VoWLAN海外竞技
||2005-03-11
在目前的IT产业领域中，WLAN和VoIP一直是人们关注的热点。WLAN使人们“随时随地”接入网络（如收发电子邮件、访问Web应用）成为现实，并且提高了企业投资回报率。同时基于WLAN架构的新型电话技术的出现，无疑将提高企业服务质量和生产效率，从根本上改变传统商务处理进程。
在不远的未来，能够支持IP语音(VoIP)和其他多媒体业务的适时应用无疑是下一代无线局域网(WLAN)的一个关键要素。对于无线局域网来说发展和完善VoIP技术就是如何使两种技术结合起来，并在同一网络中实现。尽管VoIP业务只需要很少的带宽，但在同一网络里，即使是少量的数据通信业务也会导致语音质量的急剧恶化，甚至掉线或是通话中断。
因此，要使WLAN能够轻松自如地承载VoIP业务并不是一件简单的事。这需要有适合WLAN的设备并能够完全支持VoIP业务，而且要完全支持数据通信和VoIP业务的融合。
因而选择合适的WLAN设备作为承载VoIP的硬件平台是一个关键。而且WLAN基础设施仍需解决包括无缝漫游、话音安全、RF(射频)管理、紧急呼叫等诸多问题，才能支持话音业务。
在本次测试中，我们将根据通话的语音质量、QoS（服务质量）保障机制、漫游，以及系统特性等方面，测试手持终端、WLAN交换机和接入点设备。
我们有选择性地征集了四家厂商的近20款设备，它们构成了四套有着自己鲜明特点的VoWLAN系统。这些设备是由Aruba无线网络设备、Chantry Networks（现在是西门子）、Cisco和Colubris Networks公司提供的。这是首次全面对主要供应商WLAN设备的VoIP业务承载能力所做的评估测试。
通话传输质量
我们测量的目的是为了回答这样一个简单的问题：VoWLAN性能到底如何？
需要指出的是，我们的试验设备是由VeriWave公司提供的。该公司是目前世界上领先的WLAN网络及网络设备的测试软件提供商，而且专门针对VoWLAN开发了一套新的测试工具。除了可以搜集时延和抖动等数据参数外，这套工具还能为我们提供R值，即ITU的G.107标准。R值是一个客观的测量参数，主要用来判断语音质量，是能根据丢包率、时延、抖动这些数据直接计算出来的。另外它和ITU 建议的P.800中的MOS（Mean Opinion Score）指标非常相关。因此，这套工具可以进行网络故障定位、用户投诉分析、系统评估、网络优化等。从用户角度测试网络或网络参数(吞吐量，反应时间，时延，抖动，丢包等),非常适合我们这次试验。
R值率
作为ITU的建立语音测量客观标准，R值率可以测量语音质量，以解释在不同的时延和数据丢失的情况下人对通话的反应。它告诉我们WLAN影响语音传输的主要因素，如时延、抖动和数据包丢失。
我们使用多达14个手持终端设备，以及一个H.323呼叫服务器来测试语音质量。呼叫服务器由SpectraLink公司提供，它是生产802.11手持终端设备的专业厂商。本次VoWLAN测量最多开启了7个并行的VoIP呼叫，有时还使用VeriWave TestPoint测试仪在语音中渗杂数据通信比特流。每次系统测试都在有QoS保障机制和无QoS保障机制下分别进行呼叫质量测试。
无线QoS的语音质量
由于所有的供应商都建议对语音传输设置QoS保障机制，我们首先关闭QoS保障机制，并设定所有的呼叫通过同一接入点来进行初步测试。这样就给我们提供了一个底线，为进一步描述开启QoS保障机制后的语音传输质量提供了参照。
由于关闭了QoS保障机制，在只有一个呼叫时，四个供应商的产品测试结果都非常好，R值一般处于78左右，而付费电话设定R值最低门限为75。这个结果说明所有厂家的系统在单一无线VoIP呼叫时，呼叫传送的通话质量已高于有线付费电话的标准。
而当我们通过一个接入点或交换机传送6到7个并行VoIP呼叫时，尤其是加入了数据通信业务后，所有产品的系统性能显著降低。另外，当开通7个并行VoIP呼叫和关闭QoS保障机制时，即使没有加入数据业务， Colubris设备也几乎都处于通话中断的状态。因此，我们无法得到任何测试数据(如图1所示)。
在关闭QoS保障机制时，Chantry和Colubris系统在承载７个并行VoIP呼叫时，所有的通话都中断，不能进行有数据流业务加入的VoIP语音测试。
即使没有数据业务传输、 WLAN能完全承载VoIP业务，所有供应商也都建议使用QoS保障机制来处理语音传输。
开启QoS保障机制的混合业务试验
在开启设备QoS保障机制前，我们重复以上相同参数设置的５次实验。我们首先对一个VoIP呼叫且无数据流加入的情况下进行测量，然后测试６个和７个VoIP呼叫且无参考数据流加入的情况。
上述操作是为了启动QoS保障机制后，系统就能取得显著的成效。但只有Aruba的系统在所有测试中保持了一贯的良好表现，在具有QoS保障机制的情况下，甚至在最恶劣的情况下（７个并行VoIP呼叫并加入数据流业务），它仍然能够传送出和付费电话通话质量一样的信号。Aruba的系统在打开QoS增强机制的情况下，系统承载业务最空闲和最繁忙的测试结果差别很小。
而其他供应商的设备在开启QoS保障机制的情况下，一旦加入数据流业务，就很难保证通话质量。从正面来看，在只有语音传输业务的情况下，QoS保障机制一般运行较好。当我们只承载语音传输时，所有系统的音频质量都改善了。在不加入数据流情况下测试６个或７个并行VoIP呼叫，所有的系统都能够取得和付费电话一样的通话质量。但当我们加入数据流业务，一切都改变了。在承载６个并行VoIP呼叫并加入数据流业务的情况下，Colubris CN1250系统的R值衰落到70以下。根据ITU的R值标准，这说明一些用户的通话质量不令人满意。Chanrty的R值在60左右，这个结果将不能令用户满意。除了客观的R值评分以外，我们还进行了一些主观的通信质量监听，当加入了数据流业务以后，我们听到了大量的回声，掉线频繁。总之，只要测试点加入数据业务流，上面描述的情况就会出现，通话质量通常变得恶劣。
当我们尝试7个并行VoIP呼叫并加入数据流业务时，Chantry、Cisco、Colubris公司的设备运行状况恶化。当我们加入数据流时，Chantry的 BeaconMaster系统甚至不能完成此试验。7个并行VoIP呼叫全部掉线。Cisco的WLAN虽然完成了试验，但测量结果显示R值在50左右。这个值是能够识别语音的最低区域，而且7个并行VoIP呼叫中丢失了3个。Colubris CN1250的试验通话时间没有达到30秒以上，因此无法产生足够的语音信号提供给试验设备以计算R值。
SpectraLink通常建议每个接入点最多承载6个并行VoIP呼叫，而不是我们试验设置的7个并行VoIP呼叫。因此，厂商或许会抱怨我们7个并行VoIP呼叫情况已经超出了设备所能负载的范围。
但我们这样做是合理的。首先，Chantry和Colubris的设备甚至在建议内的6个并行VoIP呼叫情况下，也无法正常通话。第二，Aruba的设备能够处理7个并行VoIP呼叫并能适应加入数据流业务的情况。第三，我们最有难度的试验也远低于无线传输媒介的最大负载。我们试验通常低于3Mbps的通信传输速度（包括试验中的所有语音和数据业务），更远低于无线信道的容量了。总之，VoWLAN系统可以实现在单接入点承载7个并行VoIP呼叫并加入数据通信业务，但要做到这一点需要更完善的系统设计和产品性能。
时延和抖动
时延和抖动对于任何网络通信来说都是非常重要的参数。对于语言和视频通信来说，则更为重要。时延和抖动达到50ms～70ms，声音质量就开始下降，而对于6个话路和1个参考数据流的负载来说，所有供应商的产品平均时延都低于50ms，但最大时延和抖动弹跳到一个较高的水平。例如Cisco的（6个话路和7个话路通话中）最大时延和抖动超过了250ms。对每天的试验数据进行分析后，得出语音质量下降的几个原因：第一，任何时间的抖动超过60ms，音频质量开始受到影响，当最大时延和抖动数上升时，R值就降低; 第二，时延和抖动数量急剧上升时，语音通信就完全中断了（如图2所示）。
设置更多的接入点是否有助于问题的解决呢？带着这个问题，我们采用了两个接入点来重复我们的试验。这样，每个接入点只负责相当于上次试验接入点承载业务量的一半。
因此，采用两个接入点，R值测量结果通常是非常高的。考虑到每个接入点只承载上次试验中一半的业务量，这样得到较好的试验结果就没有什么让人感到惊奇的。同时设置更多的接入点虽说可以改善系统性能，但也带来了一些问题：
第一，设置更多的接入点，增加了成本;
第二，频谱资源有限，在同一区域设置更多的接入点会导致干扰增加;
第三，增加接入点对于数据通信的处理仍然不能令人满意，通话中断现象时有发生;
第四，增加接入点也使传输路径上增加了更多的设备，系统信号传输平均时延也增加了。
本次测试中，我们只有一个移动手持终端，所以不能够对大量用户在给定时间接入特定接入点的情况进行测评。每个接入点都有饱和点，我们的测量结果表明当语音通信加入以后，这个饱和点是相对较低的（如图3所示）。
能够支持VoIP及多媒体业务广泛应用是下一代WLAN的重要推动力。WLAN手持终端也可以和蜂窝电话一样自由漫游。我们测量了一个话路从一个接入点漫游到另一个接入点所用的时间（两个接入点都位于同一个子网），同时也测量了R值、时延和抖动等参数。为了迫使手持终端漫游，我们关闭了第一个接入点的电源，使接入该设备的终端被迫去寻找使用另外一个接入点，但供应商Chantry和Colubris反对这样进行WLAN终端漫游测试。Chantry公司解释说它的产品漫游功能是为用户从一个地方物理漫游到另一个地方这样的实际情况而设计的。
尽管它非常希望测试实际的物理环境漫游，因为我们的实验室只有1200平方英尺，我们无法使接入点之间有足够的距离。我们认为物理的漫游和关掉电源这两种试验是一样具有代表性的。例如，如果有接入点发生掉电情况或者一个接入点由于某种原因突然消失了，任何WLAN系统要想正常运行语音业务，都必须能够无缝地将相关用户迁移到另一个接入点。（本项试验同样使用VeriWave TestPoint作为噪声源。）
Colubris CN1250无法进行掉电的漫游测试。该厂家采用移动IP技术来实现IP网间漫游，移动IP要求设置一个在终端漫游前所接入的接入点为本地代理，在整个漫游过程中它必须维持服务，如果掉电则漫游失败。另外，Cisco公司的产品虽然也支持这项技术，但我们的试验里无法使用移动IP这项技术来进行漫游测试。
除了关掉CN1250的电源这种测试漫游的方法外，我们还使用屏蔽第一个接入点的无线信号来进行漫游测试，它同样能够迫使客户端进行漫游。然而Colubris公司的设备需要另加一个接入点来完成外地代理的功能，通过外地代理来转发客户端漫游回到本地代理的信息。为此，我们又加了一个CN1250，同时去掉了它的天线（外地代理不需要天线连接）。和以前测试的方法一样，我们测量产品的漫游性能，使用一个6个或7个并行的VoIP呼叫，同时在有或没有数据业务的情况下进行测试。Cisco在单呼叫漫游的测试中，漫游的时间为0.433秒，其他设备的漫游时间大约为0.5秒。对于语音通信来说，0.5秒的时间滞后，对人的听觉来说是非常明显的。
Aruba公司的设备在漫游测试中表现出色，它的平均漫游切换时间在0.5～1秒之间，虽然这已经是所有的测试设备中表现最好的，但是通话者还是能够察觉这种时延。而Cisco公司的设备，由于时间的限制，我们只进行了7个并行呼叫的漫游测试，平均漫游时间为0.433秒到1.053秒，而加入数据流业务时，在7个并行VoIP呼叫时，系统的时延达到了4.324秒。
Colubris 只能进行6个并行VoIP呼叫的测试。当进行7个并行VoIP呼叫测试时，我们无法从漫游前的语音信号中，识别出漫游的信号，因此我们的试验结果无法反映实际情况。在进行6个并行VoIP呼叫的测试时，也出现了同样的问题。但是终端设备始终保持与接入点的联系，使得我们能够记录下测试的结果。尽管如此，结果仍然是不乐观的，每7秒测试中，就有5秒钟得不到试验数据。
Chantry的BeaconMaster设备在6个或者7个并行呼叫下不能进行测试，漫游一开始，通话就中断了。为了解决这一问题，我们减少了并行呼叫的数量，来判断是否由于负载量的原因而影响了试验的进行。在我们进行漫游切换测试时，Chantry的 BeaconMaster只有两个呼叫正常实现了漫游切换，其中两个呼叫的漫游时间与一个呼叫的漫游时间相同。因为它的呼叫数量大大低于其他设备供应商，所以这些数字并不能真正说明问题（如图4所示）。
网间漫游测试
WLAN交换机能够跨IP子网远程管理接入点，所以我们想到一个问题：如果交换机与用户漫游的接入点距离很远，那么漫游时间和通话质量是否受到影响？例如，WLAN交换机设在波士顿，而用户在洛杉矶进行两个接入点间的漫游切换。
因此，我们重复进行了交换机远程管理的漫游测试，本次计时设备使用的是Spirent公司提供的一台AX/4000信号发生及分析设备，从而插入一个100ms的信号往返时延。这个时延大约相当于在波士顿和旧金山之间传送信号所用的时间。
只有Aruba和Cisco完成了我们的试验，而Chantry的 BeaconMaster系统不能承载6个或7个并行的VoIP呼叫。Colubris只提供接入点而没有交换机，所以无法进行远程管理的漫游测试。在这次测试中，我们测试了7个并行的VoIP呼叫，由于时间的限制，我们没有测试Cisco设备在6个并行的VoIP呼叫时的系统运行情况。
在没有数据流业务接入时，两个供应商的当地和远程管理漫游时间是完全相同的（如图5所示）。根据目前的数据来看，Aruba’s的本地漫游时间是1秒，而远距离的地方漫游时间大约是3.5秒。而Cisco的设备在本地漫游的时间比长途漫游的时间长，这个结果和最初的设想正好相反。尽管我们不能解释上述结果，但至少它能证实Cisco的结论。Cisco认为：接入点对客户端的预认证，没有对远程管理的接入点产生不良影响。
所有的供应商都认为VoIP取代无线通信还为时尚早，但我们的实验结果表明：VoIP毫无疑问还有进一步拓展的空间。网站管理者期望在不远的将来能够实现VoWLAN，对他们来说，有三个方法可以选择: 更少的呼叫、不混入数据流业务、或者求助于如Aruba的及时控制时间精准的拥塞情况这样的工具。
相关链接一：测试结论
- 产品开启QoS保障机制时，既要无线网络传送语音业务，又不混合数据通信业务，这些产品能够达到付费电话语音质量水平。但要传送语音数据混合业务就很难得到满意的服务质量。
- 语音业务与数据通信竞争带宽时，哪怕是只在同一网络中承载小部分数据通信，在多次测试中通话语音质量明显下降，即便是开启了QoS保障机制，掉话也变得非常普遍。
- 对于WLAN网络只承载数据通信业务，用户从一个AP漫游到另一个AP，完成切换一般需要0.5秒到10秒时间。而要支持话音应用，WLAN网络就要实现AP之间快速漫游，而且必须是无缝切换。对于一些提供商的设备，过长的时延和掉线会导致呼叫质量严重受损，以致于实际的漫游无法实现。
在我们的测试过程中，有两个问题困扰着我们的供应商。
第一，在同一网络中同时承载语音和数据通信业务就要更加关注时延和抖动等参数。许多供应商开始转变它们的产品方向，以适应承载语音和数据业务融合的趋势。尽管有一些供应商宣称他们的产品在18个月前或更早的时间就已经实现了这种融合能力。然而，要实现VoWLAN还为时尚早。首先，能够精确测量测试VoWLAN参数的工具（例如我们使用的工具）也刚刚投入使用。同时，我们这次试验也是首次通过系统方式对语音质量、时延、抖动进行的测试。
第二，尽管正在制定中的IEEE802.11e标准有助于定义无线网络中控制QoS保障机制的方法，但到目前为止，该标准仍没有最终出台，我们本次测试所采用的QoS保障机制方法是非标准化的。当前，尚无统一的QoS保障机制标准。当厂商推出其控制QoS的专用方法时，企业应了解此方法对未来VoWLAN业务能力的影响。 (韩旭东编译)
相关链接二：测试之来龙去脉
美国《网络世界》向18家厂商发出了参加本次测试活动的邀请，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四家公司应邀参加了这次对WLAN设备的VoIP业务承载能力以及漫游性能所做的评估测试。
- VoWLAN实验系统
这次试验搭建了有着自己鲜明特点的VoWLAN试验系统。该系统包括两个802.11b接入点适配设备和一部连接到接入点的交换机以及路由设备，还有14个WLAN手持终端设备和SpectraLink公司提供的SVP呼叫服务器（服务器用做H.323网关）。另外，VeriWave公司提供了实验的测试设备。我们还在漫游测试项目中使用了由Spirent公司提供的信号损伤发生器。
VeriWave公司专门针对这次试验开发了一套VoIP测试工具。这套工具能为我们提供R值（ITU的G.107标准）。R值是一个客观的测量参数，主要是根据丢包率、时延、抖动这些数据直接计算出来的，也可以测试漫游切换时间。
另外，R值和ITU 建议的P.800中的MOS（mean opinion score）指标非常相近，都用来判断语音质量。
- 测试环境
我们在不同的环境条件下测试了系统的语音传输质量：开启QoS保障机制和关闭QoS保障机制下、加入数据流业务和无数据流加入条件下、数量不同的并行呼叫。试验中所有的并行呼叫都通过一个到两个接入点来传送并用一个交换机来传输。
由于SpectraLink手持终端设备使用G.711编解码器把摸拟信号解码转化为数字信号。如果没有静音抑制，客户终端所能占用的带宽是一个常数。单一VoIP呼叫的单向占用带宽较小，仅为134Kbps，即802.11b一个子信道的带宽。我们无法为单呼叫加入数据流业务。因此，我们只测试了R值和平均最大和最小时延。
我们分别在有无数据流业务加入这两种条件下，重复测试了系统承载６个或７个VoIP呼叫的情况。为了VoIP语音通信加入1M bps速度的UDP数据流业务，我们设置了VeriWave测试点
在开启QoS保障机制的情况下，仅仅承载6个并行的VoIP呼叫，所有系统的R值测试结果非常糟糕，全部超过语音信号能够识别的数值点，在这个数值点以下通话被迫中断。而Aruba系统的通话质量不但非常好，而且数据流业务的加入对该系统也并没有产生什么影响，甚至和未开启QoS保障机制一样。
为了测试漫游，我们开始将所有的手持终端接入到一个接入点上，并进行语音的传送。然后，我们打开了第二个接入点的电源，用于证实手持终端没有在试验进行之前已经漫游了。为了迫使手持终端漫游，我们关闭了第一个接入点的电源，使接入该设备的终端被迫去寻找使用另外一个接入点。
VeriWave的试验数据在应用层计算漫游时间，即第一个接入点的呼叫所发送最后一个IP数据包与漫游到其他接入点后继续呼叫所发送的第一个IP数据包之间的时间间隔。关注应用层意味着接入点不仅必须继续与手持终端保持联系，而且还要与SpectraLink呼叫服务器保持联系。
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客户世界
这家伙很懒，什么都没写！
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