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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(jí)IP無線網(wǎng)絡(luò)，隨著無線網(wǎng)狀網(wǎng)越來越流行—幾乎每天都會(huì)有人宣布新部署的公共和專用網(wǎng)絡(luò)，添加語音應(yīng)用的商業(yè)需求就需要網(wǎng)絡(luò)能提高總體性能，以便處理實(shí)時(shí)應(yīng)用。

　　對(duì)無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)來說，語音就是“殺手級(jí)應(yīng)用”。而高性能的Wi-Fi網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)是殺手級(jí)IP無線網(wǎng)絡(luò)。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(huì)有人宣布新部署的公共和專用網(wǎng)絡(luò)，添加語音應(yīng)用的商業(yè)需求就需要網(wǎng)絡(luò)能提高總體性能，以便處理實(shí)時(shí)應(yīng)用。

　　一旦網(wǎng)狀網(wǎng)中出現(xiàn)多個(gè)中繼段(hop)，就很容易出現(xiàn)一些問題，譬如帶寬衰退、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和應(yīng)用爭奪優(yōu)先級(jí)。如果網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣大地區(qū)，這些問題會(huì)更加嚴(yán)重。缺乏網(wǎng)絡(luò)性能會(huì)嚴(yán)重影響Wi-Fi服務(wù)提供商最希望提供的一些實(shí)時(shí)服務(wù)，譬如VoIP。

　　網(wǎng)狀網(wǎng)針對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用在性能方面，有四個(gè)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(gòu);多無線裝置、多射頻架構(gòu)對(duì)部署所需的資本費(fèi)用，是否有積極的影響，運(yùn)維這些網(wǎng)絡(luò)，將需要哪些費(fèi)用?

　　Wi-Fi網(wǎng)狀網(wǎng)具有Wi-Fi的諸多優(yōu)點(diǎn)，而且大大節(jié)省了規(guī)劃、部署及運(yùn)行這類網(wǎng)絡(luò)所需的費(fèi)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(nèi)連接上百個(gè)節(jié)點(diǎn)行不通的城域網(wǎng)環(huán)境。支持?jǐn)?shù)據(jù)和語音的融合型Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)甚至可以得益于網(wǎng)狀網(wǎng)架構(gòu)，因?yàn)椴渴鸬亩鄠€(gè)無線裝置擴(kuò)大了覆蓋距離、提高了帶寬密度。高容量網(wǎng)狀網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通常可以為無線基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備及安裝提供最低的帶寬成本，另外還便于降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行成本。

　　網(wǎng)狀網(wǎng)的四個(gè)需求

　　網(wǎng)狀網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施性能必須能夠提供高吞吐量、低時(shí)延和端到端服務(wù)質(zhì)量，不僅僅是在無線手機(jī)和接入點(diǎn)之間，還要跨網(wǎng)狀網(wǎng)鏈路延伸到有線終結(jié)點(diǎn)(通常是IP交換機(jī))。正因?yàn)槿绱�，網(wǎng)狀網(wǎng)骨干網(wǎng)必須提供：

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

　　跨多個(gè)中繼段的低時(shí)延。光有高吞吐量并不夠。為了避免信號(hào)抖動(dòng)，每個(gè)中繼段必須盡量降低數(shù)據(jù)包時(shí)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(diǎn)里面的等待時(shí)間(最好縮短至每個(gè)中繼段僅為可忽略不計(jì)的5毫秒)。正因?yàn)槿绱�，�?yīng)當(dāng)在接收到前一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)來的某個(gè)數(shù)據(jù)流里面的所有數(shù)據(jù)包之前，先把某個(gè)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(diǎn)間數(shù)據(jù)包路由協(xié)議。

　　端到端服務(wù)質(zhì)量—優(yōu)先處理語音數(shù)據(jù)包。如果網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很大，單單高吞吐量和低時(shí)延還不夠。為了處理爭用現(xiàn)象和負(fù)載需求的自發(fā)性，必須優(yōu)先處理整個(gè)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(jí)劃分機(jī)制加以終結(jié)。僅僅為無線手機(jī)和為該設(shè)備提供服務(wù)的AP無線裝置(就像有線AP那樣)之間提供服務(wù)級(jí)別已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。網(wǎng)狀網(wǎng)需要整個(gè)骨干網(wǎng)都要有服務(wù)質(zhì)量，避免可能會(huì)在網(wǎng)狀網(wǎng)中的每個(gè)中繼段出現(xiàn)的爭用現(xiàn)象。這種服務(wù)級(jí)別需要自動(dòng)化(取決于基礎(chǔ)設(shè)施)，最好通過專門面向語音的不同的虛擬局域網(wǎng)/服務(wù)集標(biāo)識(shí)符(VLAN/SSID)加以處理。802.11e離實(shí)際部署還有很遠(yuǎn)的距離，別指望它會(huì)在不遠(yuǎn)的將來普遍出現(xiàn)在無線基礎(chǔ)設(shè)施和所有客戶機(jī)設(shè)備上。

　　第二層交換網(wǎng)絡(luò)。第二層網(wǎng)絡(luò)最大程度地緩解了第三層網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的漫游問題。第三層網(wǎng)絡(luò)還需要針對(duì)不同類型的較高級(jí)協(xié)議進(jìn)行認(rèn)真規(guī)劃。這兩個(gè)因素導(dǎo)致了性能問題和協(xié)議配置問題。第二層無線網(wǎng)絡(luò)則可以充當(dāng)一條高級(jí)“線路”。

　　上述四個(gè)因素都直接影響到可擴(kuò)展性(指用戶數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍方面)和語音質(zhì)量。如果特定的多中繼段拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒有顧及到這些需求，免不了功能有限，而且缺少語音質(zhì)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(shù)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(jìn)行通信，不允許無線客戶機(jī)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(jī)進(jìn)行通信。用戶流量在離開網(wǎng)絡(luò)前必須通過幾個(gè)節(jié)點(diǎn)(譬如通過有線局域網(wǎng))，這是各類網(wǎng)狀網(wǎng)的固有特點(diǎn)。用戶流量到達(dá)目的地所要通過的中繼段的數(shù)量將取決于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、鏈路長度、所用技術(shù)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(hào) 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(diǎn)只使用一個(gè)無線電信道，并由無線客戶機(jī)和骨干網(wǎng)流量共享(流量在兩個(gè)AP之間轉(zhuǎn)發(fā))。如果往網(wǎng)絡(luò)上添加更多的AP，更多比例的無線帶寬會(huì)專門用來轉(zhuǎn)發(fā)骨干網(wǎng)流量，從而使得無線客戶機(jī)沒有多少容量可以使用，因?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)是共享介質(zhì)。另外，AP也無法同時(shí)進(jìn)行收發(fā);有效距離內(nèi)的另一個(gè)AP在傳輸信號(hào)時(shí)，它也無法發(fā)送。這樣一來，僅僅通過3個(gè)中繼段后，就會(huì)導(dǎo)致時(shí)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(gè)無線客戶機(jī)只有很有限的吞吐量可以使用。譬如，假如你有5個(gè)AP，每個(gè)AP與20個(gè)無線客戶機(jī)相連，因?yàn)樗蠥P和客戶機(jī)共享同一個(gè)802.11b信道(5Mbps)，所以相當(dāng)于每個(gè)用戶只有50K至100Kbps—吞吐量與撥號(hào)連接一樣。又因?yàn)樗袩o線客戶機(jī)和AP必須在同一個(gè)信道上工作，網(wǎng)絡(luò)爭用和射頻干擾就會(huì)導(dǎo)致時(shí)延無法預(yù)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(gè)無線裝置可以專門用于支持無線客戶機(jī)，而另一個(gè)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?yàn)殡p無線裝置方案為客戶機(jī)訪問和回程傳輸提供了一個(gè)單獨(dú)的無線裝置，這在一定程度上緩解了客戶機(jī)端的擁塞現(xiàn)象(低吞吐量、低時(shí)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?yàn)榛爻虃鬏敓o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(gòu)相比，這種方案對(duì)緩解回程傳輸?shù)钠款i問題作用甚小，對(duì)改善整個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng)上的時(shí)延問題也只有少許幫助。

　　多無線裝置方案—結(jié)構(gòu)化無線網(wǎng)狀網(wǎng) 在多無線裝置或者“結(jié)構(gòu)化網(wǎng)狀網(wǎng)”方案中，有幾個(gè)專用的鏈路接口，而每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)至少使用三個(gè)無線裝置，包括一個(gè)無線裝置用于無線客戶機(jī)流量，第二個(gè)無線裝置用于802.11a無線回程傳輸流量的入站，第三個(gè)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(shí)收發(fā)，因?yàn)槊織l鏈路都在不同的信道上。

　　因?yàn)榭蛻魴C(jī)入站、回程傳輸出站和回程傳輸入站這三項(xiàng)功能由專用的無線裝置負(fù)責(zé)處理，所以可以：

　　(1)確保10個(gè)中繼段上的高吞吐量;

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

　　(3)如果每個(gè)無線裝置都支持服務(wù)質(zhì)量，并支持多個(gè)SSID/VLAN，語音流量從無線手機(jī)通過網(wǎng)狀網(wǎng)到達(dá)有線終結(jié)點(diǎn)的整個(gè)過程中都會(huì)得到合理的優(yōu)先級(jí)處理。

　　最佳運(yùn)營如何實(shí)現(xiàn)?

　　用于購買及安裝無線基礎(chǔ)設(shè)施的投資取決于每兆位的資本費(fèi)用以及特定地區(qū)內(nèi)可以提供服務(wù)的用戶數(shù)量。日常性的運(yùn)營費(fèi)用不僅包括網(wǎng)絡(luò)的管理及維護(hù)費(fèi)用，還包括通常因?yàn)镈SL、T1線、T3線以及/或者OC3寬帶終結(jié)點(diǎn)付給基礎(chǔ)設(shè)施寬帶提供商的費(fèi)用。

　　對(duì)服務(wù)提供商的資本費(fèi)用而言，最主要的是每個(gè)無線裝置所付的費(fèi)用(1個(gè)無線裝置可提供54兆位帶寬，相當(dāng)于根據(jù)為每個(gè)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(fèi)用。多無線裝置、多射頻和多信道無線網(wǎng)狀網(wǎng)架構(gòu)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(gè)雙無線裝置的節(jié)點(diǎn)相比，購買及部署六個(gè)單無線裝置的節(jié)點(diǎn)，每兆位的成本應(yīng)當(dāng)較低。分區(qū)的多無線裝置節(jié)點(diǎn)所能處理的并發(fā)語音呼叫數(shù)量應(yīng)當(dāng)至少三倍于一個(gè)典型的單無線裝置或雙無線裝置節(jié)點(diǎn)。

　　作為一筆重要的運(yùn)營費(fèi)用，寬帶接入點(diǎn)(PoP)提供商通常會(huì)按照每條管道每個(gè)PoP的帶寬收取費(fèi)用。也就是說，雖然1條T3線的帶寬相當(dāng)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(gòu)方面來看，T3鏈路允許每個(gè)PoP可以使用多出十倍的網(wǎng)狀網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，這樣提供商就能充分利用所有的T3帶寬。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)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(gòu)，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(diǎn)，每5平方英里就需要10個(gè)終結(jié)點(diǎn);而改用多無線裝置節(jié)點(diǎn)，一個(gè)有線終結(jié)點(diǎn)就夠了。

　　就每個(gè)無線裝置而言，多無線裝置、多射頻節(jié)點(diǎn)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(jì)得多的寬帶終結(jié)點(diǎn)。為了滿足語音等實(shí)時(shí)通信應(yīng)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(gòu)。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(shí)現(xiàn)高吞吐量、低時(shí)延和高優(yōu)先級(jí)的語音流量，就需要專門支持客戶機(jī)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(diǎn)。

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