WLAN中VoIP容量與呼叫準入控制研究

徐建華 吳其林

（1安徽省教育招生考試院，安徽 合肥 230022）（2安徽師范大學(xué)數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）（3巢湖學(xué)院計算機與信息工程學(xué)院，安徽 合肥 238000）

WLAN中VoIP容量與呼叫準入控制研究

徐建華1，2吳其林3

（1安徽省教育招生考試院，安徽 合肥 230022）（2安徽師范大學(xué)數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）（3巢湖學(xué)院計算機與信息工程學(xué)院，安徽 合肥 238000）

無線局域網(wǎng)絡(luò)（WLAN）中實現(xiàn)基于因特網(wǎng)協(xié)議的語音（VoIP）通信將面臨兩個主要的挑戰(zhàn)：一是如何提升VoIP容量；二是如何通過準入控制來確保語音的服務(wù)質(zhì)量。論文對以上兩個方面的目前研究狀態(tài)分別進行了詳細的闡述：在VoIP容量研究方面，論文指出了VoIP容量在WLAN中還將受接入點瓶頸效應(yīng)、協(xié)議開銷、競爭資源的數(shù)據(jù)流以及多速率信道四種因素的影響；在準入控制方面，論文將目前的準入控制方案分為基于模型的準入控制策略和基于測量的準入控制策略，指出了兩種方案的優(yōu)缺點以及還需要解決的問題。

無線局域網(wǎng)絡(luò)；基于因特網(wǎng)協(xié)議的語音；呼叫準入控制

隨著無線數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，人們已不滿足無線局域網(wǎng)絡(luò) （WLAN,Wireless Local Area Network）僅提供對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持，更希望WLAN能提供對語音等實時業(yè)務(wù)的支持。因而在WLAN中實現(xiàn)基于因特網(wǎng)協(xié)議的語音 （VoIP,Voice over Internet Protocol）通信是WLAN發(fā)展的一個重要趨勢，它將給人們帶來方便的、低廉的語音服務(wù)。近年來，圍繞著在WLAN中傳輸語音的相關(guān)問題已引起大量學(xué)者的研究興趣，主要涉及到VoIP容量和準入控制兩個方面，本文將對這個兩個方面的研究現(xiàn)狀分別加以詳細的分析與闡述，并指出還需要進一步解決的問題?？紤]到IEEE 802.11[1]標準是目前WLAN發(fā)展中得到廣泛接受的技術(shù)規(guī)范，其在媒體接入控制（MAC，Medium Access Control） 層采用了載波偵聽多路訪問與沖突避免（CSMA/CA,Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）方式進行信道接入，大量的WLAN相關(guān)研究都以此為基礎(chǔ)展開。為此，論文也將以基于IEEE 802.11和其增強版本IEEE802.11e[2]的WLAN作為研究對象。

1 VoIP容量相關(guān)研究

目前，有關(guān)VoIP容量（指的是WLAN所能同時支持的最大語音連接數(shù)量）的研究已引起廣泛關(guān)注。在實際的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，物理層與MAC層的特性使得VoIP容量遠遠低于理想環(huán)境中的容量。文獻 [3-5]通過分析得出VoIP容量在WLAN環(huán)境中受到了極大的限制，通過分析，它們得出在不同的編碼算法和語音包間隔下的語音容量，具體如表1所示（信道速率為11Mbps）。另外，文獻[3]也給出了在不同信道速率下的語音容量，如表2所示（語音包產(chǎn)生間隔為20ms）。文獻[6-9]通過試驗或分析的方式同樣也得到了相似的結(jié)果，而文獻[10]則在分析了以前研究所忽略的缺陷的基礎(chǔ)上，做出了更為詳細的實驗性分析與研究。

表1 不同的語音編碼及包產(chǎn)生間隔下的VoIP容量比較

表2 不同物理速率下的VoIP容量表

由以上分析可以看出，應(yīng)用層語音包產(chǎn)生間隔和物理層信道速率對VoIP容量產(chǎn)生了較大的影響。除此之外，VoIP容量在WLAN中還將受到以下因素的影響：

① 接入點（AP,Access Point）瓶頸效應(yīng)。考慮到VoIP流是一個雙向流， AP便是一個網(wǎng)關(guān)，所有的上行和下行流都要在此處匯聚。文獻[7]指出AP將承擔(dān)系統(tǒng)負載的50%，因此在AP處容易出現(xiàn)瓶頸效應(yīng)，將制約著VoIP容量?；贏P瓶頸效應(yīng)，文獻[4]提出模型來分析VoIP容量，并運用最小競爭窗口（CWmin）區(qū)分使AP獲得比移動節(jié)點 （MN）更多的信道接入機會，從而達到提升VoIP容量的目的。文獻[11,12]分別通過實驗與分析的方法利用傳輸機會 （TXOP,Transmission Opportunity）區(qū)分來提升VoIP容量。

②協(xié)議開銷。通常一個VoIP包所包含的語音凈負載是比較短的，對于G.729和G.723語音編碼來說，語音凈負載一般在10－40字節(jié)。但是為了要在網(wǎng)絡(luò)中建立一個語音會話，一個VoIP包需要自上而下穿越不同的協(xié)議棧，這就帶來了協(xié)議開銷，這些開銷將影響著VoIP容量。文獻[13]指出這些開銷可以讓VoIP資源使用效率降低到少于3%，因而文獻[13,14]運用了包頭壓縮和包聚集技術(shù)來提升VoIP資源使用效率，以達到提升VoIP容量的目的。

③競爭資源的數(shù)據(jù)流。在一個WLAN中，與VoIP流共存可能還有數(shù)據(jù)流，它們也需要一定的資源來保證其數(shù)據(jù)傳輸，因此，在這種情況下，VoIP流獲得可用資源將進一步受到限制，從而使VoIP容量受到影響。在VoIP與數(shù)據(jù)流共存的環(huán)境中，一般有兩種方法來保證VoIP的服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求，以達到提升容量的目的。一是依賴某種調(diào)度方法。目前，802.11和802.11e分別使用了點協(xié)調(diào)功能（PCF,Point Coordination Function）和混合協(xié)調(diào)功能 （HCF, Hybrid Coordination Function）兩種基于投票（polling）的機制來保證實時業(yè)務(wù)流的QoS要求。文獻[15]運用了令牌環(huán)，而文獻[16]則提出了語音優(yōu)先隊列調(diào)度；二是基于區(qū)分服務(wù)的方法。目前已有眾多的文獻對這種方法進行研究，可以把它們分為兩類：基于隊列的區(qū)分和基于協(xié)議參數(shù)的區(qū)分。前者通過設(shè)置不同優(yōu)先級的隊列讓實時業(yè)務(wù)流優(yōu)先傳輸數(shù)據(jù)，如文獻[17,18]；后者是通過區(qū)分設(shè)置協(xié)議參數(shù)CWmin和仲裁幀間隔 （AIFS, Arbitration Inter-Frame Space）盡量讓實時業(yè)務(wù)流優(yōu)先傳輸數(shù)據(jù)，如文獻[19]。在這些對區(qū)分服務(wù)進行研究的基礎(chǔ)之上，IEEE便提出了802.11e的增強的分布式信道接入（EDCA,Enhanced Distributed Channel Access）接入機制。IEEE 802.11e EDCA使用了CWmin、AIFS和TXOP三個參數(shù)來實現(xiàn)區(qū)分服務(wù)，但標準并沒有定義三個參數(shù)的優(yōu)化值（只是給出了參考值），因此，如何優(yōu)化這些參數(shù)來提升VoIP容量，將是一個重要的研究內(nèi)容。

④多速率信道。IEEE 802.11系列標準支持多種信道速率，節(jié)點可以根據(jù)無線信道狀態(tài)，自適應(yīng)地采用不同速率進行通信。文獻[20]指出，在多速率條件下，VoIP容量將會受到網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點所使用的速率以及每種速率下的節(jié)點數(shù)等因素影響與限制。文獻[21]分析了自動速率選擇對VoIP容量的影響。文獻[22]指出自適應(yīng)語音編碼選擇可以提升VoIP容量，并在文獻[23]中作者對不同的自適應(yīng)編碼選擇做出了比較。文獻[24]提出一個幀聚集方案來提升多速率環(huán)境下的VoIP容量并保證最小的能量消耗。據(jù)檢索，目前還沒有出現(xiàn)考慮多速率信道下的VoIP容量分析模型，這將是我們一個重要研究內(nèi)容。

由以上分析可知，目前對基于WLAN的VoIP容量研究已備受關(guān)注，但主要還有兩個問題需要進行深入地研究：一是協(xié)議參數(shù)優(yōu)化問題。目前大部分的研究主要考慮的是優(yōu)化CWmin來區(qū)分MN和AP，從而達到提升VoIP容量的目的，但很少有具體分析AIFS和TXOP對VoIP容量的影響；二是多速率信道問題。由前述可知，在實際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，MN會根據(jù)信道條件來自適應(yīng)地調(diào)節(jié)其傳輸速率，但目前大部分的研究都假設(shè)MN的傳輸速率不變，很少有考慮多速率信道下的VoIP容量分析模型。這兩個問題將是對WLAN中的VoIP容量進行研究的主要內(nèi)容。

2 準入控制相關(guān)研究

呼叫準入控制（CAC,Call Admission Control）的目標包含兩方面：一要滿足用戶QoS要求；二是最大限度利用通信資源。判決呼叫是否被準入的原則是依據(jù)呼叫用戶的QoS要求和系統(tǒng)目前的可用資源來決定的。一般來說，用戶的QoS要求是網(wǎng)絡(luò)為用戶傳輸端到端數(shù)據(jù)時必須提供的一套可測量的預(yù)先定義的服務(wù)屬性，一般包括時延、時延抖動、誤碼率、分組丟包率和可用帶寬等。CAC要解決的基本問題就是如何準確估計系統(tǒng)的可用資源（可用資源可以由可用帶寬、吞吐量、時延、隊列長度、負載量、沖突水平等參數(shù)來指示）和如何有效地依據(jù)呼叫節(jié)點QoS要求來判斷是否準入新的呼叫。目前，研究無線網(wǎng)絡(luò)中的CAC已受到廣泛關(guān)注，依照獲取資源方法的不同可以將其概括為兩類：

（1）基于測量（Measurement-based）的準入控制策略。

當(dāng)新的呼叫需要接入網(wǎng)絡(luò)時，節(jié)點便去測量當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)資源使用情況，包括當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)、隊列利用率、可用帶寬、信道占有時間、信道忙率、信道利用率等，然后一般需要與預(yù)先定義的判決門限比較從而決定是否準入這個新呼叫。這種策略的主要問題一方面是測量的準確性，不能低估或高估網(wǎng)絡(luò)資源使用情況，低估資源會導(dǎo)致誤拒絕，而高估資源則導(dǎo)致誤準入。文獻[25-30]分別提出了基于測量的準入控制策略，這些策略主要存在以下缺陷：一方面是不具有預(yù)測性。因為測量出的當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)資源是準入該新呼叫之前的情況，而不是準入后的。另一方面是判決門限難以確定，不能根據(jù)不同流的QoS要求而進行動態(tài)的改變。另外，這些策略大部分都需要依賴AP來進行準入控制，只有文獻[29]是完全分布式的。然而，在分布式CAC中，節(jié)點往往需要全局信息才能準確的測量出網(wǎng)絡(luò)資源使用狀況，而做到這一點是困難的。

（2）基于模型（Model-based）的準入控制策略。這種策略一般預(yù)先定義一個分析模型，并根據(jù)此模型得出計算吞吐量、時延或時延抖動等判據(jù)的表達式。當(dāng)新的呼叫需要接入網(wǎng)絡(luò)時，節(jié)點便依據(jù)此模型計算出判據(jù)，然后與流對這些判據(jù)的要求（即需要滿足流的QoS的要求）進行比較從而決定是否準入這個新呼叫。這種策略的優(yōu)點就是可以進行預(yù)測，其主要問題是模型構(gòu)造，所定義的模型是否正確體現(xiàn)出分布式協(xié)調(diào)功能（DCF,Distributed Coordination Function）或 EDCA協(xié)議的特點、是否正確體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負載的狀態(tài)（飽和與非飽和）、是否能適應(yīng)異種數(shù)據(jù)流（數(shù)據(jù)流與語音流共存，或者是采用不同編碼的語音流共存）。文獻[31-33]分別提出了以吞吐量或時延作為準入判決依據(jù)的準入控制模型。這些模型主要存在的缺陷是假設(shè)網(wǎng)絡(luò)處于飽和狀態(tài)，這種假設(shè)的缺陷是過高的估計了網(wǎng)絡(luò)負載狀態(tài)，不適合用來進行CAC。在飽和狀態(tài)下準入一新呼叫將導(dǎo)致包丟失率和時延增加，從而影響現(xiàn)有的呼叫，最終導(dǎo)致誤拒絕概率升高。然而，CAC的目的卻正是要使網(wǎng)絡(luò)處于非飽和狀態(tài)。為了克服這一缺陷，文獻[34]提出了準入控制模型，該模型不僅分析了非飽和狀態(tài)，而且還考慮幀錯誤率，但該模型沒有使用時延作為判據(jù)依據(jù)。由于通過分析模型來計算吞吐量或時延往往帶來較大的計算量，與以上提到的CAC不同，文獻[35]提出的分布式CAC并不是以吞吐量或時延作為直接的判據(jù)，而是通過估計信道負載來進行準入操作，以達到保證流的QoS要求。文獻[36-39]也通過運用不同的CAC判據(jù)來進行準入操作，但是這些CAC策略均需要依賴于AP。例如，文獻[36]運用信道占有時間（airtime），文獻[37]運用隊列利用率，文獻[38]運用最小競爭窗口，文獻[39]則運用“臨界負載”。然而，以上提到的CAC均是針對每個AC，而不是每個具體的流，在一個AC中每個流的QoS要求可能是不同的。于是文獻[40]提出了基于流的準入控制策略，該策略考慮了每個流的QoS要求，而不是每個AC的。同時，該文獻也考慮了接入流的時延要求，并設(shè)計了能適應(yīng)每個流QoS要求的動態(tài)的判決門限。值得一提的是，文獻[40]提出的CAC需要兩個階段（文獻[37]也采用了這種方法）：1）第一階段，每個節(jié)點自身比較計算所得到的最大沖突概率與測量所得到的信道當(dāng)前沖突概率，如果最大沖突概率小于信道當(dāng)前沖突概率則拒絕該流的準入要求，否則進入2）第二階段，AP依據(jù)各個節(jié)點的TXOP最終決定是否準入當(dāng)前流。因此，從該過程可以看出，文獻[40]提出的CAC需要依賴于AP，而且該CAC實際上也結(jié)合了基于測量和基于模型兩種方法的優(yōu)點，形成了一種混合的CAC策略，即測量輔助的、基于模型 （measurement-assisted, modelbased）的CAC策略。

以上提到的CAC策略主要是針對IEEE 802.11（802.11e）的 DCF（EDCA）接入機制，提出的CAC主要是分布式的，因此面臨眾多的挑戰(zhàn)，引起了廣泛的關(guān)注。正如前文所述，IEEE 802.11（802.11e）也提供了 PCF（HCCA）集中控制式的接入機制，提出的CAC主要是集中式的，其實現(xiàn)起來較為容易，因此基于PCF（HCCA）的CAC研究并沒有引起廣泛關(guān)注。然而，IEEE 802.11e提供了一個基于HCCA的參考的CAC策略，但不能很好地支持VBR流 （數(shù)據(jù)包的發(fā)送速率或數(shù)據(jù)包長可變，比如語音流和視頻流）。

由以上分析可知，目前對基于MAC協(xié)議的CAC研究已備受關(guān)注，但主要還有兩個問題需要進行深入地研究：一是利用時延和抖動作為準入判決依據(jù)問題。在目前的研究中，大部分都是依據(jù)吞吐量來作為準入判決依據(jù)，即使文獻[31,33]提出了以時延作為判決依據(jù)的模型，但它們考慮的是飽和狀態(tài)，這一點與現(xiàn)實的網(wǎng)絡(luò)負載環(huán)境是不符合的 （特別是當(dāng)在WLAN中傳輸VoIP流時）。同時，文獻[31,33]在運用CAC時會帶來較大的計算量，這一點也是大部分基于模型的CAC所面臨的一個共同性問題，而基于測量的CAC可以克服這個缺陷，為此，可以考慮聯(lián)合這兩種策略，設(shè)計出一個基于測量輔助的模型化的CAC策略。二是異種流共存問題（語音流與數(shù)據(jù)流共存，或者不同編碼的語音流共存）。雖然IEEE 802.11e提供了區(qū)分機制，但不是確定性的，即該機制不能確保實時流的QoS要求一定能得到滿足[41]。無線網(wǎng)絡(luò)中異種流共存的環(huán)境讓實時流的QoS的特性（如時延、抖動等）充滿著隨機性，利用時延、抖動等QoS特性的統(tǒng)計值來作為準入判決依據(jù)將不能很好用于準入控制策略[42]，為此，在異種流共存的環(huán)境下，可以考慮設(shè)計出利用時延的隨機值作為判決依據(jù)的CAC策略。

3 結(jié)語

在WLAN中廣泛實施VoIP語音通信，需要解決兩個重要的問題：一是要確定WLAN所能支持的語音容量，即在保證語音QoS的前提下，WLAN所能同時支持的最大語音連接數(shù)量。VoIP容量的研究可以讓我們發(fā)現(xiàn)限制語音容量的因素，進而可以結(jié)合MAC協(xié)議的特點，設(shè)計出提升語音容量的方案；二是要利用CAC來保證已準入呼叫的QoS要求。CAC是對無線網(wǎng)絡(luò)資源進行有效管理的一種重要方式，可以維護系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)容量并防止系統(tǒng)過載，對其進行研究可以確保語音的QoS要求并提供系統(tǒng)資源利用率。論文對這個兩個方面的研究現(xiàn)狀分別展開了調(diào)查、分析與總結(jié)，并對進一步的研究工作進行了展望。

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RESEARCH ON VOIP CAPACITY AND CALL ADMISSION CONTROL IN WIRELESS LOCAL AREA NETWORK

XU Jian-hua1,2WU Qi-lin3
(1 Anhui Education Examinations Authority,Hefei Anhui 230022)(2 School of Methmatics and Computer Science,Anhui Normal University,Wuhu Anhui 241000)(3 School of Computer and Information Technology,Chaohu Universtiy,Hefei Anhui 238000)

There are two major challenges for deploying Voice over Internet Protocol(VoIP)in Wireless Local Area Network(WLAN): how to improve the VoIP capacity and how to ensure the quality of service of voice by means of call admission control.In this paper,the current research status of the above two aspects are detailedly elaborated.For the research on VoIP capacity,this paper points out that the VoIP capacity can be affected by four factors,namely,bottleneck effect of access point,overhead of protocols,contending data flows and multi-rate channel.For the research on call admission control,this paper categorizes the strategies of admission control into model based admission control and measurement based admission control,and points out the advantages and disadvantages of the two strategies and the probems need to be solved.

Wireless local area network;Voice over internet Protocol;Call admission control

TP393

A

1672－2868（2012）03－0024－06

2012-03-23

安徽省高校省級自然科學(xué)研究項目（項目編號：KJ2012Z266）

徐建華（1982-），男，安徽太湖人。安徽師范大學(xué)碩士研究生，研究方向：無線接入網(wǎng)絡(luò)。

責(zé)任編輯：陳 侃