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無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)承載VOIP應(yīng)用的性能特點(diǎn)

2008/08/04

　　隨著各種無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，當(dāng)今市場(chǎng)已經(jīng)對(duì)于各種技術(shù)提出了苛刻的需求，必須滿足用戶需求的技術(shù)才能夠很好地生存下來。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(jì)末開始便受到了各大研究組織的瘋狂關(guān)注，因?yàn)槠湟撞渴稹⒆怨芾�、不依賴于基礎(chǔ)設(shè)施等特性滿足災(zāi)害、野戰(zhàn)等場(chǎng)景的需求，但是由于其性能和成本的劣勢(shì)至今沒有得到民用設(shè)施的廣泛應(yīng)用。

　　為了改進(jìn)MANET使其適用于民用網(wǎng)絡(luò)，無線網(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(tǒng)MANET中既充當(dāng)路由器又充當(dāng)主機(jī)的對(duì)等節(jié)點(diǎn)在物理上分離為無線網(wǎng)狀路由器（wireless mesh router）節(jié)點(diǎn)和無線網(wǎng)狀客戶端（wireless mesh client）節(jié)點(diǎn)，并且通過邊界網(wǎng)關(guān)將無線網(wǎng)狀路由器接入Internet。

　　無線網(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(kuò)展等優(yōu)勢(shì)。因?yàn)闊o線網(wǎng)狀路由器屬于固定設(shè)備，部署后不輕易移動(dòng)，所以其成本相對(duì)支持移動(dòng)MANET的網(wǎng)卡低廉，眾所周知無線傳輸?shù)膸捄途嚯x成反比，因此增加低成本的無線網(wǎng)狀路由器可以有效增加傳輸帶寬。其次，由于無線網(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，由于無線網(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(kuò)充的無線路由器能夠進(jìn)行自配置，因此具有高度的可擴(kuò)展性。最后，無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)滿足了任何民用設(shè)施都不可缺少的Internet接入需求，比起MANET更為實(shí)用。

　　正是因?yàn)檫@樣的優(yōu)勢(shì)，無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)成為當(dāng)前各大研究機(jī)構(gòu)關(guān)注的重點(diǎn)，而其對(duì)于上層應(yīng)用支持的焦點(diǎn)則聚集在了移動(dòng)話音業(yè)務(wù)，而傳統(tǒng)MANET對(duì)于VOIP業(yè)務(wù)的性能評(píng)估結(jié)果總是差強(qiáng)人意。在此，人們非常關(guān)注無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)能否滿足用戶對(duì)于實(shí)時(shí)話音業(yè)務(wù)的質(zhì)量要求。

　　專業(yè)測(cè)試公司Iometrix日前基于IEEE 802.11工作組的在研草案進(jìn)行了首次無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的性能評(píng)估測(cè)試工作。這項(xiàng)測(cè)試比較了當(dāng)前最為流行的兩類無線網(wǎng)狀網(wǎng)解決方案：室內(nèi)單路無線回程（single-radio wireless backhaul）解決方案和室外多路無線網(wǎng)狀網(wǎng)（multi-radio outdoor mesh）解決方案。

　　這項(xiàng)測(cè)試通過單項(xiàng)時(shí)延、抖動(dòng)和丟包率等指標(biāo)來評(píng)估平均意見分（即Mean Opinion Socore，簡(jiǎn)稱MOS，是電信業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的用戶對(duì)于話音質(zhì)量主觀體驗(yàn)的評(píng)估指標(biāo)）。這項(xiàng)測(cè)試同時(shí)還評(píng)估了用戶漫游場(chǎng)景下的切換時(shí)延等性能。最終的測(cè)試數(shù)據(jù)被有效地分析和提取出來，以表征和無線網(wǎng)狀網(wǎng)VOIP應(yīng)用相關(guān)的系統(tǒng)特性。以下篇章我們基于測(cè)試結(jié)果詳細(xì)分析無線網(wǎng)狀網(wǎng)承載VOIP應(yīng)用的性能特點(diǎn)。話音質(zhì)量對(duì)于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)

　　隨著無線網(wǎng)狀網(wǎng)應(yīng)用的日趨廣泛，使其支持話音應(yīng)用的需求急劇增加。如何性能合乎要求，用戶非常樂意用廉價(jià)的基于無線網(wǎng)狀網(wǎng)的VOIP業(yè)務(wù)取代蜂窩電話，因?yàn)檫@樣的無線VOIP應(yīng)用資費(fèi)基本等同于無線寬帶基礎(chǔ)設(shè)施接入的費(fèi)用。而市場(chǎng)上新進(jìn)增加的各種結(jié)合802.11接入和蜂窩網(wǎng)絡(luò)接入的雙模手機(jī)更是加劇了這種趨勢(shì)。

　　然而，要想無線VOIP能夠滿足用戶對(duì)于話音質(zhì)量的需求，其底層無線接入網(wǎng)絡(luò)必須具有高吞吐量、低時(shí)延、話音分組包端到端優(yōu)先排隊(duì)等特性，目前并不是所有的無線網(wǎng)狀網(wǎng)都滿足這樣的需求。

　　特別值得注意的是，由于多跳（Multi-hop，即接入網(wǎng)中的無線傳輸需要經(jīng)過多個(gè)無線路由器才能到達(dá)AP。在傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中，無線傳輸僅僅是從移動(dòng)終端到AP的一跳接入，而引入移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)后，允許無線傳輸經(jīng)由多個(gè)無線設(shè)備到達(dá)接入點(diǎn)，無線網(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。）特性在無線網(wǎng)狀網(wǎng)中被保留，相應(yīng)會(huì)引起帶寬衰減、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)等性能問題。這樣的性能問題在無線網(wǎng)狀網(wǎng)部署規(guī)模擴(kuò)大的時(shí)候可能會(huì)被放大得更為明顯。

　　為了支持VOIP應(yīng)用，無線網(wǎng)狀網(wǎng)的路由器節(jié)點(diǎn)還需要合理地管理無線網(wǎng)狀網(wǎng)客戶端的其他業(yè)務(wù)流，使其不影響對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的VOIP數(shù)據(jù)包的傳送優(yōu)先級(jí)。而目前最大的問題在于，標(biāo)準(zhǔn)化工作中已經(jīng)規(guī)定了的對(duì)于話音類業(yè)務(wù)分組包的優(yōu)先級(jí)，并沒有在實(shí)際部署中被無線網(wǎng)狀網(wǎng)路由器節(jié)點(diǎn)有效地采用，因?yàn)檫@些節(jié)點(diǎn)不能很好地識(shí)別客戶端發(fā)起的VOIP數(shù)據(jù)包。

　　Iometrix對(duì)于室內(nèi)單路無線回程和室外多路無線網(wǎng)狀網(wǎng)這兩類解決方案進(jìn)行了性能測(cè)試比較，以評(píng)估其是否能滿足以上所提及的話音質(zhì)量需求。

　　第一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)是基于室內(nèi)單路無線回程方案設(shè)計(jì)的，用于酒店、會(huì)館、醫(yī)院、寫字樓和學(xué)校。這個(gè)系統(tǒng)可以看作最為基本的無線網(wǎng)狀網(wǎng)接入方案，是無線網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)的比較基準(zhǔn)。

　　第二個(gè)測(cè)試系統(tǒng)是基于無線網(wǎng)狀網(wǎng)設(shè)計(jì)的，由Strix Systems提供，用于支持高帶寬的無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，這套方案共采用了6個(gè)復(fù)用的無線信道。

　　這兩套參加評(píng)估的系統(tǒng)共用了一些統(tǒng)一的性能配置：他們都使用專用802.11a無線網(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Azimuth System的800瓦射頻屏蔽環(huán)境下進(jìn)行了上述兩套無線網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)的VOIP話音質(zhì)量測(cè)試，結(jié)果分離了噪聲、干擾等各種無線環(huán)境所可能帶來的過早隨機(jī)擾動(dòng)。通過嚴(yán)格控制的射頻衰減，這套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)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(shù)，包括了600個(gè)無線網(wǎng)狀網(wǎng)客戶端。

　　為了測(cè)試話音質(zhì)量，Azimuth System建立了30條雙向的端到端無線呼叫，每條呼叫跨于了1到4跳的中繼無線路由器，并且在兩端監(jiān)控VOIP業(yè)務(wù)流。Iometirx則負(fù)責(zé)測(cè)量單向時(shí)延、抖動(dòng)和丟包率等指標(biāo)，從而核算MOS值。其中，網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)的測(cè)量是遵照RFC 1889協(xié)議進(jìn)行的。

　　最后，這項(xiàng)測(cè)試還分別在無其他業(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(yīng)技術(shù)來保護(hù)話音業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)），觀測(cè)其他業(yè)務(wù)流對(duì)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(jí)是否在實(shí)際產(chǎn)品中生效。測(cè)試結(jié)果分析

　　通過上述實(shí)驗(yàn)，Iometrix得出以下的結(jié)論：

　　首先是在無其他業(yè)務(wù)流加載的情況下比較室內(nèi)單路無線回程和室外多路無線網(wǎng)狀網(wǎng)兩種方案。結(jié)果顯示前者大多符合質(zhì)量要求的呼叫由1跳的無線路由完成，一旦呼叫經(jīng)過2跳以上質(zhì)量便開始急劇下降；而后者符合質(zhì)量要求的呼叫經(jīng)過1－4跳路由分布均勻，即是說在多路無線網(wǎng)狀網(wǎng)接入的情況下，無線跳數(shù)的增加不會(huì)影響呼叫質(zhì)量。

　　其次，當(dāng)加入50％其他業(yè)務(wù)流干擾的時(shí)候，室內(nèi)單路無線回程方案1跳路由的話音質(zhì)量削弱了10％－45％，而室外多路無線網(wǎng)狀網(wǎng)方案中符合質(zhì)量要求的呼叫由沒有加載其他業(yè)務(wù)流前的36個(gè)減少為23個(gè)。

　　最后，為了測(cè)試漫游切換的性能，Iometrix構(gòu)建了一個(gè)無線網(wǎng)狀網(wǎng)客戶端節(jié)點(diǎn)（作為移動(dòng)終端）在兩個(gè)無線網(wǎng)狀網(wǎng)路由器節(jié)點(diǎn)之間移動(dòng)的場(chǎng)景。而整個(gè)切換時(shí)延開始于切換前節(jié)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(jié)點(diǎn)第一次收到移動(dòng)終端發(fā)出的幀。測(cè)試結(jié)果表明，兩套系統(tǒng)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(jié)構(gòu)。其中，室內(nèi)單路無線回程方案的丟幀率為零，因?yàn)橄到y(tǒng)在一跳無線鏈路毀壞前已經(jīng)建立了下一條就近的鏈路；室外多路無線網(wǎng)狀網(wǎng)方案的切換時(shí)延小于50毫秒，這完全能夠滿足VOIP業(yè)務(wù)對(duì)于話音質(zhì)量的要求。

　　作為移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)在民用設(shè)備市場(chǎng)的演進(jìn)，無線網(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(kuò)展等優(yōu)勢(shì)，因此今年來得到了各大研究領(lǐng)域極其重點(diǎn)的關(guān)注。而其對(duì)于上層應(yīng)用，特別是VOIP應(yīng)用的支持，是其能否取得市場(chǎng)成功的關(guān)鍵所在。日前Iometrix開始了首次無線網(wǎng)狀網(wǎng)承載VOIP應(yīng)用的性能評(píng)估工作，測(cè)試對(duì)象是室內(nèi)單路無線回程和室外多路無線網(wǎng)狀網(wǎng)兩種方案，結(jié)果顯示無線路由跳數(shù)增加對(duì)于前者干擾較大，而對(duì)于后者幾乎沒有影響。收益于網(wǎng)狀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，兩套方案切換時(shí)延都能夠很好地滿足VOIP話音業(yè)務(wù)的需求。

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