CN101262427B - VoIP在无线局域网中多跳传输的优化方法 - Google Patents
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Abstract
一种无线传输技术领域的VoIP在无线局域网中多跳传输的优化方法，包括如下步骤：首先，测量出无线局域网对VoIP的最大连接数，称为门限值；然后根据网络现在的繁忙状态，动态选择MAC层的数据封装方式和发送方式，具体为：比较节点的队列长度和门限值的大小，如果等待服务的队列长度小于门限值，MAC层使用标准的802.11MAC协议，将每个数据包按802.11MAC规定的方式打包传输；如果等待服务的队列长度大于门限值，将队列中每K个数据包按照突发队列方法进行打包并传输。本发明使VoIP在无线网络上传输的整体性能得到了显著提高，在规定的语音通信质量要求下，网络的容量增加了近100％。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线传输技术领域的方法，具体是一种VoIP在无线局域网中多跳(multi-hop)传输的优化方法。
背景技术
对于VoIP(网络电话)在无线局域网中的应用，前人已经做了大量的工作。一部分工作是研究无线局域网中纯语音传输的情况，不同的语音编码方式在不同的MOS(平均意见值)的约束下，无线局域网(802.11b)能支持的网络电话的容量；而另一部分研究在无线局域网中同时传输语音数据和其他数据包的情况，采用不同的MAC(媒介传输协议)协议，过仿真来估计无线网的性能。
经对现有技术的文献检索发现，Timo Vanhatupa等在《2005 IEEE 16thInternational Symposium on Personal，Indoor and Mobile RadioCommunications》(2005年IEEE第16届国际个人、室内和无线移动通信研讨会)(第1925-1930页)上发表了“Multihop IEEE 802.11b WLAN Performance forVoIP”(网络电话在IEEE 802.11b多跳无线局域网的性能)，该文通过仿真分析了在基于传统的IEEE802.11b MAC的无线局域网中，网络电话多跳传输的性能，指出由于多跳的传输延时和无线局域网中节点的相互干扰，VoIP在无线局域网中多跳传输会带来网络性能很大的下降。但这篇文章关于如何在多跳传输情况下提高无线局域网的性能并没有给出一个可行的方法。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种VoIP在无线局域网中多跳传输的优化方法，使其通过修改MAC层控制协议，根据网络的繁忙情况选择MAC层的打包方式和发送方式，从而减少语音数据包的碰撞概率和传输延时，增加了网络中语音通信的容量。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤：
首先，测量出基于802.11 MAC协议的无线局域网对VoIP的最大连接数，称为门限值(WATER_MARK)；
然后根据网络现在的繁忙状态，动态选择MAC层的数据封装方式和发送方式，具体为：比较节点的队列长度(QueLen)和门限值的大小，如果等待服务的队列长度小于门限值，MAC层使用标准的802.11 MAC协议，将每个数据包按802.11MAC规定的方式打包传输；如果等待服务的队列长度大于门限值，将队列中每K个数据包按照BQ(Burst Queue，突发队列)方法进行打包并传输。
所述将每个数据包按802.11 MAC规定的方式打包传输，具体为：使用IEEE802.11的MAC层的数据包格式，把上层传递下来的语音数据包按IEEE 802.11的规定在数据前面加上MAC头和PHY(物理层头信息)头，然后按照802.11 MAC建立点对点的连接。
所述BQ方法，是基于802.11 MAC的VoIP在WLAN上的多跳传输协议。
所述将队列中每K个数据包按照BQ方法进行打包并传输，是指把队列里面每K个数据包拼成一个大的数据包进行传输，具体为：首先在每个数据包前加上目的地的MAC地址，然后按在队列中的顺序组成一个大的数据包，接着按广播帧的格式加上MAC头和PHY头，最后把数据包广播出去。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明采用新的打包方式，提高了VoIP在无线局域网多跳传输下的网络利用率，从而增加了网络对VoIP的容量。相比与传统的802.11 MAC协议，网络容量增加了近100％。
附图说明
图1是传统的802.11b MAC数据包格式和BQ策略的MAC数据包格式；
图2简化的无线网络拓扑结构；
图3单向传输时无线局域网中不同VoIP连接数时网络的平均延时比较；
图4单向传输时无线局域网中不同VoIP连接数时丢包率比较；
图5VoIP网络的格型拓扑结构；
图6单向传输时VoIP在格型拓扑结构无线局域网中采用GPSR路由协议丢包率比较；
图7单向传输时VoIP在格型拓扑结构无线局域网中采用GPSR路由协议网络平均延时比较；
图8单向传输时VoIP在格型拓扑结构无线局域网中采用AODV路由协议丢包率比较；
图9单向传输时VoIP在格型拓扑结构无线局域网中采用AODV路由协议网络平均延时比较；
图10单向传输是VoIP在随机的无线网络拓扑结构中对不同网络连接数的丢包率和方差；
图11单向传输是VoIP在随机的无线网络拓扑结构中对不同网络连接数的网络平均延时和方差。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例包括如下步骤：
步骤一，测量出基于普通的802.11MAC协议的无线局域网对VoIP的最大连接数，称为门限值(WATER_MARK)；
步骤二，MAC层实时获取队列长度QueLen并判断有没超过门限值，如果QueLen＜WATER_MAKR，则使用标准的802.11的MAC层的数据包格式，如图1中左列所示，在上层传递下来的语音数据包前面加上MAC头和PHY头，发送端通过CSMA/CA(载波侦听接入/冲突避免)检测信道，信道空闲时发送数据包，接受端接受正确时，给发送端发送ACK帧；
步骤三，如果QueLen＞WATER_MARK，则使用BQ方法的MAC层数据包方式和传输方式。如图1中右列所示，先把队列里每K个数据包合并成一个大的数据包，合并方式为在每个数据包前加目的地的MAC地址，然后按广播帧的格式加MAC头和PHY头并光播出去，听到广播的几点查看数据部分有没有包含自己的MAC地址，有就接受后续指定大小的数据；没有则抛弃这帧。
在无线网络VoIP接入数比较多的时候，使用本实施例方法能够有效减少MAC层的头开销，提高了网络的利用率，从而增加了无线局域网对VoIP的容量。付出的代价是将碰撞概率增加了一些。
实施例效果
比较使用IEEE802.11b/e和BQ协议时无线网络的容量
使用NS2(网络仿真)来搭建仿真平台，仿真所用的无线网络拓扑结构如图2、5、10所示，仿真所用参数如表1所示。
表1仿真所用参数
| PLCP Preamble & Header | 24bytes |
| MAC Header+FCS | 34bytes |
| IP/UDP/RTP Header | 40bytes |
| payload | 33bytes |
| ACK Frame | 14bytes |
表格中，PLCP Preamble & Header表示物理层汇聚协议前引导头和头信息；MAC Header+FCS表示MAC头信息+帧校检序列字段；IP/UDP/RTP Header表示IP/UDP/RTP头信息；Payload表示负载；ACK Frame表示ACK帧。
在仿真模型中，节点与节点间隔200m，节点的传输半径250m，感应半径550m。所有节点都是固定的，同时测试单向通信和双向通信的情况。仿真侧重于研究在规定的语音通信质量的情况下(这里使用的标准为丢包率小于4％，延时小于150ms)，不同拓扑结构的使用不同协议的无线局域网下VoIP的容量。
如图2所示，为一个比较简单的拓扑结构。A与节点L1、L2、L3、B相连接，但L1、L2、L3和B不在连接范围内(L开头的节点可能有N个，N表示***能支持的上限个数，这里只显示到L3)。B和C连接，A和C不能连接。C和R1、R2、R3连接(和L一样，R开头的节点数最多也是N个，因为是N对)。同样，B和R1、R2、R3不能连接。
图3为使用标准的IEEE802.11b MAC和BQ时，无线网络在不同的VoIP接入数下的延时性能。虚线表示采用802.11b时的情况，很明显能看出在单向VoIP数到达9个时，延时大幅增加，到十个和十个以上时，延时已经超出了可以接受的范围。图中用实线表示使用BQ方法，单向连接可以达到20个。
图4为不同协议下丢包率的比较。虚线表示使用802.11b的情况，实线表示使用BQ方法时的情况。同样，当单向VoIP数达到10个时，802.11b的丢包率开始大幅增加，超过了要求的4％，而BQ方法下单向VoIP达到20个是丢包率才差不多4％。所以在图2的拓扑结构下，使用BQ方法比802.11b使***容量增加了100％。
图5为格型拓扑结构，行列各7，总共49个节点。行标为字母A～G，列标为数字1～7。测试使用不同路由协议的两种不同MAC协议的丢包率和延时性能比较。有四种测试场景A，B，C，D，每种都存在四条多跳传输路径。每种情况测20次，求出均值和方差。图中方块高度为均值，方块顶的线段表示方差。
A：[A0-＞G6，G6-＞A0，G0-＞A6，A6-＞G0]([源-＞目的])
B：[E0-＞E6，D0-＞D6，G2-＞A2，G3-＞A3]
C：[A0-＞G6，G0-＞A6，D0-＞D6，G3-＞A3]
D：[E0-＞E6，E6-＞E0，D0-＞D6，D6-＞D0]。
图6为单向传输时VoIP在格型拓扑结构无线局域网中采用GPSR路由协议丢包率比较。对A，B，C，D四种情况，使用BQ方法的丢包率分别是使用802.11b的29.2％、55.2％、53.1％、57.1％。
图7单向传输时VoIP在格型拓扑结构无线局域网中采用GPSR路由协议网络平均延时比较。对A，B，C，D四种情况，使用BQ方法的平均延时时间分别是使用802.11b的15.4％、12.4％、15.6％、10.1％。
图8单向传输时VoIP在格型拓扑结构无线局域网中采用AODV路由协议丢包率比较。使用BQ方法的丢包率分别是使用802.11b的62.5％、54.5％、65.7％、61.1％。
图9单向传输时VoIP在格型拓扑结构无线局域网中采用AODV路由协议网络平均延时比较。对A，B，C，D四种情况，使用BQ方法的平均延时时间分别是使用802.11b的14.7％，27.5％，27.3％，25.7％。
上面四张图显示在给定的拓扑结构和VoIP多跳途径，在不同的路由协议下使用BQ方法比使用802.11bs时，丢包率，平均延时的均值和方差都有非常大的提高。
图10单向传输是VoIP在随机的无线网络拓扑结构中对不同网络连接数的丢包率和方差。由图可以看出，单向连接数为8时，两种协议基本一样。超过8后，802.11b丢包率相比BQ方法大幅增加，同时方差相比也是大了很多。
图11单向传输是VoIP在随机的无线网络拓扑结构中对不同网络连接数的网络平均延时和方差。结果和图11的结果很相似。BQ方法比802.11b性能提高了很多。
最后给出双向连接时无线网络在两种协议下的性能比较。使用802.11b/e，无线网络中有VoIP语音数据流的同时加入一个TCP连接。仿真结果如下表2所示：
表2双向连接时无线网络在两种协议下的性能比较
表格中：Legacy 802.11b表示IEEE 802.11b，loss ratio表示丢包率，ave.delay表示平均延时，max delay表示最大延时，burst times表示队列长度超出门限值的次数，TCP thp.表示TCP连接的吞吐量。
由表格数据可以看出，在没有TCP连接的情况下，802.11b最多能支持4对VoIP连接(双向通信)，而BQ方法能支持7对VoIP连接。加入TCP连接之后，两种情况下能支持的VoIP连接数一样，但BQ方法下的平均延时明显比802.11e下低，TCP传输速度比802.11e下快很多。
Claims (3)
1.一种VoIP在无线局域网中多跳传输的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
首先，测量出基于802.11MAC协议的无线局域网对VoIP的最大连接数，称为门限值；
然后根据网络现在的繁忙状态，动态选择MAC层的数据封装方式和发送方式，具体为：比较节点的队列长度和门限值的大小，如果等待服务的队列长度小于门限值，MAC层使用标准的802.11MAC协议，将每个数据包按802.11MAC规定的方式打包传输；如果等待服务的队列长度大于门限值，将队列中每K个数据包按照突发队列方法进行打包并传输；
所述突发队列方法，是基于802.11MAC的VoIP在无线局域网上的多跳传输协议。
2.根据权利要求1所述的VoIP在无线局域网中多跳传输的优化方法，其特征是，所述将每个数据包按802.11MAC规定的方式打包传输，具体为：使用IEEE802.11的MAC层的数据包格式，把上层传递下来的数据包按IEEE 802.11的规定在数据前面加上MAC头和PHY头，然后按照802.11MAC建立点对点的连接。
3.根据权利要求1所述的VoIP在无线局域网中多跳传输的优化方法，其特征是，所述将队列中每K个数据包按照突发队列方法进行打包并传输，是指把队列里面每K个数据包拼成一个大的数据包进行传输，具体为：首先在每个数据包前加上目的地的MAC地址，然后按在队列中的顺序组成一个大的数据包，接着按广播帧的格式加上MAC头和PHY头，最后把数据包广播出去。
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