無線城域網上VoIP服務質量關鍵技術研究.pdf

1、IEEE 802.16系列標準是工作在2G到66GHz的無線城域網標準，無線城域網能夠通過基站(BS)向用戶站(SS)提供固定或移動的無線寬帶接入，具有部署快、成本低、容量大和支持移動等優(yōu)點。為保證無線環(huán)境下的系統(tǒng)性能，無線城域網采用TDM/TDMA時分多址接入，為了發(fā)揮OFDM的優(yōu)勢，支持TDMA和OFDMA相結合的方式，同時提出了明確的業(yè)務流服務質量(QoS)要求。雖然無線城域網的初衷是解決無線寬帶接入的問題，主要服務為數(shù)據(jù)業(yè)務，但

2、是對多媒體業(yè)務尤其是VoIP業(yè)務的支持能力關系著整個無線城域網的發(fā)展，VoIP業(yè)務除了要求足夠的帶寬以外，還需要滿足時延和時延抖動的要求。IEEE 802.16標準提出了相應的QoS規(guī)范，但并不涉及QoS的實現(xiàn)方案和具體算法，如何在確保寬帶數(shù)據(jù)接入的情況下，更好的支持VoIP業(yè)務，提高VoIP的容量和資源利用效率成為實現(xiàn)和推廣無線城域網過程中急需解決的問題。為此，本文在分析國內外相關研究的基礎上，圍繞著如何保障網絡中VoIP業(yè)務的QoS

3、要求，從VoIP的容量、接納控制和帶寬分配等方面進行深入研究，提出相應的方案和算法。 根據(jù)無線城域網的體系結構，包括組網結構和網元結構，深入分析了IEEE 802.16系統(tǒng)的QOS規(guī)范、架構模型以及VoIP的研究成果，指出了VoIP在無線城域網中傳輸時面臨的問題，為系統(tǒng)實現(xiàn)和深入研究提供指導和依據(jù)。根據(jù)VoIP業(yè)務流自身的統(tǒng)計特性，分析了無線城域網中VoIP的容量特性，并得到了容量極限，進而提出了VoIP的帶寬分配方法；針對Vo

4、IP業(yè)務流自身特點和傳輸機制，提出了VoIP接納控制的兩個準則：優(yōu)先級準則和彈性準則，在此基礎上提出了基于優(yōu)先級的VoIP彈單性接納控制算法；針對OFDMA模式與FDMA模式的不同，提出了基于業(yè)務分集的VolP資源調度方法，以充分利用VoIP業(yè)務特性帶來的容量增益；最后對Mesh模式下的調度模型進行了研究，提出了基于分層調度的調度模型。 論文的主要貢獻包括以下幾個方面： (1)對IEEE 802.16系統(tǒng)中VoIP的容量

5、特性進行了分析。通過分析IEEE 802.16標準關于VoIP的傳輸機制，指出在VoIP終端的語音編碼方式確定時，除了MAC層的調度算法、協(xié)議開銷以及物理層方式等常規(guī)因素影響VoIP容量外，一個重要因素即語音流的靜默特性嚴重制約了VoIP的容量。在分析了VoIP業(yè)務流統(tǒng)計特性的基礎上，得出在統(tǒng)計復用情況下VoIP的理論容量極限，并針對標準的具體協(xié)議對容量進行了分析。容量分析對VoIP的接納控制和帶寬分配等后續(xù)研究具有指導性的意義。

6、 (2)根據(jù)IEEE 802.16標準中業(yè)務流的帶寬分配機制，提出了基于語音激活路數(shù)預測的統(tǒng)計復用(SM)帶寬調度算法。該算法主動預測VoIP的激活路數(shù)，確保BS能夠隨著語音靜默帶來的速率波動做出恰當?shù)膸挿峙錄Q策，克服了UGS調度導致的帶寬浪費。此外，與已有基于單路VoIP進行帶寬分配的算法不同，SM 算法從聚合VoIP業(yè)務流的角度來解決VoIP的帶寬分配問題，因而能夠避免頻繁帶寬申請帶來的管理負荷。為進一步提高帶寬分配的速度以適應

7、VoIP實時性的要求，根據(jù)生滅過程理論，提出了增強的統(tǒng)計復用(ASM)帶寬分配算法。仿真表明ASM算法能夠達到UGS支持容量的2.5倍，并且在BS和SS之間具有低于1％的平均丟包率和5.1ms以下的平均時延。 (3)根據(jù)IEEE 802.16關于VoIP的傳輸規(guī)范和VoIP服務質量保證機制，指出了區(qū)分VoIP優(yōu)先級對接納控制的必要性和VoIP彈性QoS對接納控制的影響，提出了基于優(yōu)先級的VoIP彈性接納控制算法。該算法能夠根據(jù)剩

8、余帶寬和負載強度逐漸改變接納強度和策略，對不同優(yōu)先級的VoIP業(yè)務表現(xiàn)出不同的接納特性，合理地限制低優(yōu)先級VoIP的接納，根據(jù)概率強度因子和有效帶寬對算法進行了優(yōu)化。根據(jù)Markov模型對拒絕概率進行了分析，仿真表明建議的算法與守衛(wèi)信道策略中的New call bounding算法相比，具有較低的新連接阻塞率和切換連接掉線率。 (4)根據(jù)OFDMA接入模式的特點以及VoIP業(yè)務流對OFDMA資源調度的影響，提出了一種新的分集方式

9、，業(yè)務分集的概念，進而提出了一種基于業(yè)務分集的子載波和功率分配算法。業(yè)務分集指通過發(fā)送端的MAC把同一個用戶內不同類型的業(yè)務分開，每種業(yè)務類根據(jù)各自的誤比特率等特點選擇子載波和功率，資源分配根據(jù)每個業(yè)務進行，而不是用戶本身，因為VoIP等實時業(yè)務與其它各個等級的非實時業(yè)務相比對誤比特率的要求不同，因而對信道的要求也不同；在接收端，這些屬于同一用戶的隔離了的業(yè)務再重新匯聚起來。根據(jù)業(yè)務分集思想，與著名的“貪婪”算法相比提出了“謙虛”算法進

10、行子載波分配，因為VoIP業(yè)務并不需要最好的信道條件。對總功率約束條件下業(yè)務分集帶來的最大數(shù)據(jù)速率進行了理論分析，仿真表明采用業(yè)務分集的OFDMA系統(tǒng)在頻率分集和多用戶分集的基礎上能夠進一步提升25％的數(shù)據(jù)速率。 (5)研究了IEEE 802.16在Mesh模式下的帶寬調度策略，根據(jù)Mesh組網模式下的業(yè)務特點和VoIP業(yè)務的調度要求，提出了分層帶寬調度模型。分層調度模型根據(jù)距離MeshBS的跳數(shù)把Mesh網絡分成內外兩層，內層