[硕士论文精品]无线局域网中voip应用的研究

无线局域网中VOP应用的研究摘要随着无线通信技术和移动终端技术的迅猛发展，以IEEE80211为基础的无线局域网得到了越来越广泛的应用。与此同时，VOLP以其价格低廉、资源利用率高等优点成为当今发展最快的网络应用之一。在这两种技术的推动下，无线局域网中的VOLP应用正逐渐兴起。IEEE80211是现有无线局域网络中使用最为广泛的标准，主要对IS0最底下两层的物理层和MAC层技术进行了规范。MAC层采用两种介质访问控制方式分布式协调功能DCF的竞争访问控制方式和建立在DCF之上的点协调功能PCF的无竞争访问控制方式。DCF是IEEE80211的基本访问控制方式，是强制功能，而PCF则是可选功能。目前使用较为广泛的DCF机制下各节点对信道的使用权是一种基于随机的竞争，它只能提供尽力而为的服务，没有任何的QOS保证，主要是针对对时延和抖动不太敏感的非实时数据业务，不能满足对时延和抖动敏感的话音业务的服务质量要求；而PCF机制则是利用点协调器来对节点进行轮询，集中控制介质的访问，可以通过赋予话音业务较高的优先级来提升VOLP应用的服务质量，因此，研究如何在无线局域网PCF机制下提高VOLP应用的服务质量具有十分重要的推广意义，本论文就是在这样的背景下展开的。本论文首先对VOLP和无线局域网的相关背景知识进行了介绍，接着重点分析了80211B中的PCF接入方式，然后通过学习和借鉴业内己提出的一些改进算法，最终提出具有创新性的HAPS轮询调度算法。该算法针对80211标准PCF接入方式中使用的ROUNDROBIN算法中的空轮询等问题做出了以下改进1区分上下行业务，将DCF阶段分为DOWN阶段和UP阶段；2区分用户所处的不同状态，将用户状态分为TALKSPURT和SILENCE两类。同时在检测用户状态改变方面，使用TALKSPURT检测算法，以尽量减少发送POLL帧的消耗；在轮询调度方面，采用四个列表来管理站点的轮询。最后我们在NS2仿真平台上实现了该算法，并对其进行性能评估，通过对仿真结果的分析得出HAPS算法能够有效地降低时延、减少丢包率，提高了VOLP应用的服务质量的结论。关键词WLANVOLPQOSPCFHAPSRESEARCHABOUTTHEQOSOFTHEVOLPAPPLICATL0NSIN、礼ANABSTRACTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFWIRELESSCOMMUNICATIONSTECHNOLOGYANDMOBILETERMINALTECHNOLOGY,THEWIRELESSLOCALAREANETWORK、礼ANBASEDONIEEE8021LBISNOWWIDELYUSEDINOURDAILYLIFEWHILETHEVOIPAPPLICATIONBECOMESONEOFTHEFASTESTGROWINGNETWORKAPPLICATIONSDUETOITSLOWCOSTANDHIGHERRESOURCEUTILIZATIONRATEDRIVENBYTHESETWOTECHNOLOGIES，VOICEOVERM，ANISBECOMINGPOPULARIEEE80211ISTHEMOSTWIDELYUSEDSTANDARDINCURRENTWIRELESSLOCALAREANETWORK,WHICHDEFINESTHETECHNICALSPECIFICATIONSFORTHEBOTTOMTWOLAYERSOFTHESEVENLAYERISOMODELTHEIEEE80211WIRELESSLANSSTANDARDSPECIFIESTWOMEDIUMACCESSMECHANISMSDISTRIBUTEDCOORDINATIONFUNCTIONDCFANDPOINTCOORDINATIONFUNCTIONPCFINITSMEDIUMACCESSCONTR01SUBLAYERARCHITECTUREDCFISTHEBASICACCESSCONTROLMETHODINIEEE8021LANDITISMANDATORYWHILEPCFISANOPTIONALDCFWASDEVELOPEDFORASYNCHRONOUSDATATRANSMISSION，WHEREALLSTATIONSSHARETHEMEDIUMUSINGTHECARTIERSENSEMULTIPLEACCESSWITHCOLLISIONAVOIDANCEPROTOCOLANDARANDOMBACKOFFMECHANISMITPROVIDESABESTEFFORTSERVICEWITHOUTANYQOSGUARANTEEDCFISOFTENEMPLOYEDFORTHENONREALTIMEDATASERVICEITISDI伍CULTTOSATISFYTHEQOSREQUIREMENTSOFTHEVOICESERVICEWHICHISSENSITIVETOTHEDELAYANDDELAYJITTERPCFWASDEVELOPEDFORSUPPORTINGTIMESENSITIVESERVICES，WHERETHEPOINTCOORDINATORPCHASTHECENTRALIZEDCONTROLOFTHEMEDIUMACCESSANDDETERMINEWHICHSTATIONHASTHERIGHTTOTRANSMITITISPOSSIBLETOGIVEVOICESERVICEHIGHPRIORITYINORDERTOIMPROVETHEQOSOFTHEVOICESERVICETHUS，ITISIMPORTANTTOSTUDYANDRESEARCHONHOWTOIMPROVETHEQOSOFTHEVOIPAPPLICATIONINPCFMECHANISMINWIRELESSENVIRONMENTOURRESEARCHISCARRIEDOUTONTHISBACKGROUNDTHISPAPERFIRSTINTRODUCESTHERELATEDKNOWLEDGEABOUTVOLPAND亿ANTHENFOCUSON也EPCFACCESSMODELBASEDONTHESTUDYOFTHEEXISTINGQOSENHANCEMENTMETHODS，WEPROPOSEANOVELSCHEMEHAPSHYBRIDADAPTIVEPOLLINGSCHEMETHEPROPOSEDSCHEME1DIFFERENTIATESTHEUPLINKANDDOWNLINKBYDIVIDINGTHEDCFPERIODINTODOWNPERIODANDUPPERIOD2DIFFERENTIATESTHEUSERSSTATEBYUSINGTALKSPURTSTATEANDSILENCESTATEINORDERTOREDUCETHECOSTOFPOLLFRAMEATTHESAMETIME，ITEMPLOYSTALKSPURTDETECTIONALGORITHMTODETECTTHECHANGEOFTHEUSESSTATEANDFOURPOLLINGLISTTOMANAGETHEPOLLINGOFTHEWIRELESSNODESFINALLYWEUSENS2TOEVALUATETHEPERFORMANCEOFTHEPROPOSEDSCHEMETHESIMULATIONRESULTSSHOWTHATTHEPROPOSEDSCHEMECANIMPROVETHEQOSOFVOIPAPPLICATIONINWIRELESSNETWORKBYREDUCINGTHEDELAYANDPACKETLOSSRATEEFFECTIVELYKEYWORDSWLANVOLPQOSPCFHAPS独创性或创新性声明本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他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。申请学位论文与资料若有不实之处，本人签名金囱銎本人承担一切相关责任。日期娅盒2。迦关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后遵守此规定保密论文注释本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。本人签名导师签名日期A丛，迦日期霉坚二一北京邮电大学硕士学位论文绪论第一章绪论弟一早珀T匕目前的11R产业领域中，无线局域网和VOP是人们关注的两个热点。用户可以通过无线局域网随时随地接入到网络中来，而不像有线网络那样因为受到线缆的限制只能在固定的地点接入网络；而VOLP应用能够为用户提供比普通的电话成本更低的话音服务，如果能够把WLAN的随时随地的接入到网络中的特点和VOLP的利用数据网络低成本的传递话音业务的特点有机的结合在一起，人们将从中获得极大的便利，特别是一些线缆无法铺设的地区和移动性较强的工作地点，如果使话音和数据业务共享统一的接口和平台，将有效的提高无线局域网的性价比，因此，无线局域网中的VO口应用是一个很有前途的研究方向。11无线局域网中VOLP应用的发展及研究现状无线局域网中的VO口应用又可以简称为VOWLANVOICEOVERWLAN，从某种程度上讲，VOWLAN技术是对VOIP的扩展和更新，将VOP无线化，使用户能更方便更直接地进行语音通信。用户可以通过VOWLAN终端设备在无线局域网的覆盖范围内随时进行语音通话。这既发挥了IP网络成本低的特点，又使用户获得WLAN带来的方便性。VOWLAN系统包括无中心ADHOE和有中心含AP两种结构。前者的组网方式较为简单，用户可以通过智能手机、VOWLAN终端和笔记本电脑等移动节点在无线局域网中利用VO口软件进行通话，缺点是不能接入骨干网中，应用较为受限；而有中心结构是目前使用较为广泛的方式，VOWLAN可以通过以下三种方式接入到骨干网中一是利用传统的PBX，把终端的信号通过AP传输到VOIP网关，再通过传统的PBX接入到PSTN；二是利用原有的局域网资源，直接将终端的信号通过AP和路由器与INTERNET相连三是直接通过路由器接入IPPBX，经IPPBX接入PSTN或INTEMET。目前VOWLAN面临的问题主要有【L】【2】【3】1服务质量QOS保证VOLP是对延时抖动十分敏感的实时性业务，它对QOSL均要求比较高，因此如何在干扰较为严重的无线链路中为其提供QOS保证成了一个非常重要并且亟待解决的问题。2移动性由于IEEE80211协议没有提供一个有效的切换算法，当VOIP节点从一种类北京邮电大学硕士学位论文绪论型的网络如WL埘移动到另一种类型的网络如蜂窝网中，或者在WLAN的不同子网问移动时，受链路层切换和网络层切换的影响，会造成一定的时延和丢包，这将会对VOWLANI拘QOS造成极大的影响，因此如何改善无线局域网中节点切换过程中VOP的话音质量也是业内的一个热点问题。3安全性由于VOM和WLAN两大技术都存在安全隐患，另外再加上WLAN网络的开放性和脆弱性，VOWLAN的安全问题也成了人们十分关注的焦点。本次毕设重点研究VOWLAN的QOS保证问题，分析影响VOLPQOS的因素，接着针对无线局域网这一具体的应用环境，分析如何在无线局域网中提高VOLP应用的服务质量。12课题背景及意义无线局域网中的VOIP应用有着广泛的应用前景和巨大的商业价值，促使业界对其产生了浓厚的兴趣。VOWLAN的相关技术很多，目前主要分布在以下几个方面实现VOLP的网络体系结构及其相关信令、管理、媒体传送、安全协议、V0口的服务质量保证问题等【4】【5】。与传统的VOIP应用相比，无线局域网下的VOLP应用有一个问题非常值得关注，就是如何在较为复杂的无线环境下为语音服务提供服务质量保证。清晰、连续、无间断的通话会给用户带来良好的使用体验，也容易吸引越来越多的用户使用无线局域网下的VOLP业务。如果无线局域网下的VO口系统的语音质量能够达到和普通电话同样的水平，那么该系统在不久的将来则很有可能取代现有的传统固话业务，成为未来通信的首选。但是所有的这一切都是基于无线局域网下的VOLP系统能够提供和现有固话相同的语音质量的前提下的，而现在的实际情况是无线局域网中普遍使用DCF媒体接入方式，该方式对普通数据业务和实时语音业务提供无差别的竞争信道的接入，这使得对实时性要求较高的部分语音业务可能因为信道被一些对实时性要求并不高的数据业务所占用而被迫等待，从而造成VOLP应用服务质量一定程度上的降级。因此，展开如何提高无线局域网中VOIP应用服务质量的研究具有重要的战略意义。13本文的研究工作及内容组成本课题主要研究如何提高无线局域网中VOLP应用的服务质量。本课题的重2北京邮电大学硕士学位论文绪论点是针对IEEE80211协议中的PCF工作方式，结合V0口中话音业务的特点，对PCF中的轮询算法进行改进，以达到优化性能的目的。本课题的主要工作如下1研究V0IP体系结构的框架，了解VOLP的基本原理以及实现过程中的关键环节，分析其中影响服务质量的主要因素，以及了解目前常见的改善IP服务质量的方法。2针对无线局域网这一特殊的网络环境，分析80211协议中PCF的工作方式，以及80211E协议中为提升服务质量而提出的HCCA。3分析研究目前业内已提出的部分改进算法的原理，从中汲取对本课题的研究有价值的部分加以借鉴和学习。4综合以上知识，提出我们自己的改进后的轮询调度算法HAPS，并在NS2仿真平台上进行性能分析。全文共分为五章，第一章介绍了无线局域网中VOP应用的发展及研究现状以及本课题的研究背景和相关的研究工作；第二章主要阐述相关的背景知识，包括VOIP的基本原理和影响VOLPQOS的主要因素，IEEE80211协议中关于PCF的相关内容以及80211E中对提高QOS所作的改进；第三章介绍目前业内已提出的部分改进后的轮询调度方式，从中找出值得借鉴的部分；第四章详细描述我们提出的对PCF轮询机制进行改进后的HAPS调度算法；第五章针对NS2仿真平台，详细地分析和描述上一章中改进后的算法的设计和实现。最后在第六章中对全文的工作进行总结并指明下一步的研究方向。北京邮电大学硕士学位论文理论背景知识第二章理论背景知识21VOIP的相关知识211VOLP的基本原理传统的电话网是以电路交换方式传输语音，所要求的传输带宽为64KBITS。而所谓的VOP是以口分组交换网络为传输平台，对模拟的语音信号进行压缩、打包等一系列的特殊处理，使之可以采用无连接的UDP协议进行传输。语音信号在口网络上的传送要经过从模拟信号到数字信号的转换、数字语音封装成M分组、M分组通过网络的传送、IP分组的解包和数字语音还原到模拟信号等过程。整个过程如图21所示【6J图21、VOIP的传榆过程可以简单地把上述过程分成以下几个阶段1语音一数字转换语音信号是模拟波形，要通过口网络来传输语音，首先必须对语音信号进行模拟数字转换，也就是对模拟语音信号进行8位或6位的量化，然后送入到缓冲存储区中，缓冲器的大小可以根据延迟和编码的要求选择。许多低比特率的编码器是采取以帧为单位进行编码。典型帧长为1030MS。考虑传输过程中的代价，语间包通常由60、120或240MS的语音数据组成。数字化可以使用各种语音编码方案来实现，目前采用的语音编码标准主要有ITUTG711源和目的地的语音编码器必须实现相同的算法，这样目的地的语音设备帮可以还原模拟语音信号。2数据一IP包的转换一旦语音信号进行数字编码，下一步就是对语音包以特定的帧长进行压缩编码。大部份的编码器都有特定的帧长，若一个编码器使用15MS的帧，则一个60MS的语音包包括4帧，按顺序对它们进行编码。每个帧合120个语音样点抽样率为8KHZ。编码后，将4个压缩的帧合成一个压缩的语音包送入网络处理器。网络处理器为语音添加包头、时标和其它信息后通过网络传送到另一端点。语音网络简单地建立通信端点之间的物理连接一条线路，并在端点之间传输编码4北京邮电大学硕士学位论文理论背景知识的信号。M网络不像电路交换网络，它不形成连接，它要求把数据放在可变长的数据报或分组中，然后给每个数据报附带寻址和控制信息，并通过网络发送，一站一站地转发到目的地。3传送网络可以看成是一个从输入端接收语音包，然后在一定时间T内将其传送到网络输出端的通道。T可以在某个范围内变化，反映了网络传输中的抖动。网络中的中间节点检查每个P数据附带的寻址信息，并使用这个信息把该数据报转发到目的地路径上的下一站。网络链路可以是支持口数据流的任何拓结构或访问方法。4IP包一数据的转换目的端的VO口设备接收这个口数据并开始处理。目的端提供一个可变长度的缓冲器，用来调节网络产生的抖动。该缓冲器可容纳许多语音包，用户可以选择缓冲器的大小。小的缓冲器产生延迟较小，但不能调节大的抖动。其次，解码器将经编码的语音包解压缩后产生新的语音包，这个模块也可以按帧进行操作，并且和编码器的长度相同。若帧长度为15MS，是60MS的语音包被分成4帧，然后它们被解码还原成60MS的语音数据流送入解码缓冲器。在数据报的处理过程中，去掉寻址和控制信息，保留原始的原数据，然后把这个原数据提供给解码器。5数字一语音转换播放驱动器将缓冲器中的语音样点480个取出送入声卡，通过扬声器按预定的频率例如8KHZ播出。简而言之，语音信号在口网络上的传送要经过从模拟信号到数字信号的转换、数字语音封装成分组、M分组通过网络的传送、M分组的解包和数字语音还原到模拟信号等过程。目前常见的语音编解码器CODEC有以下几种，表21、常用的语音编码标准标准编码类型比特率KBPSMOS复杂性时延MSG71LPCM6443L0125G726ADPCM324O10O125G728LDCELP1640500625G729CSACELP8403015G7231ACELP6。33825375评价一个CODEC的好坏需要综合考虑比特率、时延、复杂度和语音质量MOS等因素。基于电路交换的电话通常采用的是PCM调制的G711标准，北京邮电大学硕士学位论文理论背景知识语音质量最好，但是比特率为64KBPS，也就是说占用较多的网络资源，在IP网络中，带宽比较宝贵的资源，尤其是无线网络，当然，这也不是说比特率越低就一定越好，因为比特率低，相对的编码就更复杂一些，语音处理方面所需要的时间也就更多，由此而产生的时延就越大，而时延也是影响语音质量的一个重要因素，所以我们需要综合考虑各种因素，选出最适合自己的CODEC。目前无线网络中常用的CODEC是G723和G729。212影响VOLPQOS的主要因素话音在分组网络中传输时会受到分组丢失、时延和时延抖动等因素的影响，造成话音的不连贯甚至中断等现象。传输时延与其引入的回声在相当程度上决定了话音的可懂度和可交互性，对话音呼叫质量有很大影响，这一点在无线环境中尤为明显。1L端到端的时延话音信号在端到端传输过程中受到的时延通常包括编解码器引入的时延分组打包时延去抖动时延网络上的传输、节点中排队、服务处理时延这些时延累计的总和将影响话音质量，导致回声干扰和交互性的恶化。端到端的时延可以分成两个部分固定时延和可变时延。固定时延包括编解码器引入的时延和打包时延。固定时延是和采用的压缩算法、打包的语音数据量相关的。这部分的时延优化的可能性不大，通过选择合适的压缩算法，减少打包数据量，合理分配DSP的负荷，采用设计良好的PIPELINE处理流程等方法可以改进这部分的时延。可变时延包括网络上的传输、节点中排队、服务处理时延、去抖动时延。这些和设备的端口速率，网络的负载情况，经过的网络路径，设备对QOS的支持方式，实现的QOS算法等密切相关。特别是去抖时延与网络的抖动指标密切相关，通过采用合适的网络技术可以显著降低语音通过网络时引入的抖动，从而减少抖动时延。2抖动抖动是指语音流中两个连续的语音包的端到端时延的差值。抖动对VO口的性能有着显著的影响。虽然同一VOIP应用的语音数据包的源节点和目的节点相同，但是由于网络环境是处于不断的变化当中的，所以不同的数据包可能走不同的路线，即使路线相同，也可能由于网络拥塞情况的不同而导致时延不同，这就产生了抖动。在局域网环境中，仅考虑抖动的影响，采用G711，不同范围的抖动对话音产生的影响如表22所示6北京邮电大学硕士学位论文理论背景知识表22、抖动对话音的影响MOSPSQM备注没有抖动或抖动4506L主观感觉与PSTN没有差别抖动达到300MS401092主观感觉可以抖动500MS36112主观感觉较差，听不清解决抖动常用的措施有采用缓冲队列来解决需要承载的网络采用QOS策略，保证语音数据具有较高的优先级，得到最先发送和获得高带宽是解决抖动问题的主要手段。31丢包率在口网络中，分组丢失是不可避免的。最常见的原因是传输延时过长或网络拥塞导致分组被丢弃。如果在传递过程中丢失了大量分组，可能会导致接收方无法理解听到的话音，从而严重影响了服务质量。在局域网环境中，采用G711时，如果仅考虑丢包的影响，如表23所示。表23、丢包率对话音的影响丢包率MOSPSQM备注没有丢包45O61主观感觉与PSTN没有差别丢包率543103主观感觉基本可以接受丢包率1042312L主观感觉不能接受可见，当丢包率大于10时，已不能接受，而在丢包率为5时，基本还可以接受，因此要求网络的丢包率小于5。41网络带宽带宽越大越有利于业务的传输，但是任何传输介质的带宽都是有限的，所有的QOS控制技术都是在带宽一定的情况下，研究怎样保证服务质量。足够的带宽是保障业务QOS的重要手段。譬如路比较清晰的IP电话G72920MS需要占用约32KBPS的网络带宽，因此不可能在1条64KBPS的链路上同时承载4路这样的P电话。而且IP网络的主干带宽越宽，在一定范围内越会有效降低整个网络中数据传送的时延。213目前常用的改善VOLPQOS的方法目前，VOLP应用主要通过三类方法来保证QOS在终端上，即应用层上采用相应的技术在网络层上采用相应的技术；以及针对无线局域网自身的特点，在MAC层上采用相应的技术。7北京邮电大学硕士学位论文理论背景知识1应用层上的VOIPQOS技术要在应用层上保证VOIP的QOS，可采用的关键技术有语音活动检测技术抖动缓存技术；差错控制技术等。1语音活动检测技术表21列出的常见的语音编码采用的是固定比特率的编码方式，而实际上在通话期间，65的时间是出于无声状态的。当用户的语音信号能量低于一定的门限值时，就认为处于无声状态，这时使用低比特率编码或者无编码；而当检测到突发的活动声音时，生成语音信号并加以传输。采用这样的方式，将会大大减少VOW向网络中注入的流量，提高对资源的利用率。2抖动缓存技术为了减小抖动对VOIP性能的影响，通常在接收端采用抖动缓存，在将包输出为声音流之前先对抖动进行吸收，也就是在收到语音包之后并不立即进行播放，而是暂时保存在缓存中，直到预定的播放时间到来，再将缓存中积累的包按照固定速率进行规则播放，从而将抖动减少到最小。虽然这样可以使一些迟到的包得以规则播放，但是它却为早到的包引入了附加时延，因此需要一个折中的考虑。31差错控制技术为了降低丢包率减少丢包对接收端话音质量的影响，差错控制是一种比较有效的方法。其基本思想是在回放一段语音前，若发现有丢失的包，则或者重新传输丢失的包，或者使用冗余信息，最大限度地降低接收端的包丢失率。差错控制一般分为两步差错检测和差错纠正。语音传输的差错检测主要靠RTPRTCP协议中的序列号来实现。而差错纠正技术主要由以下几种松散自动请求重发SLACKARQ、前向纠错FEC和丢失掩蔽PLC。2网络层上的VOIPQOS技术网络层的QOS技术主要有基于资源预留和基于优先级两种方法。11L基于资源预留网络资源按照各个业务的QOS要求进行分配。常见的协议有RSVP资源预留协议。RSVP可以为数据流提供良好的带宽保证，但缺点是需要对每条流都通过信令进行控制，这方面会造成一定的开销。2基于优先级网络边界节点对业务流进行分类、整形和标记，核心节点按照资源管理策略分配资源，对QOS要求高的业务给以优先处理。这种基于优先级的方法不用针对具体的流，而是针对某一类流，在网络入口处为其预约资源。3MAC层上的VOIPQOS技术北京邮电大学硕士学位论文理论背景知识目前MAC层的VOLPQOS保障主要是通过对DCF和PCF两种信道接入方式进行改进来实现的。80211的DCF在语音等实时业务的传送方面存在两个缺点对实时业务和非实时业务竞争信道的中立性，以及过多的退避时间。针对这两个缺点，对DCF进行改进，让实时业务在竞争信道时享有更高的优先级。如采用双队列，一个队列存放具有较高优先级的实时业务分组，一个队列则存放普通的数据分组；另外在双队列的基础上，再将实时业务的退避时间修改为O。这些对DCF的改进思想和80211E的EDCA机制思想非常类似。PCF则是专为语音等实时应用设计的，但是它在支持QOS方面仍然存在以下几个问题1CFP开始时间不可预知2当VOIP采用可变比特率的语音编码时，如果终端处于无声状态，AP照样轮询该节点，由于没有数据可发，会造成一定的无线资源浪费。22无线局域网的相关知识221IEEE8021L标准简介无线局域网络WIRELESSLOCALAREANETWORKS，WLAN是相当便利的数据传输系统，它利用射频RADIOFREQUENCY，RE的技术，取代旧式碍手碍脚的双绞铜线所构成的局域网络，使得无线局域网络能利用简单的存取架构让用户透过它，达到“信息随身化、便利走天下”的理想境界。无线局域网目前尚未有统一的标准，但是因为当今世界市场中的无线局域网产品大多支持IEEE8021L系列标准，因此它实际上已经成为了无线局域网事实上的主要标准了。与其他的IEEE802标准一样，IEEE80211标准对ISO最底下两层的物理层和MAC层技术进行了规范。目前无线局域网络中使用最广泛的标准当属8021IB和80211A了。80211B协议使用工作在24GHZ频段的DSSS方式进行调制，而8021LA协议则采用工作在5GHZ频带的OFDM方式进行调制。尽管这两个标准的物理层相差很大，但是它们使用了相同的由IEEE80211规定的MAC层规范，即采用两种介质访问控制方式分布式协调功能DCF的竞争访问控制方式和建立在DCF之上的点协调功能PCF的无竞争访问控制方式。DCF是IEEE80211的基本访问控制方式，是强制功能，而PCF则是可选功能。由于IEEE80211标准中对服务质量的支持比较差，不足以满足无线网络上语音和多媒体应用的需求，所以80211标准委员会又制定了8021LE标准，对原有的标准进行扩展，增加了对服务质量的支持。80211E标准定义了混合协调功能HCF。HCF以新的访问方式取代了DCF和PCF，以便提供改善的访问带宽并且减少了高优先等级通信的延迟。这称作“增强分布式协调访问”EDCA的访9北京邮电大学硕士学位论文理论背景知识问方式扩展了DCF的功能，名为“混合控制信道访问”HCCA的访问方式扩展了PCF的功能。IEEE80211和其它局域网802X标准一些样，对上层来说是透明的。除了较低的带宽和可能较高的延迟意外，上层应用程序不应该从无线看到任何不同。因此，上层协议应用层、TCP、IP对无线节点和有线节点同样对待。数据链路层的逻辑链路控制LLC子层，覆盖了不同介质的访问机制222PCF点协调功能无线局域网WLAN中MAC所对应的标准为IEEE80211，IEEE80211MAC综合了两种工作方式分布控制DCF和中心控制PCD两种工作方式由于DCF机制下各节点对信道的使用权是基于一种随机的竞争，它只能提供尽力而为的BESTEFFORT服务，没有任何的QOS保证，无法满足实时业务对延迟和抖动等指标的需求。为了满足一些对延迟敏感的实时业务的要求，802II标准在DCF的基础上定义了点协调功能PCF，POINTCOORDINATIONFUNCTION。PCF机制的基本原理是利用点协调器PC，POINTCOORDINATOR来对节点进行轮询，集中控制介质的访问。PCF只能应用于有基础设施的无线局域网中，通常由AP来担任点协调器。ADHOC网络不使用这个功能。2221超帧SUPERFRAME结构PCF机制将信道的访问时间划分为超帧周期SUPERFRAMEPERIOD，每个超帧周期包括一个无竞争阶段CFP，CONTENTIONFREEPERIOD和一个竞争阶段CPCONTENTIONPERIOD，CFP阶段传输实时业务，PCF机制起作用；CP阶段传输非实时业务，DCF机制起作用，如图22所示【7】【81。DELAYPERSUPERFRAME型匠2二互匿互盈图22、超帧的结构其中CFP阶段的时间长度受一定的限制。它的最小值是CFPMINTBEA斓十2幸TMAXPDUTCFEBD3宰SIFS也就是说在CFP阶段，AP至少可以POLLING一个无线节点并发送一个数据帧，而该无线节点可以应答一个数据帧。它的最大值是10北京邮电大学硕士学位论文理论背景知识CFPMAXTSFDIFS斗TM勰PDSIFSTACK其中TSF是超帧长度，这表示在CP阶段运行非实时业务的节点只传输了一个数据帧，其余时间全部用于CFP阶段的数据传送。CFPM戤的值由AP来维护。在每个BSS中，AP还需要维护另一个重要参数，即CFP重复间隔，也就是超帧长度，表示每隔多长时间AP就要发出一个标志着CFP阶段开始的BEACON帧，但这个时间只是一个目标BEACON传输时间TBTT，TARGETBEACONTRANSMISSIONTIME，如果在该时刻信道忙的话，BEACON帧的发送就会被延迟，造成当前超帧的延伸和下一个超帧的缩短SUPERFRAMEFORESHORTEN。被延迟的时间在没有分片的情况下，最大为TM。，PDIR卜SIFS1ACK，或者TRTSSIFST邢SIFSTMAXPDUSIFSTACK采用RTSCTS机制。CFP的结束有两种情况，一种是POLLINGLIST中的节点全被轮询完毕；另一种是当前CFP中没有足够时间使下一个将被轮询的节点传输一个最小长度的MPDU，这时AP会记录下该节点，以使下一次轮询从这个节点开始。无论是哪种情况，均由AP发送CFEND帧来结束CFP，无线节点收到CFEND后设置NAV为0，以便在CP阶段竞争信道。2222CFP阶段的帧传输在CFP阶段，PC对信道进行集中控制，根据其维护的轮询列表POLLINGLIST对无线节点进行轮询【8】。而无线节点只有在收到PC发给自己的POLL帧之后，才能进行帧传输，而且每次只能传输一个帧。根据是否在POLLINGLIST中并响应POLLING，一个BSS内无线节点可以分为POLLABLE和UNPOLLABLE两类。无线节点通过向AP发送关联请求帧和重关联请求帧来设置和改变这个状态。关联请求帧和重关联请求帧是两种类型的管理帧，其CAPABILITYINFORMATION字段中的CFPOLLABLE和CFPOLLREQUEST两个子字段用来表明它是否需要在CFP阶段接受PC的轮询，如表24所示。表24、CFPOLLABLE和CFPOLLREQUEST字段的定义CFPOLLABLECFPOLLREQUEST含义OOUNPOLLABLE节点，不响应CFP阶段的轮询01POLLABLE节点，响应CFP阶段的轮询，不请求加入CFPOLLING列表1OPOLLABLE节点，响应CFP阶段的轮询，请求加入CFPOLLING列表POLLABLE节点，响应CFP阶段的轮询，L1请求永不被轮询，适于POWERSAVE模式节点北京邮电大学硕士学位论文理论背景知识在CFP阶段，AP一旦发送了BEACON帧，也就获取了信道的控制权。这之后，AP等待SIFS，然后根据POLLINGLIST向无线节点发送CFPOLL帧。如果POLLINGLIST为空，则直接发送CFEND帧结束CFP。收到CFPOLL的无线节点应在SIPS间隔后以一个DATA帧如果有数据帧要传或者CFNULL帧如果没有数据帧要传进行响应。如果在PIPS间隔后被轮询的无线节点没有响应，则AP收回信道控制权，对POLLINGLIST中的下一个节点进行轮询或者发CFEND结束CFP。在CFP阶段，由AP发往其他无线节点的帧称为下行帧，由其它无线节点发往AP的帧称为上行帧。为了提高CFP阶段的信道利用率，可以采用携带技术。这样CFP阶段的帧除了CFPOLL、DATA、CFACK、CFNULL和CFEND之外，还有DATACFPOLL当PC要POLLING一个无线节点，并且有要发往这个无线节点的下行数据时，发送DATACFPOLL，携带下行数据帧。DATACFACK当无线节点收到PC发出的DATACFPOLL帧后，如果有数据要传，则发送DATACFAEK，携带对收到DATA的AEK。DATACFAOKCFPOLL当PC要POLLING一个无线节点，如果它既有要发往这个无线节点的下行数据，又刚收到上一个被POLLING的无线节点发回的上行数据，它就发送DATACFACKCFPOLL帧，携带对上一个数据帧的AEK和发给下一个无线节点的下行数据帧。CFAEKCFPOLL当PC要POLLING一个无线节点，但没有要发往这个节点的下行数据，并且刚收到上一个POLLING的无线节点发回的上行数据时，发送CFAEKCFPOLL，携带对上一个数据帧的AEK。CFENDCFACK当PC要结束当前的CFP，并且刚收到上一个POLLING的无线节点发回的上行数据时，发送CFENDCFAEK，携带对上一个数据帧的ACK。图23、CFP阶段帧传输示意图图23中，PC经过PIFS间隔获取信道控制权，发送BEACON帧，CFP阶段开始。PC首先对节点1进行轮询，并捎带发往节点1的下行数据帧D1，节点L以一个上行数据帧U1应答，并捎带对D1的AEK。PC继续对节点2轮询，捎带12北京邮电大学硕士学位论文理论背景知识发往节点2的下行数据帧D2，和对U1的ACK。节点2以上行数据帧U2应答，捎带对D2的ACK。PC对节点3轮询并捎带D3和ACK，节点3没有响应可能由于数据帧丢失、节点3处于POWERSAVE模式或者已经移出本BSS等原因。经过PIFS间隔后，PC收回信道控制权，继续对节点4进行轮询并捎带D4，节点4以U4应答并捎带对D4的ACK，PC发送CFEND结束CFP阶段，各无线节点重置NAV，进入CP阶段。PCF机制下，整个无线网络的传输特性取决于接入点的轮询动作。如果只使用PCF而且轮询是公平分布的，那么带宽也是平均分布给所有站点。如果站点没有数据要发送，但是接入点持续轮询它们的话，这种方法会产生额外开销，所以POLLINGLIST的动态维护和PC对无线节点的调度策略是PCF机制研究的重点。223IEEE8021LEMAC机制分析IEEE8021LE协议是为了增强IEEE8021L无线局域网的QOS，以便在IEEE80211无线局域网中能支持话音、音频和视频等对QOS有较高要求的多媒体业务而制定的【91。2231IEEE80211E基础相关名词介绍COORDINATIONFUNCTION协调功能，决定BSS内的移动站什么时候通过无线信道发送或者接受分组的逻辑功能。一个BSS内的协调功能有以下几种组合DCF、HCFDCF、HCFPCFDCF。一个QBSS支持QOS的基本服务区内的协调功能为HCFDCF。ACCESSCATEGORYAC接入类别，在EDCA增强的分布式接入方式下，QSTA根据不同的AC参数来支持不同优先级业务的QOS。IEEE80211E定义了四种ACS，分别是ACBK，ACBE，ACVI和ACVO；在EDCA中，八个用户优先级UP对应四个AC，具体如表25所示。表25、EDCA中优先级与接入类别的对应关系优先级用户优先级接入类DESIGNATION别INFORMATIVE1ACBKBACKGROUND低2ACBKBACKGROUND0ACBEBESTE筋RT3ACBEBESTE肋N1R4ACVIVIDEO高5ACVIVIDEO6ACVOVOICE7ACVOVOICE北京邮电大学硕士学位论文理论背景知识CONTROLLEDACCESSPHASECAP在HCCA方式下，如果HC准备发送分组，并监听到信道有超过PIFS间隔以上的空闲，则HC可以得到信道的控制权，由HC控制，分配信道使用权的这段时间称为CAP，它可以包含多个连续的HCCATXOPS。CAP期间采用集中控制的方式使用信道，CAP也可以分散在CP之中，使得在竞争期间也可以有非竞争式的分组发送，这一点与IEEE80211有很大的不同。EILLLANCEDDISTRIBUTEDCHANNELACCESSEDCA增强的分布式介质介入控制；指QBSS内的QSTA利用基于优先级的CSMACA载波监听，冲突避免方式竞争信道以支持基于优先级的QOS。QAP也可以应用这种机制来竞争信道，同时EDCA还可以与HCCA一起使用。HCFCONTROLLEDCHANNELACCESSHCCAHC以非竞争方式协调QSTA之间下行、上行和直接分组传输的利用信道的介质接入控制方式。HYBRIDCOORDINATIONFUNCTIONHCF混合协调功能，是IEEE80211E协议制定的MAC层介质接入机制，它包括增强的基于竞争的两种介质接入控制方式即EDCA和HCCA，以使QSTAS支持基于优先级的QOS服务和基于参数的QOS服务，同时HCF还支持非QSTA的尽力传送的分组传输方式。HYBRIDCOORDINATORHC在HCF中为支持QOS功能而定义的一种协调点，HC通过分配TXOPS来执行带宽管理功能，HC可以工作在CP和CFP期间，HC由QAP担任。PARAMETEDZEDQUALITYOFSERVICEQOS根据与MPDUMACPROTOCOLDATAUNITS相关联的业务流的参数来确定分配给MPDU的发送机会；主要应用于HCCA机制。PRIORITIZEDQUALITYOFSERVICEQOS优先级较高的MPDU可以获得比优先级较低的MPDU更多的发送分组的机会；主要应用于EDCA机制。QAP、QBSS、QIBSS和QSTA分别代表支持QOS的AP接入点、BSS基本服务集、RASS独立结构服务区和STA移动站。SERVICEPERIODSP可以发送一个或几个分组给某一个QSTA或者是分配一个或几个TXOPS给同一QSTA的一段连续的时间；也可以是既发送了分组，也分配了TXOPS给同一QSTA的一段连续的时间。SERVICEINTERVALSI，用于HCCA方式连续两个SP起始时间的间隔。TRAFFICCATEGORYTC，用于EDCA方式根据上层业务的不同优先级来确定MSDUS的标签值；用于支持PRIORITIZEDQOS。EDCA的用户优先级与IEEE80211D的用户优先级相同。TRAFFICIDENTIFIERTID上层用于区分支持QOS功能的MAC数据服务的标识14北京邮电大学硕士学位论文理论背景知识符。在IEEE8021IE中定义了16个TID值，8个用来区分PRIORITIZEDTCS，另外8个用于分辨PARAMETERIZEDTSS。TRAFFICSPECIFICATIONTSPEC发给QSTA或者是QSTA发送的数据流的QOS参数，是IEEE8021IE协议要求的一种新增信息元素。TSPEC的格式如图24所示字节L11322I444字节L444IL4422图2_4、TSPEC格式TRAFFICSTREAMTS，用于HCCA用特定TSPECQOS参数所描述的一组MSDUS称为一条TS，用于支持PARAMETERIZEDQOS。TRANSMISSIONOPPORTUNITYTXOP发送机会，QSTA允许在无线链路上发送分组的一段时间，由起始时间和最大持续时间决定。包括EDCATXOP和HCCATXOP。AIFS用于EDCA方式不同AC所对应的帧间间隔不同。AIFSN用于EDCA方式对于不同的AC分配不同的AIFSN，以得到不同的AIFS，达到区分服务的作用。8021IE帧结构IEEE8021LE协议定义的帧结构如下图所示字节；22图25、IEEE80211E通用帧结构IEEE8021LE的数据帧结构和IEEE80211的数据帧结构的明显区别在于在IEEE8021LE的数据帧中增加了一个QOSCONTROL域，QOS控制域共占2个字节，其中各个位表示的具体含义如表26所示北京邮电大学硕士学位论文理论背景知识表26、QOS控制域参数APPLICABLEBITSBIT4BIT56BIT7。BITS815FRAMETYPESO3QOSCFPOLLTIDEOSPACKPOLICYRESERVEDTXOPLIMITFLAMESSENTBYHCQOSDATA,TIDEOSPACKPOLICYRESERVEDQAPPSQOSNULL，ANDBUFFERSTATEQOSDATACFACKFRAMESSENTBYHCQOSDATATID0ACKPOLICYRESERVEDTXOPFRAMESSENTBYDURATIONNON姆REQUESTEDQSTASTID1ACKPOLICYRESERVEDQUEUESIZEACKPOLICY在IEEE80211E协议中增加了三种ACK策略，00表示正常的ACK，01表示不发送明确的ACK帧，10表示没有ACK，11表示延后发送ACK，后两种为新增的ACK策略。比特位815根据发送分组的站和分组的类型不同分别表示TXOP的长度、QAP保存的将发给处于休眠状态的QSAT数据状态信息、QSTA申请的TXOP长度和QSTA中的队列长度。帧间间隔，在无线局域网中，两个帧之间的间隔称为帧间间隔。在IEEE8021IE中除了SIFS、PIFS、DIFS和EIFS外，还新增了一个AIFS，即仲裁帧间间隔。AIFSACAIFSNAC木ASLOTTIMEASIFSTIME对于QSTA，AIFSNAC2，对于HCQAP，AIFSNACI2232IEEE8021LEMAC的分析80211E标准定义了混合协调功能HCF。HCF以新的访问方式取代了DCF和PCF，以便提供改善的访问带宽并且减少了高优先等级通信的延迟。这称作“增强分布式协调访问”EDCA的访问方式扩