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VoWLAN海外競技

2005/03/11

　　
　　在目前的IT產業(yè)領域中，WLAN和VoIP一直是人們關注的熱點。WLAN使人們“隨時隨地”接入網(wǎng)絡（如收發(fā)電子郵件、訪問Web應用）成為現(xiàn)實，并且提高了企業(yè)投資回報率。同時基于WLAN架構的新型電話技術的出現(xiàn)，無疑將提高企業(yè)服務質量和生產效率，從根本上改變傳統(tǒng)商務處理進程。

　　在不遠的未來，能夠支持IP語音(VoIP)和其他多媒體業(yè)務的適時應用無疑是下一代無線局域網(wǎng)(WLAN)的一個關鍵要素。對于無線局域網(wǎng)來說發(fā)展和完善VoIP技術就是如何使兩種技術結合起來，并在同一網(wǎng)絡中實現(xiàn)。盡管VoIP業(yè)務只需要很少的帶寬，但在同一網(wǎng)絡里，即使是少量的數(shù)據(jù)通信業(yè)務也會導致語音質量的急劇惡化，甚至掉線或是通話中斷。

　　因此，要使WLAN能夠輕松自如地承載VoIP業(yè)務并不是一件簡單的事。這需要有適合WLAN的設備并能夠完全支持VoIP業(yè)務，而且要完全支持數(shù)據(jù)通信和VoIP業(yè)務的融合。

　　因而選擇合適的WLAN設備作為承載VoIP的硬件平臺是一個關鍵。而且WLAN基礎設施仍需解決包括無縫漫游、話音安全、RF(射頻)管理、緊急呼叫等諸多問題，才能支持話音業(yè)務。

　　在本次測試中，我們將根據(jù)通話的語音質量、QoS（服務質量）保障機制、漫游，以及系統(tǒng)特性等方面，測試手持終端、WLAN交換機和接入點設備。

　　我們有選擇性地征集了四家廠商的近20款設備，它們構成了四套有著自己鮮明特點的VoWLAN系統(tǒng)。這些設備是由Aruba無線網(wǎng)絡設備、Chantry Networks（現(xiàn)在是西門子）、Cisco和Colubris Networks公司提供的。這是首次全面對主要供應商WLAN設備的VoIP業(yè)務承載能力所做的評估測試。

通話傳輸質量

　　我們測量的目的是為了回答這樣一個簡單的問題：VoWLAN性能到底如何？

　　需要指出的是，我們的試驗設備是由VeriWave公司提供的。該公司是目前世界上領先的WLAN網(wǎng)絡及網(wǎng)絡設備的測試軟件提供商，而且專門針對VoWLAN開發(fā)了一套新的測試工具。除了可以搜集時延和抖動等數(shù)據(jù)參數(shù)外，這套工具還能為我們提供R值，即ITU的G.107標準。R值是一個客觀的測量參數(shù)，主要用來判斷語音質量，是能根據(jù)丟包率、時延、抖動這些數(shù)據(jù)直接計算出來的。另外它和ITU 建議的P.800中的MOS（Mean Opinion Score）指標非常相關。因此，這套工具可以進行網(wǎng)絡故障定位、用戶投訴分析、系統(tǒng)評估、網(wǎng)絡優(yōu)化等。從用戶角度測試網(wǎng)絡或網(wǎng)絡參數(shù)(吞吐量，反應時間，時延，抖動，丟包等),非常適合我們這次試驗。

R值率

　　作為ITU的建立語音測量客觀標準，R值率可以測量語音質量，以解釋在不同的時延和數(shù)據(jù)丟失的情況下人對通話的反應。它告訴我們WLAN影響語音傳輸?shù)闹饕蛩兀鐣r延、抖動和數(shù)據(jù)包丟失。

　　我們使用多達14個手持終端設備，以及一個H.323呼叫服務器來測試語音質量。呼叫服務器由SpectraLink公司提供，它是生產802.11手持終端設備的專業(yè)廠商。本次VoWLAN測量最多開啟了7個并行的VoIP呼叫，有時還使用VeriWave TestPoint測試儀在語音中滲雜數(shù)據(jù)通信比特流。每次系統(tǒng)測試都在有QoS保障機制和無QoS保障機制下分別進行呼叫質量測試。

無線QoS的語音質量

　　由于所有的供應商都建議對語音傳輸設置QoS保障機制，我們首先關閉QoS保障機制，并設定所有的呼叫通過同一接入點來進行初步測試。這樣就給我們提供了一個底線，為進一步描述開啟QoS保障機制后的語音傳輸質量提供了參照。

　　由于關閉了QoS保障機制，在只有一個呼叫時，四個供應商的產品測試結果都非常好，R值一般處于78左右，而付費電話設定R值最低門限為75。這個結果說明所有廠家的系統(tǒng)在單一無線VoIP呼叫時，呼叫傳送的通話質量已高于有線付費電話的標準。

　　而當我們通過一個接入點或交換機傳送6到7個并行VoIP呼叫時，尤其是加入了數(shù)據(jù)通信業(yè)務后，所有產品的系統(tǒng)性能顯著降低。另外，當開通7個并行VoIP呼叫和關閉QoS保障機制時，即使沒有加入數(shù)據(jù)業(yè)務， Colubris設備也幾乎都處于通話中斷的狀態(tài)。因此，我們無法得到任何測試數(shù)據(jù)(如圖1所示)。


　　當我們設置測試點的VoIP語音通信時，加入了速度在1Mbps的數(shù)據(jù)流業(yè)務。在沒有QoS保障機制的情況下，僅僅承載6個并行的VoIP呼叫，所有系統(tǒng)的R值測試結果都非常糟糕，全部超過語音信號能夠識別的數(shù)值點（在這個數(shù)值點以下通話被迫中斷）。但Aruba系統(tǒng)的通話質量仍然非常好，數(shù)據(jù)流業(yè)務的加入對該系統(tǒng)并沒有產生什么影響，甚至和未開啟QoS保障機制時一樣。

　　在關閉QoS保障機制時，Chantry和Colubris系統(tǒng)在承載７個并行VoIP呼叫時，所有的通話都中斷，不能進行有數(shù)據(jù)流業(yè)務加入的VoIP語音測試。

　　即使沒有數(shù)據(jù)業(yè)務傳輸、 WLAN能完全承載VoIP業(yè)務，所有供應商也都建議使用QoS保障機制來處理語音傳輸。

開啟QoS保障機制的混合業(yè)務試驗

　　在開啟設備QoS保障機制前，我們重復以上相同參數(shù)設置的５次實驗。我們首先對一個VoIP呼叫且無數(shù)據(jù)流加入的情況下進行測量，然后測試６個和７個VoIP呼叫且無參考數(shù)據(jù)流加入的情況。

　　上述操作是為了啟動QoS保障機制后，系統(tǒng)就能取得顯著的成效。但只有Aruba的系統(tǒng)在所有測試中保持了一貫的良好表現(xiàn)，在具有QoS保障機制的情況下，甚至在最惡劣的情況下（７個并行VoIP呼叫并加入數(shù)據(jù)流業(yè)務），它仍然能夠傳送出和付費電話通話質量一樣的信號。Aruba的系統(tǒng)在打開QoS增強機制的情況下，系統(tǒng)承載業(yè)務最空閑和最繁忙的測試結果差別很小。

　　而其他供應商的設備在開啟QoS保障機制的情況下，一旦加入數(shù)據(jù)流業(yè)務，就很難保證通話質量。從正面來看，在只有語音傳輸業(yè)務的情況下，QoS保障機制一般運行較好。當我們只承載語音傳輸時，所有系統(tǒng)的音頻質量都改善了。在不加入數(shù)據(jù)流情況下測試６個或７個并行VoIP呼叫，所有的系統(tǒng)都能夠取得和付費電話一樣的通話質量。但當我們加入數(shù)據(jù)流業(yè)務，一切都改變了。在承載６個并行VoIP呼叫并加入數(shù)據(jù)流業(yè)務的情況下，Colubris CN1250系統(tǒng)的R值衰落到70以下。根據(jù)ITU的R值標準，這說明一些用戶的通話質量不令人滿意。Chanrty的R值在60左右，這個結果將不能令用戶滿意。除了客觀的R值評分以外，我們還進行了一些主觀的通信質量監(jiān)聽，當加入了數(shù)據(jù)流業(yè)務以后，我們聽到了大量的回聲，掉線頻繁�？傊灰獪y試點加入數(shù)據(jù)業(yè)務流，上面描述的情況就會出現(xiàn)，通話質量通常變得惡劣。

　　當我們嘗試7個并行VoIP呼叫并加入數(shù)據(jù)流業(yè)務時，Chantry、Cisco、Colubris公司的設備運行狀況惡化。當我們加入數(shù)據(jù)流時，Chantry的 BeaconMaster系統(tǒng)甚至不能完成此試驗。7個并行VoIP呼叫全部掉線。Cisco的WLAN雖然完成了試驗，但測量結果顯示R值在50左右。這個值是能夠識別語音的最低區(qū)域，而且7個并行VoIP呼叫中丟失了3個。Colubris CN1250的試驗通話時間沒有達到30秒以上，因此無法產生足夠的語音信號提供給試驗設備以計算R值。

　　SpectraLink通常建議每個接入點最多承載6個并行VoIP呼叫，而不是我們試驗設置的7個并行VoIP呼叫。因此，廠商或許會抱怨我們7個并行VoIP呼叫情況已經(jīng)超出了設備所能負載的范圍。

　　但我們這樣做是合理的。首先，Chantry和Colubris的設備甚至在建議內的6個并行VoIP呼叫情況下，也無法正常通話。第二，Aruba的設備能夠處理7個并行VoIP呼叫并能適應加入數(shù)據(jù)流業(yè)務的情況。第三，我們最有難度的試驗也遠低于無線傳輸媒介的最大負載。我們試驗通常低于3Mbps的通信傳輸速度（包括試驗中的所有語音和數(shù)據(jù)業(yè)務），更遠低于無線信道的容量了�？傊琕oWLAN系統(tǒng)可以實現(xiàn)在單接入點承載7個并行VoIP呼叫并加入數(shù)據(jù)通信業(yè)務，但要做到這一點需要更完善的系統(tǒng)設計和產品性能。

時延和抖動

　　時延和抖動對于任何網(wǎng)絡通信來說都是非常重要的參數(shù)。對于語言和視頻通信來說，則更為重要。時延和抖動達到50ms～70ms，聲音質量就開始下降，而對于6個話路和1個參考數(shù)據(jù)流的負載來說，所有供應商的產品平均時延都低于50ms，但最大時延和抖動彈跳到一個較高的水平。例如Cisco的（6個話路和7個話路通話中）最大時延和抖動超過了250ms。對每天的試驗數(shù)據(jù)進行分析后，得出語音質量下降的幾個原因：第一，任何時間的抖動超過60ms，音頻質量開始受到影響，當最大時延和抖動數(shù)上升時，R值就降低; 第二，時延和抖動數(shù)量急劇上升時，語音通信就完全中斷了（如圖2所示）。


雙接入點

　　設置更多的接入點是否有助于問題的解決呢？帶著這個問題，我們采用了兩個接入點來重復我們的試驗。這樣，每個接入點只負責相當于上次試驗接入點承載業(yè)務量的一半。

　　因此，采用兩個接入點，R值測量結果通常是非常高的�？紤]到每個接入點只承載上次試驗中一半的業(yè)務量，這樣得到較好的試驗結果就沒有什么讓人感到驚奇的。同時設置更多的接入點雖說可以改善系統(tǒng)性能，但也帶來了一些問題：

　　第一，設置更多的接入點，增加了成本;

　　第二，頻譜資源有限，在同一區(qū)域設置更多的接入點會導致干擾增加;

　　第三，增加接入點對于數(shù)據(jù)通信的處理仍然不能令人滿意，通話中斷現(xiàn)象時有發(fā)生;

　　第四，增加接入點也使傳輸路徑上增加了更多的設備，系統(tǒng)信號傳輸平均時延也增加了。

　　本次測試中，我們只有一個移動手持終端，所以不能夠對大量用戶在給定時間接入特定接入點的情況進行測評。每個接入點都有飽和點，我們的測量結果表明當語音通信加入以后，這個飽和點是相對較低的（如圖3所示）。


漫游測試

　　能夠支持VoIP及多媒體業(yè)務廣泛應用是下一代WLAN的重要推動力。WLAN手持終端也可以和蜂窩電話一樣自由漫游。我們測量了一個話路從一個接入點漫游到另一個接入點所用的時間（兩個接入點都位于同一個子網(wǎng)），同時也測量了R值、時延和抖動等參數(shù)。為了迫使手持終端漫游，我們關閉了第一個接入點的電源，使接入該設備的終端被迫去尋找使用另外一個接入點，但供應商Chantry和Colubris反對這樣進行WLAN終端漫游測試。Chantry公司解釋說它的產品漫游功能是為用戶從一個地方物理漫游到另一個地方這樣的實際情況而設計的。

　　盡管它非常希望測試實際的物理環(huán)境漫游，因為我們的實驗室只有1200平方英尺，我們無法使接入點之間有足夠的距離。我們認為物理的漫游和關掉電源這兩種試驗是一樣具有代表性的。例如，如果有接入點發(fā)生掉電情況或者一個接入點由于某種原因突然消失了，任何WLAN系統(tǒng)要想正常運行語音業(yè)務，都必須能夠無縫地將相關用戶遷移到另一個接入點。（本項試驗同樣使用VeriWave TestPoint作為噪聲源。）

　　Colubris CN1250無法進行掉電的漫游測試。該廠家采用移動IP技術來實現(xiàn)IP網(wǎng)間漫游，移動IP要求設置一個在終端漫游前所接入的接入點為本地代理，在整個漫游過程中它必須維持服務，如果掉電則漫游失敗。另外，Cisco公司的產品雖然也支持這項技術，但我們的試驗里無法使用移動IP這項技術來進行漫游測試。

　　除了關掉CN1250的電源這種測試漫游的方法外，我們還使用屏蔽第一個接入點的無線信號來進行漫游測試，它同樣能夠迫使客戶端進行漫游。然而Colubris公司的設備需要另加一個接入點來完成外地代理的功能，通過外地代理來轉發(fā)客戶端漫游回到本地代理的信息。為此，我們又加了一個CN1250，同時去掉了它的天線（外地代理不需要天線連接）。和以前測試的方法一樣，我們測量產品的漫游性能，使用一個6個或7個并行的VoIP呼叫，同時在有或沒有數(shù)據(jù)業(yè)務的情況下進行測試。Cisco在單呼叫漫游的測試中，漫游的時間為0.433秒，其他設備的漫游時間大約為0.5秒。對于語音通信來說，0.5秒的時間滯后，對人的聽覺來說是非常明顯的。

　　Aruba公司的設備在漫游測試中表現(xiàn)出色，它的平均漫游切換時間在0.5～1秒之間，雖然這已經(jīng)是所有的測試設備中表現(xiàn)最好的，但是通話者還是能夠察覺這種時延。而Cisco公司的設備，由于時間的限制，我們只進行了7個并行呼叫的漫游測試，平均漫游時間為0.433秒到1.053秒，而加入數(shù)據(jù)流業(yè)務時，在7個并行VoIP呼叫時，系統(tǒng)的時延達到了4.324秒。

　　Colubris 只能進行6個并行VoIP呼叫的測試。當進行7個并行VoIP呼叫測試時，我們無法從漫游前的語音信號中，識別出漫游的信號，因此我們的試驗結果無法反映實際情況。在進行6個并行VoIP呼叫的測試時，也出現(xiàn)了同樣的問題。但是終端設備始終保持與接入點的聯(lián)系，使得我們能夠記錄下測試的結果。盡管如此，結果仍然是不樂觀的，每7秒測試中，就有5秒鐘得不到試驗數(shù)據(jù)。

　　Chantry的BeaconMaster設備在6個或者7個并行呼叫下不能進行測試，漫游一開始，通話就中斷了。為了解決這一問題，我們減少了并行呼叫的數(shù)量，來判斷是否由于負載量的原因而影響了試驗的進行。在我們進行漫游切換測試時，Chantry的 BeaconMaster只有兩個呼叫正常實現(xiàn)了漫游切換，其中兩個呼叫的漫游時間與一個呼叫的漫游時間相同。因為它的呼叫數(shù)量大大低于其他設備供應商，所以這些數(shù)字并不能真正說明問題（如圖4所示）。


　　VeriWave新的試驗設備幫助我們對802.11層和應用層的漫游進行了比較，比較的結果令人震驚。在多數(shù)情況下，在802.11層的漫游中，即使是十幾個百萬分之一秒的時延都會導致應用層10秒或更長的時延。在2層和7層測試中出現(xiàn)的大量間斷甚至都令廠家的工程師驚詫不已。這說明：在 鏈路層的微小傳送都會對應用層產生重要影響。這對802.11優(yōu)良設備的需求更加迫切。

網(wǎng)間漫游測試

　　WLAN交換機能夠跨IP子網(wǎng)遠程管理接入點，所以我們想到一個問題：如果交換機與用戶漫游的接入點距離很遠，那么漫游時間和通話質量是否受到影響？例如，WLAN交換機設在波士頓，而用戶在洛杉磯進行兩個接入點間的漫游切換。

　　因此，我們重復進行了交換機遠程管理的漫游測試，本次計時設備使用的是Spirent公司提供的一臺AX/4000信號發(fā)生及分析設備，從而插入一個100ms的信號往返時延。這個時延大約相當于在波士頓和舊金山之間傳送信號所用的時間。

　　只有Aruba和Cisco完成了我們的試驗，而Chantry的 BeaconMaster系統(tǒng)不能承載6個或7個并行的VoIP呼叫。Colubris只提供接入點而沒有交換機，所以無法進行遠程管理的漫游測試。在這次測試中，我們測試了7個并行的VoIP呼叫，由于時間的限制，我們沒有測試Cisco設備在6個并行的VoIP呼叫時的系統(tǒng)運行情況。

　　在沒有數(shù)據(jù)流業(yè)務接入時，兩個供應商的當?shù)睾瓦h程管理漫游時間是完全相同的（如圖5所示）。根據(jù)目前的數(shù)據(jù)來看，Aruba’s的本地漫游時間是1秒，而遠距離的地方漫游時間大約是3.5秒。而Cisco的設備在本地漫游的時間比長途漫游的時間長，這個結果和最初的設想正好相反。盡管我們不能解釋上述結果，但至少它能證實Cisco的結論。Cisco認為：接入點對客戶端的預認證，沒有對遠程管理的接入點產生不良影響。


　　在疏導擁塞方面，支持802.11e QoS功能的產品性能比我們試驗結果所顯示的更加出色。

　　所有的供應商都認為VoIP取代無線通信還為時尚早，但我們的實驗結果表明：VoIP毫無疑問還有進一步拓展的空間。網(wǎng)站管理者期望在不遠的將來能夠實現(xiàn)VoWLAN，對他們來說，有三個方法可以選擇: 更少的呼叫、不混入數(shù)據(jù)流業(yè)務、或者求助于如Aruba的及時控制時間精準的擁塞情況這樣的工具。

相關鏈接一：測試結論

　　然而，在我們的的試驗中，一些產品一直表現(xiàn)出眾。Aruba的A2400、A800、A61交換機無論承載多少語音和數(shù)據(jù)通信業(yè)務，總能以出色的表現(xiàn)交上完美的答卷。因此，Aruba公司贏得了“最值得選擇產品獎”。

　　在我們的測試過程中，有兩個問題困擾著我們的供應商。

　　第一，在同一網(wǎng)絡中同時承載語音和數(shù)據(jù)通信業(yè)務就要更加關注時延和抖動等參數(shù)。許多供應商開始轉變它們的產品方向，以適應承載語音和數(shù)據(jù)業(yè)務融合的趨勢。盡管有一些供應商宣稱他們的產品在18個月前或更早的時間就已經(jīng)實現(xiàn)了這種融合能力。然而，要實現(xiàn)VoWLAN還為時尚早。首先，能夠精確測量測試VoWLAN參數(shù)的工具（例如我們使用的工具）也剛剛投入使用。同時，我們這次試驗也是首次通過系統(tǒng)方式對語音質量、時延、抖動進行的測試。

　　第二，盡管正在制定中的IEEE802.11e標準有助于定義無線網(wǎng)絡中控制QoS保障機制的方法，但到目前為止，該標準仍沒有最終出臺，我們本次測試所采用的QoS保障機制方法是非標準化的。當前，尚無統(tǒng)一的QoS保障機制標準。當廠商推出其控制QoS的專用方法時，企業(yè)應了解此方法對未來VoWLAN業(yè)務能力的影響。 (韓旭東編譯)

相關鏈接二：測試之來龍去脈

　　美國《網(wǎng)絡世界》向18家廠商發(fā)出了參加本次測試活動的邀請，如Airespace、Aruba、 Avaya、Bluesocket、Chantry、 Cisco、Colubris、Enterasys Networks、Extreme Networks、 Foundry Networks、Legra、 Meru Networks、Nortel、 Proxim、Reefedge、Symbol、 Trapeze和Vernier。其中，Aruba、Chantry、Cisco和 Colubris四家公司應邀參加了這次對WLAN設備的VoIP業(yè)務承載能力以及漫游性能所做的評估測試。
　　首先，我們進行最初級的測試項目，作為以后測試的參照。我們關閉了QoS保障機制，只開通一個呼叫通過單一接入點來傳送語音，測試了超過30秒時間段的語音質量。

　　由于SpectraLink手持終端設備使用G.711編解碼器把摸擬信號解碼轉化為數(shù)字信號。如果沒有靜音抑制，客戶終端所能占用的帶寬是一個常數(shù)。單一VoIP呼叫的單向占用帶寬較小，僅為134Kbps，即802.11b一個子信道的帶寬。我們無法為單呼叫加入數(shù)據(jù)流業(yè)務。因此，我們只測試了R值和平均最大和最小時延。

　　我們分別在有無數(shù)據(jù)流業(yè)務加入這兩種條件下，重復測試了系統(tǒng)承載６個或７個VoIP呼叫的情況。為了VoIP語音通信加入1M bps速度的UDP數(shù)據(jù)流業(yè)務，我們設置了VeriWave測試點

　　在開啟QoS保障機制的情況下，僅僅承載6個并行的VoIP呼叫，所有系統(tǒng)的R值測試結果非常糟糕，全部超過語音信號能夠識別的數(shù)值點，在這個數(shù)值點以下通話被迫中斷。而Aruba系統(tǒng)的通話質量不但非常好，而且數(shù)據(jù)流業(yè)務的加入對該系統(tǒng)也并沒有產生什么影響，甚至和未開啟QoS保障機制一樣。


　　于是，我們開啟了QoS增強機制，并且重復了所有的試驗。一旦我們完成上述試驗，我們會馬上用兩個接入點，每個接入點上的手持終端減少一半，然后重新試驗（在開啟QoS機制和關閉QoS機制的情況下）。

　　為了測試漫游，我們開始將所有的手持終端接入到一個接入點上，并進行語音的傳送。然后，我們打開了第二個接入點的電源，用于證實手持終端沒有在試驗進行之前已經(jīng)漫游了。為了迫使手持終端漫游，我們關閉了第一個接入點的電源，使接入該設備的終端被迫去尋找使用另外一個接入點。

　　VeriWave的試驗數(shù)據(jù)在應用層計算漫游時間，即第一個接入點的呼叫所發(fā)送最后一個IP數(shù)據(jù)包與漫游到其他接入點后繼續(xù)呼叫所發(fā)送的第一個IP數(shù)據(jù)包之間的時間間隔。關注應用層意味著接入點不僅必須繼續(xù)與手持終端保持聯(lián)系，而且還要與SpectraLink呼叫服務器保持聯(lián)系。

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