基于WiMAX技术的VoIP试验及研究

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摘要 介绍了WiMAX中山试验VoIP的测试环境、测试结果及理论分析,从各个方面对VoIP测试给出了较为详细的描述。

1、测试设备与场景

  (1)广东移动中山WiMAX试验局设备及组网环境介绍

  中山WiMAX试验局VoIP测试局点配置为:一个中心站BS(华为提供设备,型号为WA5700,是PMP微基站,支持802.16-2004协议)、一个固定远端站SS(华为提供设备,型号为TA210,提供FE接口,支持802.16-2004协议),一个移动远端站SS。中心站点设置于广东省中山市东区石岐东局点,此局点有1个IDU,4个ODU即四个扇区(实际只用到一个扇区2);1个远端站,配置2个TA210。详细的组网图,如图1所示。

图1 中山WiMAX试验局VoIP测试网规组网图

  (2)测试场景介绍

  采用1个BS,1个固定SS和一个移动SS的组网方案,主要测试VoIP容量、性能和质量。SS为用户提供FE接口连接IAD,IAD下可再接多个电话机。SS和BS之间的空口符合WiMAX标准,BS和SoftX之间通CMNet连接,实际组网如图2所示。

图2 中山WiMAX试验局VoIP测试组网图

  组网时,由于BS(石岐东)需要与广州的SoftX连接,因此,实际组网方案通过传输设备连接公安局与移动大厦;然后通过移动大厦的CMNet网络连接广州的SoftX。在该个组网中,视距传播环境通过固定在移动大楼支架上的远端站实现,非视距传播环境通过移动的远端站实现。

2、测试项

  测试内容包括VoIP容量测试、VoIP性能测试和VoIP质量测试共3个测试子项。其中VoIP容量测试项的测试子项包括:在单远端站和基站的组网环境下,远端站最多所能发起的VoIP呼叫的路数,VoIP性能测试子项包括:建立时延、接通率、掉话率和长时间呼叫保持率测试,VoIP质量测试子项包括:话音清晰度、语音时延、抖动和误包率测试。

3、测试数据与理论值比较分析

  (1)实测VoIP容量与理论值比较

  ①理论值分析

  由于VoIP业务对时延、抖动、丢包等要求比较高,一般采用UGS业务调度类型的上、下行业务流来承载VoIP业务数据的传输。

  本次测试期间,用来承载VoIP业务的上下行最大持续保留速率都设置成了512 Kbit/s,下面来分析一下在此业务带宽配置参数下单个SS可以承载的VoIP呼叫容量。

  VoIP业务传输所需带宽与所采用的VoIP信令协议、语音编码方式和RTP打包间隔有关。VoIP呼叫业务进行过程中,主要传输两种类型的数据,即信令数据和语音数据。实际上呼叫业务过程中主要是语音数据,而前者数据量非常小,相比语音数据可以忽略。

  VoIP业务中语音数据是采用RTP协议进行打包和传输的,流量大小与用户之间采用的语音编码方式有关,本次测试采用的是VoIP业务最常用的语音编码方式G.729,这种编码方式对传输带宽要求比较低,但语音质量上足以满足用户的要求。按照协议,该编码方式下的净带宽是8 K,其实际映射到WIMAX空口的整个过程是需经很多次封装。各种封装协议所额外占用的开销,如表1所示。

表1 BS与SS之间空口上VoIP语音数据包各字段长度

[table]

协议字段

占用开销(byte)

802.16 MAC Head

6

Ethernet MAC Head

14

IP Head

20

UDP Head

8

RTP Head

16

Payload(语音数据)

20

Ethernet

4

802.16 MAC Head

4

[/table]

  由表1推算,一路VoIP业务在空口上产生的数据传输速率:

  (6+14+20+8+16+20+4+4)×8×(1000/20)=36.8(Kbit/s)

  上面公式,仅推导出了一路单向VoIP业务中主叫或被叫所产生的在空口上的数据流量,但实际上VoIP业务是双向的,即主被叫双方都会产生同等的数据流量。如此算来,实际上一路双向VoIP业务在空口上的真正流量为:36.8×2=73.6(Kbit/s),由此可见,理论上512 K的上下行特定带宽配置下,单个SS可以支持的双向VoIP呼叫的容量为:

  512/73.6=6.96(路)

  可以看出,在此配置下实际上第7路VoIP产生的数据是不能完全被传送的,必然会有丢包现象,所以理论上在此配置下单个SS能支持6路双向VoIP业务同时进行,即512 K带宽配置下双向VoIP呼叫容量为6路。

  ②测量值与理论值比较与分析

  本次测试,在512 K的特定带宽配置下测得单个SS可承载双向VoIP呼叫容量为5路(即实际空口承载的主被叫单向语音各5路,共计10路),逼近理论的6路,实际测试结果没有达到理论值,主要原因是系统本身实现和芯片还没有得到足够的优化造成。

  ③结论

  目前版本,单SS可支持的VoIP容量与理论值相比有20%左右的差距,需要优化。

  (2)实测VoIP性能与理论值比较

  ①理论值分析

  a)VoIP呼叫建立时长理论值分析

  理论计算得出,UGS每5帧调度情况下BS与SS之间Ping包的时延范围为[22 ms,57 ms],由此可简单的换算出BS与SS之间单向时延范围[11 ms,28.5 ms]。

  按照协议,VoIP呼叫建立主要包括6个过程:

  ●主叫摘机,通知SoftX3000。

  ●SoftX3000响应,发送Notify消息给主叫,通知主叫终端放拨号音。

  ●主叫拨号,并通过Notify消息报告给SoftX3000。

  ●SoftX3000收到主叫呼叫号码后,处理、寻找被叫,与被叫创建呼叫连接,并通知被叫振铃。

  ●被叫响应SoftX3000,返回“创建连接成功”消息。

  ●SoftX3000通知主叫,与被叫之间呼叫连接创建成功。

  本次VoIP测试中,主叫和被叫分别位于两个SS侧。由分析可以看出,在整个VoIP呼叫建立过程中共有6次需要通过BS与SS之间空口进行传输。根据分析得出的BS与SS之间传输时延,可以推算出一次VoIP呼叫建立过程在WIMAX系统上所需要花费的时间大约在:[11 ms×6,28.5 ms×6]=[66 ms,171 ms]。

  ②测量值与理论值比较与分析

  本次测试主要针对四项VoIP性能指标,包括呼叫建立时延、呼叫接通率、掉话率性能和长时间呼叫保持。其中,前三项表示VoIP链路质量的好坏和处理性能,最后一项长时间保持性能测试则表示产品长时间的稳定性。

  a)呼叫建立时延:为了准确得出WIMAX空口传输对VoIP呼叫建立时长的影响,在不经过WiMAX系统的组网情况下,将VoIP测试仪通过固定传输网与SoftX3000相连,获得在此情况下的呼叫建立时长大约为652 ms。如此,便可大致推算出VoIP呼叫建立过程中的实际空口时延,视距情况下大约为:778-652=126(ms);非视距情况下大约为:786-652=134(ms)。与VoIP呼叫建立时长理论值相比,视距情况下WIMAX空口引入的时延在理论范围内,而非视距情况的信号质量与视距相当,所以呼叫建立时延也在理论范围内。

  b)呼叫接通率:理论上,信号质量足够好的话,呼叫接通率应为100%,本次的测试环境的视距信号和非视距信号都很好,所以测试结果为100%,与理论相符。

  c)掉话率:理论上,信号质量足够好的话,掉话率应该都为0%,实际测试环境的视距和非视距信号都很好,实际掉话率的测试结果也为0%,与理论相符。

  d)长时间通话保持性能:长时间通话保持是VoIP业务的长时间稳定性。实际测得在视距和非视距下VoIP业务分别不间断运行了18分钟和17分钟。这主要是现场系统设备和芯片版本太老,稳定性方面还需不断优化。

  ③结论

  通过对VoIP语音质量的测试,得出WiMAX系统下VoIP业务在呼叫建立时延、接通率和掉话率方面的性能符合行业标准,语音清晰度和语音时延更是达到了优良标准,但VoIP业务长时间稳定性方面由于受到远端站芯片和产品本身的限制,还存在不足,需进一步优化。

  (3)实测VoIP质量与理论值比较

  ①测量值与理论值比较与分析

  语音清晰度、语音时延、语音抖动和语音误包率指标表示VoIP语音质量的好坏。

  理论上而言,用户对语音质量好坏的判断,并不会因为承载网络的不同而不同,总是处于相对稳定的状态,即MOS等分在4分以上为优质语音。从业界对美国多个GSM运营商网络调查的结果来看,语音清晰度指标综合平均值为3.3,其中下行为3.5、上行为3.1,WCDMA、CDMA网络均不应低于该平均值。从WiMAX的测试结果来看,VoIP的MOS值在视距和非视距下的平均得分都为3.9,显而易见,WiMAX系统的VoIP语音清晰度质量已经达到了GSM标准的水平。语音时延是指语音信号穿越网络所消耗的时间,本规范限制于端到端的语音单向延迟,指从谈话者的嘴产生信号到收听者的耳朵收到信号之间所需的时间,包含了语音信号跨越的所有网元设备、以及线路传输的延迟的总和。通讯网络中,影响时延的环节及原因主要有:

  a)线路传输:本地传输线路对时延的影响很小,一般可忽略不计。

  b)交换时延:值信号在交换网络内部所消耗的时间,类型包括包交换(包括拆包/组包)、信元交换(包括分段/重组)、复用/解复用等。

  c)解码时延:指对原始语音信号进行数字压缩、解压所消耗的时间,即使对于同一个编解码算法,所消耗的时间也不是一个固定值,它受算法实现的效率、处理器能力等因素的影响很大。

  在实际无线环境测试中,测得VoIP语音时延测试在视距和非视距下,分别为76 ms和77 ms。从ITU-T G.114导出的优良的时延参考值是150 ms,而实测的时延不到100 ms,可以证明,在本次测试组网环境下,WiMAX系统下的VoIP语音时延性能达到了优秀的水平。

  在实际无线环境测试中,测得VoIP语音抖动测试在视距和非视距下,都大致为3 ms,本次的测试环境属于无线本地网环境,从ITU-T G.114导出的优良的时延参考值是5 ms,而实测的时延不到5 ms,可以证明,在本次测试组网环境下,WiMAX系统下的VoIP语音抖动性能达到了优秀的水平。而非视距下的测试结果与视距情况相类,主要是因为本次的非视距环境采用了发射环境实现的,信号质量与视距情况一样好,所以导致测试结果也类似。

  VoIP误包率是值VIOP的ip包在传输或交换的过程中,由于异常所导致的包丢失的比例。一般来说语音业务的丢包率必须<3%,在ip核心网的丢包率必须<1%。

  在实际无线环境测试中,测得VoIP丢包率测试在视距和非视距下,都为1%,符合行业标准。

  ②结论

  通过上述测试,得出WiMAX系统下VoIP业务语音清晰度、语音时延、语音抖动和丢包率方面的性能上符合行业标准。语音清晰度和语音时延达到了优良标准。

作者:张志平 徐舜尧 何凯峰 来源:西部通信


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