VoIP业务在无线Mesh网络中的应用

李汝南 刘元安 刘凯明 唐碧华

（北京邮电大学 电子工程学院 无线电与电磁兼容实验室 北京 100876）

VoIP业务在无线Mesh网络中的应用

李汝南 刘元安 刘凯明 唐碧华

（北京邮电大学 电子工程学院 无线电与电磁兼容实验室 北京 100876）

将VoIP应用于在无线Mesh网中，必须考虑时延、时延抖动、丢包率等因素。本文设计了一种新型的度量值Metric，将影响VoIP的主要因素时延与时延抖动充分考虑在内，使这种度量值更适用于传输VoIP类强实时性业务。此外，本文设计出基于HWMP协议改进的EHWMP协议，大大减小了路由维护阶段的时延与开销，并使协议更加适用于无线Mesh网络。

1.介绍

VoIP（Voice over IP）近年来发展迅猛，各种商业模式与产品也层出不穷（如Skype、MSN等）。最近，人们越来越关注一个热点问题，VoIP如何应用于无线Mesh网络环境下。一旦VoIP能够应用于无线Mesh网络，就能够给用户提供很大的便利。

本文关注的是基于802.11s上的无线Mesh网络。研究发现，无线Mesh网络中VoIP传输性能不理想。主要原因是802.11s无法提供严格的QoS保障，时延、时延抖动等因素对VoIP影响较大[1]。另外在无线网络中，链路出现故障时增大了路由维护阶段的时延与开销。为了解决上述问题，本文设计了一种新型的度量值Metric，将影响VoIP的主要因素时延与时延抖动充分考虑在Metric内，使这种度量值更适用于传输VoIP。另外本文基于HWMP协议，设计了改进型路由协议EHWMP，大大减小了路由维护阶段的时延与开销，并使协议更加实用于无线Mesh网络。

2.综合考虑时延抖动与时延的度量值

在无线Mesh中传输VoIP，首先需要考虑的QoS因素就是端到端的时延抖动与时延，此二者能够在极大程度上影响传输性能。传统的协议和算法中很少涉及时延抖动对传输性能的影响。故此本文中提出一种将时延抖动与时延因素综合考虑的Metric度量值。

传统的ETT只考虑了数据包在MAC层的传输时延，却没有考虑数据包在网络层时的时延。因为每个节点的缓存区内都有包在排队，在缓存区内的排队等待时间也需要被考虑进总时延，才能算出比较准确的端到端时延[2]。此外，传统的ETT默认最大重传限制为无穷大。对于VoIP这类实时性强的业务，必须规定一个最大重传次数N。所以，在此基础上，本文将传统的传统的ETT，改进成EETTi：

综合考虑上述的二者时延抖动σDelay和改进型期待重传时间 EETTi，本文采取一种新的度量判据Metric，计算公式（5）如下：

这种新型的度量判据全面考虑了时延与时延抖动的影响，使得Mesh网络更加符合VoIP的传输QoS性能要求。

3.改进型适用无线Mesh网的路由协议EHWMP

现有的无线Mesh网络结构如图1[6]。

图1 无线Mesh网络结构图

802.11 s设备必须默认实现HWMP协议，以保证其互操作性。下面简单介绍一下HWMP协议，该协议由两部分组成。第一部分是类似于Ad-hoc网络的按需距离矢量路由协议AODV并对其进行了部分改进，能够成一种新的路由协议RM-AODV；第二部分是基于树形的先应式路由协议，该协议是对前一部分按需路由协议的一种补充，其主要思想是让带有网络出口的Portal节点作为树根（Root），将其他MP连接成一棵逻辑的路由树，让所有Mesh节点都知道去Root的路径[3][4]。

本文在HWMP基础之上，提出了一种新型的路由协议EHWMP，协议的具体内容如下：

路由发现阶段：每个Mesh节点维护三张表格，除了邻居表和路由表之外，还需单独维护一张“全路由表”。路由表的格式如表1。

表1 路由表格式

其中路径有效标志，存放0和1，0表示该路径无效，1表示此路径有效；单跳Metric表项，存放源节点到下一跳节点之间的路径判据度量值Metric；总Metric表项，存放源节点到目的节点通过此下一跳节点转发的所有路径中，路径判据度量值Metric最小的一个；优先级表项，表示这条路径的优先级，数字越小优先级越高，0是当前路径，1是备份路由，是通过比较总Metric表项得到的。

Mesh终端以及MAP节点以广播的方式、周期性地向周围的一跳邻居节点发送hello包，目的在于探测一跳邻居节点。而后向一跳邻居节点发送一组probe包，用于测算本节点到一条邻居的时延抖动与时延等值，通过第2节的公式（5），可以计算出本节点到一跳邻居的链路上的Metric值，将上述信息存入路由表中。而后各Mesh终端将一跳邻居信息和Metric一起发送至MAP。

MAP将覆盖范围内所有节点发送信息汇集成一张“全路由表”，并将该表广播给覆盖范围内所有Mesh终端。同时，每个MAP节点将自己通信范围内的所有Mesh终端信息周期性向所有Mesh功能节点进行泛洪（由于Mesh功能节点移动性较低，变化较小，故此更新周期可以长一些）。使Mesh网络中，任意一个Mesh功能节点都能了解任意一个Mesh终端处在哪个MAP节点的通信范围之内。

有数据需要传输时，具体的发送流程如图2所示：

图2 数据发送流程图

路由维护阶段：当Mesh终端有移动性的时候，可能会有新的Mesh终端移动进入原MAP的覆盖范围。此时新Mesh终端需向周围一跳可达邻居发送hello包，探测一跳邻居。在收到一跳邻路由维护阶段：当Mesh终端有移动性的时候，可能会在周期之间有新的Mesh终端移动进入原MAP的覆盖范围。此时新Mesh终端需向周围一条邻居发送hello包，探测一跳邻居，并计算本节点到一条邻居的链路上的Metric值。而后向MAP发送这些信息，表示自己是新加入的Mesh终端，MAP收到后更新自己的“全路由表”，广播给所有Mesh终端，并向所有MP节点广播这一更新。

当某一跳链路发生断裂时，Mesh终端迅速查找自己的路由表，根据链路断裂的状况启动相应的备份路由。

MAP将“全路由表”广播给所有Mesh终端，则所有Mesh节点均可使用路由查找算法，根据“全路由表”建立自己的路由表。

假设源节点为节点i，目的节点为节点j(j≠i)。路由查找算法具体步骤如下：

步骤1：源节点i首先查找自己的路由表，如果目的节点j已经存在于源节点i的路由表的目的节点中，则执行步骤2；否则，执行步骤3。

步骤2：查看路由表中到达目的节点的当前路径，若其路径有效标志置1（置1为有效），则表示当前路由有效，将数据发送给相应的下一跳节点；若当前路由失效，则启动备份路由中优先级最高的有效路径传送数据。

图3 全路由表示意图

步骤11：整理路由表，将所有路径有效标志仍然置0的路径条目都删除，而后执行步骤12。

步骤12：按照总Metric表项内填充的数值比较大小，来填充优先级表项，总Metric越小对应的优先级就越高。而后执行步骤2。

EHWMP协议对节点移动性的支持表现在：若某Mesh终端移出了原MAP的覆盖范围，则MAP更新自己的“全路由表”。具体做法是：对于MAP节点而言，若节点j移出自身覆盖范围，则删除“全路由表”中的第j行与第j列，而后向覆盖范围内所有Mesh终端广播新“全路由表”。对于其他Mesh终端而言，假如节点i发现原本可以到达的节点j已经移动走了，无法到达，则立刻删除自己路由表中所有与节点j有关的路由，并且马上启用备份路由传输数据。

VoIP在无线Mesh网络上传输，由于Mesh终端有移动性、网络有不稳定性，一旦原路由失效，重新进行路由发现会造成很大的试验和时延抖动，这是VoIP所不能容忍的。采用上述改进型协议EHWMP，在每个节点的路由表内加入备份路由，以便在原路由失效时启动备份路由。另外MAP进行实时性地更新“全路由表”，可以进一步避免时延，在最大程度上保证VoIP这类实时性要求很强的业务能够在无线Mesh网络上进行传输。

4.仿真

本文采用OPNET仿真工具，在无线Mesh网络的框架之下，分别使用HWMP以及EHWMP路由协议在随机场景下对网络性能的影响进项测试。仿真场景为一个1000m×1000m的开阔环境，共有50个经过改进的无线节点散列在场中，仿真时间为30分钟。VoIP业务用CBR业务进行模拟。对VoIP连接服务质量是否满足，要看连接的吞吐量，如果吞吐量大于VoIP语音速率的80%，而认为这个业务流的QoS需求得到满足。因为只有在时延小，时延抖动小的情况下，才能达到这个吞吐量。

图4 两种协议端到端时延显示图

图4表示的是两种协议的端到端时延对比示意图。EHWMP协议基于HWMP协议作出了改进，将Mesh终端间的寻路方式改进成了表驱动型，使得先验式路由协议在原HWMP中的比重加大，进而使得端到端时延降低了；此外，EHWMP协议采取新型的Metric作为判据度量，此度量值综合考虑了端到端时延与时延抖动因素，使数据包的发送能够选择时延较低的链路；另外EHWMP加入了备份路由机制，减小了链路断裂时的路由维护时延，从而进一步降低了端到端时延。

图5支持最大VoIP的连接数目

图5 表示的是，在HWMP和EHWMP协议下运行的两种场景，其单位带宽所能支持的VoIP最大连接数量对比图。EHWMP协议对HWMP协议做出了有效改进，采取新型的Metric作为判据度量值，将时延与时延抖动等因素考虑在内，使得网络的平均端到端时延降低了。同时EHWMP将HWMP的按需式路由协议RM-AODV加以改进，改为先验式路由协议，更加适于VoIP等强实时性业务的传输。另外EHWMP协议加入了备份路由机制，在一定程度上支持了VoIP客户的移动性。从图4中可以很明显地看出，经改进后的EHWMP协议与HWMP协议相比，其所支持的VoIP最大连接数量有了显著地提升。

5.总结

本文的研究点立足于将VoIP应用于在无线Mesh网络中。鉴于VOIP为实时性要求极高的业务，本文将影响VoIP的主要因素时延与时延抖动充分考虑在Metric内，设计了一种新型的度量值Metric，使这种度量值更适用于传输VoIP，保证其QoS。另外本文基于HWMP协议进行了改进，改进型协议EHWMP使改进后的协议大大减小了路由维护阶段的时延与开销，增加了单位带宽上VoIP支持数量，并使协议更加实用与无线Mesh网络。本文通过OPNET的仿真，证明了改进后的协议确实能够大幅度提高VoIP在无线Mesh网中的传输性能。

[1] 孙登银.孙精科.VoIP技术分析与系统设计[M].第1版.北京:人民邮电出版社,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] 钟斌.无线Mesh网络VoIP业务聚合技术研究[D].重庆:西南交通大学.2009

[4] 裴晓萍.HWMP路由协议的研究与仿真[D].西安:西安电子科技大学,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

国家863计划项目（2008AA01Z211），国家自然科学基金资助项目

李汝南（1986-），男，硕士，主要研究方向无线Mesh网络中的路由协议。

VoIP；无线Mesh网；路由协议