Результаты полевых испытаний по оценке производительности системы и качества предоставления дифференцированного сервиса в сети фиксированного широкополосного беспроводного доступа стандарта IEEE 802.16-2004 Fixed WiMAX на оборудовании MAXBridge 50 в диапазоне частот 5 ГГц. сентябрь 2009г. 1. Состав оборудования: - Базовая станция MAXBridge BS 50 – 1 шт, секторная антенна MTI 15dBi 120 град-1 шт. - Абонентская станция MAXBridge CPE 50 c интегрированной антенной 23 dBi – 3 шт. - контрольно-измерительное оборудование – End Point ( 4 шт)- компактные PC (ALIХ 500 MHz CPU, 256 MB RAM), OS Linux 2.6.28, ПО Iperf 2.0.4-pthreads, Ixia Performance Endpoint version 6.70. 2. Схема организации связи Рис.1 Схема организации связи. Параметры базовой станции MAXBridge BS 50: Frequency 5.6 GHz, Tx power= 20 dBm channel bandwidth BW =10 MHz, CP=1/16, Frame size =5 ms. Frame division – Adaptive при оценке пропускной способности BS Frame division –Fixed 50/50 – при оценке качества дифференцированного сервиса Convergent Sublayer – CS IPv4 over Ethernet Connection type - Bridged . QoS: BE, UGS. К базовой станции MAXBrige BS 50 на расстоянии 3.5, 2.5 и 1.5 км подключены три абонентские станции MAXBridge CPE 50. Параметры каналов связи представлены в таблице. CPE 00:50:C2:8E:90:67 (EVERYBODY) Status Uptime UL RSSI Flows UL UL Mod. DL Mod. CINR DL DL SS Tx RSSI CINR Pow Dist Active 7:49:53 2 view -64.25 dBm 24dB 64QAM3/4 64QAM3/4 -65 dBm 25dB 19 dBm 1.5Km 00:50:C2:8E:90:9A Active (FTcpe50) 7:49:53 4 view -65.25 dBm 24dB 64QAM3/4 64QAM3/4 -69 dBm 25dB 20 dBm 3.5Km 00:50:C2:8E:90:34 (EVERYBODY) 7:49:51 2 view -64.75 dBm 25dB 64QAM3/4 64QAM3/4 -67 dBm 28dB 20 dBm 2.5Km Active Disc На всех абонентских станциях (АС) модуляция 64QAM 3/4 установлена в Uplink ( UL) и Downlink ( DL) каналах. 1. Оценка пропускной способности сектора базовой станции MAXBridge BS 50. Измерения пропускной способности БС производилось программой Iperf между BS и CPE 1 на дальности LOS 3.5 км в режиме предоставления QoS Best Effort. При тестировании канала BS–CPE1 другие CPE 2 и CPE 3 не активны. Результаты измерений пропускной способности базовой станции ( канала связи BS – CPE 1) приведены в Таблице 1. Параметры Модуляция Simplex, Mbps, 5 Threads Duplex UL+DL , Mbps Задержка ICMP roundtrip, ms ping -c 1000 -f -q avg r-t ICMP flood test , % lost ping -c 1000 -f -q -s 1000 Max number of VoIP Pair G.711, MOS min >3.6 BW=10 МГц, СP=1/16, frame size =5 ms, Adaptive frame division DL 64QAM ¾ DL TCP 27.2 UL 64QAM ¾ DL UDP 28.2 UL TCP 22.3 TCP 27 UL UDP 22.8 UDP 28.9 21 0 80 pair ( 160 VoIP сессий ) Таблица 1. Пропускная способность базовой станции MAXBridge BS 50 и качество канала связи в QoS Best Effort Пропускная способность ( производительность сектора ) базовой станции MAXBridge BS 50 в канале связи шириной 10 МГц, frame size 5 ms, CP=1/16 при дуплексном трафике UL +DL в реальных полевых условиях составляет 29 Mbps при теоретическом максимуме ( при BW= 10 МГц, frame size 5 ms, CP=1/16 ) порядка 30.2- 33.7 Mbps в зависимости от типа и параметров пакетов данных. 2. Оценка качества канала связи системы MAXBridge Оценка качества канала связи производилось между BS и CPE 1 на дальности LOS 3.5 км. утилитой ping и программой Chariot. При тестировании канала BS–CPE 1 другие CPE 2 и CPE 3 не активны. Оценка качества канала связи BS-CPE в реальных условиях эксплуатации может проводиться путем: 1) определения максимального процента % потерь пакетов в ICMP flood тесте ping -c 1000 -f -q -s 1000. 2) определения с помощью программы Chariot максимального количества VoIP G.711 сессий, для которых обеспечивается значение показателя качества разборчивости речи MOS >3.6. Конечно, в процессе реальной эксплуатации обычно не стоит задача загрузки канала связи BS –CPE большим количеством VoIP сессий. Однако максимальное количество поддерживаемых VoIP сессий с требуемым качеством MOS является очень хорошим показателем качества канала связи той или иной системы. 2.1 Оценка качества канала связи в Cервис QoS Best Effort QoS Best Effort. без ограничений на максимальную скорость передачи данных предусматривает низкоприоритетное обслуживание без предоставления каких либо гарантий к значениям параметров качества канала связи. Тестирование системы в данном режиме дает оценку минимально гарантированного уровня качества сервиса ( в данном случае качества канала связи ), предоставляемого системой MAXBridge 50. Результаты измерений качества канала связи в режиме Best Effort приведены в Таблице 1. В процессе испытаний flood тест показал отсутствие потерь. Тестирование программой Chariot показало, что система MAXBridge 50 способна в реальных условиях в режиме BE поддерживать до 160 двухсторонних VoIP G.711 сессий с MOS >3.6. ( см. Рис 2 ) с обеспечением при такой экстремально высокой загрузке канала мелкими VoIP пакетами данных ( пакетная загрузка канала связи для 160 сессий G.771 составляет 13.6 тыс. Pps), значение задержки пакетов в среднем Average one way delay 12 ms ( см. Рис.2), значения jitter RFS 1889 не выше 5.3 ms ( Рис.2, 3 ) и процент потерянных пакетов в среднем 0,06 %.( Рис.4). Рис.2 Оценка MOS для 160 VoIP G.711 сессий в QoS Best Effort Рис. 3 Колебание задержки jitter для 160 VoIP G.711 сессий в QoS Best Effort Рис .4. Процент потерь пакетов данных для 160 VoIP G.711 сессий в QoS Best Effort. 2.2 Оценка качества канала связи в Предоставление сервиса QoS UGS QoS UGS. c ограничением на максимальную MIR и минимальную гарантированную скорость CIR предусматривает высокоприоритетное обслуживание передачи данных ( CIR=MIR) с гарантированной постоянной скоростью передачи данных CBR ( Constant Bit Rate ) c обеспечением требуемых параметров качества канала связи по задержке one way delay и колебанию задержки jitter. Тестирование системы в данном режиме дает оценку максимально возможного уровня качества сервиса, предоставляемого системой MAXBridge 50. Тестирование программой Chariot показало, что система MAXBridge 50 способна в реальных условиях в режиме QoS UGS с параметрами CIR=MIR = 6 Mbps, и оптимальным latency, определяющим tolerated jitter поддерживать 160 двухсторонних VoIP G.711 сессий с средним MOS = 4.39 , минимум MOS =4.13 (см. Рис. 5 ), параметрами one way delay в среднем 11 ms ( Рис. 6), параметрами jitter RFC 1889 в среднем 1.04 и не выше 2 ms (Рис.7 ) и процентом потерянных пакетов в среднем 0,003 % ( Рис.8). Рис.5 Оценка MOS для 160 VoIP G.711 сессий в QoS UGS Рис.6 Задержка One way delay для 160 VoIP G.711 сессий в QoS UGS Рис.7 Колебание задержки jitter для 160 для VoIP G.711 сессий в QoS UGS Рис.8 Процент потерь пакетов данных для 160 VoIP G.711 сессий в QoS UGS 3. Оценка качества предоставления дифференцированного сервиса Для предоставления дифференцированного сервиса с QOS пользователям (сетевым устройствам), подключенным к АС (в данном случае тестовым EndPoint ), на базовой станции MAXBridge BS 50 созданы два типа двунаправленных UL/DL Service Flow (SF) для обслуживания: - низкоприоритетного трафика типа FTP с классом обслуживания Best Effort ( BE) и ограничением на максимальную скорость передачи данных; - высокоприоритетного критичного к деградации скорости передачи данных, задержкам трафика типа VoIP, IPTV с классом обслуживания UGS. В качестве классификатора SF выбран IP Protocol type, в частности, применяется классификация трафика по типу протокола UDP(17), TCP(6). Для CPE 1 создан сервис продукт: Description (ID) Type QoS Summary ARQ Enabled Rx(1) RX BE - Prio: 0 - Max: 13000Kbps - Min: 0Kbps no Tx(2) TX BE - Prio: 0 - Max: 13000Kbps - Min: 0Kbps no RxUDP(3) RX UGS - Prio: 7 - Max: 2500Kbps - Min: 2500Kbps no TxUDP(4) TX UGS - Prio: 7 - Max: 2500Kbps - Min: 2500Kbps no Для CPE 1 используются Action два UL/DL Service Flow для FTP трафика с классом обслуживания BE, приоритетом = 0 (наименьший приоритет в группе), ограничением на максимальную скорость передачи данных UL =13 Mbps и DL=13 Mbps и два Service Flow для двунаправленного VoIP G.711 и IPTV трафика с классом обслуживания UGS, CBR ( Constant Bit Rate) = 2.5 MBps, приоритетом= 7 ( высокий приоритет). Для CPE 2 и CPE 3 для обслуживания FTP трафика используются одинаковые SF с классом обслуживания BE, приоритетом=0, без ограничения на максимальную скорость передачи данных ( формально UL/DL MIR =35Mbps ). Description (ID) Type QoS Summary ARQ Enabled rx_flow(1192) RX BE - Prio: 0 - Max: 35000Kbps – Min: 0Kbps no tx_flow(1) TX BE - Prio: 0 - Max: 35000Kbps - Min: 0Kbps no Action При тестировании между EndPoint 1 CPE1 -> EndPoint 2 СPE2, CPE1 -> CPE2, CPE2 ->CPE3 ( см. Рис1 ) c помощью программы Iperf передается FTP-подобный TCP- трафик, обеспечивающий загрузку БС дуплексным трафиком 4 Mbps DL + 4 Mbps UL (см. Рис. 9). Одновременно с FTP трафиком между EndPoint 4 БС и EndPoint 1 CPE1 с помощью программы Chariot передается 4 пары ( 8 сессий ) VoIP G.711 трафика (4 x 88 Kbps dupleх) и две сессии ( DL+UL ) IPTV трафика ( 2x 1584 Kbps dupleх). Таким образом, суммарная загрузка канала БС составляет 8 Mbps дуплексным FTP трафиком и 1.5 Mbps + 256 Kbps высокоприоритетным дуплексным трафиком. На рис.9 приведен график загрузка БС трафиком. Рис 9. Загрузка БС трафиком Система MAXBridge 50 селектирует в общем потоке UDP трафик и, несмотря на высокую загрузку БС трафиком TCP FTP, обеспечивает: -для сервиса VoIP G.711 ( UDP трафик ) требуемое качество обслуживания MOS =4.39 (оценка разборчивости речи ) (см. Рис. 10) с допустимыми уровнями задержки Average one way delay в среднем 11 ms и колебанием задержки jitter RFS 1889 в среднем 1,59 ms (см.Рис. 11, 12). Для сравнения, например, требуемое среднее значение MOS для сетей G.711 (ISDN) равно 4.30, для VoIP G.729 - MOS= 3.92. - для сервиса IPTV качество обслуживания двунаправленного UDP трафика, оцениваемое % потерь lost data в среднем 0.08% ( рис.13) при поддержке требуемого CBR( Constant Bit Rate). Рис.10 Показатель качества речи MOS для VoIP G.711 Рис.11 Задержка в канале BS – CPE 1 Рис. 12 Колебание задержки Jitter в канале BS –CPE1 cогласно RFS 1889 Рис. 13 Процент потерянных пакетов данных в канале BS –CPE 1 Таким образом, cистема MAXBridge 50 обеспечивает при полной загрузке трафиком сектора базовой станции предоставление приоритетных мультимедийных услуг типа VoIP, IPTV c показателями качества: - разборчивость речи MOS =4.39 для не менее 8 сессий G.711 VoIP; - сохранение значений задержки one-way delay для приоритетных услуг при высокой загрузке канала связи; - допустимое ( низкое) значение колебания задержки jitter RFC 1889 для приоритетных услуг при высокой загрузке канала связи; -допустимое ( низкое) значение потерь пакетов данных lost data для приоритетных услуг при высокой загрузке канала связи. Выводы: 1) Пропускная способность канала связи ( производительность ) системы MAXBridge 50 соответствует спектральной эффективности 3 Bit/s/Hz, что в канале шириной 10 МГц составляет 30 Mbps. 2) Канал связи системы MAXBridge 50 обеспечивает высококачественную передачу TCP/IP/UDP трафика (data, voice, video ). 3) Система MAXBridge 50 поддерживает дифференциацию сервиса и обеспечивает требуемые параметры качества обслуживания для различных сервисов по передаче данных data, телефонии voice и видео video информации при полной загрузке трафиком сектора базовой станции. Полученные результаты испытаний показывают, что система MAXBridge 50 может успешно использоваться для предоставления услуг в мультисервисной сети.