VoIP業(yè)務(wù)在無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

李汝南 劉元安 劉凱明 唐碧華

（北京郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院 無(wú)線電與電磁兼容實(shí)驗(yàn)室 北京 100876）

VoIP業(yè)務(wù)在無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

李汝南 劉元安 劉凱明 唐碧華

（北京郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院 無(wú)線電與電磁兼容實(shí)驗(yàn)室 北京 100876）

將VoIP應(yīng)用于在無(wú)線Mesh網(wǎng)中，必須考慮時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)、丟包率等因素。本文設(shè)計(jì)了一種新型的度量值Metric，將影響VoIP的主要因素時(shí)延與時(shí)延抖動(dòng)充分考慮在內(nèi)，使這種度量值更適用于傳輸VoIP類(lèi)強(qiáng)實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)。此外，本文設(shè)計(jì)出基于HWMP協(xié)議改進(jìn)的EHWMP協(xié)議，大大減小了路由維護(hù)階段的時(shí)延與開(kāi)銷(xiāo)，并使協(xié)議更加適用于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)。

1.介紹

VoIP（Voice over IP）近年來(lái)發(fā)展迅猛，各種商業(yè)模式與產(chǎn)品也層出不窮（如Skype、MSN等）。最近，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，VoIP如何應(yīng)用于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下。一旦VoIP能夠應(yīng)用于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)，就能夠給用戶(hù)提供很大的便利。

本文關(guān)注的是基于802.11s上的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)。研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中VoIP傳輸性能不理想。主要原因是802.11s無(wú)法提供嚴(yán)格的QoS保障，時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)等因素對(duì)VoIP影響較大[1]。另外在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，鏈路出現(xiàn)故障時(shí)增大了路由維護(hù)階段的時(shí)延與開(kāi)銷(xiāo)。為了解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種新型的度量值Metric，將影響VoIP的主要因素時(shí)延與時(shí)延抖動(dòng)充分考慮在Metric內(nèi)，使這種度量值更適用于傳輸VoIP。另外本文基于HWMP協(xié)議，設(shè)計(jì)了改進(jìn)型路由協(xié)議EHWMP，大大減小了路由維護(hù)階段的時(shí)延與開(kāi)銷(xiāo)，并使協(xié)議更加實(shí)用于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)。

2.綜合考慮時(shí)延抖動(dòng)與時(shí)延的度量值

在無(wú)線Mesh中傳輸VoIP，首先需要考慮的QoS因素就是端到端的時(shí)延抖動(dòng)與時(shí)延，此二者能夠在極大程度上影響傳輸性能。傳統(tǒng)的協(xié)議和算法中很少涉及時(shí)延抖動(dòng)對(duì)傳輸性能的影響。故此本文中提出一種將時(shí)延抖動(dòng)與時(shí)延因素綜合考慮的Metric度量值。

傳統(tǒng)的ETT只考慮了數(shù)據(jù)包在MAC層的傳輸時(shí)延，卻沒(méi)有考慮數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)層時(shí)的時(shí)延。因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)的緩存區(qū)內(nèi)都有包在排隊(duì)，在緩存區(qū)內(nèi)的排隊(duì)等待時(shí)間也需要被考慮進(jìn)總時(shí)延，才能算出比較準(zhǔn)確的端到端時(shí)延[2]。此外，傳統(tǒng)的ETT默認(rèn)最大重傳限制為無(wú)窮大。對(duì)于VoIP這類(lèi)實(shí)時(shí)性強(qiáng)的業(yè)務(wù)，必須規(guī)定一個(gè)最大重傳次數(shù)N。所以，在此基礎(chǔ)上，本文將傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的ETT，改進(jìn)成EETTi：

綜合考慮上述的二者時(shí)延抖動(dòng)σDelay和改進(jìn)型期待重傳時(shí)間 EETTi，本文采取一種新的度量判據(jù)Metric，計(jì)算公式（5）如下：

這種新型的度量判據(jù)全面考慮了時(shí)延與時(shí)延抖動(dòng)的影響，使得Mesh網(wǎng)絡(luò)更加符合VoIP的傳輸QoS性能要求。

3.改進(jìn)型適用無(wú)線Mesh網(wǎng)的路由協(xié)議EHWMP

現(xiàn)有的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1[6]。

圖1 無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

802.11 s設(shè)備必須默認(rèn)實(shí)現(xiàn)HWMP協(xié)議，以保證其互操作性。下面簡(jiǎn)單介紹一下HWMP協(xié)議，該協(xié)議由兩部分組成。第一部分是類(lèi)似于Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的按需距離矢量路由協(xié)議AODV并對(duì)其進(jìn)行了部分改進(jìn)，能夠成一種新的路由協(xié)議RM-AODV；第二部分是基于樹(shù)形的先應(yīng)式路由協(xié)議，該協(xié)議是對(duì)前一部分按需路由協(xié)議的一種補(bǔ)充，其主要思想是讓帶有網(wǎng)絡(luò)出口的Portal節(jié)點(diǎn)作為樹(shù)根（Root），將其他MP連接成一棵邏輯的路由樹(shù)，讓所有Mesh節(jié)點(diǎn)都知道去Root的路徑[3][4]。

本文在HWMP基礎(chǔ)之上，提出了一種新型的路由協(xié)議EHWMP，協(xié)議的具體內(nèi)容如下：

路由發(fā)現(xiàn)階段：每個(gè)Mesh節(jié)點(diǎn)維護(hù)三張表格，除了鄰居表和路由表之外，還需單獨(dú)維護(hù)一張“全路由表”。路由表的格式如表1。

表1 路由表格式

其中路徑有效標(biāo)志，存放0和1，0表示該路徑無(wú)效，1表示此路徑有效；單跳Metric表項(xiàng)，存放源節(jié)點(diǎn)到下一跳節(jié)點(diǎn)之間的路徑判據(jù)度量值Metric；總Metric表項(xiàng)，存放源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)通過(guò)此下一跳節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的所有路徑中，路徑判據(jù)度量值Metric最小的一個(gè)；優(yōu)先級(jí)表項(xiàng)，表示這條路徑的優(yōu)先級(jí)，數(shù)字越小優(yōu)先級(jí)越高，0是當(dāng)前路徑，1是備份路由，是通過(guò)比較總Metric表項(xiàng)得到的。

Mesh終端以及MAP節(jié)點(diǎn)以廣播的方式、周期性地向周?chē)囊惶従庸?jié)點(diǎn)發(fā)送hello包，目的在于探測(cè)一跳鄰居節(jié)點(diǎn)。而后向一跳鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送一組probe包，用于測(cè)算本節(jié)點(diǎn)到一條鄰居的時(shí)延抖動(dòng)與時(shí)延等值，通過(guò)第2節(jié)的公式（5），可以計(jì)算出本節(jié)點(diǎn)到一跳鄰居的鏈路上的Metric值，將上述信息存入路由表中。而后各Mesh終端將一跳鄰居信息和Metric一起發(fā)送至MAP。

MAP將覆蓋范圍內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息匯集成一張“全路由表”，并將該表廣播給覆蓋范圍內(nèi)所有Mesh終端。同時(shí)，每個(gè)MAP節(jié)點(diǎn)將自己通信范圍內(nèi)的所有Mesh終端信息周期性向所有Mesh功能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行泛洪（由于Mesh功能節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性較低，變化較小，故此更新周期可以長(zhǎng)一些）。使Mesh網(wǎng)絡(luò)中，任意一個(gè)Mesh功能節(jié)點(diǎn)都能了解任意一個(gè)Mesh終端處在哪個(gè)MAP節(jié)點(diǎn)的通信范圍之內(nèi)。

有數(shù)據(jù)需要傳輸時(shí)，具體的發(fā)送流程如圖2所示：

圖2 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

路由維護(hù)階段：當(dāng)Mesh終端有移動(dòng)性的時(shí)候，可能會(huì)有新的Mesh終端移動(dòng)進(jìn)入原MAP的覆蓋范圍。此時(shí)新Mesh終端需向周?chē)惶蛇_(dá)鄰居發(fā)送hello包，探測(cè)一跳鄰居。在收到一跳鄰路由維護(hù)階段：當(dāng)Mesh終端有移動(dòng)性的時(shí)候，可能會(huì)在周期之間有新的Mesh終端移動(dòng)進(jìn)入原MAP的覆蓋范圍。此時(shí)新Mesh終端需向周?chē)粭l鄰居發(fā)送hello包，探測(cè)一跳鄰居，并計(jì)算本節(jié)點(diǎn)到一條鄰居的鏈路上的Metric值。而后向MAP發(fā)送這些信息，表示自己是新加入的Mesh終端，MAP收到后更新自己的“全路由表”，廣播給所有Mesh終端，并向所有MP節(jié)點(diǎn)廣播這一更新。

當(dāng)某一跳鏈路發(fā)生斷裂時(shí)，Mesh終端迅速查找自己的路由表，根據(jù)鏈路斷裂的狀況啟動(dòng)相應(yīng)的備份路由。

MAP將“全路由表”廣播給所有Mesh終端，則所有Mesh節(jié)點(diǎn)均可使用路由查找算法，根據(jù)“全路由表”建立自己的路由表。

假設(shè)源節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)i，目的節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)j(j≠i)。路由查找算法具體步驟如下：

步驟1：源節(jié)點(diǎn)i首先查找自己的路由表，如果目的節(jié)點(diǎn)j已經(jīng)存在于源節(jié)點(diǎn)i的路由表的目的節(jié)點(diǎn)中，則執(zhí)行步驟2；否則，執(zhí)行步驟3。

步驟2：查看路由表中到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前路徑，若其路徑有效標(biāo)志置1（置1為有效），則表示當(dāng)前路由有效，將數(shù)據(jù)發(fā)送給相應(yīng)的下一跳節(jié)點(diǎn)；若當(dāng)前路由失效，則啟動(dòng)備份路由中優(yōu)先級(jí)最高的有效路徑傳送數(shù)據(jù)。

圖3 全路由表示意圖

步驟11：整理路由表，將所有路徑有效標(biāo)志仍然置0的路徑條目都刪除，而后執(zhí)行步驟12。

步驟12：按照總Metric表項(xiàng)內(nèi)填充的數(shù)值比較大小，來(lái)填充優(yōu)先級(jí)表項(xiàng)，總Metric越小對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)就越高。而后執(zhí)行步驟2。

EHWMP協(xié)議對(duì)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性的支持表現(xiàn)在：若某Mesh終端移出了原MAP的覆蓋范圍，則MAP更新自己的“全路由表”。具體做法是：對(duì)于MAP節(jié)點(diǎn)而言，若節(jié)點(diǎn)j移出自身覆蓋范圍，則刪除“全路由表”中的第j行與第j列，而后向覆蓋范圍內(nèi)所有Mesh終端廣播新“全路由表”。對(duì)于其他Mesh終端而言，假如節(jié)點(diǎn)i發(fā)現(xiàn)原本可以到達(dá)的節(jié)點(diǎn)j已經(jīng)移動(dòng)走了，無(wú)法到達(dá)，則立刻刪除自己路由表中所有與節(jié)點(diǎn)j有關(guān)的路由，并且馬上啟用備份路由傳輸數(shù)據(jù)。

VoIP在無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)上傳輸，由于Mesh終端有移動(dòng)性、網(wǎng)絡(luò)有不穩(wěn)定性，一旦原路由失效，重新進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)會(huì)造成很大的試驗(yàn)和時(shí)延抖動(dòng)，這是VoIP所不能容忍的。采用上述改進(jìn)型協(xié)議EHWMP，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由表內(nèi)加入備份路由，以便在原路由失效時(shí)啟動(dòng)備份路由。另外MAP進(jìn)行實(shí)時(shí)性地更新“全路由表”，可以進(jìn)一步避免時(shí)延，在最大程度上保證VoIP這類(lèi)實(shí)時(shí)性要求很強(qiáng)的業(yè)務(wù)能夠在無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸。

4.仿真

本文采用OPNET仿真工具，在無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的框架之下，分別使用HWMP以及EHWMP路由協(xié)議在隨機(jī)場(chǎng)景下對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響進(jìn)項(xiàng)測(cè)試。仿真場(chǎng)景為一個(gè)1000m×1000m的開(kāi)闊環(huán)境，共有50個(gè)經(jīng)過(guò)改進(jìn)的無(wú)線節(jié)點(diǎn)散列在場(chǎng)中，仿真時(shí)間為30分鐘。VoIP業(yè)務(wù)用CBR業(yè)務(wù)進(jìn)行模擬。對(duì)VoIP連接服務(wù)質(zhì)量是否滿(mǎn)足，要看連接的吞吐量，如果吞吐量大于VoIP語(yǔ)音速率的80%，而認(rèn)為這個(gè)業(yè)務(wù)流的QoS需求得到滿(mǎn)足。因?yàn)橹挥性跁r(shí)延小，時(shí)延抖動(dòng)小的情況下，才能達(dá)到這個(gè)吞吐量。

圖4 兩種協(xié)議端到端時(shí)延顯示圖

圖4表示的是兩種協(xié)議的端到端時(shí)延對(duì)比示意圖。EHWMP協(xié)議基于HWMP協(xié)議作出了改進(jìn)，將Mesh終端間的尋路方式改進(jìn)成了表驅(qū)動(dòng)型，使得先驗(yàn)式路由協(xié)議在原HWMP中的比重加大，進(jìn)而使得端到端時(shí)延降低了；此外，EHWMP協(xié)議采取新型的Metric作為判據(jù)度量，此度量值綜合考慮了端到端時(shí)延與時(shí)延抖動(dòng)因素，使數(shù)據(jù)包的發(fā)送能夠選擇時(shí)延較低的鏈路；另外EHWMP加入了備份路由機(jī)制，減小了鏈路斷裂時(shí)的路由維護(hù)時(shí)延，從而進(jìn)一步降低了端到端時(shí)延。

圖5支持最大VoIP的連接數(shù)目

圖5 表示的是，在HWMP和EHWMP協(xié)議下運(yùn)行的兩種場(chǎng)景，其單位帶寬所能支持的VoIP最大連接數(shù)量對(duì)比圖。EHWMP協(xié)議對(duì)HWMP協(xié)議做出了有效改進(jìn)，采取新型的Metric作為判據(jù)度量值，將時(shí)延與時(shí)延抖動(dòng)等因素考慮在內(nèi)，使得網(wǎng)絡(luò)的平均端到端時(shí)延降低了。同時(shí)EHWMP將HWMP的按需式路由協(xié)議RM-AODV加以改進(jìn)，改為先驗(yàn)式路由協(xié)議，更加適于VoIP等強(qiáng)實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)的傳輸。另外EHWMP協(xié)議加入了備份路由機(jī)制，在一定程度上支持了VoIP客戶(hù)的移動(dòng)性。從圖4中可以很明顯地看出，經(jīng)改進(jìn)后的EHWMP協(xié)議與HWMP協(xié)議相比，其所支持的VoIP最大連接數(shù)量有了顯著地提升。

5.總結(jié)

本文的研究點(diǎn)立足于將VoIP應(yīng)用于在無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中。鑒于VOIP為實(shí)時(shí)性要求極高的業(yè)務(wù)，本文將影響VoIP的主要因素時(shí)延與時(shí)延抖動(dòng)充分考慮在Metric內(nèi)，設(shè)計(jì)了一種新型的度量值Metric，使這種度量值更適用于傳輸VoIP，保證其QoS。另外本文基于HWMP協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)型協(xié)議EHWMP使改進(jìn)后的協(xié)議大大減小了路由維護(hù)階段的時(shí)延與開(kāi)銷(xiāo)，增加了單位帶寬上VoIP支持?jǐn)?shù)量，并使協(xié)議更加實(shí)用與無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)。本文通過(guò)OPNET的仿真，證明了改進(jìn)后的協(xié)議確實(shí)能夠大幅度提高VoIP在無(wú)線Mesh網(wǎng)中的傳輸性能。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.02.045

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目（2008AA01Z211），國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目

李汝南（1986-），男，碩士，主要研究方向無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議。

VoIP；無(wú)線Mesh網(wǎng)；路由協(xié)議