無(wú)線局域網(wǎng)上VoIP傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量機(jī)制研究.pdf

1、無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)從其被提出的時(shí)候開始，就因其高帶寬、支持移動(dòng)、簡(jiǎn)單靈活、低廉方便的特點(diǎn)獲得了極大的發(fā)展和應(yīng)用。隨著WLAN技術(shù)的不斷完善和成熟，在WLAN上傳輸多媒體包括語(yǔ)音、音頻和視頻等信息成為需要和可能。VoIP技術(shù)和WLAN技術(shù)的融合是未來(lái)通信技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。由于IEEE802.11WLAN系統(tǒng)主要采用的是基于競(jìng)爭(zhēng)的分布式接入模式，VoIP等多媒體流在其之上傳輸時(shí)難以得到良好的帶寬保證。VoIP在WLAN上傳輸時(shí)受到較多方面的限

2、制，如容量較小、語(yǔ)音質(zhì)量難以保證、缺乏合適的接納控制調(diào)度機(jī)制等問(wèn)題。因此，怎樣提升WLAN上VoIP傳輸容量，增強(qiáng)傳輸可靠性，提高傳輸質(zhì)量等成為當(dāng)前推廣WLAN上VoIP廣泛應(yīng)用急需要解決的問(wèn)題。本文重點(diǎn)對(duì)這幾個(gè)方面的問(wèn)題進(jìn)行研究。 IEEE802.11e草案提出了在WLAN中增強(qiáng)QoS機(jī)制的方法和原理，但它僅僅為VoIP提供了最高優(yōu)先級(jí)調(diào)度的功能，而在容量水平提高方面、語(yǔ)音質(zhì)量保證等方面沒(méi)有進(jìn)行規(guī)范，其接納控制過(guò)程也沒(méi)有考慮V

3、oIP傳輸過(guò)程中帶寬預(yù)留的實(shí)際需要以及站點(diǎn)移動(dòng)情況下的接納調(diào)度問(wèn)題。針對(duì)這些情況，本文在全面分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，圍繞著提高WLAN上VoIP傳輸?shù)哪芰退?，在容量水平分析、提高容量的方法、接納控制方法、移動(dòng)時(shí)自動(dòng)速率的選擇和動(dòng)態(tài)資源預(yù)留接納控制等方面進(jìn)行深入研究，提出相應(yīng)的解決方法。 本文研究工作是在“公共無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)安全體系及其應(yīng)用研究(國(guó)家863計(jì)劃No.2002AA143010)”和“WPA安全體系及其應(yīng)用研究(

4、國(guó)家863計(jì)劃No.2003AA143040)”項(xiàng)目基礎(chǔ)上進(jìn)行的。首先，分析了VoIP在IEEE802.11各標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議上傳輸?shù)娜萘恐?，提出了基于發(fā)送負(fù)載均衡方法來(lái)提高VoIP在IEEE802.11各標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議上的傳輸容量；接著分析了WLAN上VoIP傳輸時(shí)的接納控制問(wèn)題，提出了基于活動(dòng)站點(diǎn)估計(jì)并考慮帶寬資源預(yù)留的接納控制方法和基于信道測(cè)量的信道利用估計(jì)(MA-CUE)接納控制方法；同時(shí)考慮站點(diǎn)移動(dòng)的情況，提出了基于信道預(yù)測(cè)的自適應(yīng)鏈路調(diào)整

5、算法和自適應(yīng)資源預(yù)留CUE接納控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)速率自動(dòng)選擇和自適應(yīng)接納控制過(guò)程；最后分析了WLAN上VoIP技術(shù)的幾種結(jié)合模式和具體應(yīng)用模型，并描述了前面提出的各種機(jī)制和方法在一個(gè)公共無(wú)線局域網(wǎng)具體系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。 本文的主要貢獻(xiàn)包括以下幾個(gè)方面： (1)全面分析了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在WLANQoS方面的相關(guān)研究成果，包括如何支持語(yǔ)音、視頻等多媒體在WLAN上傳輸?shù)南嚓P(guān)機(jī)制和方法。本文將已有的QoS機(jī)制大致分成三大類：(一)分

6、布式QoS保證機(jī)制，包括優(yōu)先級(jí)調(diào)度方法和公平性保證調(diào)度方法；(二)接納控制及帶寬分配機(jī)制；(三)自適應(yīng)鏈路調(diào)整機(jī)制。 (2)針對(duì)VoIP在IEEE802.11WLAN上傳輸受限問(wèn)題，考慮碰撞概率的影響，提出了基于馬爾可夫鏈模型對(duì)VoIP在IEEE802.11各標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議上傳輸?shù)淖畲笕萘恐颠M(jìn)行分析。仿真驗(yàn)證結(jié)果表明，在不同的傳輸速率和不同語(yǔ)音包大小情況下，VoIP的傳輸容量值是不一樣；傳輸速率越高，VoIP語(yǔ)音包越大，其對(duì)應(yīng)的容量值

7、也越大。 (3)提出了基于發(fā)送負(fù)載均衡(TLB)機(jī)制的VoIP傳輸容量提高方法。該方法針對(duì)VoIP鏈路的雙向傳輸特性，分析了在多路VoIP傳輸時(shí)AP上存在的下行發(fā)送重負(fù)載問(wèn)題，提出了降低AP發(fā)送負(fù)載的TLB機(jī)制。該機(jī)制均衡了AP和站點(diǎn)之間的發(fā)送負(fù)載問(wèn)題，并降低了幀頭和協(xié)議額外負(fù)載對(duì)語(yǔ)音傳輸?shù)挠绊?。?shù)值計(jì)算和仿真結(jié)果表明，TLB機(jī)制在IEEE802.11b下可以提高50％的容量水平，在802.11a/g和802.11e下，容量水平

8、甚至可提高60％。 (4)在IEEE802.11e接納控制基礎(chǔ)上，提出了兩種針對(duì)VoIP傳輸?shù)慕蛹{控制方法，即在全VoIP傳輸環(huán)境中的基于活動(dòng)站點(diǎn)估計(jì)的接納控制方法和在混合數(shù)據(jù)VoIP傳輸環(huán)境中的基于信道測(cè)量的改進(jìn)CUE接納控制方法。這兩種接納控制方法都考慮了帶寬的資源預(yù)留，同時(shí)考慮VoIP鏈路的雙向傳輸特性，計(jì)算簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)性好，效率高。 (5)針對(duì)VoIP連接的站點(diǎn)在AP覆蓋范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)需要解決的自動(dòng)速率選擇問(wèn)題，以

9、及在剛開始接納這路VoIP時(shí)的資源預(yù)留問(wèn)題，提出了基于信道預(yù)測(cè)的自適應(yīng)速率選擇算法和自適應(yīng)資源預(yù)留CUE接納控制方法。自適應(yīng)速率選擇算法采用線性AR預(yù)測(cè)模型，根據(jù)歷史接收幀的RSS數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)出當(dāng)前數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)的RSS值，并結(jié)合發(fā)送幀長(zhǎng)度和幀重傳數(shù)來(lái)共同決定當(dāng)前數(shù)據(jù)發(fā)送的最佳速率選擇。仿真結(jié)果表明該方法能更準(zhǔn)確地選擇幀發(fā)送的速率，提高吞吐量。針對(duì)站點(diǎn)移動(dòng)情況下的資源預(yù)留接納控制過(guò)程，提出了一種自適應(yīng)資源預(yù)留CUE接納控制方法，根據(jù)各站點(diǎn)的站

10、點(diǎn)移動(dòng)歷史，記錄在過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)站點(diǎn)的速率變化的過(guò)程，統(tǒng)計(jì)出對(duì)應(yīng)的使用概率，估計(jì)出一個(gè)考慮移動(dòng)預(yù)留的期望速率值，然后根據(jù)這個(gè)期望速率值來(lái)計(jì)算期望CUE并進(jìn)行接納控制，從而得到合適的資源預(yù)留量來(lái)保證站點(diǎn)移動(dòng)時(shí)通話的可靠保持及帶寬資源節(jié)省之間的均衡。 (6)最后，分析了WLAN和VoIP結(jié)合的模式，以及WLANVoIP模式在家庭、企業(yè)和公共熱點(diǎn)地區(qū)的應(yīng)用模型，同時(shí)還指出了前面提出的各機(jī)制和方法在一個(gè)公共無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)中具體實(shí)現(xiàn)的過(guò)程