李汝南 劉元安 劉凱明 唐碧華

（北京郵電大學 電子工程學院 無線電與電磁兼容實驗室 北京 100876）

VoIP業(yè)務在無線Mesh網絡中的應用

李汝南 劉元安 劉凱明 唐碧華

（北京郵電大學 電子工程學院 無線電與電磁兼容實驗室 北京 100876）

將VoIP應用于在無線Mesh網中，必須考慮時延、時延抖動、丟包率等因素。本文設計了一種新型的度量值Metric，將影響VoIP的主要因素時延與時延抖動充分考慮在內，使這種度量值更適用于傳輸VoIP類強實時性業(yè)務。此外，本文設計出基于HWMP協(xié)議改進的EHWMP協(xié)議，大大減小了路由維護階段的時延與開銷，并使協(xié)議更加適用于無線Mesh網絡。

1.介紹

VoIP（Voice over IP）近年來發(fā)展迅猛，各種商業(yè)模式與產品也層出不窮（如Skype、MSN等）。最近，人們越來越關注一個熱點問題，VoIP如何應用于無線Mesh網絡環(huán)境下。一旦VoIP能夠應用于無線Mesh網絡，就能夠給用戶提供很大的便利。

本文關注的是基于802.11s上的無線Mesh網絡。研究發(fā)現(xiàn)，無線Mesh網絡中VoIP傳輸性能不理想。主要原因是802.11s無法提供嚴格的QoS保障，時延、時延抖動等因素對VoIP影響較大[1]。另外在無線網絡中，鏈路出現(xiàn)故障時增大了路由維護階段的時延與開銷。為了解決上述問題，本文設計了一種新型的度量值Metric，將影響VoIP的主要因素時延與時延抖動充分考慮在Metric內，使這種度量值更適用于傳輸VoIP。另外本文基于HWMP協(xié)議，設計了改進型路由協(xié)議EHWMP，大大減小了路由維護階段的時延與開銷，并使協(xié)議更加實用于無線Mesh網絡。

2.綜合考慮時延抖動與時延的度量值

在無線Mesh中傳輸VoIP，首先需要考慮的QoS因素就是端到端的時延抖動與時延，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延抖動對傳輸性能的影響。故此本文中提出一種將時延抖動與時延因素綜合考慮的Metric度量值。

傳統(tǒng)的ETT只考慮了數據包在MAC層的傳輸時延，卻沒有考慮數據包在網絡層時的時延。因為每個節(jié)點的緩存區(qū)內都有包在排隊，在緩存區(qū)內的排隊等待時間也需要被考慮進總時延，才能算出比較準確的端到端時延[2]。此外，傳統(tǒng)的ETT默認最大重傳限制為無窮大。對于VoIP這類實時性強的業(yè)務，必須規(guī)定一個最大重傳次數N。所以，在此基礎上，本文將傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的ETT，改進成EETTi：

綜合考慮上述的二者時延抖動σDelay和改進型期待重傳時間 EETTi，本文采取一種新的度量判據Metric，計算公式（5）如下：

這種新型的度量判據全面考慮了時延與時延抖動的影響，使得Mesh網絡更加符合VoIP的傳輸QoS性能要求。

3.改進型適用無線Mesh網的路由協(xié)議EHWMP

現(xiàn)有的無線Mesh網絡結構如圖1[6]。

圖1 無線Mesh網絡結構圖

802.11 s設備必須默認實現(xiàn)HWMP協(xié)議，以保證其互操作性。下面簡單介紹一下HWMP協(xié)議，該協(xié)議由兩部分組成。第一部分是類似于Ad-hoc網絡的按需距離矢量路由協(xié)議AODV并對其進行了部分改進，能夠成一種新的路由協(xié)議RM-AODV；第二部分是基于樹形的先應式路由協(xié)議，該協(xié)議是對前一部分按需路由協(xié)議的一種補充，其主要思想是讓帶有網絡出口的Portal節(jié)點作為樹根（Root），將其他MP連接成一棵邏輯的路由樹，讓所有Mesh節(jié)點都知道去Root的路徑[3][4]。

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

路由發(fā)現(xiàn)階段：每個Mesh節(jié)點維護三張表格，除了鄰居表和路由表之外，還需單獨維護一張“全路由表”。路由表的格式如表1。

表1 路由表格式

其中路徑有效標志，存放0和1，0表示該路徑無效，1表示此路徑有效；單跳Metric表項，存放源節(jié)點到下一跳節(jié)點之間的路徑判據度量值Metric；總Metric表項，存放源節(jié)點到目的節(jié)點通過此下一跳節(jié)點轉發(fā)的所有路徑中，路徑判據度量值Metric最小的一個；優(yōu)先級表項，表示這條路徑的優(yōu)先級，數字越小優(yōu)先級越高，0是當前路徑，1是備份路由，是通過比較總Metric表項得到的。

Mesh終端以及MAP節(jié)點以廣播的方式、周期性地向周圍的一跳鄰居節(jié)點發(fā)送hello包，目的在于探測一跳鄰居節(jié)點。而后向一跳鄰居節(jié)點發(fā)送一組probe包，用于測算本節(jié)點到一條鄰居的時延抖動與時延等值，通過第2節(jié)的公式（5），可以計算出本節(jié)點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將覆蓋范圍內所有節(jié)點發(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所有Mesh終端。同時，每個MAP節(jié)點將自己通信范圍內的所有Mesh終端信息周期性向所有Mesh功能節(jié)點進行泛洪（由于Mesh功能節(jié)點移動性較低，變化較小，故此更新周期可以長一些）。使Mesh網絡中，任意一個Mesh功能節(jié)點都能了解任意一個Mesh終端處在哪個MAP節(jié)點的通信范圍之內。

有數據需要傳輸時，具體的發(fā)送流程如圖2所示：

圖2 數據發(fā)送流程圖

路由維護階段：當Mesh終端有移動性的時候，可能會有新的Mesh終端移動進入原MAP的覆蓋范圍。此時新Mesh終端需向周圍一跳可達鄰居發(fā)送hello包，探測一跳鄰居。在收到一跳鄰路由維護階段：當Mesh終端有移動性的時候，可能會在周期之間有新的Mesh終端移動進入原MAP的覆蓋范圍。此時新Mesh終端需向周圍一條鄰居發(fā)送hello包，探測一跳鄰居，并計算本節(jié)點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)點廣播這一更新。

當某一跳鏈路發(fā)生斷裂時，Mesh終端迅速查找自己的路由表，根據鏈路斷裂的狀況啟動相應的備份路由。

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

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

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

步驟2：查看路由表中到達目的節(jié)點的當前路徑，若其路徑有效標志置1（置1為有效），則表示當前路由有效，將數據發(fā)送給相應的下一跳節(jié)點；若當前路由失效，則啟動備份路由中優(yōu)先級最高的有效路徑傳送數據。

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表項內填充的數值比較大小，來填充優(yōu)先級表項，總Metric越小對應的優(yōu)先級就越高。而后執(zhí)行步驟2。

EHWMP協(xié)議對節(jié)點移動性的支持表現(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：對于MAP節(jié)點而言，若節(jié)點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，而后向覆蓋范圍內所有Mesh終端廣播新“全路由表”。對于其他Mesh終端而言，假如節(jié)點i發(fā)現(xiàn)原本可以到達的節(jié)點j已經移動走了，無法到達，則立刻刪除自己路由表中所有與節(jié)點j有關的路由，并且馬上啟用備份路由傳輸數據。

VoIP在無線Mesh網絡上傳輸，由于Mesh終端有移動性、網絡有不穩(wěn)定性，一旦原路由失效，重新進行路由發(fā)現(xiàn)會造成很大的試驗和時延抖動，這是VoIP所不能容忍的。采用上述改進型協(xié)議EHWMP，在每個節(jié)點的路由表內加入備份路由，以便在原路由失效時啟動備份路由。另外MAP進行實時性地更新“全路由表”，可以進一步避免時延，在最大程度上保證VoIP這類實時性要求很強的業(yè)務能夠在無線Mesh網絡上進行傳輸。

4.仿真

本文采用OPNET仿真工具，在無線Mesh網絡的框架之下，分別使用HWMP以及EHWMP路由協(xié)議在隨機場景下對網絡性能的影響進項測試。仿真場景為一個1000m×1000m的開闊環(huán)境，共有50個經過改進的無線節(jié)點散列在場中，仿真時間為30分鐘。VoIP業(yè)務用CBR業(yè)務進行模擬。對VoIP連接服務質量是否滿足，要看連接的吞吐量，如果吞吐量大于VoIP語音速率的80%，而認為這個業(yè)務流的QoS需求得到滿足。因為只有在時延小，時延抖動小的情況下，才能達到這個吞吐量。

圖4 兩種協(xié)議端到端時延顯示圖

圖4表示的是兩種協(xié)議的端到端時延對比示意圖。EHWMP協(xié)議基于HWMP協(xié)議作出了改進，將Mesh終端間的尋路方式改進成了表驅動型，使得先驗式路由協(xié)議在原HWMP中的比重加大，進而使得端到端時延降低了；此外，EHWMP協(xié)議采取新型的Metric作為判據度量，此度量值綜合考慮了端到端時延與時延抖動因素，使數據包的發(fā)送能夠選擇時延較低的鏈路；另外EHWMP加入了備份路由機制，減小了鏈路斷裂時的路由維護時延，從而進一步降低了端到端時延。

圖5支持最大VoIP的連接數目

圖5 表示的是，在HWMP和EHWMP協(xié)議下運行的兩種場景，其單位帶寬所能支持的VoIP最大連接數量對比圖。EHWMP協(xié)議對HWMP協(xié)議做出了有效改進，采取新型的Metric作為判據度量值，將時延與時延抖動等因素考慮在內，使得網絡的平均端到端時延降低了。同時EHWMP將HWMP的按需式路由協(xié)議RM-AODV加以改進，改為先驗式路由協(xié)議，更加適于VoIP等強實時性業(yè)務的傳輸。另外EHWMP協(xié)議加入了備份路由機制，在一定程度上支持了VoIP客戶的移動性。從圖4中可以很明顯地看出，經改進后的EHWMP協(xié)議與HWMP協(xié)議相比，其所支持的VoIP最大連接數量有了顯著地提升。

5.總結

本文的研究點立足于將VoIP應用于在無線Mesh網絡中。鑒于VOIP為實時性要求極高的業(yè)務，本文將影響VoIP的主要因素時延與時延抖動充分考慮在Metric內，設計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)議進行了改進，改進型協(xié)議EHWMP使改進后的協(xié)議大大減小了路由維護階段的時延與開銷，增加了單位帶寬上VoIP支持數量，并使協(xié)議更加實用與無線Mesh網絡。本文通過OPNET的仿真，證明了改進后的協(xié)議確實能夠大幅度提高VoIP在無線Mesh網中的傳輸性能。

[1] 孫登銀.孫精科.VoIP技術分析與系統(tǒng)設計[M].第1版.北京:人民郵電出版社,2005:1-344.

[2] Samrat Ganguly,Vishnu Navda.Performance Optimizations for Deploying VoIP Services in Mesh Networks[J].IEEE:2006,24(11):2147-2158.

[3] 鐘斌.無線Mesh網絡VoIP業(yè)務聚合技術研究[D].重慶:西南交通大學.2009

[4] 裴曉萍.HWMP路由協(xié)議的研究與仿真[D].西安:西安電子科技大學,2008

[5] Hongkun Li, Yu Cheng. Minimizing End-to-End Delay: A Novel Routing Metric for Multi-Radio Wireless Mesh Networks[C]// IEEE INFOCOM,2009:46-54

[6] Michael Bahr，Update on the Hybrid Wireless Mesh Protocol of IEEE 802.11s[J].IEEE:2007,24(5):1455-1459.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.02.045

國家863計劃項目（2008AA01Z211），國家自然科學基金資助項目

李汝南（1986-），男，碩士，主要研究方向無線Mesh網絡中的路由協(xié)議。

VoIP；無線Mesh網；路由協(xié)議