無線城域網(wǎng)上VoIP服務(wù)質(zhì)量關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

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

2、是對多媒體業(yè)務(wù)尤其是VoIP業(yè)務(wù)的支持能力關(guān)系著整個(gè)無線城域網(wǎng)的發(fā)展，VoIP業(yè)務(wù)除了要求足夠的帶寬以外，還需要滿足時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)的要求。IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)提出了相應(yīng)的QoS規(guī)范，但并不涉及QoS的實(shí)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(wù)，提高VoIP的容量和資源利用效率成為實(shí)現(xiàn)和推廣無線城域網(wǎng)過程中急需解決的問題。為此，本文在分析國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，圍繞著如何保障網(wǎng)絡(luò)中VoIP業(yè)務(wù)的QoS

3、要求，從VoIP的容量、接納控制和帶寬分配等方面進(jìn)行深入研究，提出相應(yīng)的方案和算法。 根據(jù)無線城域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，包括組網(wǎng)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)元結(jié)構(gòu)，深入分析了IEEE 802.16系統(tǒng)的QOS規(guī)范、架構(gòu)模型以及VoIP的研究成果，指出了VoIP在無線城域網(wǎng)中傳輸時(shí)面臨的問題，為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和深入研究提供指導(dǎo)和依據(jù)。根據(jù)VoIP業(yè)務(wù)流自身的統(tǒng)計(jì)特性，分析了無線城域網(wǎng)中VoIP的容量特性，并得到了容量極限，進(jìn)而提出了VoIP的帶寬分配方法；針對Vo

4、IP業(yè)務(wù)流自身特點(diǎn)和傳輸機(jī)制，提出了VoIP接納控制的兩個(gè)準(zhǔn)則：優(yōu)先級(jí)準(zhǔn)則和彈性準(zhǔn)則，在此基礎(chǔ)上提出了基于優(yōu)先級(jí)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(wù)分集的VolP資源調(diào)度方法，以充分利用VoIP業(yè)務(wù)特性帶來的容量增益；最后對Mesh模式下的調(diào)度模型進(jìn)行了研究，提出了基于分層調(diào)度的調(diào)度模型。 論文的主要貢獻(xiàn)包括以下幾個(gè)方面： (1)對IEEE 802.16系統(tǒng)中VoIP的容量

5、特性進(jìn)行了分析。通過分析IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于VoIP的傳輸機(jī)制，指出在VoIP終端的語音編碼方式確定時(shí)，除了MAC層的調(diào)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(gè)重要因素即語音流的靜默特性嚴(yán)重制約了VoIP的容量。在分析了VoIP業(yè)務(wù)流統(tǒng)計(jì)特性的基礎(chǔ)上，得出在統(tǒng)計(jì)復(fù)用情況下VoIP的理論容量極限，并針對標(biāo)準(zhǔn)的具體協(xié)議對容量進(jìn)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(dǎo)性的意義。

6、 (2)根據(jù)IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)中業(yè)務(wù)流的帶寬分配機(jī)制，提出了基于語音激活路數(shù)預(yù)測的統(tǒng)計(jì)復(fù)用(SM)帶寬調(diào)度算法。該算法主動(dòng)預(yù)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(dòng)做出恰當(dāng)?shù)膸挿峙錄Q策，克服了UGS調(diào)度導(dǎo)致的帶寬浪費(fèi)。此外，與已有基于單路VoIP進(jìn)行帶寬分配的算法不同，SM 算法從聚合VoIP業(yè)務(wù)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(fù)荷。為進(jìn)一步提高帶寬分配的速度以適應(yīng)

7、VoIP實(shí)時(shí)性的要求，根據(jù)生滅過程理論，提出了增強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)復(fù)用(ASM)帶寬分配算法。仿真表明ASM算法能夠達(dá)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(shí)延。 (3)根據(jù)IEEE 802.16關(guān)于VoIP的傳輸規(guī)范和VoIP服務(wù)質(zhì)量保證機(jī)制，指出了區(qū)分VoIP優(yōu)先級(jí)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(jí)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(fù)載強(qiáng)度逐漸改變接納強(qiáng)度和策略，對不同優(yōu)先級(jí)的VoIP業(yè)務(wù)表現(xiàn)出不同的接納特性，合理地限制低優(yōu)先級(jí)VoIP的接納，根據(jù)概率強(qiáng)度因子和有效帶寬對算法進(jìn)行了優(yōu)化。根據(jù)Markov模型對拒絕概率進(jìn)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(diǎn)以及VoIP業(yè)務(wù)流對OFDMA資源調(diào)度的影響，提出了一種新的分集方式

9、，業(yè)務(wù)分集的概念，進(jìn)而提出了一種基于業(yè)務(wù)分集的子載波和功率分配算法。業(yè)務(wù)分集指通過發(fā)送端的MAC把同一個(gè)用戶內(nèi)不同類型的業(yè)務(wù)分開，每種業(yè)務(wù)類根據(jù)各自的誤比特率等特點(diǎn)選擇子載波和功率，資源分配根據(jù)每個(gè)業(yè)務(wù)進(jìn)行，而不是用戶本身，因?yàn)閂oIP等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)與其它各個(gè)等級(jí)的非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)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(wù)再重新匯聚起來。根據(jù)業(yè)務(wù)分集思想，與著名的“貪婪”算法相比提出了“謙虛”算法進(jìn)

10、行子載波分配，因?yàn)閂oIP業(yè)務(wù)并不需要最好的信道條件。對總功率約束條件下業(yè)務(wù)分集帶來的最大數(shù)據(jù)速率進(jìn)行了理論分析，仿真表明采用業(yè)務(wù)分集的OFDMA系統(tǒng)在頻率分集和多用戶分集的基礎(chǔ)上能夠進(jìn)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(diào)度策略，根據(jù)Mesh組網(wǎng)模式下的業(yè)務(wù)特點(diǎn)和VoIP業(yè)務(wù)的調(diào)度要求，提出了分層帶寬調(diào)度模型。分層調(diào)度模型根據(jù)距離MeshBS的跳數(shù)把Mesh網(wǎng)絡(luò)分成內(nèi)外兩層，內(nèi)層