WLAN je jedna od najuspješnijih tehnologija u posljednjih par godina. Koristi se posvuda, od tvrtki, obrazovnih ustanova, aerodroma, domova itd [1:207].
Postoje dvije vrste WLAN arhitekture: Infrastrukturni, koji je najupotrebljavaniji te koristi centralnu stanicu zvanu pristupna točka (AP – access point). Sav promet prolazi kroz AP [1:207].
Slika 19 : Bežična LAN arhitektura
Primjer je prikazan na slici pod A. Ad-hoc nema centralni element te tako treba routing protokol kako bi pružio pouzdanu end-to-end komunikaciju između korisnika. Primjer na slici pod B [1:207].
Najprihvaćenija infrastruktura ad-hoc mreže je bazirana na IEEE 802.11 standardu, koji je u početku bio namijenjen podatkovnim uslugama. Stoga nema idealne karakteristike za real-time komunikaciju preko videa ili glasa. Najuspješnije verzije su IEEE 802.11b i IEEE 802.11g. Glavna razlika je u brzini prijenosa, „b“ ide do 11Mbps dok „g“ ide do 54Mbps [1:208].
Mnogo istraživanja je provedeno kako bi se proširile mogućnosti za real-time komunikaciju preko bežičnih mreža. Kao rezultat toga, razvio se novi standard IEEE 802.11e, koji je razvijen kako bi podržao QoS [1:208].
VoIP svakim danom ima sve veću bazu korisnika. Postoje mnogi programi koji olakšavaju korištenje VoIP-a : Skype, MSN messenger, VoIP cheap itd. Korišteni su svakodnevno jer nude dobru kvalitetu i jeftini su [1:208].
Mnoge tvrtke koriste WLAN kao mrežno rješenje te je zbog toga potrebno istražiti kako se VoIP ponaša preko WLAN-a. Jedno od pitanja je koliko se VoIP poziva može obaviti preko 802.11b? Tri parametra će odgovoriti na ovo pitanje. Prvi parametar je kašnjenje, koje se mjeri u vremenu koje je potrebno da paket stigne s ishodišta na odredište. Maksimalno VoIP kašnjenje je preporučeno od strane ITU-T G.114, te iznosi 150ms. Drugi parametar je zastajkivanje te ono iskazuje promjene u kašnjenju. Mjeri se vrijeme između dolaska paketa. Zadnji parametar je gubitak paketa (LPR – loss packet rate). Ovdje se mjeri koliko je paketa odbačeno u određenom razgovoru. Rezultat LPR-a je dan u postotcima te daje neke naznake o kvaliteti poziva [1:208].
4.1 Simulirani scenarij
4.1.1 VoIP promet
Prije rada na simulaciji karakteristike VoIP prometa moraju biti definirane. Slika 20 ([1:209]) prikazuje najpopularnije kodeke korištene za glas [1:209].
Slika 20 : najčešće značajke kodeka
Za ovu simulaciju je odabran kodek G.711 jer je najrestriktivniji. Ovo će prikazati nagore rezultate te ako se koristi drugi kodek broj VoIP poziva sa dobrom kvalitetom će biti viši od onoga dobivenog u ovoj simulaciji. Mora se naglasiti da u mnogim komercijalnim implementacijama kodek G.711 šalje 160 bytova svakih 20ms. Međutim, u ovoj simulaciji se koriste vrijednosti navedene u tablici. Ove vrijednosti prate standardni PCM kodek (80 bytova svakih 10 ms) [1:209].
Osim toga, treba biti definiran način na koji će VoIP tok raditi preko WLAN-a. U ovoj simulaciji svaki VoIP poziv generira dva VoIP toka u WLAN-u kada se koristi infrastrukturni način. Jedan tok je od krajnjeg čvora do AP, a drugi od AP do drugog krajnjeg čvora. Ovo se događa zato jer je VoIP poziv generiran kao poludupleks promet što znači da samo čvor koji je započeo poziv može prvi slati promet. Nakon toga u neko slučajno vrijeme ovaj čvor prestane te drugi čvor koji je primao podatke počne slati svoj promet. Vrijeme koje svaki čvor ima za slanje prometa je nasumično odabrano. U ad-hoc načinu svaki VoIP poziv generira iz jednog od više tokova ovisno o broju čvorova koji prosljeđuju promet iz izvorišnog čvora prema odredišnom, ali je promet generiran kao i kod infrastrukturnog načina [1:209].
4.2.2 Simulirani scenariji
Simulirano je pet scenarija: tri su bila pod infrastrukturnim načinom arhitekture te dva pod ad-hoc-om. Neki od njih su bili idealni pod čim se misli da su čvorovi u ovim simulacijama bili blizu; to je nešto što se obično u praksi ne događa. Razlog simulacije idealnih uvjeta je kako bi se dobila slika o maksimalnom broju poziva te bi onda taj broj usporedili sa realističnijim scenarijima. Simulirani scenariji [1:210]:
- Idealni scenarij infrastrukturnog načina – AP paketa : 50, 20 čvorova, 1 AP
- Idealni scenarij infrastrukturnog načina – AP paketa : 100 , 20 čvorova, 1 AP
- Realni scenarij infrastrukturnog načina – 20 čvorova , 1 AP (Slika 21)
- Idealni scenarij ad-hoc : 31 čvor
- Realni scenarij ad-hoc : 31 čvor (Slika 22)
Ključna točka u infrastrukturnom načinu rada je AP. Što se više razgovora dodaje, AP mora raspoređivati više prijenosa paketa te če se tako čekanje paketa produljiti. AP ima ograničeni kapacitet te kad se približi tome limitu odbacuje svaki novi primljeni paket [1:210].
Kod ad-hoc-a protokol usmjeravanja mora uspostaviti puteve među čvorovima kako bi se uspostavila komunikacija korisnika. U ovom slučaju će obično biti posrednici u pozivu. Ovisno koji čvorovi razgovaraju, paketi će morati više ili manje skakati kako bi došli do odredišta. Moguće je da se dogodi da jedan čvor postane preopterećen jer sudjeluje u mnogim razgovorima. U tom slučaju će biti kašnjenja i odbacivanja paketa na svim razgovorima koji koriste taj čvor. To je normalno ponašanje u ad-hoc mreži [1:210].
Slika 21 : realni scenarij infrastrukturnog moda
Slika 22 : realni scenarij ad-hoc-a
Međutim, u ovoj simulaciji postoji poseban ad-hoc scenarij koji predstavlja idealne uvjete (čvorovi su blizu). U ovom scenariju neće biti posrednih čvorova jer su čvorovi blizu jedni drugima, te tako paket mora samo preskočiti jednom kako bi došao do odredišta. Stoga, ako postoji veliko kašnjenje to je zato jer je okoliš zasićen te se događa mnogo sudara [1:211].
4.2.3 Značajke simulacije
Koristilo se vrijeme od 100 sekundi za prva četiri scenarija te više od 30 sekundi za posljednji. Ovo vrijeme je dovoljno kako bi dobili željene rezultate [1:211].
U infrastrukturnom načinu rada je dovoljno analizirati samo jedan poziv kako bi se razumjelo što se događa, čak i ako se više poziva odvija u isto vrijeme. Kako je u ovome slučaju centralizirani element AP ne postoji mehanizam za QoS, te tako svi paketi imaju isti tretman. Dakle, ako se AP zasiti, počet će sa odbacivanjem paketa slučajnim odabirom te će to utjecati na sve razgovore koji se odvijaju u isto vrijeme. Znajući ovo, ako jedan razgovor počne davati loše rezultate kašnjenja ili odbacivanja paketa onda će to isto vrijediti i za ostale pozive [1:211].
U četvrtom scenariju je isto tako potrebno pregledati samo jedan poziv kako bi se shvatila situacija. Kako je to savršeni ad-hoc slučaj svi čvorovi su blizu jedni drugima te routing protokol uspostavlja samo jedan skok paketa. Drugim riječima, paketi moraju otići samo od pošiljatelja prema odredištu. Stoga svi razgovori imaju istu okolinu. Dakle ako jedan razgovor pokaže probleme odmah znači da je link preopterećen, te se tako zaključuje da svi razgovori imaju probleme [1:211].
U realnom primjeru ad-hoc scenarija se prikupljaju podatci za svaki VoIP poziv jer svaki poziv ima različit broj preskakanja i drukčiji put. Moguće je da će jedan čvor biti preopterećen i predstavljati probleme dok će drugi raditi sasvim normalno [1:211].
4.3 Rezultati
Rezultati su prikazani u par slika. Slika 23 ([1:212]) prikazuje prosječno kašnjenje paketa u odnosu na broj poziva. Slika 24 ([1:213]) prikazuje zastajkivanje u odnosu na količinu poziva. Slika 25 ([1:213]) prikazuje LPR u odnosu na broj poziva. Ovi grafovi prikazuju sve primjere osim realnog ad-hoc scenarija [1:212].
Prvi scenarij pokazuje naglu primjenu kad se doda šesti poziv. LPR se promijeni sa 0% na 10%. Ovo je neprihvatljiva vrijednost jer 10% informacija preko telefona nesmije biti izgubljeno, te zbog toga poziv ne bi bio razumljiv. Isto tako se i kašnjenje poveća na prosjek od 50ms. Zastajkivanje se isto tako povećalo ali ne tako drastično, ali predstavlja uvid da nešto ne radi dobro kao i prije. Ako se doda više poziva parametri postaju sve gori i gori [1:212].
Drugi scenarij je poprilično sličan. Ova simulacija je provedena jer se uvidio neprihvatljivi LPR kod šestog poziva. AP je odbacivao pozive nakon što ga se preoptereti s paketima. Zbog toga mu je uduplana količina koju može primiti. Očekivano je smanjenje LPR-a uz cijenu da će se kašnjenje povećati, te se to i dogodilo. Na šestom pozivu je kašnjenje veće duplo, dakle oko 100ms [1:212].
Slika 23 : prosječno VoIP kašnjenje
Slika 24 : varijacijae u zastajkivanju
Slika 25 : gubitak paketa
Ovo je neprihvatljiva vrijednost jer će većinu vremena paketi kasniti više od 150ms kako bi dobili prosječnu vrijednost od 100ms. Međutim, nije se dogodilo manje odbacivanje paketa. Rezultat LPR-a je 9% umjesto 10%. Zastajkivanje je ostalo isto kao i prije, nakon šestog poziva se počelo pogoršavati. Opet isto, vrlo loši rezultati nakon šestog poziva [1:212].
Treći scenarij je realna infrastruktura. U ovom slučaju su čvorovi locirani oko AP, kao što se to događa u većini praktičnih slučajeva. Međutim, rezultati su slični kao i prijašnjim idealnim uvjetima. Opet se nakon šestog poziva kvaliteta pogoršava do neprihvatljivosti. Preciznije, prosječno kašnjenje je oko 100ms, LPR je malo niži nego u prijašnjim slučajevima ali je opet neprihvatljivo visok sa svojih 7%. Zastajkivanje se ponaša kao u prijašnjim slučajevima. Kad dodamo 7,8,9 i 10 poziv kao u prva dva scenarija rezultati postaju stvarno loši [1:214].
Rezultati za idealne scenarije ad-hoc-a su isto tako prikazani u Slika 23 , Slika 24 i Slika 25. U ovome slučaju ključan dio je dodavanje jedanaestog poziva. Kašnjenje i zastajkivanje prikazuju neprihvatljive vrijednosti. Prosječno kašnjenje je oko 100ms a zastajkivanje ima nagli skok između desetog i jedanaestog poziva. LPR pokazuje skok sa 0% na 0.3%, što je bitna promjena. Kako u idealnom slučaju paketi trebaju skočiti samo jedanput kako bi stigli do odredišta, te se onda pojavi odbacivanje paketa zaključuje se da u originalnom čvoru 50 paketa čeka na slanje. Dakle, ovaj niski LPR objašnjava zašto je tako veliko kašnjenje. Zaključak je da se jedanaest ili više poziva nemože odvijati u idealnom ad-hoc scenariju [1:214].
Nisu prikazani zbrojeni rezultati realnog ad-hoc scenarija jer su drukčiji u svakoj simulaciji. Ovisi o tome koji pozivi su aktivni te koji čvorovi sudjeluju u tim pozivima. Kako bi objasnili ovo Slika 26 ([1:214]) prikazuje mjerenje trenutnog kašnjenja svakog paketa u scenariju te prikazuje rezultate dva poziva preko četiri ćelije, sa slabim kašnjenjem [1:214].
Slika 26 : realni ad-hoc scenarij s četiri poziva
Kašnjenje paketa je veće od 50ms većinu vremena u ova dva poziva, sa skokovima i iznad 150ms. Međutim, pronađen je scenarij u kojem se sedam poziva može voditi istovremeno. U ovome scenariju, kašnjenje paketa je uvijek ispod 40ms i većinu vremena ispod 20ms za sedam poziva, što je prihvatljiva vrijednost [1:214].
Odrađeni su i drugi scenariji te je utvrđeno da su scenariji sa četiri poziva prihvatljivi, dok su oni sa sedam neprihvatljivi. U nijednoj simulaciji nije pronađeno da osam poziva može raditi ispravno. Iz ovih rezultata se može uvidjeti da se ne može izvući generalni zaključak koliko je poziva moguće u ad-hoc-u jer taj broj ovisi o čvorovima koji sudjeluju u razgovoru i kojim putem podatci idu. Pronađeni su čak scenariji gdje ni jedan poziv nije uspješno izvršen jer routing protokol nije pronašao dobar put između pozivatelja i primatelja [1:215].
4.4 Statistička analiza
Pokušano je pronaći da li postoje neki obrasci po kojima se kašnjenje i zastajkivanje dešavaju. Na ovaj način bi mogli samo pogledati distribuciju određenog VoIP poziva i zaključiti da li je kvaliteta razgovora dobra ili loša. Zbog toga su napravljeni histogrami sa postotkom paketa u omjeru sa vremenom. Za kašnjenje i zastajkivanje možemo pogledati Slika 27 ([1:215]) i Slika 28 ([1:216]) [1:215].
Slika 27: distribucija kašnjenja. Grafovi predstavljaju realni infrastrukturni model
Slika 28: Evolucija zastajkivanja. Grafovi predstavljaju realni infrastrukturni model
Slika 27a prikazuje simulaciju sa dobrim parametrima, a distribucija koja opisuje ovu situaciju je eksponencijalna u kašnjenju paketa jer većina paketa ima malo kašnjenje. Naravno, ne počinje na nuli jer je nemoguće da paket ima kašnjenje 0ms. Minimum se nalazi oko jedne ili dvije ms. Ako se doda više poziva i prouči neprihvatljivi slučaj sa šest poziva vidi se kako distribucija ima vrhunac na niskim vrijednostima kašnjenja, što uključuje oko 30% paketa. No postoji i bitan postotak paketa sa visokim kašnjenjem, između 100 i 200ms. Izgled ove distribucije podsjeća na slovo „U“. Ako se doda još poziva, polako će nestajati kašnjenje u malim vrijednostima te se povećavati unutar visokih. U ovom trenutku distribucija se može vidjeti normalna distribucija, kao što je prikazano na Slika 27c [1:215].
Drukčije se razvija situacija kod zastajkivanja. Sa pet poziva je distribucija centrirana oko 10ms, kao što je prikazano na Slika 28a. Ovo je očekivani rezultat kad je zastajkivanje predstavlja dobar rezultat. U slučaju sa šest poziva na Slika 28b, kada se kvaliteta poziva smanji, red na desnoj strani je duži i distribucija predstavlja nesimetričan oblik. Sa osam poziva, prikazanih na Slika 28c, se ponaša eksponencijalno. Počinje u niskim vrijednostima i onda ide u vrlo dug desni red. Pošto je bitan faktor zastajkivanja varijacija, očito je da je ona najveća kad je u pitanju puno poziva. Graf sa pet poziva prikazuje najnižu varijaciju [1:216].
Sa ovom statičkom analizom može biti postavljen zanimljiv uzorak. Gledajući na distribuciju paketa kroz kašnjenje i zastajkivanje za jedan razgovor možemo utvrditi što će se približno dogoditi, te da li će razgovori imati dobru ili lošu kvalitetu tako da usporedimo distribucije s nekim od prijašnje navedenih uzorak [1:215].
4.5 Testiranja i 802.11e
4.5.1 Podloga za testiranje
Obavljeno je mnogo istraživanja u području VoIP-a preko WLAN-a. Posebno, u nekim istraživanjima je korišten pravi testbed kako bi se mjerile performanse VoIP-a preko WLAN-a.Pitanje je, koliko je poziva moguće obaviti preko 802.11b? Istraživanja poput onog navedenog dolje su pružila odgovor koristeći prave mjere [1:216].
Garg i Kappes su postavili eksperimentalne uvjete sa osam bežičnih klijenata povezanih ja jedan AP. AP je bio spojen na Ethernet LAN mrežu. U ovoj LAN mreži se nalazilo osam računala koji su služili kao krajnje točke za VoIP komunikaciju. Klijenti u WLAN-u su bili postavljeni u istu sobu bez prepreka. Očito je ovaj scenarij drukčiji od onoga navedenog u prijašnjoj simulaciji no broj VoIP tokova unutar WLAN-a će biti isti, dva VoIP toka po VoIP komunikaciji. Međutim, ovaj testbed je drukčiji jer postoji žičani dio. U svakom slučaju, ovaj scenarij je sličan infrastrukturnom modu u prijašnjoj simulaciji [1:216].
Po završetku eksperimenta, prvih pet poziva je imalo dobru kvalitetu. Kada se uspostavio šesti poziv povećalo se vrijeme obilaska paketa, no kvaliteta komunikacije još nije pala. Međutim, kada se uspostavio sedmi poziv svi razgovori su osjetili osjetan pad kvalitete [1:217].
Rezultati su prilično slični prijašnjoj simulaciji. U oba slučaja se kvaliteta pogoršala oko sedmog poziva [1:217].
Glavni rezultati analitičkog modela [1:217]:
- Kada se koriste kodeci G.729 ili G.723 broj poziva koji se može uspostaviti je veći nego kada se koristi G.711.
- Ako se koristi drukčija vrsta standarda, u ovom slučaju 802.11a sa 54Mbps brzinom, može se uspostaviti više poziva nego koristeći 11Mbps.
- Ako su intervalni okvir i veličina svakog paketa veći, onda se šalju veći fragmenti unutar svakog paketa te se broj uspješnih poziva povećava.
4.5.2 VoIP preko 802.11e
Zbog nedostatka mehanizama za pružanje QoS unutar standarda 802.11a/b/g, IEEE definira proširenje koje bi tim standardima trebalo omogućiti mehanizme za pružanje QoS. Ovo je standard 802.11e. Glavna razlika između 802.11e i prijašnjih standarda je u tome da su prijašnji davali fiksne vrijednosti uključenih parametara, dok su u 802.11e četiri parametra koja su podesiva [1:217]:
- AIFS - vrijeme koje kanal mora biti postavljen u stanje mirovanja prije nego počne s prijenosom. U prijašnjem standardu je bilo fiksno vrijeme ; DIFS.
- Contention Window minimum (CWmin) i Contention Window maximum (CWmax) - ako je u nekom trenu kanal zauzet, stanica će započeti sa periodom povlačenja. Period povlačenja je broj mjesta koje treba čekati prije nego se započne novi prijenos. Broj mjesta je definiran jednolikom distribucijom u intervalu [0,CW].
- Tx Opportunity (TXOP) - Jednom kad stanica dobije pristup kanalu, dobije odobrenje za slanje unutar vremena koje odredi TXOP parametar. Ako je ovaj parametar postavljen na 0, bit će dopušteno poslati samo jedan paket u tom trenu.
Dakle, gledajući u prethodne parametre lako je za shvatiti da se podešavanjem različitih parametara u svakoj pojedinoj stanici može osigurati QoS. Možemo dati veći prioritet slanju smanjivanjem AIFS-a ili izjednačavanjem CWmax= CWmin. Ovi parametri se ne mogu mijenjati unutar 802.11a/b/g jer su fiksni [1:218].
Provedeno je mnogo istraživanja nad 802.11e kako bi se pronašla optimalna konfiguracija za određene ciljeve. Korišten je eksperiment kako bi se usporedila poboljšanja koja je donio 802.11e nad 802.11b. Ponovno se koristio kodek G.711 te 80 bytni paketi generirani svakih 10ms. U ovom slučaju, promet se generirao sa alatom iperf. Kako bi razvili testbed promet je generiran kao što je prikazano na Slika 29. Ograničenja koja su postavljena: 50ms kašnjenja u jednom smjeru i maksimalni gubitak paketa 5% [1:218].
S ovim uvjetima bi se moglo uspostaviti osam VoIP poziva preko standarda 802.11b. Ono što je ovaj eksperiment pokušao je dobiti optimalnu konfiguraciju za podesive parametre u cilju poboljšanja VoIP poziva preko WLAN-a [1:218].
Slika 29 : testbed generator prometa
Sličan zaključak bi mogao biti proveden i u idealnom ad-hoc scenariju, kada su čvorovi vrlo blizu. U ovom slučaju je uspostavljeno 10 poziva istovremeno bez problema. Kada je dodan jedanaesti poziv kašnjenje i zastajkivanje su se povećavali dok nisu došli do nedopustivih razina. U ovom trenu LPR nije bio 0%. Bio je niskih 0.3%, no i to je bitno jer objašnjava zašto je kašnjenje bilo tako visoko [1:219].
Nema zaključaka u slučaju realnog ad-hoc scenarija. Razlog je to što se svaka simulacija ponašala drukčije. U realnom ad-hoc scenariju je vrlo bitno koji čvorovi započinju razgovor te preko kojih čvorova informacije teku [1:219].
Pokazana je mreža gdje sedam poziva može biti uspješno uspostavljeno, te druga situacija gdje su četiri poziva imala lošu kvalitetu. Nije pronađena nijedna simulacija u kojoj je uspostavljeno osam poziva bez problema [1:219].
Konačno, IEEE 802.11e standard je uveden kako bi se pružio QoS. Pokazano je kako je nadmašio rezultate dobivene sa 802.11b. Konkretno, prema ovim testiranjima poboljšanje ide od 8 do 11 poziva [1:219].