無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )承載VOIP應用的性能特點(diǎn)
2008/08/04
隨著(zhù)各種無(wú)線(xiàn)數據網(wǎng)絡(luò )的飛速發(fā)展，當今市場(chǎng)已經(jīng)對于各種技術(shù)提出了苛刻的需求，必須滿(mǎn)足用戶(hù)需求的技術(shù)才能夠很好地生存下來(lái)。起源于軍事領(lǐng)域的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò )（MANET）從上個(gè)世紀末開(kāi)始便受到了各大研究組織的瘋狂關(guān)注，因為其易部署、自管理、不依賴(lài)于基礎設施等特性滿(mǎn)足災害、野戰等場(chǎng)景的需求，但是由于其性能和成本的劣勢至今沒(méi)有得到民用設施的廣泛應用。
為了改進(jìn)MANET使其適用于民用網(wǎng)絡(luò )，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )（Wireless Mesh Network）最近幾年被提出，其核心思想是將傳統MANET中既充當路由器又充當主機的對等節點(diǎn)在物理上分離為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀路由器（wireless mesh router）節點(diǎn)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀客戶(hù)端（wireless mesh client）節點(diǎn)，并且通過(guò)邊界網(wǎng)關(guān)將無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀路由器接入Internet。
無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )繼承了MANET自組織的優(yōu)點(diǎn)，并且還具有高帶寬、低成本、可靠、可擴展等優(yōu)勢。因為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀路由器屬于固定設備，部署后不輕易移動(dòng)，所以其成本相對支持移動(dòng)MANET的網(wǎng)卡低廉，眾所周知無(wú)線(xiàn)傳輸的帶寬和距離成反比，因此增加低成本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀路由器可以有效增加傳輸帶寬。其次，由于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀路由器之間是網(wǎng)狀的連接，因此一條鏈路的失效并不影響傳輸，這樣的網(wǎng)絡(luò )具有高度的可靠性。再次，由于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)繼承了移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò )的自管理特點(diǎn)，擴充的無(wú)線(xiàn)路由器能夠進(jìn)行自配置，因此具有高度的可擴展性。最后，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )滿(mǎn)足了任何民用設施都不可缺少的Internet接入需求，比起MANET更為實(shí)用。
正是因為這樣的優(yōu)勢，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )成為當前各大研究機構關(guān)注的重點(diǎn)，而其對于上層應用支持的焦點(diǎn)則聚集在了移動(dòng)話(huà)音業(yè)務(wù)，而傳統MANET對于VOIP業(yè)務(wù)的性能評估結果總是差強人意。在此，人們非常關(guān)注無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )能否滿(mǎn)足用戶(hù)對于實(shí)時(shí)話(huà)音業(yè)務(wù)的質(zhì)量要求。
專(zhuān)業(yè)測試公司Iometrix日前基于IEEE 802.11工作組的在研草案進(jìn)行了首次無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的性能評估測試工作。這項測試比較了當前最為流行的兩類(lèi)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)解決方案：室內單路無(wú)線(xiàn)回程（single-radio wireless backhaul）解決方案和室外多路無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)（multi-radio outdoor mesh）解決方案。
這項測試通過(guò)單項時(shí)延、抖動(dòng)和丟包率等指標來(lái)評估平均意見(jiàn)分（即Mean Opinion Socore，簡(jiǎn)稱(chēng)MOS，是電信業(yè)標準規定的用戶(hù)對于話(huà)音質(zhì)量主觀(guān)體驗的評估指標）。這項測試同時(shí)還評估了用戶(hù)漫游場(chǎng)景下的切換時(shí)延等性能。最終的測試數據被有效地分析和提取出來(lái)，以表征和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)VOIP應用相關(guān)的系統特性。以下篇章我們基于測試結果詳細分析無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)承載VOIP應用的性能特點(diǎn)。話(huà)音質(zhì)量對于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的挑戰
隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)應用的日趨廣泛，使其支持話(huà)音應用的需求急劇增加。如何性能合乎要求，用戶(hù)非常樂(lè )意用廉價(jià)的基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)的VOIP業(yè)務(wù)取代蜂窩電話(huà)，因為這樣的無(wú)線(xiàn)VOIP應用資費基本等同于無(wú)線(xiàn)寬帶基礎設施接入的費用。而市場(chǎng)上新進(jìn)增加的各種結合802.11接入和蜂窩網(wǎng)絡(luò )接入的雙模手機更是加劇了這種趨勢。
然而，要想無(wú)線(xiàn)VOIP能夠滿(mǎn)足用戶(hù)對于話(huà)音質(zhì)量的需求，其底層無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )必須具有高吞吐量、低時(shí)延、話(huà)音分組包端到端優(yōu)先排隊等特性，目前并不是所有的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)都滿(mǎn)足這樣的需求。
特別值得注意的是，由于多跳（Multi-hop，即接入網(wǎng)中的無(wú)線(xiàn)傳輸需要經(jīng)過(guò)多個(gè)無(wú)線(xiàn)路由器才能到達AP。在傳統無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，無(wú)線(xiàn)傳輸僅僅是從移動(dòng)終端到AP的一跳接入，而引入移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò )后，允許無(wú)線(xiàn)傳輸經(jīng)由多個(gè)無(wú)線(xiàn)設備到達接入點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)的路由器繼承了移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò )這樣的特性。）特性在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)中被保留，相應會(huì )引起帶寬衰減、網(wǎng)絡(luò )延時(shí)等性能問(wèn)題。這樣的性能問(wèn)題在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)部署規模擴大的時(shí)候可能會(huì )被放大得更為明顯。
為了支持VOIP應用，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)的路由器節點(diǎn)還需要合理地管理無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)客戶(hù)端的其他業(yè)務(wù)流，使其不影響對于實(shí)時(shí)性要求較高的VOIP數據包的傳送優(yōu)先級。而目前最大的問(wèn)題在于，標準化工作中已經(jīng)規定了的對于話(huà)音類(lèi)業(yè)務(wù)分組包的優(yōu)先級，并沒(méi)有在實(shí)際部署中被無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)路由器節點(diǎn)有效地采用，因為這些節點(diǎn)不能很好地識別客戶(hù)端發(fā)起的VOIP數據包。
Iometrix對于室內單路無(wú)線(xiàn)回程和室外多路無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)這兩類(lèi)解決方案進(jìn)行了性能測試比較，以評估其是否能滿(mǎn)足以上所提及的話(huà)音質(zhì)量需求。
第一個(gè)測試系統是基于室內單路無(wú)線(xiàn)回程方案設計的，用于酒店、會(huì )館、醫院、寫(xiě)字樓和學(xué)校。這個(gè)系統可以看作最為基本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)接入方案，是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)系統的比較基準。
第二個(gè)測試系統是基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)設計的，由Strix Systems提供，用于支持高帶寬的無(wú)線(xiàn)數據業(yè)務(wù)，這套方案共采用了6個(gè)復用的無(wú)線(xiàn)信道。
這兩套參加評估的系統共用了一些統一的性能配置：他們都使用專(zhuān)用802.11a無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡進(jìn)行回程連接，這比起同時(shí)使用一個(gè)頻段進(jìn)行上下行連接更為高效，并且比起802.11b接入具有更高的帶寬。
Iometrix在A(yíng)zimuth System的800瓦射頻屏蔽環(huán)境下進(jìn)行了上述兩套無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)系統的VOIP話(huà)音質(zhì)量測試，結果分離了噪聲、干擾等各種無(wú)線(xiàn)環(huán)境所可能帶來(lái)的過(guò)早隨機擾動(dòng)。通過(guò)嚴格控制的射頻衰減，這套實(shí)驗系統同時(shí)還模擬了真實(shí)情況下的距離、移動(dòng)和障礙物等因數，包括了600個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)客戶(hù)端。
為了測試話(huà)音質(zhì)量，Azimuth System建立了30條雙向的端到端無(wú)線(xiàn)呼叫，每條呼叫跨于了1到4跳的中繼無(wú)線(xiàn)路由器，并且在兩端監控VOIP業(yè)務(wù)流。Iometirx則負責測量單向時(shí)延、抖動(dòng)和丟包率等指標，從而核算MOS值。其中，網(wǎng)絡(luò )抖動(dòng)的測量是遵照RFC 1889協(xié)議進(jìn)行的。
最后，這項測試還分別在無(wú)其他業(yè)務(wù)流和加入50％其他業(yè)務(wù)流兩種場(chǎng)景下同時(shí)進(jìn)行（加入其他業(yè)務(wù)流干擾時(shí)，都采取了相應技術(shù)來(lái)保護話(huà)音業(yè)務(wù)的優(yōu)先級），觀(guān)測其他業(yè)務(wù)流對于VOIP業(yè)務(wù)流的影響力度，從而比較VOIP業(yè)務(wù)的優(yōu)先級是否在實(shí)際產(chǎn)品中生效。測試結果分析
通過(guò)上述實(shí)驗，Iometrix得出以下的結論：
首先是在無(wú)其他業(yè)務(wù)流加載的情況下比較室內單路無(wú)線(xiàn)回程和室外多路無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)兩種方案。結果顯示前者大多符合質(zhì)量要求的呼叫由1跳的無(wú)線(xiàn)路由完成，一旦呼叫經(jīng)過(guò)2跳以上質(zhì)量便開(kāi)始急劇下降；而后者符合質(zhì)量要求的呼叫經(jīng)過(guò)1－4跳路由分布均勻，即是說(shuō)在多路無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)接入的情況下，無(wú)線(xiàn)跳數的增加不會(huì )影響呼叫質(zhì)量。
其次，當加入50％其他業(yè)務(wù)流干擾的時(shí)候，室內單路無(wú)線(xiàn)回程方案1跳路由的話(huà)音質(zhì)量削弱了10％－45％，而室外多路無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)方案中符合質(zhì)量要求的呼叫由沒(méi)有加載其他業(yè)務(wù)流前的36個(gè)減少為23個(gè)。
最后，為了測試漫游切換的性能，Iometrix構建了一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)客戶(hù)端節點(diǎn)（作為移動(dòng)終端）在兩個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)路由器節點(diǎn)之間移動(dòng)的場(chǎng)景。而整個(gè)切換時(shí)延開(kāi)始于切換前節點(diǎn)最后一次收到移動(dòng)終端發(fā)出的幀，中止于切換后節點(diǎn)第一次收到移動(dòng)終端發(fā)出的幀。測試結果表明，兩套系統在切換性能方面都具備很好的性能，這得以于網(wǎng)狀網(wǎng)的結構。其中，室內單路無(wú)線(xiàn)回程方案的丟幀率為零，因為系統在一跳無(wú)線(xiàn)鏈路毀壞前已經(jīng)建立了下一條就近的鏈路；室外多路無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)方案的切換時(shí)延小于50毫秒，這完全能夠滿(mǎn)足VOIP業(yè)務(wù)對于話(huà)音質(zhì)量的要求。
作為移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò )在民用設備市場(chǎng)的演進(jìn)，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )繼承了MANET自組織的優(yōu)點(diǎn)，并且還具有高帶寬、低成本、可靠、可擴展等優(yōu)勢，因此今年來(lái)得到了各大研究領(lǐng)域極其重點(diǎn)的關(guān)注。而其對于上層應用，特別是VOIP應用的支持，是其能否取得市場(chǎng)成功的關(guān)鍵所在。日前Iometrix開(kāi)始了首次無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)承載VOIP應用的性能評估工作，測試對象是室內單路無(wú)線(xiàn)回程和室外多路無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)兩種方案，結果顯示無(wú)線(xiàn)路由跳數增加對于前者干擾較大，而對于后者幾乎沒(méi)有影響。收益于網(wǎng)狀的網(wǎng)絡(luò )結構，兩套方案切換時(shí)延都能夠很好地滿(mǎn)足VOIP話(huà)音業(yè)務(wù)的需求。
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