无线网状网络承载VOIP应用的性能特点

admin

随着各种无线数据网络的飞速发展，当今市场已经对于各种技术提出了苛刻的需求，必须满足用户需求的技术才能够很好地生存下来。起源于军事领域的移动自组织网络（MANET）从上个世纪末开始便受到了各大研究组织的疯狂关注，因为其易部署、自管理、不依赖于基础设施等特性满足灾害、野战等场景的需求，但是由于其性能和成本的劣势至今没有得到民用设施的广泛应用。
为了改进MANET使其适用于民用网络，无线网状网络（Wireless Mesh Network）最近几年被提出，其核心思想是将传统MANET中既充当路由器又充当主机的对等节点在物理上分离为无线网状路由器（wireless mesh router）节点和无线网状客户端（wireless mesh client）节点，并且通过边界网关将无线网状路由器接入Internet。
无线网状网络继承了MANET自组织的优点，并且还具有高带宽、低成本、可靠、可扩展等优势。因为无线网状路由器属于固定设备，部署后不轻易移动，所以其成本相对支持移动MANET的网卡低廉，众所周知无线传输的带宽和距离成反比，因此增加低成本的无线网状路由器可以有效增加传输带宽。其次，由于无线网状路由器之间是网状的连接，因此一条链路的失效并不影响传输，这样的网络具有高度的可靠性。再次，由于无线网状网继承了移动自组织网络的自管理特点，扩充的无线路由器能够进行自配置，因此具有高度的可扩展性。最后，无线网状网络满足了任何民用设施都不可缺少的Internet接入需求，比起MANET更为实用。
正是因为这样的优势，无线网状网络成为当前各大研究机构关注的重点，而其对于上层应用支持的焦点则聚集在了移动话音业务，而传统MANET对于VOIP业务的性能评估结果总是差强人意。在此，人们非常关注无线网状网络能否满足用户对于实时话音业务的质量要求。
专业测试公司Iometrix日前基于IEEE 802.11工作组的在研草案进行了首次无线网状网络的性能评估测试工作。这项测试比较了当前最为流行的两类无线网状网解决方案：室内单路无线回程（single-radio wireless backhaul）解决方案和室外多路无线网状网（multi-radio outdoor mesh）解决方案。


这项测试通过单项时延、抖动和丢包率等指标来评估平均意见分（即Mean Opinion Socore，简称MOS，是电信业标准规定的用户对于话音质量主观体验的评估指标）。这项测试同时还评估了用户漫游场景下的切换时延等性能。最终的测试数据被有效地分析和提取出来，以表征和无线网状网VOIP应用相关的系统特性。以下篇章我们基于测试结果详细分析无线网状网承载VOIP应用的性能特点。
话音质量对于网状网络的挑战
随着无线网状网应用的日趋广泛，使其支持话音应用的需求急剧增加。如何性能合乎要求，用户非常乐意用廉价的基于无线网状网的VOIP业务取代蜂窝电话，因为这样的无线VOIP应用资费基本等同于无线宽带基础设施接入的费用。而市场上新进增加的各种结合802.11接入和蜂窝网络接入的双模手机更是加剧了这种趋势。
然而，要想无线VOIP能够满足用户对于话音质量的需求，其底层无线接入网络必须具有高吞吐量、低时延、话音分组包端到端优先排队等特性，目前并不是所有的无线网状网都满足这样的需求。
特别值得注意的是，由于多跳（Multi-hop，即接入网中的无线传输需要经过多个无线路由器才能到达AP。在传统无线网络中，无线传输仅仅是从移动终端到AP的一跳接入，而引入移动自组织网络后，允许无线传输经由多个无线设备到达接入点，无线网状网的路由器继承了移动自组织网络这样的特性。）特性在无线网状网中被保留，相应会引起带宽衰减、网络延时等性能问题。这样的性能问题在无线网状网部署规模扩大的时候可能会被放大得更为明显。
为了支持VOIP应用，无线网状网的路由器节点还需要合理地管理无线网状网客户端的其他业务流，使其不影响对于实时性要求较高的VOIP数据包的传送优先级。而目前最大的问题在于，标准化工作中已经规定了的对于话音类业务分组包的优先级，并没有在实际部署中被无线网状网路由器节点有效地采用，因为这些节点不能很好地识别客户端发起的VOIP数据包。


Iometrix对于室内单路无线回程和室外多路无线网状网这两类解决方案进行了性能测试比较，以评估其是否能满足以上所提及的话音质量需求。
第一个测试系统是基于室内单路无线回程方案设计的，用于酒店、会馆、医院、写字楼和学校。这个系统可以看作最为基本的无线网状网接入方案，是无线网状网系统的比较基准。
第二个测试系统是基于无线网状网设计的，由Strix Systems提供，用于支持高带宽的无线数据业务，这套方案共采用了6个复用的无线信道。
这两套参加评估的系统共用了一些统一的性能配置：他们都使用专用802.11a无线网卡进行回程连接，这比起同时使用一个频段进行上下行连接更为高效，并且比起802.11b接入具有更高的带宽。
Iometrix在Azimuth System的800瓦射频屏蔽环境下进行了上述两套无线网状网系统的VOIP话音质量测试，结果分离了噪声、干扰等各种无线环境所可能带来的过早随机扰动。通过严格控制的射频衰减，这套实验系统同时还模拟了真实情况下的距离、移动和障碍物等因数，包括了600个无线网状网客户端。
为了测试话音质量，Azimuth System建立了30条双向的端到端无线呼叫，每条呼叫跨于了1到4跳的中继无线路由器，并且在两端监控VOIP业务流。Iometirx则负责测量单向时延、抖动和丢包率等指标，从而核算MOS值。其中，网络抖动的测量是遵照RFC 1889协议进行的。
最后，这项测试还分别在无其他业务流和加入50％其他业务流两种场景下同时进行（加入其他业务流干扰时，都采取了相应技术来保护话音业务的优先级），观测其他业务流对于VOIP业务流的影响力度，从而比较VOIP业务的优先级是否在实际产品中生效。


测试结果分析
通过上述实验，Iometrix得出以下的结论：
首先是在无其他业务流加载的情况下比较室内单路无线回程和室外多路无线网状网两种方案。结果显示前者大多符合质量要求的呼叫由1跳的无线路由完成，一旦呼叫经过2跳以上质量便开始急剧下降；而后者符合质量要求的呼叫经过1－4跳路由分布均匀，即是说在多路无线网状网接入的情况下，无线跳数的增加不会影响呼叫质量。
其次，当加入50％其他业务流干扰的时候，室内单路无线回程方案1跳路由的话音质量削弱了10％－45％，而室外多路无线网状网方案中符合质量要求的呼叫由没有加载其他业务流前的36个减少为23个。
最后，为了测试漫游切换的性能，Iometrix构建了一个无线网状网客户端节点（作为移动终端）在两个无线网状网路由器节点之间移动的场景。而整个切换时延开始于切换前节点最后一次收到移动终端发出的帧，中止于切换后节点第一次收到移动终端发出的帧。测试结果表明，两套系统在切换性能方面都具备很好的性能，这得以于网状网的结构。其中，室内单路无线回程方案的丢帧率为零，因为系统在一跳无线链路毁坏前已经建立了下一条就近的链路；室外多路无线网状网方案的切换时延小于50毫秒，这完全能够满足VOIP业务对于话音质量的要求。
作为移动自组织网络在民用设备市场的演进，无线网状网络继承了MANET自组织的优点，并且还具有高带宽、低成本、可靠、可扩展等优势，因此今年来得到了各大研究领域极其重点的关注。而其对于上层应用，特别是VOIP应用的支持，是其能否取得市场成功的关键所在。日前Iometrix开始了首次无线网状网承载VOIP应用的性能评估工作，测试对象是室内单路无线回程和室外多路无线网状网两种方案，结果显示无线路由跳数增加对于前者干扰较大，而对于后者几乎没有影响。收益于网状的网络结构，两套方案切换时延都能够很好地满足VOIP话音业务的需求。