)退避時(shí)間進(jìn)行退避，根據(jù)均勻分布規(guī)則，該站點(diǎn)要從 0 ，c w 二1 】 中隨機(jī)選取一個(gè)整數(shù)值，再將該值乘以一個(gè)時(shí)隙6 即得到退避時(shí)間。c w 是退避窗 口，c w = 2 l c w m i i l ，i ( 0 ，m ) ，i 是退避階次，m 代表退避算法可退避的最大退避階 次，c w m 戤= 2 m c w m i i l 。 令一個(gè)站點(diǎn)的退避時(shí)間計(jì)數(shù)器的取值的統(tǒng)計(jì)過程表示為b ( t ) ，兩個(gè)連續(xù)的時(shí)隙 分別為t 和t + 1 ，在每個(gè)時(shí)隙的開始時(shí)刻這個(gè)計(jì)數(shù)器減1 。b ( t ) 不是馬爾可夫過程，因 為其值依賴于于一個(gè)幀的先前的傳輸。令在時(shí)刻t 站點(diǎn)的退避階次( 0 ，n 1 ) 的隨 機(jī)過程為s ( d ，則s ( t ) 的取值范圍為( o ，m ) ，b ( t ) 取值范圍為( o ，c w 二1 ) 。 假設(shè)p 為條件碰撞概率，且其值恒定并相互獨(dú)立，假設(shè)站點(diǎn)的每次傳輸?shù)呐鲎?概率和碰撞次數(shù)無關(guān)，那么就可以把非馬爾可夫過程的退避算法變換成一個(gè)二維 離散時(shí)間的馬爾可夫鏈 s ( t ) ，b ( t ) ，如圖3 1 所示。 那么通過對圖3 1 的分析可得狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)如下： p i ，kii ，k + 1 = 1k ( o ，w ：一2 )i ( o ，m ) 黜墨苯玀妻莖甚二：；：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 ) 表達(dá)式中我們利用了簡化的表達(dá)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 ) 圖3 - 1 馬爾可夫鏈模型 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，第一個(gè)等式的意思是對于任意退避階次，站點(diǎn)執(zhí)行退避時(shí)，： 減少一個(gè)時(shí)隙，退避時(shí)間計(jì)數(shù)器減1 的概率為1 。第二個(gè)等式的意思是，對于一 一退避階次的數(shù)據(jù)傳輸過程而言，在一個(gè)幀成功傳輸之后，新的下幀從退避1 次o 開始，退避時(shí)間初始值是從( 0 ，w o 一1 ) 中等概率的取一個(gè)整數(shù)值。第三個(gè)等式： 示了，數(shù)據(jù)包傳輸?shù)耐吮芤呀?jīng)i 1 次，然而在再次重傳時(shí)卻又發(fā)生了碰撞，此時(shí)： 避階次加1 ，退避時(shí)間值從( o ，w i 1 ) 中等概率選取一個(gè)整數(shù)值。最后一個(gè)等式i 含義是，退避階次已經(jīng)達(dá)到了最大，如果數(shù)據(jù)包的在傳輸中又發(fā)生了碰撞，要： 行重新傳輸時(shí)退避階次不再加1 ，仍取最大值m ，退避時(shí)間值從( o ，w m 1 ) 中等j 率取一整數(shù)值。 長時(shí)間觀察站點(diǎn)退避時(shí)間的二維隨機(jī)過程，此時(shí)馬爾可夫鏈表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)分看 即可令b i k = l i i n ，p s ( t ) = i ，b