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 無線電與電磁兼容實驗室 北京 100876）

VoIP業(yè)務(wù)在無線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 無線電與電磁兼容實驗室 北京 100876）

將VoIP應(yīng)用于在無線Mesh網(wǎng)中，必須考慮時延、時延抖動、丟包率等因素。本文設(shè)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(nèi)，使這種度量值更適用于傳輸VoIP類強(qiáng)實時性業(yè)務(wù)。此外，本文設(shè)計出基于HWMP協(xié)議改進(jìn)的EHWMP協(xié)議，大大減小了路由維護(hù)階段的時延與開銷，并使協(xié)議更加適用于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)。

1.介紹

VoIP（Voice over IP）近年來發(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，人們越來越關(guān)注一個熱點問題，VoIP如何應(yīng)用于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下。一旦VoIP能夠應(yīng)用于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，就能夠給用戶提供很大的便利。

本文關(guān)注的是基于802.11s上的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)。研究發(fā)現(xiàn)，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中VoIP傳輸性能不理想。主要原因是802.11s無法提供嚴(yán)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(wǎng)絡(luò)中，鏈路出現(xiàn)故障時增大了路由維護(hù)階段的時延與開銷。為了解決上述問題，本文設(shè)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(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)階段的時延與開銷，并使協(xié)議更加實用于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)。

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(shù)據(jù)包在MAC層的傳輸時延，卻沒有考慮數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)層時的時延。因為每個節(jié)點的緩存區(qū)內(nèi)都有包在排隊，在緩存區(qū)內(nèi)的排隊等待時間也需要被考慮進(jìn)總時延，才能算出比較準(zhǔn)確的端到端時延[2]。此外，傳統(tǒng)的ETT默認(rèn)最大重傳限制為無窮大。對于VoIP這類實時性強(qiáng)的業(yè)務(wù)，必須規(guī)定一個最大重傳次數(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延抖動σDelay和改進(jìn)型期待重傳時間 EETTi，本文采取一種新的度量判據(jù)Metric，計算公式（5）如下：

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

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

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

圖1 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

802.11 s設(shè)備必須默認(rèn)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(wǎng)絡(luò)的按需距離矢量路由協(xié)議AODV并對其進(jìn)行了部分改進(jìn)，能夠成一種新的路由協(xié)議RM-AODV；第二部分是基于樹形的先應(yīng)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(bǔ)充，其主要思想是讓帶有網(wǎng)絡(luò)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(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Mesh節(jié)點維護(hù)三張表格，除了鄰居表和路由表之外，還需單獨維護(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(jù)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(zhuǎn)發(fā)的所有路徑中，路徑判據(jù)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(shù)字越小優(yōu)先級越高，0是當(dāng)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(nèi)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(nèi)所有Mesh終端。同時，每個MAP節(jié)點將自己通信范圍內(nèi)的所有Mesh終端信息周期性向所有Mesh功能節(jié)點進(jìn)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(wǎng)絡(luò)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(nèi)。

有數(shù)據(jù)需要傳輸時，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終端有移動性的時候，可能會有新的Mesh終端移動進(jìn)入原MAP的覆蓋范圍。此時新Mesh終端需向周圍一跳可達(dá)鄰居發(fā)送hello包，探測一跳鄰居。在收到一跳鄰路由維護(hù)階段：當(dāng)Mesh終端有移動性的時候，可能會在周期之間有新的Mesh終端移動進(jìn)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(dāng)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(jù)鏈路斷裂的狀況啟動相應(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(jīng)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(dá)目的節(jié)點的當(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；若當(dāng)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(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表項內(nèi)填充的數(shù)值比較大小，來填充優(yōu)先級表項，總Metric越小對應(yīng)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(nèi)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(dá)的節(jié)點j已經(jīng)移動走了，無法到達(dá)，則立刻刪除自己路由表中所有與節(jié)點j有關(guān)的路由，并且馬上啟用備份路由傳輸數(shù)據(jù)。

VoIP在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)上傳輸，由于Mesh終端有移動性、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(jìn)型協(xié)議EHWMP，在每個節(jié)點的路由表內(nèi)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(jìn)行實時性地更新“全路由表”，可以進(jìn)一步避免時延，在最大程度上保證VoIP這類實時性要求很強(qiáng)的業(yè)務(wù)能夠在無線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)場景下對網(wǎng)絡(luò)性能的影響進(jìn)項測試。仿真場景為一個1000m×1000m的開闊環(huán)境，共有50個經(jīng)過改進(jìn)的無線節(jié)點散列在場中，仿真時間為30分鐘。VoIP業(yè)務(wù)用CBR業(yè)務(wù)進(jìn)行模擬。對VoIP連接服務(wù)質(zhì)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(rèn)為這個業(yè)務(wù)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(dá)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(jìn)，將Mesh終端間的尋路方式改進(jìn)成了表驅(qū)動型，使得先驗式路由協(xié)議在原HWMP中的比重加大，進(jìn)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(jù)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(shù)據(jù)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(jī)制，減小了鏈路斷裂時的路由維護(hù)時延，從而進(jìn)一步降低了端到端時延。

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)行的兩種場景，其單位帶寬所能支持的VoIP最大連接數(shù)量對比圖。EHWMP協(xié)議對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，將時延與時延抖動等因素考慮在內(nèi)，使得網(wǎng)絡(luò)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(jìn)，改為先驗式路由協(xié)議，更加適于VoIP等強(qiáng)實時性業(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客戶的移動性。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)

本文的研究點立足于將VoIP應(yīng)用于在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中。鑒于VOIP為實時性要求極高的業(yè)務(wù)，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(nèi)，設(shè)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(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)階段的時延與開銷，增加了單位帶寬上VoIP支持?jǐn)?shù)量，并使協(xié)議更加實用與無線Mesh網(wǎng)絡(luò)。本文通過OPNET的仿真，證明了改進(jìn)后的協(xié)議確實能夠大幅度提高VoIP在無線Mesh網(wǎng)中的傳輸性能。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.02.045

國家863計劃項目（2008AA01Z211），國家自然科學(xué)基金資助項目

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

VoIP；無線Mesh網(wǎng)；路由協(xié)議