層次分析法在ZigBee網絡語音通信中的應用研究*

李 智，劉 源，閆 斌

(電子科技大學 自動化工程學院，四川 成都 611731)

層次分析法在ZigBee網絡語音通信中的應用研究*

李 智，劉 源，閆 斌

(電子科技大學 自動化工程學院，四川 成都 611731)

在自組織網絡語音通信中，針對音頻傳輸中存在的延時、丟包等主要問題，在ZigBee網絡路由的基礎上建立層次分析法評價模型，設計了一種音頻傳輸路由算法AHP-RP。通過分析路徑鏈路質量、音頻負載值、路徑存活時間和路徑長度等因素對音頻質量的影響，構建以網絡的4個因素為因子的比較矩陣，選擇最優傳輸路徑。仿真及實際通信平臺驗證表明，該算法能有效地適應網絡狀態，明顯改善了語音通話質量。

層次分析法；語音通信；ZigBee；路徑選擇

0 引 言

隨著移動自組織網絡的迅速發展，需要滿足一些特定場景的應用需求，例如應急災難救援、軍事戰地網絡、煤礦安全以及一些商業應用，這些區域一般沒有或不便于利用現有網絡基礎設施。ZigBee[1]作為自組織通信技術的代表，其具有網絡布置靈活，組網迅速和低功耗等特點，為特殊場景的應用提供了一種靈活有效的解決方案。

由于ZigBee原定位于小數據量、短距離通信，當前的研究工作主要集中在一些工業控制、傳感器網絡等傳輸速率不高的應用場合,對于無線傳感網絡中語音通信的應用研究還很少，適用于特殊環境的語音通信產品也很缺乏。目前存在的少數研究也只局限于對音頻編碼器的改進和節點間的簡單多跳傳輸，沒有真正的形成語音通信網絡，同時也沒有考慮網絡狀態對音頻質量的影響。由于語音信號對實時性和低失真度要求比較高，無線網絡中的音頻傳輸質量受網絡擁塞延時、丟包和誤碼的影響較大，同時ZigBee協議棧網絡層的AODV路由協議[2-3]也未能考慮網絡的性能對語音質量的影響，路徑開銷較大，特別是節點分布密集的區域，傳輸路徑的選擇直接影響端到端時延和音頻效果。因此，設計一種適合音頻傳輸的路由協議提高語音質量是非常有必要的。

1 問題描述

1.1 自組織網語音傳輸的困難

ZigBee網絡傳統應用一般用來傳輸溫度、壓力和光照信息等低速率、低周期數據，其標準傳輸速率為250 kb/s。而語音數據量較大，為了節省網絡帶寬和方便傳輸，采用壓縮編碼器將數據壓縮的方式，常用的ADPCM語音編碼算法[4]至少需要64 kb/s的帶寬，能夠基本滿足電話質量要求，但是仍然要求網絡有較大的吞吐量和帶寬。因此，在大數據量傳輸的語音網絡中，網絡的性能狀態以及路徑的選取將直接影響語音傳輸質量。音頻信號在網絡中采用流式傳輸方式，對傳輸的實時性、連續性和低失真方面要求很高，特別要求端到端時延小，連續數據包的時延較長將出現嚴重的“卡頓”音。同時由于網絡擁塞、傳輸損傷造成的連續數據丟包現象也將影響話音質量，實際的語音傳輸中丟包率應該控制在3%～5%。

(1)時延

時延是指發送端說話到接收端播放說話內容的時間，主要包括編碼時延、網絡傳輸時延、緩沖時延和解碼時延，音頻處理流程如圖1所示。編碼時延主要由編碼算法和處理器決定，采用不同的壓縮編碼器時延的大小不一樣，而處理器的選擇決定編碼壓縮數據填裝傳輸語音包所需時間。網絡傳輸延時相比其他時延所占比例大，作為本文的主要考慮問題，在端到端時延中起著決定性作用，與網絡狀況有直接聯系，網路擁塞、路徑選擇和節點狀態等網絡因素都將影響網絡時延。緩沖時延即為語音包經過數據處理緩存器產生的延時。

圖1 音頻處理流程

(2)丟包

實時語音傳輸采用不保證可靠傳輸的協議來提高音頻的實時性，因此在通信鏈路中存在一定的丟包現象，主要分為語音包未到達和未及時到達兩種情況。影響丟包的原因主要有：路由轉發機制、網絡擁塞、鏈路出錯以及網絡參數的變化。語音包的嚴重丟失將導致音頻信號的失真，噪聲現象明顯，因此，需要保證丟包率在可接受范圍之內。

1.2 語音網絡中影響語音質量的幾大因素

根據上述的問題分析可知，在語音通信網絡中，網絡的自身狀態是引起語音數據延時、丟包的主要因素。為了保證網絡音頻服務質量[5]，結合制約語音質量的關鍵因素，主要分為路徑鏈路質量、音頻負載值、路徑存活時間和路徑長度四個方面。

(1) 路徑鏈路質量

鏈路質量是信道狀態的一個體現，是指在通信過程中對數據包丟失的衡量指標。美軍標準MIL-STD-188-110B中定義了鏈路質量的計算方法，單跳通信信道鏈路質量LQI為：

LQI=lb(drate/75)-data_repeats+7

(1)

式(1)中drate為網絡的傳輸速率(bit/s)，data_repeats表示在1h以內所有的錯誤包重傳個數與數據包總數的比值，如果該段時間內沒有數據通信，則根據信道的誤碼率(BER)由式(2)可得：

(2)

在多跳傳輸路徑中，鏈路質量為路徑中單跳最小的鏈路質量值，由式(3)表示。LQI(i,j)表示i節點到j節點路徑的鏈路質量。

LQI(1,M)=min(LQI(i,i+1))，i=1,2,3,…,M-1

(3)

(2) 音頻負載值

當網絡中有多個語音請求時，需要建立起多條語音傳輸路徑，網絡中存在的多條路徑會使某些節點成為關鍵節點，網絡的負載過大，數據的緩存轉發將嚴重影響分組包的延時。音頻負載值表示當前網絡中經過本節點的路徑條數N，是反應網絡性能影響語音質量的關鍵因素。

(3) 路徑存活時間

路徑的存活時間是指當前鏈路的最早更新時間，反應了路由信息的可信度。如果存活時間過長，當前路徑的鏈路質量很有可能已經發生改變，因此存活時間在一定程度上反應了網絡節點的狀態和當前語音傳輸路徑的可信程度。在多跳傳輸路由中，存活時間為單跳最早的更新時間。

(4) 路徑長度

路徑長度表示由源節點到目的節點的所經過的總跳數。在語音網絡中，路徑長度越長，端到端延時和路由開銷將會增加，同時網絡擁塞和路徑的不可靠程度也會加大。因此，路由長度是影響語音傳輸質量的關鍵因素。

2 基于層次分析法的路徑選擇

文獻[6-7]中詳細的分析了無線網絡中不同路由協議的特點。研究表明ZigBee網絡中的AODV協議采用的是按需路由的方式，網絡中的節點不用維護全網的路由信息，因此路由開銷較小。但是該協議未能綜合考慮網絡狀態的影響，選擇的路由往往不是傳輸的最佳路徑。本文在AODV按需路由的基礎上，結合影響音頻質量的關鍵網絡因素，提出了一種基于層次分析法的動態路由協議AHP-RP，適用于無線網絡音頻傳輸。

2.1 層次分析的數學模型

根據層次分析法的決策模型，對源節點到目的節點的路由進行評判，選擇相對權重值較大的路由，作為網絡傳輸的最優路由，具體的計算步驟如下：

(1)建立層次模型

路由選擇的結構層次模型如圖2所示，主要分為三個層次，最高層為目標層(O)：選擇路由的總體性能指標；中間層為準則層(C)：路由性能的制約因素，也是模型的最優判別條件，分別為音頻負載值、鏈路質量、路徑存活時間和路徑長度，記為Ck(k=1,2,3,4)；最底層為方案層(P)：路由尋找得到的N個待選路徑方案，依次記為Pn(n=1,2,…,N)。

圖2 路由選擇結構層次模型

(2) 計算準則層(C)對目標層(O)的權重

由1.2小節的分析可知，通過決定路由選擇的4項網絡因素的比較，構建兩層之間的判別矩陣A，本設計中采用音頻負載值最大，其次是鏈路質量和路徑長度，路徑存活時間影響最小。

(4)

權重向量利用方根法求得：

(5)

式中，n=4得到準則層對目標層的權重向量WO-C：

WO-C=(w1,w2,w3,w4)T

(6)

(3)計算方案層P對準則層C的權重

(7)

(8)

(4)計算方案層P對目標層的權重

方案層P對目標層O的權重WO-P是由方案層P對準則層C的權重和準則層對目標層的權重組合而成：

WO-P=WO-C·WC-P

(9)

2.2 路徑的建立和維護

按需路由協議中的節點不存儲網絡拓撲路由信息，當源節點S向目的節點D發送分組包時，需要在分組包頭加入路由信息，而源節點S的路由存儲器內沒有到達的有效路由，因此將會發起路由尋找協議，動態的尋找一條最佳傳輸路徑。

源節點S向網絡廣播一個路由請求包，分組包格式如圖3所示，主要包括源節點地址、目的節點地址、序列號、路由記錄域、音頻負載值、鏈路質量域、跳數hop和存活時間等。當網絡中節點接收到該路由請求時，檢查路由記錄域中是否包含本節點，如果有，丟棄該請求包；否則，添加路由記錄域，通過前面計算公式更新音頻負載值、鏈路質量、跳數和存活時間等，然后繼續轉發請求分組包。當目的節點在一定的時間內接收到多個請求分組后，根據2.1節的層次分析法模型計算權重最大的路徑，然后目的節點D沿著反向路由發送應答分組，源節點收到后建立連接，路由尋找結束。

圖3 路由維護過程

在路由的維護過程中，中繼節點都需要維護路由中下一跳節點的鏈路。例如在如圖3所示的路由鏈路中，A節點通過中繼節點B、C、D到達目的節點E，A節點通過請求應答方式驗證A-B鏈路的狀態，B節點也以同樣的方式驗證B-C鏈路。如果節點C與D之間的鏈路斷開，多次請求重傳失敗，則節點C將移除到達節點D的路由鏈路，更新本節點路由表內容，并向源節點發送一個錯誤分組，源節點收到錯誤分組后，開始新的路由尋找過程。

3 測試結果

3.1 語音通信平臺的實現

本語音通信平臺設計主要分為無線射頻模塊、語音編解碼模塊和協處理器模塊，無線射頻模塊主要完成語音數據包的處理和無線收發功能，由TI公司提供的CC2530芯片實現，CC2530內部集成8051內核和無線收發模塊；語音編解碼模塊采用硬件編解碼芯片CMX649對音頻信號進行采集和編碼；協處理器主要是協助主控制器補齊未采集到的空白音頻，去除明顯噪音，改善音頻質量。編碼處理芯片之間SPI方式通信，系統結構圖如圖4所示。

圖4 語音節點結構

3.2 協議的仿真結果

在NS2仿真環境上對AHP-RP、MOPC[9]和AODV協議進行了網絡仿真，針對影響音頻質量的關鍵指標，在分組遞交率、平均端到端時延方面對協議進行了測試比較，AHP-RP協議的性能仿真結果如圖5、圖6所示。

圖5 分組遞交率隨CBR數據流變化關系

由圖5可知AHP-RP的分組遞交率要高于MOPC和AODV，主要是因為在AHP-RP進行路由選擇時，綜合考慮了當前網絡狀態的多個影響音頻數據的關鍵因素，選擇路徑傳輸性能綜合評價最高的鏈路，相比MOPC只衡量單一網絡指標路徑和AODV的隨機生成路徑，AHP-RP協議的丟包率要明顯偏低，數據傳輸效率提高。

圖6 不同移動速度下的時延

圖6表示的是節點移動速度和平均端到端時延的關系，在節點移動速度較慢時，AHP-RP的延時稍微偏大于MOPC，因為在網絡結構相對穩定的情況下，MOPC的多徑傳輸可以為源節點找到多條可用路徑，傳輸時延較小。但是隨著節點的速度增加，網絡拓撲結構發生快速變化時，很多路徑失效導致時延增加。從總的性能表現來看，AHP-RP的優勢還是明顯的。

3.3 通信平臺測試

搭建好的語音通信節點實物如圖7所示，實驗分別采用ZigBee協議棧的AODVjr路由和AHP-RP協議進行通信，在兩種協議下完成終端與終端的通信測試。實驗網絡由5個通信節點組成，環境搭建在室內的走廊通道，示意圖如圖8所示。

圖7 語音通信節點實物

圖8 網絡測試場景

通信平臺重點測試了單向兩跳終端節點的通信效果，測試結果表明語音通信質量清晰，滿足人耳的要求，接收音頻信號測試波形完整，如圖9所示。而且AHP-RP協議相比ZigBee網絡中AODVjr路由協議表現出更好的性能，各性能測試指標統計如表1所示。結果表明，各性能指標在AHP-RP協議中表現更好，路由的呼叫建立時間、鏈路恢復時間和語音時延都減小通話清晰流暢，滿足語音的基本要求。

圖9 終端接收音頻波形

表1 通信時延實測結果

4 結 語

無線網絡通信中利用層次分析法的評判模型對多條可選路徑進行權衡，選擇最優路徑進行音頻傳輸，算法改進了ZigBee協議中AODV單一隨機的路由建立過程，權衡多因素的影響，仿真結果在時延、丟包等關鍵指標上都有較大的改善。將層次分析法應用到ZigBee無線語音網絡中，實際測試結果很好地解決了AODVjr協議帶來的音頻失真、間隔噪聲等問題，大大提高了音頻傳輸質量，可以適用于多種場合，例如安全監控、消防作業、礦工通信等，具有廣泛的實用前景。

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Application of AHP in ZigBee Network Voice Communication

LI Zhi，LIU Yuan，YAN Bin

(School of Automation Engineering，University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu Sichuan 611731，China)

Aiming at the main problems of voice communication in the audio transmission of Ad Hoc network, such as delay, packet loss and so on, AHP(Analytic Hierarchy Process) evaluation model based on the ZigBee network routing is established,and a routing algorithm, AHP-RP for audio transmission is designed. By analyzing the influence of path link quality, audio load value,path survival time, path length and other factors on quality of the audio, the four-factor comparison matrix of network based on selection of the optimal transmission path is constructed. Simulation and actual communication platform validation indicate that the proposed algorithm can effectively adapt to the network status, significantly improve the quality of voice communication.

AHP(Analytic Hierarchy Process)；voice communication；ZigBee；path selection

date:2014-10-12；Revised date：2015-02-17

TP393

A

1002-0802(2015)04-0441-06

李 智(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向為無線傳感器網絡；

劉 源(1989—)，男，碩士研究生，主要研究方向為無線傳感器網絡MAC協議研究；

閆 斌(1974—)，男，講師，博士，主要研究方向為智能信息處理。

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.04.012

2014-10-12；

2015-02-17