层次分析法在ZigBee网络语音通信中的应用研究*

李 智，刘 源，闫 斌

(电子科技大学 自动化工程学院，四川 成都 611731)

层次分析法在ZigBee网络语音通信中的应用研究*

李 智，刘 源，闫 斌

(电子科技大学 自动化工程学院，四川 成都 611731)

在自组织网络语音通信中，针对音频传输中存在的延时、丢包等主要问题，在ZigBee网络路由的基础上建立层次分析法评价模型，设计了一种音频传输路由算法AHP-RP。通过分析路径链路质量、音频负载值、路径存活时间和路径长度等因素对音频质量的影响，构建以网络的4个因素为因子的比较矩阵，选择最优传输路径。仿真及实际通信平台验证表明，该算法能有效地适应网络状态，明显改善了语音通话质量。

层次分析法；语音通信；ZigBee；路径选择

0 引 言

随着移动自组织网络的迅速发展，需要满足一些特定场景的应用需求，例如应急灾难救援、军事战地网络、煤矿安全以及一些商业应用，这些区域一般没有或不便于利用现有网络基础设施。ZigBee[1]作为自组织通信技术的代表，其具有网络布置灵活，组网迅速和低功耗等特点，为特殊场景的应用提供了一种灵活有效的解决方案。

由于ZigBee原定位于小数据量、短距离通信，当前的研究工作主要集中在一些工业控制、传感器网络等传输速率不高的应用场合,对于无线传感网络中语音通信的应用研究还很少，适用于特殊环境的语音通信产品也很缺乏。目前存在的少数研究也只局限于对音频编码器的改进和节点间的简单多跳传输，没有真正的形成语音通信网络，同时也没有考虑网络状态对音频质量的影响。由于语音信号对实时性和低失真度要求比较高，无线网络中的音频传输质量受网络拥塞延时、丢包和误码的影响较大，同时ZigBee协议栈网络层的AODV路由协议[2-3]也未能考虑网络的性能对语音质量的影响，路径开销较大，特别是节点分布密集的区域，传输路径的选择直接影响端到端时延和音频效果。因此，设计一种适合音频传输的路由协议提高语音质量是非常有必要的。

1 问题描述

1.1 自组织网语音传输的困难

ZigBee网络传统应用一般用来传输温度、压力和光照信息等低速率、低周期数据，其标准传输速率为250 kb/s。而语音数据量较大，为了节省网络带宽和方便传输，采用压缩编码器将数据压缩的方式，常用的ADPCM语音编码算法[4]至少需要64 kb/s的带宽，能够基本满足电话质量要求，但是仍然要求网络有较大的吞吐量和带宽。因此，在大数据量传输的语音网络中，网络的性能状态以及路径的选取将直接影响语音传输质量。音频信号在网络中采用流式传输方式，对传输的实时性、连续性和低失真方面要求很高，特别要求端到端时延小，连续数据包的时延较长将出现严重的“卡顿”音。同时由于网络拥塞、传输损伤造成的连续数据丢包现象也将影响话音质量，实际的语音传输中丢包率应该控制在3%～5%。

(1)时延

时延是指发送端说话到接收端播放说话内容的时间，主要包括编码时延、网络传输时延、缓冲时延和解码时延，音频处理流程如图1所示。编码时延主要由编码算法和处理器决定，采用不同的压缩编码器时延的大小不一样，而处理器的选择决定编码压缩数据填装传输语音包所需时间。网络传输延时相比其他时延所占比例大，作为本文的主要考虑问题，在端到端时延中起着决定性作用，与网络状况有直接联系，网路拥塞、路径选择和节点状态等网络因素都将影响网络时延。缓冲时延即为语音包经过数据处理缓存器产生的延时。

图1 音频处理流程

(2)丢包

实时语音传输采用不保证可靠传输的协议来提高音频的实时性，因此在通信链路中存在一定的丢包现象，主要分为语音包未到达和未及时到达两种情况。影响丢包的原因主要有：路由转发机制、网络拥塞、链路出错以及网络参数的变化。语音包的严重丢失将导致音频信号的失真，噪声现象明显，因此，需要保证丢包率在可接受范围之内。

1.2 语音网络中影响语音质量的几大因素

根据上述的问题分析可知，在语音通信网络中，网络的自身状态是引起语音数据延时、丢包的主要因素。为了保证网络音频服务质量[5]，结合制约语音质量的关键因素，主要分为路径链路质量、音频负载值、路径存活时间和路径长度四个方面。

(1) 路径链路质量

链路质量是信道状态的一个体现，是指在通信过程中对数据包丢失的衡量指标。美军标准MIL-STD-188-110B中定义了链路质量的计算方法，单跳通信信道链路质量LQI为：

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

(1)

式(1)中drate为网络的传输速率(bit/s)，data_repeats表示在1h以内所有的错误包重传个数与数据包总数的比值，如果该段时间内没有数据通信，则根据信道的误码率(BER)由式(2)可得：

(2)

在多跳传输路径中，链路质量为路径中单跳最小的链路质量值，由式(3)表示。LQI(i,j)表示i节点到j节点路径的链路质量。

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

(3)

(2) 音频负载值

当网络中有多个语音请求时，需要建立起多条语音传输路径，网络中存在的多条路径会使某些节点成为关键节点，网络的负载过大，数据的缓存转发将严重影响分组包的延时。音频负载值表示当前网络中经过本节点的路径条数N，是反应网络性能影响语音质量的关键因素。

(3) 路径存活时间

路径的存活时间是指当前链路的最早更新时间，反应了路由信息的可信度。如果存活时间过长，当前路径的链路质量很有可能已经发生改变，因此存活时间在一定程度上反应了网络节点的状态和当前语音传输路径的可信程度。在多跳传输路由中，存活时间为单跳最早的更新时间。

(4) 路径长度

路径长度表示由源节点到目的节点的所经过的总跳数。在语音网络中，路径长度越长，端到端延时和路由开销将会增加，同时网络拥塞和路径的不可靠程度也会加大。因此，路由长度是影响语音传输质量的关键因素。

2 基于层次分析法的路径选择

文献[6-7]中详细的分析了无线网络中不同路由协议的特点。研究表明ZigBee网络中的AODV协议采用的是按需路由的方式，网络中的节点不用维护全网的路由信息，因此路由开销较小。但是该协议未能综合考虑网络状态的影响，选择的路由往往不是传输的最佳路径。本文在AODV按需路由的基础上，结合影响音频质量的关键网络因素，提出了一种基于层次分析法的动态路由协议AHP-RP，适用于无线网络音频传输。

2.1 层次分析的数学模型

根据层次分析法的决策模型，对源节点到目的节点的路由进行评判，选择相对权重值较大的路由，作为网络传输的最优路由，具体的计算步骤如下：

(1)建立层次模型

路由选择的结构层次模型如图2所示，主要分为三个层次，最高层为目标层(O)：选择路由的总体性能指标；中间层为准则层(C)：路由性能的制约因素，也是模型的最优判别条件，分别为音频负载值、链路质量、路径存活时间和路径长度，记为Ck(k=1,2,3,4)；最底层为方案层(P)：路由寻找得到的N个待选路径方案，依次记为Pn(n=1,2,…,N)。

图2 路由选择结构层次模型

(2) 计算准则层(C)对目标层(O)的权重

由1.2小节的分析可知，通过决定路由选择的4项网络因素的比较，构建两层之间的判别矩阵A，本设计中采用音频负载值最大，其次是链路质量和路径长度，路径存活时间影响最小。

(4)

权重向量利用方根法求得：

(5)

式中，n=4得到准则层对目标层的权重向量WO-C：

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

(6)

(3)计算方案层P对准则层C的权重

(7)

(8)

(4)计算方案层P对目标层的权重

方案层P对目标层O的权重WO-P是由方案层P对准则层C的权重和准则层对目标层的权重组合而成：

WO-P=WO-C·WC-P

(9)

2.2 路径的建立和维护

按需路由协议中的节点不存储网络拓扑路由信息，当源节点S向目的节点D发送分组包时，需要在分组包头加入路由信息，而源节点S的路由存储器内没有到达的有效路由，因此将会发起路由寻找协议，动态的寻找一条最佳传输路径。

源节点S向网络广播一个路由请求包，分组包格式如图3所示，主要包括源节点地址、目的节点地址、序列号、路由记录域、音频负载值、链路质量域、跳数hop和存活时间等。当网络中节点接收到该路由请求时，检查路由记录域中是否包含本节点，如果有，丢弃该请求包；否则，添加路由记录域，通过前面计算公式更新音频负载值、链路质量、跳数和存活时间等，然后继续转发请求分组包。当目的节点在一定的时间内接收到多个请求分组后，根据2.1节的层次分析法模型计算权重最大的路径，然后目的节点D沿着反向路由发送应答分组，源节点收到后建立连接，路由寻找结束。

图3 路由维护过程

在路由的维护过程中，中继节点都需要维护路由中下一跳节点的链路。例如在如图3所示的路由链路中，A节点通过中继节点B、C、D到达目的节点E，A节点通过请求应答方式验证A-B链路的状态，B节点也以同样的方式验证B-C链路。如果节点C与D之间的链路断开，多次请求重传失败，则节点C将移除到达节点D的路由链路，更新本节点路由表内容，并向源节点发送一个错误分组，源节点收到错误分组后，开始新的路由寻找过程。

3 测试结果

3.1 语音通信平台的实现

本语音通信平台设计主要分为无线射频模块、语音编解码模块和协处理器模块，无线射频模块主要完成语音数据包的处理和无线收发功能，由TI公司提供的CC2530芯片实现，CC2530内部集成8051内核和无线收发模块；语音编解码模块采用硬件编解码芯片CMX649对音频信号进行采集和编码；协处理器主要是协助主控制器补齐未采集到的空白音频，去除明显噪音，改善音频质量。编码处理芯片之间SPI方式通信，系统结构图如图4所示。

图4 语音节点结构

3.2 协议的仿真结果

在NS2仿真环境上对AHP-RP、MOPC[9]和AODV协议进行了网络仿真，针对影响音频质量的关键指标，在分组递交率、平均端到端时延方面对协议进行了测试比较，AHP-RP协议的性能仿真结果如图5、图6所示。

图5 分组递交率随CBR数据流变化关系

由图5可知AHP-RP的分组递交率要高于MOPC和AODV，主要是因为在AHP-RP进行路由选择时，综合考虑了当前网络状态的多个影响音频数据的关键因素，选择路径传输性能综合评价最高的链路，相比MOPC只衡量单一网络指标路径和AODV的随机生成路径，AHP-RP协议的丢包率要明显偏低，数据传输效率提高。

图6 不同移动速度下的时延

图6表示的是节点移动速度和平均端到端时延的关系，在节点移动速度较慢时，AHP-RP的延时稍微偏大于MOPC，因为在网络结构相对稳定的情况下，MOPC的多径传输可以为源节点找到多条可用路径，传输时延较小。但是随着节点的速度增加，网络拓扑结构发生快速变化时，很多路径失效导致时延增加。从总的性能表现来看，AHP-RP的优势还是明显的。

3.3 通信平台测试

搭建好的语音通信节点实物如图7所示，实验分别采用ZigBee协议栈的AODVjr路由和AHP-RP协议进行通信，在两种协议下完成终端与终端的通信测试。实验网络由5个通信节点组成，环境搭建在室内的走廊通道，示意图如图8所示。

图7 语音通信节点实物

图8 网络测试场景

通信平台重点测试了单向两跳终端节点的通信效果，测试结果表明语音通信质量清晰，满足人耳的要求，接收音频信号测试波形完整，如图9所示。而且AHP-RP协议相比ZigBee网络中AODVjr路由协议表现出更好的性能，各性能测试指标统计如表1所示。结果表明，各性能指标在AHP-RP协议中表现更好，路由的呼叫建立时间、链路恢复时间和语音时延都减小通话清晰流畅，满足语音的基本要求。

图9 终端接收音频波形

表1 通信时延实测结果

4 结 语

无线网络通信中利用层次分析法的评判模型对多条可选路径进行权衡，选择最优路径进行音频传输，算法改进了ZigBee协议中AODV单一随机的路由建立过程，权衡多因素的影响，仿真结果在时延、丢包等关键指标上都有较大的改善。将层次分析法应用到ZigBee无线语音网络中，实际测试结果很好地解决了AODVjr协议带来的音频失真、间隔噪声等问题，大大提高了音频传输质量，可以适用于多种场合，例如安全监控、消防作业、矿工通信等，具有广泛的实用前景。

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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，硕士研究生，主要研究方向为无线传感器网络；

刘 源(1989—)，男，硕士研究生，主要研究方向为无线传感器网络MAC协议研究；

闫 斌(1974—)，男，讲师，博士，主要研究方向为智能信息处理。

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.04.012

2014-10-12；

2015-02-17