QoS w sieciach MANET dla głosu, wideo i telemetrii

Ruch głosowy, wideo na żywo, dane telemetryczne i polecenia często muszą korzystać z tych samych łączy bezprzewodowych w mobilnej sieci ad hoc, a mimo to nie tolerują zatorów w ten sam sposób. Wideo wymaga stałej pojemności, podczas gdy ruch głosowy i sterujący może stać się bezużyteczny, gdy wzrosną opóźnienia, wahania lub utrata pakietów.

MANET QoS rozwiązuje ten problem, zapewniając odpowiednie traktowanie różnych typów ruchu, takich jak trasy, jakość łącza i zmiany dostępnej przepustowości. Zrozumienie, jak ustalać priorytety, zarządzać wydajnością wielu przeskoków, wielkością pojemności radiowej i testować w realistycznych warunkach mobilności, pomaga zachować użyteczność krytycznej komunikacji, gdy warunki sieciowe stają się nieprzewidywalne.

 

Głos, wideo i telemetria wymagają innego traktowania QoS

Głos zależy bardziej od czasu niż przepustowości

Ruch głosowy i usługi „Naciśnij i mów” zwykle wymagają znacznie mniejszej pojemności niż przekaz wideo w wysokiej rozdzielczości, ale mogą stać się bezużyteczne znacznie wcześniej, gdy pogorszy się taktowanie sieci. Pakiety, które docierają za późno, niewiele wnoszą do rozmowy w czasie rzeczywistym, podczas gdy niestabilne interwały nadejścia zmuszają odbiorniki do pochłaniania większych opóźnień lub akceptowania słyszalnych przerw.

W przypadku mowy interaktywnej całkowite opóźnienie należy zatem traktować jako podstawową zmienną projektową. Utrzymywanie jednokierunkowego opóźnienia na poziomie około 150 ms lub poniżej jest powszechnie stosowanym celem w celu utrzymania naturalnej interakcji konwersacyjnej, chociaż akceptowalna wartość zależy od aplikacji. Jitter również ma znaczenie, ponieważ zmiana interwałów nadejścia pakietów może wskazywać na przeciążenie i wymuszać większe bufory odbiorcze.

W przypadku MANET QoS oznacza to, że ochrona kolejek głosowych przed długimi oczekiwaniami jest często bardziej wartościowa niż przydzielanie im dużej części całkowitej przepustowości. Łącze o dużej teoretycznej przepustowości może nadal generować słabą jakość mowy, jeśli kolejki przekazywania lub retransmisje powodują nieprzewidywalne opóźnienia.

Wideo wymaga stałej pojemności bez przejmowania łącza

Wideo na żywo ma inny profil. Wymaga stałej przepustowości, ale użyteczna jakość zależy również od strat, opóźnień i spójności dostaw. Jeśli strumień nie może uzyskać wystarczającej pojemności, skutki mogą objawiać się zmniejszoną rozdzielczością, spadkami klatek, artefaktami kompresji, zawieszaniem się lub rosnącą luką między zdarzeniem a tym, co widzi operator.

Należy także odróżnić wideo sytuacyjne w czasie rzeczywistym od buforowanego przesyłania strumieniowego rozrywki. Buforowany odtwarzacz może zamienić opóźnienie na płynne odtwarzanie. Kamera UAV, obraz ze zdalnej inspekcji lub strumień obserwacji taktycznej zwykle nie są w stanie zgromadzić kilkusekundowego bufora bez zmniejszenia wartości operacyjnej.

Przydatna jest tutaj adaptacja stawki. Aplikacje wideo działające w czasie rzeczywistym mogą zmniejszyć szybkość transmisji, gdy dostępna pojemność spada lub wzrasta przeciążenie. W mieszanym MANET często lepiej jest obniżyć szybkość transmisji wideo niż pozwolić koderowi na zapełnianie kolejek do czasu, aż gwałtownie wzrośnie opóźnienie głosu lub sterowania.

Telemetria i sterowanie mogą być niewielkie, ale ważniejsze

Rozmiar pakietu jest słabym wskaźnikiem priorytetu. Instrukcja sterująca lub aktualizacja nawigacji może zawierać tylko kilka bajtów, ale opóźnione polecenie może mieć większe znaczenie niż tysiące pakietów wideo.

Rutynowa telemetria oraz ruch dowodzenia i kontroli nie powinny być automatycznie traktowane jako jedna klasa. Okresowe aktualizacje temperatury, baterii lub stanu mogą tolerować niewielkie opóźnienia. Komunikaty kontroli lotu, polecenia sterowania, alarmy bezpieczeństwa lub inne interaktywne instrukcje mogą wymagać znacznie bardziej przewidywalnego przekazywania.

Przydatną zasadą MANET QoS jest uszeregowanie ruchu według konsekwencji spóźnionych lub brakujących informacji, a nie według zużycia przepustowości.

 

Zbuduj politykę priorytetową, która nadal sprawdza się w przypadku zatorów komunikacyjnych

Zdecyduj, który ruch będzie chroniony w pierwszej kolejności

Przydatna polityka priorytetów rozpoczyna się, zanim wystąpią zatory. Zamiast oznaczać każdą aplikację działającą w czasie rzeczywistym jako „wysoki priorytet”, zdecyduj, co musi pozostać responsywne, gdy sieć radiowa nie jest w stanie obsłużyć całego oferowanego ruchu.

Reprezentatywna hierarchia może na pierwszym miejscu umieścić ruch poleceń o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa, a następnie interaktywny głos i niezbędną telemetrię, jednocześnie pozwalając, aby wideo zajmowało większą część pozostałej pojemności. Porządek ten nie jest uniwersalny. W bezzałogowym statku powietrznym pewien ruch kontroli lotu może wyraźnie przewyższać głos PTT; inne wdrożenie może sprawić, że komunikacja z operatorem będzie ważniejsza niż rutynowe aktualizacje czujników.

DSCP lub porównywalna klasyfikacja może wspierać tę politykę, ale oznaczanie pakietów to jedynie etap identyfikacji. Telefonia, sygnalizacja, konferencje multimedialne, interaktywny ruch w czasie rzeczywistym, media strumieniowe i dane w tle mają różne wymagania dotyczące wydajności, dlatego zastosowanie jednego sposobu przekazywania dla każdego pakietu zapewnia niewielką ochronę, gdy zaczyna się przeciążenie.

Zapobiegaj blokowaniu mniejszych, krytycznych przepływów wideo o dużej przepływności

Priorytet bez kontroli ruchu może stworzyć kolejny problem: przeciążona klasa o wysokim priorytecie może zużywać zasoby przeznaczone do ochrony wszystkiego innego.

Silniejsza polityka MANET QoS łączy klasyfikację z planowaniem kolejek, alokacją przepustowości, kształtowaniem lub limitami szybkości oraz kontrolą dostępu, jeśli platforma je obsługuje. Osoby planujące mogą nakładać minimalne lub maksymalne stawki na kolejki, umożliwiając sieci ochronę krytycznych przepływów bez udostępniania nieograniczonej przepustowości jednej klasie.

Wideo jest najwyraźniejszym przykładem. W sprzyjających warunkach można zezwolić na wykorzystanie znacznych wolnych mocy produkcyjnych, jednakże ich maksymalna stawka może zostać ograniczona w przypadku konkurowania ze sobą kilku usług czasu rzeczywistego. Kodowanie adaptacyjne zapewnia dodatkową reakcję: zamiast tworzyć długą kolejkę wideo w przypadku spadku wydajności, aplikacja może obniżyć przepływność i zachować terminowość dostarczania mniejszych przepływów krytycznych.

 

Zachowaj przydatność funkcji QoS w przypadku zmiany tras i warunków łączy

Oceniaj QoS od końca do końca, a nie jeden przeskok na raz

Pomiary w trybie pojedynczego przeskoku są przydatne, ale aplikacje uwzględniają całą trasę.

Każdy dodatkowy przekaźnik może wprowadzić rywalizację o dostęp do medium, czas przetwarzania, kolejkowanie, retransmisje i kolejną możliwość wystąpienia zakłóceń lub słabych warunków sygnału. Przeskok radiowy trwający sześć milisekund nie oznacza ścieżki aplikacji trwającej sześć milisekund, jeśli pakiet musi przejść przez kilka obciążonych przekaźników.

Z tego powodu MANET QoS należy oceniać za pomocą kompleksowych pomiarów. Średnie opóźnienie jest przydatne do ustalenia wartości bazowej, ale obserwacje percentylowe lub najgorsze przypadki ujawniają krótkie skoki, które mogą zakłócać mowę, opóźniać polecenia lub sprawiać wrażenie oderwania przekazu wideo na żywo od rzeczywistych wydarzeń. Jitter powinien być również obserwowany w miarę upływu czasu, ponieważ zmiany taktowania pakietu mogą szybko się zmieniać w wyniku zatorów, warunków na trasie i zmiany jakości sygnału radiowego.

Nie wybieraj tras wyłącznie na podstawie liczby przeskoków

Ścieżka z trzema przeskokami niekoniecznie jest lepsza niż ścieżka z czterema przeskokami. Jedno z tych trzech łączy może być przeciążone, niestabilne, silnie zakłócane lub działać na granicy użytecznych warunków RF.

Dlatego decyzje dotyczące routingu, które wspierają wydajność w czasie rzeczywistym, powinny uwzględniać coś więcej niż tylko odległość wyrażoną jako liczba przeskoków. Odpowiednie dane wejściowe mogą obejmować dostępną przepustowość, utratę pakietów, jakość łącza, bieżące przeciążenie, opóźnienie i prawdopodobieństwo, że łącze pozostanie użyteczne w miarę przemieszczania się węzłów.

Efektywna przepustowość łącza musi również uwzględniać straty spowodowane dostępem do medium, retransmisją i zmieniającymi się warunkami RF. Zmiany topologii i mobilność mają dalszy wpływ na obliczenia. Dlatego najkrótsza wyglądająca ścieżka może być niewłaściwą ścieżką, jeśli jeden przekaźnik stanie się wąskim gardłem.

Traktuj odzyskiwanie trasy jako część QoS

Mobilność dodaje kolejny wskaźnik, który czasami pomijany jest w konwencjonalnych dyskusjach na temat QoS: czas odzyskiwania.

Kiedy ruchomy węzeł przerywa aktywną trasę, istotnym pytaniem nie jest tylko to, czy w końcu istnieje alternatywna ścieżka. Operatorzy muszą wiedzieć, jak długo następuje przerwa w przekazie głosu, ile aktualizacji telemetrycznych pominięto, czy reakcja na polecenia została wstrzymana i ile czasu zajmuje wznowienie transmisji wideo.

Twarde, kompleksowe gwarancje są trudne, gdy topologia i warunki RF mogą szybko się zmieniać. Bardziej praktycznym celem MANET QoS jest przewidywalne różnicowanie połączone z szybką adaptacją. Sieć powinna rozpoznać pogorszenie jakości ścieżki, znaleźć użyteczną alternatywę i przywrócić ruch o wyższym priorytecie, zanim krótka zmiana topologii przerodzi się w długą przerwę w działaniu aplikacji.

 

Upewnij się, że sieć radiowa obsługuje politykę QoS

Rozmiar pojemności dla jednoczesnego ruchu, a nie roszczeń dotyczących szczytowej szybkości transmisji danych

Planowanie QoS nie zapewnia przepustowości radiowej. Przed przypisaniem kolejek oszacuj ruch, który faktycznie będzie współistniał.

Model wdrożenia może obejmować dwa transmisje wideo na żywo, kilku użytkowników PTT, cykliczną telemetrię, ruch poleceń, narzut związany z routingiem i sporadyczne przesyłanie plików. Planowanie przepustowości powinno zatem obejmować margines na retransmisję, zmianę modulacji, zakłócenia, mobilność i przekazywanie siatki, zamiast zakładać, że każde łącze stale działa z najlepszą szybkością transmisji danych.

Na szczególną uwagę zasługują węzły przekaźnikowe. Radio, które wydaje się lekko obciążone jako punkt końcowy, może stać się wąskim gardłem, gdy przekazuje ruch z kilku innych węzłów. W miarę zmiany siatki ten punkt agregacji może również się przesuwać. Planowanie MANET QoS w oparciu o same nominalne stawki źródłowe może zatem ukryć punkt, w którym po raz pierwszy wystąpią zatory.

Spójrz poza ustawienia QoS na zachowanie RF i siatki

Konfiguracja kolejki opiera się na przepustowości udostępnianej przez warstwę bezprzewodową. Techniki MIMO, zachowanie modulacji, zarządzanie zakłóceniami, wybór kanału i odporność routingu – wszystko to wpływa na ilość użytecznej przepustowości dostępnej dla planisty ruchu.

WDS MIMOmesh zapewnia jeden przykład tego, jak to zrobić adaptacyjny MANET QoS może współpracować z siecią MIMO, dynamicznym routingiem i łącznością typu multi-hop.

Łączy w sobie sieci MANET i MIMO z adaptacyjnymi szybkościami transmisji danych QoS, dynamicznym routingiem w warstwie 2 lub warstwie 3, obsługą przekaźników typu multi-hop i modulacją adaptacyjną. Obsługiwane jest średnie jednokierunkowe opóźnienie pojedynczego przeskoku wynoszące 6 ms przy szerokości pasma 20 MHz, a także skanowanie widma, inteligentny wybór częstotliwości i możliwości adaptacyjnego przeskakiwania częstotliwości. Te cechy nie zastępują polityki QoS, ale pomagają ustalić warunki RF i routingu, w których ta polityka działa.

Ta sama zasada dotyczy systemów pokładowych. WDS DDLmesh może przesyłać wideo HD wraz z dwukierunkową kontrolą lotu, GPS, głosem i innymi danymi. Adaptacyjne szybkości transmisji danych QoS, routing dynamiczny, możliwości przekazywania wielu przeskoków i średnie jednokierunkowe opóźnienie pojedynczego przeskoku wynoszące 6 ms przy częstotliwości 20 MHz pomagają obsługiwać ruch mieszany w zmieniającej się topologii sieci bezprzewodowej. Dlatego wymagania aplikacji i zachowanie radia należy projektować razem, a nie traktować jako osobne zadania.

 

Przetestuj MANET QoS w warunkach, które faktycznie powodują awarię

Uruchamiaj jednocześnie głos, wideo i telemetrię

Testowanie każdej aplikacji z osobna daje uspokajające liczby, które mogą zniknąć, gdy tylko sieć przeniesie realne obciążenie.

Znaczący test MANET QoS powinien jednocześnie generować głos lub PTT, wideo na żywo, telemetrię, ruch poleceń i reprezentatywne dane w tle. Oferowane obciążenie można następnie zwiększać w kontrolowanych krokach, aż zaczną się tworzyć kolejki lub dostępna pojemność radiowa spadnie poniżej zapotrzebowania.

Kluczową obserwacją nie jest po prostu osiągnięta maksymalna przepustowość. Inżynierowie powinni rejestrować, która aplikacja ulega degradacji jako pierwsza. Jeśli wideo zużywa łącze do czasu wzrostu opóźnienia poleceń, model priorytetów nie robi tego, do czego został zaprojektowany. Jeśli szybkość transmisji wideo spada, a pakiety poleceń i mowa pozostają aktualne, system wykazuje zamierzone zachowanie.

Dodaj mobilność, dodatkowe przeskoki i stres RF

Następnym etapem jest celowe zakłócanie sieci. Porównaj połączenie bezpośrednie ze ścieżkami dwu-, trzy- i wieloprzeskokowymi. Przesuwaj węzły, aż aktywne łącza się zmienią. Dodaj przeszkody lub zakłócenia, zmniejsz margines sygnału i umieść jednoczesny ruch przez ten sam przekaźnik.

Zmierz kompleksowe opóźnienia, wahania, utratę pakietów, użyteczną przepustowość i czas odzyskiwania trasy w trakcie testu. Obserwacje na poziomie aplikacji są równie ważne: zauważaj przerwy w głosie, zawieszanie się lub opóźnienia wideo, nieregularne interwały telemetrii i opóźnione reakcje na polecenia.

Testowanie w warunkach zmieniającej się topologii, zmiennej przepustowości łącza, realistycznych wzorców ruchu i mobilności węzłów ujawnia problemy, które pozostają ukryte w warunkach statycznych. Zapewnia także bardziej reprezentatywny obraz zachowania sieci bezprzewodowej z wieloma przeskokami po wdrożeniu niż test prędkości w stanie bezczynności lub test porównawczy stałego pojedynczego łącza.

Zdefiniuj sukces jako pełną wdzięku degradację

Solidna sieć komórkowa nie musi utrzymywać maksymalnej wydajności dla każdej usługi w każdych możliwych warunkach. Musi zawieść w kontrolowanej kolejności.

W przypadku dużego przeciążenia koder wideo może spaść do niższej szybkości transmisji bitów lub liczby klatek na sekundę. Transfery w tle mogą znacznie spowolnić. Rutynowa telemetria może tolerować nieco dłuższe interwały. Jednakże krytyczne pakiety kontrolne i głos powinny w dalszym ciągu być traktowane zgodnie z polityką misji.

Jest to bardziej przydatne kryterium akceptacji MANET QoS niż główna wartość przepustowości:

Końcowy test powinien wypchnąć sieć poza komfortowe warunki działania. Kiedy niedobór zasobów staje się nieunikniony, zachowanie klas ruchu pokazuje, czy projekt QoS faktycznie chroni priorytety operacyjne.

 

Wniosek

Skuteczny MANET QoS zależy od dopasowania zasobów sieciowych do różnych potrzeb w zakresie transmisji głosu, wideo, telemetrii i ruchu sterującego. Ustalanie priorytetów, planowanie przepustowości, odporność tras i realistyczne testowanie wielu przeskoków – wszystko to pomaga zachować użyteczność krytycznej komunikacji, gdy zatory, mobilność lub zakłócenia zmieniają warunki sieci.

Shenzhen Sinosun Technology Co., Ltd. oferuje rozwiązania MANET i bezprzewodowe łącze danych przeznaczone do mieszanej transmisji wideo, głosu i danych. Łącząc możliwości adaptacyjnej QoS z dynamicznym routingiem i łącznością typu multi-hop, systemy te mogą pomóc operatorom w utrzymaniu bardziej przewidywalnej komunikacji, jednocześnie lepiej wykorzystując dostępną przepustowość sieci bezprzewodowej.

 

Często zadawane pytania

P: Co poprawia MANET QoS w mobilnej sieci ad hoc?

Odp.: MANET QoS pomaga ustalać priorytety ruchu zgodnie z potrzebami aplikacji, zmniejszając wpływ zatorów na wrażliwy na opóźnienia głos, obraz na żywo, telemetrię i komunikację poleceń.

P: Które wskaźniki QoS mają największe znaczenie w przypadku głosu i obrazu w sieciach MANET?

Odp.: Opóźnienie, wahania, utrata pakietów i użyteczna przepustowość to główne wskaźniki. Głos jest szczególnie wrażliwy na opóźnienia, podczas gdy wideo zależy w większym stopniu od stałej przepustowości i spójności dostarczania.

P: Dlaczego w sieciach MANET trudniej jest utrzymać QoS?

Odp.: Węzły mobilne stale zmieniają topologię sieci i jakość tras. Zakłócenia, ograniczona przepustowość sieci bezprzewodowej, przekazywanie wielu przeskoków i retransmisje również mogą w krótkim czasie zmienić wydajność aplikacji.

P: Czy głos, wideo i telemetria powinny mieć ten sam priorytet?

O: Nie. Priorytet powinien odzwierciedlać znaczenie operacyjne i zachowanie w ruchu drogowym. Ruch poleceń może wymagać najniższego opóźnienia, głos wymaga przewidywalnego taktowania, podczas gdy wideo często toleruje adaptacyjne redukcje szybkości transmisji.

P: Jak należy testować wydajność MANET QoS?

Odp.: Przetestuj ruch mieszany w realistycznych warunkach przeciążenia, mobilności, zakłóceń i wielu przeskoków. Mierz kompleksowe opóźnienia, wahania, straty, przepustowość, przywracanie tras i zachowanie aplikacji podczas zmian w sieci.