基于WiMAX技术的VoIP试验及研究

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

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

　　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。