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第23卷第5期电子测量与仪器学报Vol.23No.5·40·JOURNALOFELECTRONICMEASUREMENTANDINSTRUMENT2009年5月本文于2008年7月收到。一种移动Adhoc网络中实时语音通信方案的研究李振宇李思敏(桂林电子科技大学信息与通信学院,桂林541004)摘要:由于移动Adhoc网络具有广泛的应用前景,出现了基于移动Adhoc网络的实时语音通信需求。此文对一种移动Adhoc网络中的实时语音通信的方案进行了研究。针对语音通信的特点,分析了其在移动Adhoc网络中实现的技术重点,并从网络层面和应用层面2个方面给出了解决方案:在网络层面上,对移动Adhoc网络进行实时语音通信所需的QoS机制进行研究,并给出了实验仿真结果;在应用层面上,讨论了将VOIP技术移植到移动Adhoc网络上的方法。关键词:移动Adhoc网络；基于IP网络的语音通信(VOIP)；服务质量(QoS)中图分类号:TP393文献标识码:A国家标准学科分类代码:510.5030Researchofsolutionforreal-timespeechcommunicationovermobileAdhocnetworkLiZhenyuLiSimin(GuilinUniversityofElectronicTechnology,Guilin541004,China)Abstract:MobileAdhocnetwork(MANET)hasbrighteningprospectsduetotheneedofsupportingReal-timeSpeechCommunication.SomeworksaboutasolutionforReal-timeSpeechCommunicationoverMANETarere-searchedinthepaper.BasedonthecharacteristicsoftheReal-timeSpeechCommunication,thepaperanalyzesthekeypointofitsimplementationonMANET,providesthesolutionsatnetworklevelandapplicationlevel.Atnetworklevel,itistheideaaboutQoSmechanismneededbytheReal-timeSpeechCommunicationoverMANET,andthesimulationresultisgiven;whileatapplicationlevel,itisthediscussionaboutimplementingVOIPoverMANET.Keywords:mobileAdhocnetwork(MANET);voiceoverIP(VOIP);qualityofservice(QoS)1引言在许多无线通信应用中,常常需要在没有或不便于利用现有网络基础设施的区域快速部署多人的无线通信网络,并且要求组网迅速,各个通信终端灵活机动,同时提供一定的通信覆盖范围。这些应用场合包括:军事战地网络、无线传感器网络、应急灾难救援、移动会议、紧急服务,以及某些商业应用。在这些需求的刺激下,移动Adhoc网络(MANET)[1]应运而生,成为近年无线通信领域关注和研究的热点之一。实时语音通信作为一项传统的通信业务,已经以有线电话网络、移动通信网络以及VOIP等实现形式融入到人们生活的方方面面。在移动Adhoc网络中实现实时语音通信同样是一项不可或缺的需求,然而这一课题仍然面临许多技术层面的挑战。2移动Adhoc网络及其特点与传统的蜂窝移动通信网络以及移动IP网络不同,移动Adhoc网络是一种无基础设施(Infrastruc-tureless)的移动网络,故又被称之为“无线自组网”。在“有基础设施(infrastructure)”的移动网络中,移动节点需要依赖离自己最近的基站或无线接入点(accesspoint,AP)这样的中心控制设备实现网络的接入,其所能获得的通信资源由中心控制设备统一分配和管理。两个移动节点之间的通信由中心控制设备实现路由和交换。而对于移动Adhoc网络,由于没有固定的基础网络中实时语音通信方案的研究·41·设施,每个节点必须对自己周围的节点进行动态的搜索,并与它们建立通信链路,从而自行构建起一个通信网络。在这种网络中,当两个节点无法直接连接时,就需要借助中间节点,由中间节点为它们提供包转发和路由功能。对于网络中的每个节点,它们的地位是平等的,既是通信终端,又具备交换和路由的功能。在常规网络中,拓扑结构的变化一般不大,而移动Adhoc网络则由于节点可以随机的移动、加入和退出,所以由各个节点的无线信道所构筑的网络拓扑结构随时可能发生动态的改变,并且这种改变是难以预测的。这就是移动Adhoc网络的动态性特点。3实时语音通信与移动Adhoc网络作为一项实时业务,实时性是语音通信的最大特点。因此,对语音的往返传输延时和抖动必须有所限制,使其不至于影响到用户对语音信息的理解。对于话音延迟对听感的影响,ITU-T[2]给出了以下建议参考值,如表1所示。表1语音通信中延时对听感的影响Table1Impacttodelayinvoicecommunications话音延迟/ms听感影响小于150良好的沟通效果150~400沟通效果有所下降大于400无法正常沟通对于语音通信,还有一点需要考虑的是话音的同步,即话音在回放时必须保证它与信源处采集时保持相同的相位关系。而在网络传输中,抖动(jitter)是影响同步的重要因素,需要将它限制在一定的范围内,避免破坏话音的同步关系。另外,由于人耳能够承受一定的话音扰动,因此,语音通信允许少量的丢包,且仅仅对语音中某些前后相关联的包丢失较为敏感。同时,由于移动Adhoc网络信道资源的限制,需要在保证音质的前提下尽量降低语音带宽,使信道资源得到有效利用。可见,在网络中进行实时语音通信,其重点不在于语音数据的完全无差错传输,而在于如何在所允许的丢包率下最大限度的降低延时和抖动,以保证语音的实时性;同时,运用合适的语音编码算法对语音进行压缩,降低对信道带宽的需求。针对这个重点,在移动Adhoc网络中进行实时语音通信的解决方案可以从网络层和应用层两个层面加以考虑。在网络层面上,由于移动Adhoc网络的动态性特点,因此保证在其上进行语音通信的实时性无疑充满挑战,要求网络本身必须具有针对低延时、低抖动的Qos保障,即网络的MAC协议和路由协议需要针对实时语音通信的特点加以QoS考虑。在应用层面上,运用适当的语音编码算法是降低语音带宽并保证话音质量的重要途径,许多算法已被学术界广泛研究并投入实际应用[3]。并且,许多与网络结构无关的用于语音通信的应用层传输控制协议和信令协议也是可以借鉴的对象。在这些方面,已经投入商业应用的VOIP技术无疑是良好的典范。因此,如何充分利用前人的研究成果,将VOIP的相关技术运用到移动Adhoc网络中,也是值得考虑的问题。4在网络层面提供针对实时语音通信的QoS保障在整个移动Adhoc网络的体系中,MAC协议是提供QoS保障的基础,它需要为实时语音通信业务提供快速的信道使用权和资源预留,并对网络的拓扑变化做出及时的响应,从而降低语音传输延时和抖动。只有保证了无线信道的使用效率,才能使上层协议充分发挥作用,提高整个网络的QoS性能。在MAC协议中加入QoS保障机制主要有以下几种思路:4.1对各类业务进行优先级区分针对各类业务实时性要求的不同,可以对每个数据分组按照不同的QoS要求分配不同的优先级。这样,语音通信这类实时性业务就可以优先获得信道接入权,从而降低话音传输时延和抖动。IEEE802.11e标准便是采用这种思路的典型代表[4]。IEEE802.11e标准对IEEE802.11标准[5]分布式调度机制(distributedcoordinationfunction,DCF)进行了扩展,它通过引入业务优先级机制提供QoS保障支持。首先对IEEE802.11标准的DCF做简要介绍:当一个节点需要发送信息时,它首先检测信道的空·42·电子测量与仪器学报2009年闲状况,如果信道被占用,则退避一段时间间隔;如果信道空闲,则等待一段“分布式帧间间隔(distributedinterframespace,DIFS)”,再对空闲状况进行判断。如果此时信道仍然空闲,该节点就可以发送信息,否则进行退避。退避时间间隔(backofftime)如式(1)所示。BackoffTimeRandom()SlotTimea=×(1)其中SlotTimea为一个物理层参数;Random()为一个伪随机数,服从[CWmin,CWmax]内的均匀分布,其中CWmin,CWmax表征竞争窗口(contentionwindow,CW)的范围。可见,退避时间以及DIFS的长短决定了节点接入信道的速度。IEEE802.11e标准的“enhanceddistributedchannelaccess(EDCFA)”为DCF加入了QoS考虑,它将业务分为4种接入类型:voice,video,best-effort,background。其中voice具有最高的优先级,而background的优先级最低。每种接入类型对应各自不同的竞争窗口范围(CWmin,CWmax),如表2所示。表2EDCFA定义的业务分类参数Table2ServiceclassparametersdefinedbyEDCFA接入类型CWminCWmaxAIFSN(aCWmin+1)/4(aCWmin+1)/2voice−1−12(aCWmin+1)/2video−1aCWmin2Best-effortaCWminaCWmax3backgroundaCWminaCWmax7此时,由式(1),退避时间根据各种业务竞争窗口范围的不同而有了区分,对于优先级最高的语音业务,其退避时间大大缩短。对应DCF中的DIFS,EDCFA加入优先级机制之后,重新定义为ArbitraryInterFrameSpace(AIFS),如式(2)所示。AIFSAIFSNSlotTimeSIFSTimeaa=×+(2)式中:SIFSTimea为一个物理层参数;AIFSN为arbitrationinterframespacenumber,每种业务都有对应的值,如表2中定义。因此,高优先级的语音业务具有小的AIFSN,提高了信道接入速度。可见,EDCFA协议通过引入业务优先级区分机制,减小了实时业务的信道接入时延,为语音通信提供QoS保证。4.2为实时业务提供资源预留在这种方法中,当源节点需要向目标节点发送信息时,首先通过路由协议寻找一条可行的传输路径,接着通知该路径上的每个节点,向它们为该传输预约资源,确认中间节点都能够提供资源预留之后,传输才真正开始。由于提前进行了通知,其他在中间节点通信范围之内但又不参与此项传输的节点便可保持静默,这样就避免了信道接入冲突,为实时业务提供了快速的信道使用权。许多文献[6-12]对资源预留方式进行了研究,其中比较新的研究成果是Carlson等人于2004年在文献[11-12]中提出的一种称为distributedend-to-endallocationoftimeslotsforreal-timetraffic(DARE)的MAC协议。在资源预留建立时,源节点首先向第一个中间节点发送request-to-reserve(RTR)消息,如果该中间节点能够满足资源预留的请求,则将RTP消息传给下一节点。当RTP信息以接力方式传到目标节点之后,目标节点以clear-to-reserve(CTR)消息作为回应,CTR消息同样以接力方式沿着原路径传回源节点。若源节点接收到CTR消息,则说明资源预约请求得到接受,实时业务的传输路径建立完成,可以发起实时数据包传输。若有中间节点