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WLAN中VoIP容量与准入控制研究

吴其林  
【摘要】:随着无线通信技术的发展,人们已不满足无线局域网络(WLAN,Wireless Local AreaNetwork)仅提供对数据业务的支持,更希望WLAN能提供对语音等实时业务的支持。VoIP(Voice over Internet Protocol)是利用IP网络传输语音的一种技术,它实现了语音与数据传输的成功融合,在WLAN中实现VoIP语音通信将是WLAN发展的一个重要趋势,它将给人们带来方便的、低廉的语音服务。IEEE802.11标准是目前WLAN发展中得到广泛接受的技术规范,其在媒体接入控制(MAC,Medium Access Control)层采用了载波侦听多路访问与冲突避免(CSMA/CA, Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)方式进行信道接入,大量的WLAN相关研究都以此为基础进行展开。论文也将以基于IEEE802.11的WLAN作为研究对象,围绕着如何在WLAN中有效地实现VoIP语音通信进行研究,主要涉及到IEEE802.11MAC协议的性能分析,WLAN中VoIP容量分析以及准入控制策略设计三个方面的内容,主要研究工作摘要如下: (1)论文阐述了802.11MAC协议的性能分析,WLAN中VoIP容量分析以及准入控制三方面的研究意义,指出三者之间的联系和主要研究目标。对当前相关研究工作进行了调查、分析与总结,指出目前存在着的和还需要进一步解决的问题。 (2)对IEEE802.11DCF协议的非同步退避现象进行建模与分析。在IEEE802.11DCFMAC协议的单跳无线局域网环境中,节点在冲突发生时将产生非同步退避现象。为了刻画这种非同步退避现象对IEEE802.11DCF协议性能的影响,论文提出了一个新的三维马尔可夫链分析模型,该模型不是以平均时隙作为状态转换的单位时间,而是以固定的物理时隙作为转换单位时间,刻画出了节点冻结期的状态转换过程。基于该模型,给出了协议的饱和吞吐量分析结果。通过仿真与对比,由该分析模型得出的结果分别在IEEE802.11DCF协议的两种数据包传输机制下都表现出与仿真结果较好的一致性,与已有参考模型相比也体现出了较高的准确性。 (3)对单速率环境下IEEE802.11e WLAN中的VoIP容量进行分析与优化。论文提出一个语音容量分析模型,该模型运用了802.11e EDCAMAC协议的竞争窗口(CW)、仲裁帧间隔(AIFS)和传输机会(TXOP)参数来实现对接入点和无线终端节点的区分,并以语音流的上行与下行的时延(包括队列等待时延和MAC层服务时延)作为VoIP容量的约束条件。基于给出的分析模型,分别进行单参数独立优化和多参数联合优化分析,定量地给出了利用CW、AIFS和TXOP进行区分时的优化值,从而达到了提升VoIP容量的目的。仿真结果表明,利用这些参数的优化值为接入点和终端节点提供区分服务是有效的。 (4)对多速率环境下IEEE802.11WLAN中的VoIP容量进行提升。在较为实际的802.11WLAN环境中,不同的节点可以根据信道条件而采用不同的物理传输速率,这将导致多种速率共存于网络中。然而,低速率数据传输的存在将会影响网络性能以及VoIP容量,论文分别从两个方面分析了多速率环境下VoIP容量提升问题。一方面是通过间接的方法来实现VoIP容量的提升,即尽力让节点使用一个较高的物理速率进行数据传输。鉴于此,论文提出了一个自适应门限控制的速率调节方案ARF-ATC(Auto Rate Fallback withAdaptive ThresholdControl)。该方案能够根据当前信道中数据包的冲突水平,对速率提高门限和降低门限进行自适应调节,从而降低冲突对速率调节决策的影响,减少节点不必要地降低速率的行为,以达到提升VoIP容量的目的。仿真结果表明,该速率自适应调节方案能够较好的适应信道条件的变化,并能够提高系统的吞吐量和VoIP容量。另一方面则通过直接的方法来实现VoIP容量的提升,即当低速率节点存在时,通过区分服务实现VoIP容量的提升。鉴于此,论文提出了一个多速率环境下VoIP容量分析模型。通过该模型,可以联合最小竞争窗口和语音编码来对低速率节点、高速率节点和接入节点进行区分以达到提升容量的目的。当低速率节点存在时,仿真结果表明,该模型所确定的区分方法可以有效地提升VoIP容量。 (5)对IEEE802.11e WLAN中的准入控制策略进行设计。准入控制是保证语音服务质量(QoS)要求,并有效利用网络资源的一种重要措施。考虑异种语音流共存环境,论文提出了一个基于模型的准入控制策略。论文首先对802.11e EDCA协议建立了一个非饱和的马尔可夫链分析模型,该分析模型考虑了非理想信道条件和EDCA协议中节点退避时在时隙的开始处进行递减的特性。基于该分析模型,论文对流的接入时延和吞吐量进行了分析,并提出了时延和吞吐量保证的准入控制策略。仿真结果表明,在异种语音流共存的环境,该准入控制策略可以有效地保证流的时延和吞吐量要求,并且能够选择合适的最小竞争窗口或者合适类型的语音流以尽力准入,从而提高网络利用率。


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