AdHoc網(wǎng)絡中語音傳輸?shù)姆治黾靶阅軠y試*

杜智敏 ，謝維波 ，楊大力

(1.華僑大學 計算機科學與技術學院，福建 廈門361021；2.華僑大學 廈門軟件園嵌入式技術開放實驗室，福建 廈門361008)

隨著無線通信技術和嵌入式技術的飛速發(fā)展，AdHoc網(wǎng)絡技術及其上的多媒體應用成為一個研究熱點。由于實驗條件等限制，目前針對AdHoc網(wǎng)絡的研究大都基于NS（Network Simulator）、GloMoSim 等仿真工具，研究成果往往理論有余，而實踐稍顯不足。為了深入研究AdHoc網(wǎng)絡中的語音通信技術，構建實際AdHoc網(wǎng)絡，對該實際網(wǎng)絡環(huán)境及其上語音通信性能的評估分析研究就顯得十分必要。

1 語音傳輸模型

語音在AdHoc網(wǎng)絡中傳輸?shù)幕灸Ｐ腿鐖D1所示。音頻設備采集到的模擬語音信號必須經(jīng)過采樣量化等處理手段轉換成數(shù)字信號，然后經(jīng)過壓縮并打包成某種網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包格式，之后在AdHoc網(wǎng)絡中進行傳輸。到達目的端系統(tǒng)后首先經(jīng)過網(wǎng)絡協(xié)議棧解包，得到壓縮過的數(shù)字語音數(shù)據(jù)，之后經(jīng)過解壓縮等處理過程，得到原始語音數(shù)據(jù)。

決定語音質量的主要因素是編解碼器的選擇，其次是網(wǎng)絡傳輸性能的影響。網(wǎng)絡延時和丟包對語音通信質量造成的影響在AdHoc網(wǎng)絡中一直是個技術瓶頸。

2 AdHoc網(wǎng)絡模型

IEEE 802.11作為無線通信的官方標準僅僅考慮到了單跳的網(wǎng)絡，因此很有必要為多跳無線網(wǎng)絡開發(fā)相應的路由協(xié)議。這些路由協(xié)議決定如何通過其他節(jié)點對目的節(jié)點不在傳輸域內的信息進行轉發(fā)。

圖1 基于AdHoc網(wǎng)絡的語音通信基本模型

大量針對不同路由協(xié)議的模擬已經(jīng)通過不同的模擬器進行了模擬。但是模擬器建立的是一種理想模型，并不能將實際情況中的所有因素考慮在內，所以其結果同樣是一種理想結果，并不能作為商業(yè)應用的參考。

這里使用AODV(AdHoc on-Demand Distance Vector)[1-2]協(xié)議對AdHoc網(wǎng)絡的實時通信性能進行測試。AODV借鑒了DSR協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)和維護概念，以及DSDV協(xié)議的序列號和發(fā)送周期性Hello包的機制。其主要路由機制如下：

(1)路由發(fā)現(xiàn)機制：當一個節(jié)點要與另外一個節(jié)點通信時，它首先查看自己的路由表，看到達該目的節(jié)點的路由是否存在，若不存在，則初始化一個路由發(fā)現(xiàn)過程（AODV創(chuàng)建并廣播一個RREQ控制包，并設置一個定時器來等待回應數(shù)據(jù)包RREP）。所有收到RREQ控制包的節(jié)點都會比較該包的ID，看是否以前曾經(jīng)收到過。若非第一次收到，則直接丟棄該控制包。

(2)路由維護機制：當一個路由建立好后，就需要源節(jié)點來對其進行維護。節(jié)點的移動只會影響到途經(jīng)該節(jié)點的路由，并不對網(wǎng)絡造成全局影響。源節(jié)點在通信過程中的移動會造成它與當前使用路由的下一跳之間的連接斷開，此時，它將會重新廣播一個RREQ包來發(fā)現(xiàn)路由。如果中間節(jié)點與其下一跳之間的連接斷開，它會發(fā)送一個RERR包給其（當前路由）前驅節(jié)點，并將到達該目的節(jié)點的路由標記為無效（被標記為無效的路由將于一段固定時間之后被丟棄）。其前驅節(jié)點收到RERR包后，同樣將該條路由標記為無效，并將該RERR發(fā)送給自己的前驅節(jié)點。

(3)Hello包機制：在規(guī)定時間內，如果沒有數(shù)據(jù)包傳輸，節(jié)點就會廣播發(fā)送Hello消息給其鄰居節(jié)點來對本地連接進行更新。Hello消息的內容包括節(jié)點的IP地址及當前序列號等。由于該信息不需要被轉發(fā)，它們的ttl值都為 1。

3 AODV協(xié)議對網(wǎng)絡性能的影響

(1)端到端延時：由于AODV為被動路由協(xié)議，所以在第一次數(shù)據(jù)傳輸時，如果沒有有效路由，則會啟動發(fā)現(xiàn)路由機制，于是引入了發(fā)現(xiàn)路由延時。發(fā)現(xiàn)路由延時的大小主要取決于端到端需要經(jīng)過的跳數(shù)，當然不同的AODV實現(xiàn)版本之間的發(fā)現(xiàn)路由延時也會有所差別。

(2)路由變化延時：該延時是指從當前工作路由失效到重新發(fā)現(xiàn)并啟用新的有效路由之間的時間。該延時取決于 ALLOWED_HELLO_LOSS×HELLO_INTERVAL。 可以通過調整這兩個參數(shù)來降低該延時。ALLOWED_HELLO_LOSS默認為2，如果調整為 1，由于無線信道的不穩(wěn)定，時不時地信道狀況不好會導致Hello包的丟失，由于ALLOWED_HELLO_LOSS調整為1，于是造成了路由協(xié)議認為鏈路已損壞，而實際鏈路并未斷開的狀況的出現(xiàn)。

分析圖2所示的情況。假設ALLOWED_HELLO_LOSS的默認值為2，則AODV路由協(xié)議在2×HELLO_INTERVAL未收到Hello包時就會認為該鏈路已經(jīng)斷開。此時有兩種極端情況：

圖2 鏈路失效檢測時間

①節(jié)點1在收到第2個Hello包之后，實際鏈路斷開，而此時AODV路由協(xié)議由于收到了Hello包，認為鏈路依然有效。

②在節(jié)點1收到第2個Hello包之后一個HELLO_INTERVAL時，實際鏈路斷開，而AODV協(xié)議并不認為鏈路斷開，而是會發(fā)送第二個Hello包來確認鏈路狀況。由于鏈路失效時間不可預知，可認為其是介于HELLO_INTERVAL和 2×HELLO_INTERVAL之間的一個隨機數(shù)。由于相對路由變化時間來說路由發(fā)現(xiàn)時間可以忽略，可對其定義如下：

4 性能評估測試

4.1 測試環(huán)境構建

本文使用4臺安裝Linux系統(tǒng)的筆記本作為實驗設備。路由協(xié)議使用開源的aodv-uu-0.9.6.tar.gz[3]，應用程序為自己編寫的雙工語音通信程序（使用udp進行語音通信，由語音錄制、語音壓縮、語音解壓縮、語音播放4個線程構成）。測試環(huán)境構建流程為：

(1)配置無線網(wǎng)卡（以laptop1為例）

設置完網(wǎng)卡后，可以使用ifup wlan0來查看網(wǎng)卡是否設置成功。

(2)安裝路由協(xié)議

(3)構建網(wǎng)絡拓撲

將4臺筆記本直線擺放在實驗桌面上，IP地址分配依次為 192.168.2.5～192.168.2.8（4節(jié)點結構，3節(jié)點網(wǎng)絡拓撲與此類似）。

由于筆記本自帶無線網(wǎng)卡傳輸范圍比較大，laptop1和laptop4可以直接通信，而不需經(jīng)過laptop2和laptop3，而室內空間也有限，所以為實現(xiàn)laptop1→laptop2→laptop3→laptop4多跳效果，這里需要使用Linux系統(tǒng)的防火墻工具iptables[4]。其命令格式為：

其中l(wèi)aptop_mac為要屏蔽的laptop的mac地址。

為實現(xiàn) laptop1經(jīng)過 laptop2，再經(jīng)過 laptop3，最后到達laptop4的多跳效果，需要讓laptop1屏蔽掉其到laptop3和laptop4的直接通路。在其上執(zhí)行命令（其中以#開頭的表示在超級用戶權限執(zhí)行的命令）：

表1 3個節(jié)點丟包率和延時

表2 4個節(jié)點丟包率和延時

以同樣的方式讓laptop2屏蔽掉其到laptop4的直接通路，讓laptop3屏蔽掉其到laptop1的直接通路，讓laptop4屏蔽掉其到laptop1和laptop2的直接通路。

4.2 性能測試方案設計及測試結果分析

(1)路由發(fā)現(xiàn)時間

按照上面步驟設置好無線網(wǎng)卡后，啟動AODV路由協(xié)議：

使用 ping命令從 laptop1發(fā)送數(shù)據(jù)包到 laptop3（和laptop4），此時AODV會啟動發(fā)現(xiàn)路由過程，并建立路由表。路由發(fā)現(xiàn)時間可由AODV路由協(xié)議的日志中得出（rreq_create啟動到 aodv_socket_process_packet對 RREP包進行處理）。

測試可得，3個節(jié)點路由發(fā)現(xiàn)時間為 6 ms，4個節(jié)點路由發(fā)現(xiàn)時間為10 ms。相對數(shù)據(jù)包發(fā)送延時來說，基本可以忽略。

(2)AdHoc網(wǎng)絡丟包率和延時

使用ping命令向目的節(jié)點發(fā)送1 000個默認大小(56 B)的數(shù)據(jù)包。命令為：ping-c 1000-i interval 192.168.2.8。其中interval為發(fā)送兩次icmp數(shù)據(jù)包之間的時間間隔。

網(wǎng)絡丟包率和延時測試結果如表1、表2所示。

從測試結果可知，當發(fā)包時隙為5 s時，丟包率暴增到一半以上。這是AODV路由協(xié)議作用的結果，正常情況下應該是發(fā)包頻率越慢，丟包率越低。由于AODV路由協(xié)議維護有效路由有個定時器：ACTIVE_ROUTE_TIMEOUT(默認為 3 000 ms)和 DELETE_PERIOD。 DELETE_PERIOD計算公式[5]為：

而 ALLOWED_HELLO_LOSS 為 2，HELLO_INTERVAL為 1 000 ms，于是 DELETE_PERIOD默認為 3 000 ms。 即AODV協(xié)議每隔3 s會刪除在這段時間內都未使用的路由，而發(fā)送數(shù)據(jù)包時隙為5 s，由于上次使用的路由已被刪除，于是每次發(fā)送都需要重新發(fā)現(xiàn)路由，最終導致了嚴重的網(wǎng)絡丟包率。

(3)語音通信丟包率測試

在 laptop1、laptop3（3 節(jié)點網(wǎng)絡）和 laptop4（4 節(jié)點網(wǎng)絡）運行語音通信程序，并在程序中增加數(shù)據(jù)包計數(shù)器來統(tǒng)計丟包率。

對比表3所示丟包率測試結果和icmp包的丟包率測試結果，可以看出3個節(jié)點的網(wǎng)絡中音頻數(shù)據(jù)傳輸類似時隙為0.1～0.2之間的icmp包的傳輸，但是4個節(jié)點時相當于時隙為0.6的icmp包的傳輸。該結果間接表示4節(jié)點之間的語音傳輸延時大大增加，這也是無線AdHoc網(wǎng)絡的一大技術瓶頸。

表3 語音傳輸丟包率

本文深入闡述了AdHoc網(wǎng)絡中的語音傳輸模型和AdHoc基本模型，詳細分析了AODV路由協(xié)議對AdHoc網(wǎng)絡性能的影響以及語音評價標準。最后實際搭建了AdHoc網(wǎng)絡，并對其通信性能及其上的語音通信性能進行評估測試。本文旨在幫助廣大研究人員對AdHoc網(wǎng)絡性能有更深入的理解。

[1]AODV[DB/OL].http：//moment.cs.ucsb.edu/AODV/.

[2]PERKINS C，ROYER E.AdHoc on-Demand distance vector routing-RFC3561[C].2003：1-38.

[3]AODV-UU[S/OL].http：//sourceforge.net/projects/aodvuu/.

[4]Netfilter/Iptables[S/OL].http：//www.netfilter.org.

[5]Lu Yi，Zhong Yuhui，BHARGAVA B.Packet loss in mobile AdHoc networks[R].2003.