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簡要分析Wi-Fi是否能承載VoIP？

2008/12/08

　　摘要：高性能的Wi-Fi網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)是殺手級IP無線網(wǎng)絡，隨著無線網(wǎng)狀網(wǎng)越來越流行—幾乎每天都會有人宣布新部署的公共和專用網(wǎng)絡，添加語音應用的商業(yè)需求就需要網(wǎng)絡能提高總體性能，以便處理實時應用。

　　對無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡來說，語音就是“殺手級應用”。而高性能的Wi-Fi網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)是殺手級IP無線網(wǎng)絡。不過，不是所有的網(wǎng)狀網(wǎng)都是一模一樣的。隨著無線網(wǎng)狀網(wǎng)越來越流行—幾乎每天都會有人宣布新部署的公共和專用網(wǎng)絡，添加語音應用的商業(yè)需求就需要網(wǎng)絡能提高總體性能，以便處理實時應用。

　　一旦網(wǎng)狀網(wǎng)中出現(xiàn)多個中繼段(hop)，就很容易出現(xiàn)一些問題，譬如帶寬衰退、網(wǎng)絡時延和應用爭奪優(yōu)先級。如果網(wǎng)絡覆蓋廣大地區(qū)，這些問題會更加嚴重。缺乏網(wǎng)絡性能會嚴重影響Wi-Fi服務提供商最希望提供的一些實時服務，譬如VoIP。

　　網(wǎng)狀網(wǎng)針對實時應用在性能方面，有四個重要需求;而將無線IP語音傳輸(wVoIP)部署到Wi-Fi網(wǎng)狀網(wǎng)上，則可采用三種網(wǎng)狀網(wǎng)架構;多無線裝置、多射頻架構對部署所需的資本費用，是否有積極的影響，運維這些網(wǎng)絡，將需要哪些費用?

　　Wi-Fi網(wǎng)狀網(wǎng)具有Wi-Fi的諸多優(yōu)點，而且大大節(jié)省了規(guī)劃、部署及運行這類網(wǎng)絡所需的費用，尤其是在難以聯(lián)網(wǎng)、不可能聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境，以及/或者在幾十平方英里內連接上百個節(jié)點行不通的城域網(wǎng)環(huán)境。支持數(shù)據(jù)和語音的融合型Wi-Fi網(wǎng)絡甚至可以得益于網(wǎng)狀網(wǎng)架構，因為部署的多個無線裝置擴大了覆蓋距離、提高了帶寬密度。高容量網(wǎng)狀網(wǎng)節(jié)點通�？梢詾闊o線基礎設施設備及安裝提供最低的帶寬成本，另外還便于降低網(wǎng)絡運行成本。

　　網(wǎng)狀網(wǎng)的四個需求

　　網(wǎng)狀網(wǎng)基礎設施性能必須能夠提供高吞吐量、低時延和端到端服務質量，不僅僅是在無線手機和接入點之間，還要跨網(wǎng)狀網(wǎng)鏈路延伸到有線終結點(通常是IP交換機)。正因為如此，網(wǎng)狀網(wǎng)骨干網(wǎng)必須提供：

　　跨多個中繼段的高吞吐量。不管中繼段有幾個(通常是3到10個)，網(wǎng)狀網(wǎng)骨干網(wǎng)必須能夠支持流量負載。提供高吞吐量的能力直接關系到所支持的語音和數(shù)據(jù)用戶的多少。如果跨多個中繼段的帶寬不足，就會導致用戶密度無法讓人滿意;還需要在網(wǎng)絡上使用額外設備及更多的有線終結點。

　　跨多個中繼段的低時延。光有高吞吐量并不夠。為了避免信號抖動，每個中繼段必須盡量降低數(shù)據(jù)包時延。在網(wǎng)狀網(wǎng)中，必須盡量縮短數(shù)據(jù)包在任何節(jié)點里面的等待時間(最好縮短至每個中繼段僅為可忽略不計的5毫秒)。正因為如此，應當在接收到前一個節(jié)點發(fā)來的某個數(shù)據(jù)流里面的所有數(shù)據(jù)包之前，先把某個數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。在網(wǎng)狀網(wǎng)上傳送數(shù)據(jù)必須是異步，而不是同步。在同步情況下，需要某種高度同步的節(jié)點間數(shù)據(jù)包路由協(xié)議。

　　端到端服務質量—優(yōu)先處理語音數(shù)據(jù)包。如果網(wǎng)絡負載很大，單單高吞吐量和低時延還不夠。為了處理爭用現(xiàn)象和負載需求的自發(fā)性，必須優(yōu)先處理整個網(wǎng)狀網(wǎng)骨干網(wǎng)上的語音流，并且采用端到端流量優(yōu)先級劃分機制加以終結。僅僅為無線手機和為該設備提供服務的AP無線裝置(就像有線AP那樣)之間提供服務級別已遠遠不夠。網(wǎng)狀網(wǎng)需要整個骨干網(wǎng)都要有服務質量，避免可能會在網(wǎng)狀網(wǎng)中的每個中繼段出現(xiàn)的爭用現(xiàn)象。這種服務級別需要自動化(取決于基礎設施)，最好通過專門面向語音的不同的虛擬局域網(wǎng)/服務集標識符(VLAN/SSID)加以處理。802.11e離實際部署還有很遠的距離，別指望它會在不遠的將來普遍出現(xiàn)在無線基礎設施和所有客戶機設備上。

　　第二層交換網(wǎng)絡。第二層網(wǎng)絡最大程度地緩解了第三層網(wǎng)絡中出現(xiàn)的漫游問題。第三層網(wǎng)絡還需要針對不同類型的較高級協(xié)議進行認真規(guī)劃。這兩個因素導致了性能問題和協(xié)議配置問題。第二層無線網(wǎng)絡則可以充當一條高級“線路”。

　　上述四個因素都直接影響到可擴展性(指用戶數(shù)量和網(wǎng)絡覆蓋范圍方面)和語音質量。如果特定的多中繼段拓撲結構沒有顧及到這些需求，免不了功能有限，而且缺少語音質量功能。

　　三種部署之道

　　無線網(wǎng)狀網(wǎng)方案各不相同，但大多數(shù)的技術源自無線分布系統(tǒng)(WDS)這一最初概念。WDS是一種無線AP模式，采用無線橋接和無線中繼。前者是指AP只在彼此間進行通信，不允許無線客戶機訪問自己。后者是指，AP不僅可以彼此通信，還可以同無線客戶機進行通信。用戶流量在離開網(wǎng)絡前必須通過幾個節(jié)點(譬如通過有線局域網(wǎng))，這是各類網(wǎng)狀網(wǎng)的固有特點。用戶流量到達目的地所要通過的中繼段的數(shù)量將取決于網(wǎng)絡設計、鏈路長度、所用技術及其他不確定因素。

　　單無線裝置方案—同一信道傳輸各種信號 單無線裝置方式是功能最弱的無線網(wǎng)狀網(wǎng)方案。接入點只使用一個無線電信道，并由無線客戶機和骨干網(wǎng)流量共享(流量在兩個AP之間轉發(fā))。如果往網(wǎng)絡上添加更多的AP，更多比例的無線帶寬會專門用來轉發(fā)骨干網(wǎng)流量，從而使得無線客戶機沒有多少容量可以使用，因為無線網(wǎng)絡是共享介質。另外，AP也無法同時進行收發(fā);有效距離內的另一個AP在傳輸信號時，它也無法發(fā)送。這樣一來，僅僅通過3個中繼段后，就會導致時延讓人無法接受。

　　只要簡單算一下，就可以證明：在這種單無線裝置方案中，每個無線客戶機只有很有限的吞吐量可以使用。譬如，假如你有5個AP，每個AP與20個無線客戶機相連，因為所有AP和客戶機共享同一個802.11b信道(5Mbps)，所以相當于每個用戶只有50K至100Kbps—吞吐量與撥號連接一樣。又因為所有無線客戶機和AP必須在同一個信道上工作，網(wǎng)絡爭用和射頻干擾就會導致時延無法預測。

　　雙無線裝置方案—共享回程傳輸 如果采用雙無線裝置方案，一個無線裝置可以專門用于支持無線客戶機，而另一個無線裝置專門用于支持無線回程傳輸—回程傳輸信道由入站流量和出站流量共享。因為雙無線裝置方案為客戶機訪問和回程傳輸提供了一個單獨的無線裝置，這在一定程度上緩解了客戶機端的擁塞現(xiàn)象(低吞吐量、低時延)，但回程傳輸網(wǎng)狀網(wǎng)信道由入站流量和出站流量共享，因為回程傳輸無線裝置仍必須在回程傳輸網(wǎng)狀網(wǎng)入站和回程傳輸網(wǎng)狀網(wǎng)出站之間不斷切換。因而與單無線裝置架構相比，這種方案對緩解回程傳輸?shù)钠款i問題作用甚小，對改善整個網(wǎng)狀網(wǎng)上的時延問題也只有少許幫助。

　　多無線裝置方案—結構化無線網(wǎng)狀網(wǎng) 在多無線裝置或者“結構化網(wǎng)狀網(wǎng)”方案中，有幾個專用的鏈路接口，而每個網(wǎng)絡節(jié)點至少使用三個無線裝置，包括一個無線裝置用于無線客戶機流量，第二個無線裝置用于802.11a無線回程傳輸流量的入站，第三個無線裝置用于802.11a回程傳輸流量的出站。與單無線裝置或者雙無線裝置方案相比，這種無線網(wǎng)狀網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)方案大大提高了性能。它允許專用的網(wǎng)狀網(wǎng)回程傳輸鏈路可以同時收發(fā)，因為每條鏈路都在不同的信道上。

　　因為客戶機入站、回程傳輸出站和回程傳輸入站這三項功能由專用的無線裝置負責處理，所以可以：

　　(1)確保10個中繼段上的高吞吐量;

　　(2)每個中繼段的時延也被限制在4至5毫秒，10個中繼段總共也就50毫秒—遠低于語音所需的120毫秒。

　　(3)如果每個無線裝置都支持服務質量，并支持多個SSID/VLAN，語音流量從無線手機通過網(wǎng)狀網(wǎng)到達有線終結點的整個過程中都會得到合理的優(yōu)先級處理。

　　最佳運營如何實現(xiàn)?

　　用于購買及安裝無線基礎設施的投資取決于每兆位的資本費用以及特定地區(qū)內可以提供服務的用戶數(shù)量。日常性的運營費用不僅包括網(wǎng)絡的管理及維護費用，還包括通常因為DSL、T1線、T3線以及/或者OC3寬帶終結點付給基礎設施寬帶提供商的費用。

　　對服務提供商的資本費用而言，最主要的是每個無線裝置所付的費用(1個無線裝置可提供54兆位帶寬，相當于根據(jù)為每個用戶分配的帶寬量支持一定數(shù)量的用戶)，以及按照所需密度以滿足用戶需求而部署無線裝置的費用。多無線裝置、多射頻和多信道無線網(wǎng)狀網(wǎng)架構能夠以最具有成本效益的方案，部署密度最高的無線裝置。與三個雙無線裝置的節(jié)點相比，購買及部署六個單無線裝置的節(jié)點，每兆位的成本應當較低。分區(qū)的多無線裝置節(jié)點所能處理的并發(fā)語音呼叫數(shù)量應當至少三倍于一個典型的單無線裝置或雙無線裝置節(jié)點。

　　作為一筆重要的運營費用，寬帶接入點(PoP)提供商通常會按照每條管道每個PoP的帶寬收取費用。也就是說，雖然1條T3線的帶寬相當于30條T1線，但T3線的成本大致僅為T1線的三倍，所以T3線的帶寬成本只有后者的十分之一。歸根到底，利用3條T3線而不是90條T1線可顯著降低成本。譬如從部署架構方面來看，T3鏈路允許每個PoP可以使用多出十倍的網(wǎng)狀網(wǎng)節(jié)點，這樣提供商就能充分利用所有的T3帶寬。實現(xiàn)這一點的惟一方法就是通過使用多無線裝置、多射頻、多信道的無線網(wǎng)狀網(wǎng)架構，以便最充分、最有效地利用有線PoP。譬如說，如果使用單無線裝置節(jié)點，每5平方英里就需要10個終結點;而改用多無線裝置節(jié)點，一個有線終結點就夠了。

　　就每個無線裝置而言，多無線裝置、多射頻節(jié)點所需成本通常較低，安裝成本也較低，而且可以通過使用每兆位成本較低但容量更高的帶寬，利用經(jīng)濟得多的寬帶終結點。為了滿足語音等實時通信應用的需求，Wi-Fi網(wǎng)狀網(wǎng)就需要多無線裝置、多射頻、多信道架構。想部署具有成本效益的網(wǎng)狀網(wǎng)，并具有必要的傳輸容量和覆蓋范圍，以實現(xiàn)高吞吐量、低時延和高優(yōu)先級的語音流量，就需要專門支持客戶機入站、網(wǎng)狀網(wǎng)回程傳輸入站和網(wǎng)狀網(wǎng)回程傳輸出站的高容量節(jié)點。

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