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摘 要 本文主要工作提出一种新的跨层优化算法，该算法可显著地提高无线局域网的语音业务容量。与传统的802.11e的HCCA相比，该算法显著的提高了语音业务的可接纳数目，而且，该算法降低了无竞争时期CFP的长度，可以给其他业务提供更多的带宽。
关键词 VoIP；802.11e；无线局域网；跨层优化
中图分类号 TN 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2011)101-0119-01
1 VoIP over WLAN网络容量问题简析
近年来，IEEE 802.11e提出无线局域网中了对VoIP业务更为有效的算法，但是还是存在很多的缺点。1）在与其他业务共存而导致语音业务的时延过大无法满足用户的需要。2）无线局域网可容纳的语音业务过少，并且上层包头的载荷过大，消耗很大部分的带宽。一般说来，802.11e理论上可以接纳上千个VoIP服务。然而，在实际上可同时接纳的VoIP语音流数量要远远小于理论值。
为了解决802.11e下VoIP的上述缺点， 我们提出一种跨层优化算法来提高WLAN下的VoIP系统容量。
2 类时分多址的跨层优化策略
為了解决HCCA中的802.11e的缺点，我们提出了类时分多址的语音包调度算法STXOP（Slotted TXOP）算法。我们研究的场景中，所有无线局域网的节点都具有相同的物理层速率和语音编码算法，在我们提出的STXOP算法中，无竞争时长（CFP）类似于TDMA（时分多址），每个语音业务的结点都被分配一个定长的时长来上传语音数据包。如图1所示。
在STXOP算法中，超帧长度被设置成节点所采用的编解码器的帧间间隔。由于帧间间隔为一常数，超帧的时间长度和相应的编解码器的帧间间隔相等，从而保证在一个超帧过程，每个节点的语音包都会有传输机会（TXOP）。
和EDCA一样，数据包和视频包在竞争时期CP内传送，而不占用CFP中的时隙。而语音数据包以最高的优先级在CFP中传输。当一个节点要发起一个新的语音呼叫时，该节点就在CP阶段向AP请求一个竞争时期时隙。首先站点传输一个请求包给AP，随后AP回复一个具有分配的时隙信息的数据包给该节点，然后节点根据AP的命令，建立连接并且开始在CFP中传输。当一个语音呼叫结束时，其他的语音呼叫还在进行，此时AP将重新分配空闲的时隙给其他的正在进行的语音呼叫，以减小无竞争时期（CFP）的持续时间。这种调度机制也可在CP阶段中实现。
在STXOP策略中，由于TXOP被分配给每个节点，由此，避免了数据包的相互冲突。由此，轮询和确认帧以及重传机制都不需要，由此，VoIP的信道容量和带宽利用率都得到了提高。
3 跨层优化策略的理论分析
在本章中我们对STXOP算法进行理论分析，得出其网络容量。
首先，我们分析在STXOP中的网络容量问题。从图1的STXOP时序图中可以看出，每个节点都要占据以下的时隙长度：
（1）
其中：Lpacket是语音包的长度，CPHY为物理层速率，SIFS和802.11中的SIFS的大小一致。其中包长度：
Lpacket=LMACheader+LUPPERheader+Lpayload
与分配给节点的TXOP不同，无竞争周期（CFP）包括：一个信标帧，一个CF-END帧， 和一个额外的SIFS，由此，CFP的时长可以表示如下：
（2）
其中 n 代表语音节点的个数，2n 为所有的语音站点上传和下载的语音流的总数目。LBeacon 为信标帧的长度，LCF-END为CF-END帧的长度。由上述二式，并采用与802.11e相同的参数，可以得到节点总数如下式：
（3）
从（3）中可以看出，在VoIP业务中我们所提出的STXOP算法在网络容量方面比原始的HCCA算法有了明显的提升。
4 结论
本文介绍了WLAN上的VoIP技术，并提出了和分析了一种跨层的优化算法，与传统的802.11e的HCCA相比，本文提出的算法可以从很大程度上提高语音业务的系统容量，同时减小CFP长度，这就意味着其他业务可以享受到更大的带宽。通过这种方式，本文提出的算法可以使得语音业务和其他类型的业务有效共存。
参考文献
[1]黎连业.无线网络及其应用技术[M].北京:清华大学出版社,2004.
[2]黄永峰.因特网语音通信技术及其应用[M].北京:人民邮电出版社,2002.
[3]张登银,等.VoIP技术分析与系统设计[M].北京:人民邮电出版社,2003.
[4]陈万培.因特网语音通信的关键技术.电声技术[J].2003,5:52-53.
[5]Bill Douskalis.IP电话技术稳定的VOIP服务集成.北京:机械工业出版社,2000,9.
[6]M.Veeraraghavan,N.Cocker,and T.Moors,Support of voice services in IEEE 802,11. wireless LANs, in Proc. IEEE INFOCOM 2001:488-497.
关键词 VoIP；802.11e；无线局域网；跨层优化
中图分类号 TN 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2011)101-0119-01
1 VoIP over WLAN网络容量问题简析
近年来，IEEE 802.11e提出无线局域网中了对VoIP业务更为有效的算法，但是还是存在很多的缺点。1）在与其他业务共存而导致语音业务的时延过大无法满足用户的需要。2）无线局域网可容纳的语音业务过少，并且上层包头的载荷过大，消耗很大部分的带宽。一般说来，802.11e理论上可以接纳上千个VoIP服务。然而，在实际上可同时接纳的VoIP语音流数量要远远小于理论值。
为了解决802.11e下VoIP的上述缺点， 我们提出一种跨层优化算法来提高WLAN下的VoIP系统容量。
2 类时分多址的跨层优化策略
為了解决HCCA中的802.11e的缺点，我们提出了类时分多址的语音包调度算法STXOP（Slotted TXOP）算法。我们研究的场景中，所有无线局域网的节点都具有相同的物理层速率和语音编码算法，在我们提出的STXOP算法中，无竞争时长（CFP）类似于TDMA（时分多址），每个语音业务的结点都被分配一个定长的时长来上传语音数据包。如图1所示。
在STXOP算法中，超帧长度被设置成节点所采用的编解码器的帧间间隔。由于帧间间隔为一常数，超帧的时间长度和相应的编解码器的帧间间隔相等，从而保证在一个超帧过程，每个节点的语音包都会有传输机会（TXOP）。
和EDCA一样，数据包和视频包在竞争时期CP内传送，而不占用CFP中的时隙。而语音数据包以最高的优先级在CFP中传输。当一个节点要发起一个新的语音呼叫时，该节点就在CP阶段向AP请求一个竞争时期时隙。首先站点传输一个请求包给AP，随后AP回复一个具有分配的时隙信息的数据包给该节点，然后节点根据AP的命令，建立连接并且开始在CFP中传输。当一个语音呼叫结束时，其他的语音呼叫还在进行，此时AP将重新分配空闲的时隙给其他的正在进行的语音呼叫，以减小无竞争时期（CFP）的持续时间。这种调度机制也可在CP阶段中实现。
在STXOP策略中，由于TXOP被分配给每个节点，由此，避免了数据包的相互冲突。由此，轮询和确认帧以及重传机制都不需要，由此，VoIP的信道容量和带宽利用率都得到了提高。
3 跨层优化策略的理论分析
在本章中我们对STXOP算法进行理论分析，得出其网络容量。
首先，我们分析在STXOP中的网络容量问题。从图1的STXOP时序图中可以看出，每个节点都要占据以下的时隙长度：
（1）
其中：Lpacket是语音包的长度，CPHY为物理层速率，SIFS和802.11中的SIFS的大小一致。其中包长度：
Lpacket=LMACheader+LUPPERheader+Lpayload
与分配给节点的TXOP不同，无竞争周期（CFP）包括：一个信标帧，一个CF-END帧， 和一个额外的SIFS，由此，CFP的时长可以表示如下：
（2）
其中 n 代表语音节点的个数，2n 为所有的语音站点上传和下载的语音流的总数目。LBeacon 为信标帧的长度，LCF-END为CF-END帧的长度。由上述二式，并采用与802.11e相同的参数，可以得到节点总数如下式：
（3）
从（3）中可以看出，在VoIP业务中我们所提出的STXOP算法在网络容量方面比原始的HCCA算法有了明显的提升。
4 结论
本文介绍了WLAN上的VoIP技术，并提出了和分析了一种跨层的优化算法，与传统的802.11e的HCCA相比，本文提出的算法可以从很大程度上提高语音业务的系统容量，同时减小CFP长度，这就意味着其他业务可以享受到更大的带宽。通过这种方式，本文提出的算法可以使得语音业务和其他类型的业务有效共存。
参考文献
[1]黎连业.无线网络及其应用技术[M].北京:清华大学出版社,2004.
[2]黄永峰.因特网语音通信技术及其应用[M].北京:人民邮电出版社,2002.
[3]张登银,等.VoIP技术分析与系统设计[M].北京:人民邮电出版社,2003.
[4]陈万培.因特网语音通信的关键技术.电声技术[J].2003,5:52-53.
[5]Bill Douskalis.IP电话技术稳定的VOIP服务集成.北京:机械工业出版社,2000,9.
[6]M.Veeraraghavan,N.Cocker,and T.Moors,Support of voice services in IEEE 802,11. wireless LANs, in Proc. IEEE INFOCOM 2001:488-497.