CN101018188A

CN101018188A - 基于单播的无线局域网VoIP传输方法

Info

Publication number: CN101018188A
Application number: CNA2006100028869A
Authority: CN
Inventors: 刘志敏; 罗艳; 王东; 赵玉萍
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2006-02-10
Filing date: 2006-02-10
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2026-02-10
Also published as: CN100527705C

Abstract

基于单播的无线局域网VolP传输方去，包括：1)将一定时间间隔内到达的话音包依次连接成一个复接分组，同时判断所有话音包的目的地址是否在动态地址列表内，如果有话音包的目的地址不在动态地址列表内，则将该目的地址加入表头；2)将复接分组中目的地址位于动态地址列表表头最前列的话音包的IP包头复制出来，并将其中的版本字段或服务字段改写成特定值后，作为整个复接分组的识别包头，同时将该目的地址移到表尾；3)根据由识别包头确定的MAC地址，通过单播方式向网内终端转发该复接分组；4)所有处于混杂模式下的终端收到该复接分组后，通过其中的话音包的IP头信息查找出属于自己的话音包向上层转发，丢弃不属于自己的话音包。

Description

基于单播的无线局域网VoIP传输方法

技术领域

本发明涉及无线局域网(WLAN)中支持IP语音(VoIP)技术，尤其是IEEE802.11标准所定义的工作在分布式协调功能(DCF)下的WLAN。

背景技术

IEEE802.11协议定义的WLAN工作在1M/2M/11Mbps几种典型的工作速率下，多个无线站点通过共享的空间和频率资源，按照一定的接入方式进行通信。根据其接入模式是否基于竞争，WLAN的信道接入方式可以分为：1)基于CSMA/CA(载波侦听/冲突避免)的分布式协调功能(DCF)；2)基于轮询的集中控制方式(PCF)。而市场上现有的绝大多数WLAN产品却只支持DCF方式。

对于基于DCF的接入方式，所有无线站点和无线接入点(AP)处于同一个竞争域中，按照CSMA/CA所规定的接入方式，有序、公平地竞争接入信道。由于站点和AP在竞争中并无优先权之分，因此各个站点和AP成功竞争到信道的概率相同。同时，WLAN所提供的信道带宽相对于其它无线网络，如GSM、3G等都更大，在WLAN中支持IP语音(VOIP)成为当前WLAN领域中研究的热点。

VoIP是指利用IP分组传送话音数据，实现基于分组交换方式下的语音通信。在通信流量上，VoIP业务呈现明显的对称性，这是由活音通信本身的特点所决定的。在WLAN中进行通信时，按照现有大部分设备支持的协议规定，所有站点的数据都要通过AP进行转发，站点间不能直接进行交互，因此，AP就成为WLAN中的一个交通枢纽。对VoIP等业务而言，AP需要转发的通信量和所有站点发送给AP的通信量相同。而AP竞争到信道发送数据的机会却是和每一个站点的机会相同的。这就势必造成在AP处的数据的堆积，而对VoIP等业务而言，就会进一步影响到业务的性能，如业务延迟，丢包率等。

大量研究结果表明，在DCF方式下，VoWLAN面临的一个最大的技术问题就是WLAN实际支持的VoIP数目远小于理论值。网内话音传输的上下行链路不对称，导致下行链路上话音传输延时过大，从而制约了WLAN内VoIP容量的增多。

如何在不对现有AP和无线站点做过多改动的基础上，解决WLAN中上下行链路的非对称问题，消除WLAN在DCF模式下通信的瓶颈，一类方法是在不改变现有的WLAN工作机制，对VoIP话音流进行复接等处理，使其能更有效的在WLAN中进行传输。这类方法的代表是Wang Wei等于2005年1月在文章“Solutions to performance problems in VoIP over a 802.11wireless LAN”(Vehicular Technology，IEEE Transactions on Volume 54，Issue 1，Jan.2005Page(s)：366-384)中提出的一种利用组播方式传送复接VoIP话音分组的方案M-M。该方案分为话音包的复接和组播两个过程。如图1所示，复接的过程为：复接服务器将每个IP话音分组中的RTP、UDP和IP头用一个最小压缩头代替，形成一个复接的话音包，该分组的IP地址为组播地址。组播过程为：复接服务器将复接的话音包，发送给AP，由AP形成组播帧。根据IEEE802.11协议规定，组播帧在WLAN中传送时，没有准备发送(RTS，Readyto Send)/清除发送(CTS，Clear to Send)的信道预约过程，是直接将组播帧送上信道。通过设置工作站点为可接收组播帧的方式，工作站点接收到复接话音帧，根据各个帧体前面的压缩包头识别并提取属于自己的IP话音分组。对于组播分组，如果出现分组丢失，站点端无法通知AP使其重传。

根据IEEE 802.11协议的规定，WLAN中的组播帧和单播帧相比，有两点显著的区别：1)组播帧没有RTS/CTS进行信道预约，是基于基本的DCF模式竞争信道；2)组播帧发送后，在链路层上没有确认帧(ACK)的确认，一旦组播帧出现丢失，发方无法进行重传。这使得组播帧在WLAN中的碰撞概率比相应的单播帧要高出很多。

如采用M-M中提出的利用组播帧传送复接话音分组的方法，语音的丢包率问题将变得更为严重。其原因在于，当采用复接方案后，丢失一个复接组播帧意味着复接在该组播帧中的所有话音帧的丢失，从而使得实际话音帧的丢包率成倍增加。我们发现，当使用组播方式进行VoIP话音帧的传送时，由于上述原因导致的丢包率比单播方式高出10％左右，而这已经远远超出了ITUT-G.114中建议最大VoIP丢包率不应超出3％的要求，使得类似于M-M的方案无法直接应用于现有的VoWLAN中。而出现上述问题的根源在于使用组播帧传送的VoIP业务在WLAN中无法可靠的传输。因此，我们提出了基于单播方式的话音复接方案(UM，Unicast-Multiplexing)，在提高VoWLAN容量的同时，从根本上解决了组播丢包率对VoIP业务的限制，使其能很好的应用于现有的无线局域网环境中。

发明内容

针对现有无线局域网(WLAN)系统对VoIP支持上所存在的问题，本发明提出了一种基于单播的WLAN的VoIP传输方法，包括步骤：

(1)将一定时间间隔内到达的话音包依次连接成一个复接分组，同时判断所有话音包的目的地址是否在动态地址列表内，如果有话音包的目的地址不在动态地址列表内，则将该目的地址加入该表表头；

(2)将复接分组中目的地址位于动态地址列表表头或离表头最近处的话音包的IP分组头复制出来，并将其中的版本字段或服务字段改写成特定值后，作为整个复接分组的识别包头，同时将该目的地址移到表尾；

(3)根据由识别包头确定的MAC地址，通过单播方式向网内终端转发该复接分组；

(4)所有处于混杂模式下的终端收到该复接分组后，通过其中的话音包的IP分组头信息查找出属于自己的话音包，丢弃不属于自己的话音包。

在上述方法的具体实现过程中，需要在AP和路由器之间增加一个单播复接服务器，该服务器的主要作用是将转发给若干终端用户的话音包复接成一个单播地址的复接分组。以下具体解释该方法的步骤：

1、复接分组的形成

路由器、单播复接服务器和AP之间以有线网的方式连接，在有线网上交换话音包。在步骤(1)中，单播复接服务器按照一定的时间间隔将多个话音包复接成一个复接分组。

如图2所示，为复接分组的格式。在整个复接分组前面增加识别包头，其作用有两个：

1)识别包头中的目的地址即为单播地址，因此可以使AP采用单播方式，例如RTS/CTS方式发送复接分组；

2)通过设置识别包头的某个字段为特殊值，比如版本字段或服务字段为特殊值来区分此话音包为复接的复接分组。

其中，单播复接服务器保存一张动态终端地址列表，表中动态地存储了有关终端的目的地址信息，以提供识别包头中的单播地址。单播复接服务器对一定时间间隔内到达的话音包，判断是否所有的目的地址都在终端地址列表内，如果有话音包的目的地址不在终端地址列表内，则先将该目的地址加入表头，如果所有话音包的目的地址都在表内，则不需要添加。

在步骤(2)中，单播复接服务器首先判断位于动态地址列表表头的目的地址是否和复接分组中某个话音包的目的地址一致，如果是则选择该目的地址，如果不是则依次查找下一个，直至找到为止。然后复接服务器选取该目的地址作为复接分组的目的地址，最后将此目的地址移至表尾。这样一个动态的终端地址列表，以及从表头开始查找的方式，可以保证网内的每个终端都有平等的通信地位。

2、复接分组的单播发送

单播复接服务器完成了复接分组的复接操作后，将复接分组发送至AP，由AP以RTS/CTS方式发送给终端。在WLAN中，发送组播分组采用基本DCF方式，而发送单播分组采用RTS/CTS方式。由于复接分组中包含了多个终端的语音数据，需要为多个终端所同时接收。采用组播分组实现“一发多收”是没有问题的，但其存在两个缺陷：1)在WLAN中发送组播分组是基于基本DCF模式，无法使用RTS和CTS帧进行信道预约。2)组播分组发送后，是没有ACK帧进行确认的，因此无法发现传送中因为错误而丢失的包。对于本发明提出的复接分组而言，若不采用RTS/CTS预约信道，并且没有ACK确认，丢包率难以得到很好的控制，就难以满足语音的服务质量要求。

而由于本发明中的复接分组采用单播方式，则不存在上述两个问题，复接分组可以使用RTS和CTS方式进行信道预约，同时对所有的语音帧都有ACK确认。然而，因为复接分组的目的地址为单播地址，只能是一个终端的地址，那将只有一个终端(也就是和复接分组目的地址相同的终端)能够接收到该复接分组，其它终端都接收不到，这是方案所不允许的。因此，本发明利用无线网卡的一种工作模式——混杂模式，使网卡接收到网内传输的所有话音包，然后交由高层处理。通过设置网卡的工作模式为混杂模式，解决采用单播方式传输复接分组的问题。

3、复接分组的解析

当复接分组通过AP以单播的方式发送上信道后，被处于混杂工作模式的终端接收。终端对接收到的复接分组进行如下解析：

在复接分组里根据目的每个IP分组头中的地址和分组长度信息，逐一查找属于本终端的话音包。如果发现有与自己地址吻合的话音包，将其提取出来，并送交上层进行处理；如果遍历了整个复接分组，仍然没有找到属于自己的话音包，则将收到的复接分组丢弃。

4、复接分组控制下终端混杂模式和普通模式的切换

由于处于混杂模式下的终端需要接收并解析发向所有终端的全部话音包，造成终端需要一直处于工作状态，激活时间长，耗电量大，这对实现上提出相当大的难度。因此，可以使终端只是在语音通信阶段处于混杂模式，而在不进行语音通信时则工作在普通模式，这既能节省终端的耗电量，又增加了通信的安全性。终端在两种状态之间转移，当终端收到复接分组时从普通模式转换到混杂模式；而当终端在一定时间内没有收到复接分组时，则从混杂模式切换回普通模式。

本发明的技术效果在于，通过引入单播复接服务器，同时给出了适用WLAN的复接分组的复接方案及接收端各个用户话音包的区分方案，使本发明提出的方法可以最大数量的支持网内语音用户，降低了话音包在无线信道上的丢包率，另外对于终端设备而言，这还是一种降低功耗的方案。该方案可直接应用于语音无线局域网(VoWLAN)，使系统性能得到很大提高。

实验表明，根据本发明提供的方法，在保持系统的容量提升了近100％的同时，VoIP业务的丢包率降低了10％左右，并且终端只在尽量短的时间处于混杂模式，减小了终端的耗电量。如图4所示，是通过仿真得出的在本发明方法和传统未复接方法下VoIP业务时延性能对比图，从图中可以看出，本发明所提供的方法的时延性能明显提高了。如图5所示，是本发明的单播复接方法和组播复接方法下VoIP业务的丢包率性能对比图，同样可以看出，本发明所提供的方法的丢保率大大降低了。

附图说明

图1是组播复接方法中的复接话音包的复接方法示意图；

图2是基于单播的复接分组的复接方法示意图；

图3是本发明实施例的通信机制示意图；

图4是单播方式下本发明的复接方法和传统未复接方法下VoIP业务时延性能对比图；

图5是本发明的单播复接方法和组播复接方法下VoIP业务的丢包率性能对比图；

图6是本发明实施例的应用环境示意图。

具体实施方式

如图6所示，给出了一个本发明所应用的VoWLAN的典型环境。终端通过AP接入有线网络，WLAN的协议为IEEE802.11。单播复接服务完成将路由器送来的话音包复接成复接分组发送给AP，AP转发复接分组给给终端。

例如，给出单播复接服务器和AP下4个终端的IP地址的配置：

	IP地址	子网掩码
	IP地址	子网掩码	单播复接服务器	162.105.76.1	255.255.255.0
终端1	162.105.76.111	255.255.255.0	单播复接服务器	162.105.76.1	255.255.255.0
终端1	162.105.76.111	255.255.255.0	终端2	162.105.76.112	255.255.255.0
终端3	162.105.76.113	255.255.255.0	终端2	162.105.76.112	255.255.255.0
终端3	162.105.76.113	255.255.255.0	终端4	162.105.76.114	255.255.255.0

如发明内容中阐述的，首先，单播复接服务器将话音包按一定的时间间隔和图2所示的复接方式，形成复接分组。其中，时间间隔是根据该WILAN的语音业务流量确定的，在本实施例中取为10ms。以下结合图3说明本实施例的实现过程。在某个时间间隔10ms内复接形成包含了终端2、4的复接分组，然后根据单播复接服务器中的动态地址列表选取复接分组中识别包头的目的地址。假设现在地址列表中已有终端3和终端4的地址信息，则首先将终端2作为一个新的地址信息添加至表头。并将其作为此复接分组中识别包头的单播目的地址，即，复制发送住终端2的话音包的IP包头2、并将该包头中的版本号字段改写为“1111”，表示该复接分组为一个长的单播话音包，作为识别包头。复接后形成的复接分组如下：

MAC头

识别包头

IP包头2

IP包体2

IP包头4

IP包体4

CRC

其中，MAC头和CRC是基于整个长的复接分组为一个话音包来生成的。然后，单播复接服务器将形成的复接分组传送至AP。AP将复接分组形成MAC帧发送给指向的站点，在本实施例中为站点2，利用准备发送(RTS)和清除发送(CTS)帧进行信道预约。信道预约成功后，AP在WLAN链路上发送此MAC帧。此时，处于混杂模式的终端2、3、4均可以接收到此MAC帧。终端2、3、4对接收到的MAC帧提取复接分组(话音包)，根据识别包头中设置的版本号的特殊值“1111”，判断出此分组为复接分组。然后，各终端在复接分组中查找属于自己的话音包，并将其提取出来，遍历整个复接分组后仍未找到，则丢弃复接分组。具体过程是。终端2、3、4首先提取复接分组中第一个IP包包头的目的地址信息，和自己的相比较，如果相同。则找到属于自己的话音包，将其提取出来。如果不相同，则根据IP包头中的包长信息，跳至下一个IP话音包的包头起始位置，重复上述操作，直至遍历完整个复接分组。最后，终端2、4找到了属于自己的话音包，并丢掉了剩余的话音包：终端3则没有找到属于自己的话音包，则丢弃整个复接分组。接收完毕后，由MAC帧头指向的终端2回复ACK给AP，确认此次传送正确。

经过一定的时间，本实施例中设为5秒，终端2、3、4一直没有收到复接分组，则通话结束，这三个终端就从混杂模式切换回普通模式，同时，单播复接服务器由于在5秒内没有收到目的地址为终端2、3、4的话音包，就将它们对应的目的地址从表中删除。在之后的某个时间间隔内，单播复接服务器接收到终端3的话音包，而没有其他终端的话音包，此时动态地址列表为空，单播服务器将终端3的目的地址加入表头，并直接生成该话音包的MAC帧，发送给终端3。此时的终端均处于普通模式，因此只有MAC帧所指向的终端3接收该帧。同时切换到混杂模式，而终端l由于一直都没有收到话音包，处于普通模式，因此未接收到该复接分组。

以上通过具体实施例详细描述了本发明，本领域的技术人员应能理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以进行各种修改和变形(例如对接收话音包的时间间隔的设置可以依据需要而设定)，仍属于本发明的范围。

Claims

1、一种基于单播的无线局域网VoIP传输方法，包括步骤：

(2)将复接分组中目的地址位于动态地址列表表头最前列的话音包的IP包头复制出来，并将其中的版本字段或服务字段改写成特定值后，作为整个复接分组的识别包头，同时将该目的地址移到表尾；

(4)所有处于混杂模式下的终端收到该复接分组后，通过其中的话音包的IP头信息查找出属于自己的话音包向上层转发，丢弃不属于自己的话音包。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括步骤：在特定时长内，处于混杂模式下的终端如果一直没有收到话音包，则该终端自动切换为普通模式，直至接收到话音包时再切换到混杂模式。

3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括步骤：在特定的时长内，如果一直没有收到与动态地址列表中的目的地址相对应的话音包，则将该目的地址从动态地址列表中删除。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，还包括以下先行步骤：首先判断位于动态地址列表表头的目的地址是否和复接分组中某个话音包的目的地址一致，如果是则选择该目的地址，如果不是的话则查找下一个，直至找到为止。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的单播方式还包括一预约步骤：

A、接入点根据复接分组的目的地址向网内终端发出信道预约信号；

B、该目的地址所对应的终端回应接入点的预约信号，接入点开始发送复接分组。

6、如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括一确认步骤：在终端接收到复接分组后，与该复接分组的目的地址相对应的终端向接入点发出接收成功的确认信号。

7、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的一定时间间隔是根据业务量确定的打包时间间隔。

8、如权利要求1或7所述的方法，其特征在于，所述的一定时间间隔是这样设置的：在每个时间间隔内到达的所有话音包中，至多只有一个话音包的目的地址不在所述的动态地址列表中。

9、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤(1)和(2)是通过单播复接服务器来完成的。