QoS i MANET-nätverk för röst, video och telemetri

Röst-, livevideo-, telemetri- och kommandotrafik måste ofta dela samma trådlösa länkar i ett mobilt ad hoc-nätverk, men de tolererar inte trängsel på samma sätt. Video behöver bibehållen kapacitet, medan röst- och kontrolltrafik kan bli oanvändbara när latens, jitter eller paketförlust ökar.

MANET QoS löser detta problem genom att ge olika trafiktyper lämplig behandling då rutter, länkkvalitet och tillgänglig bandbredd ändras. Att förstå hur man ställer in prioriteringar, hanterar multi-hop-prestanda, storlek på radiokapacitet och testar under realistisk mobilitet hjälper till att hålla kritisk kommunikation användbar när nätverksförhållandena blir oförutsägbara.

 

Röst, video och telemetri behöver annan QoS-behandling

Röst beror mer på timing än bandbredd

Röst- och push-to-talk-trafik kräver vanligtvis mycket mindre kapacitet än ett högupplöst videoflöde, men de kan bli oanvändbara mycket tidigare när nätverkets timing försämras. Paket som kommer för sent gör lite nytta för en realtidskonversation, medan instabila ankomstintervall tvingar mottagare att absorbera mer fördröjning eller acceptera hörbara luckor.

För interaktivt tal bör fördröjning från ände till ände därför behandlas som en primär designvariabel. Att hålla envägslatens runt eller under 150 ms är ett vanligt mål för att upprätthålla naturlig samtalsinteraktion, även om det acceptabla värdet beror på applikationen. Jitter spelar också roll eftersom ändrade paketankomstintervall kan indikera överbelastning och tvinga fram större mottagningsbuffertar.

För MANET QoS betyder det att det ofta är mer värdefullt att skydda röstköer från långa väntetider än att tilldela dem en stor andel av den totala bandbredden. En länk med mycket teoretisk genomströmning kan fortfarande producera dåligt tal om reläköer eller omsändningar skapar oförutsägbar fördröjning.

Video behöver bibehållen kapacitet utan att ta över länken

Livevideo har en annan profil. Den behöver uthållig genomströmning, men användbar kvalitet beror också på förlust, fördröjning och leveranskonsistens. Om en ström inte kan få tillräckligt med kapacitet kan effekterna uppträda som minskad upplösning, ramfall, kompressionsartefakter, frysningar eller ett ökande gap mellan händelsen och vad operatören ser.

Realtidssituationsvideo bör också särskiljas från buffrad underhållningsströmning. En buffrad spelare kan byta ut fördröjning för smidig uppspelning. En UAV-kamera, fjärrinspektionsflöde eller taktisk observationsström kan vanligtvis inte ackumulera flera sekunders buffert utan att minska operativt värde.

Prisanpassning är användbar här. Realtidsvideoapplikationer kan minska sin överföringshastighet när den tillgängliga kapaciteten minskar eller trängseln ökar. I ett blandat MANET är en sänkning av videobithastigheten ofta att föredra framför att låta kodaren fortsätta att fylla köer tills röst- eller kontrolllatensen ökar kraftigt.

Telemetri och kontroll kan vara litet men viktigare

Paketstorlek är en dålig indikator på prioritet. En kontrollinstruktion eller navigeringsuppdatering kan bara innehålla ett fåtal byte, men ett fördröjt kommando kan betyda mer än tusentals videopaket.

Rutinmässig telemetri och kommando-och-kontrolltrafik bör inte automatiskt behandlas som en klass. Periodiska temperatur-, batteri- eller statusuppdateringar kan tolerera blygsamma fördröjningar. Flygkontrollmeddelanden, styrkommandon, säkerhetsvarningar eller andra interaktiva instruktioner kan kräva mycket mer förutsägbar vidarebefordran.

Den användbara regeln för MANET QoS är att rangordna trafiken efter konsekvensen av sen eller saknad information snarare än bandbreddsförbrukning.

 

Bygg en prioriterad policy som fortfarande fungerar under trängsel

Bestäm vilken trafik som ska skyddas först

En användbar prioriteringspolicy börjar innan trängsel uppstår. Istället för att märka varje realtidsapplikation som 'hög prioritet', bestäm vad som måste förbli responsivt när radionätverket inte kan tillfredsställa all erbjuden trafik.

En representativ hierarki kan placera säkerhetskritisk kommandotrafik i första hand, följt av interaktiv röst och viktig telemetri, samtidigt som video kan konsumera en större del av den återstående kapaciteten. Den ordningen är inte universell. I ett obemannat flygplan kan viss flygkontrolltrafik klart överträffa PTT-röst; en annan implementering kan göra operatörskommunikation viktigare än rutinmässiga sensoruppdateringar.

DSCP eller jämförbar klassificering kan stödja policyn, men paketmärkning är bara identifieringssteget. Telefoni, signalering, multimediakonferenser, interaktiv realtidstrafik, strömmande media och bakgrundsdata har olika prestandakrav, så att tillämpa en vidarekopplingsbehandling för varje paket ger lite skydd när trängseln börjar.

Förhindra video med hög bithastighet från att svälta mindre kritiska flöden

Prioritet utan trafikkontroll kan skapa ytterligare ett problem: en överbelastad högprioriterad klass kan förbruka de resurser som är avsedda att skydda allt annat.

En starkare MANET QoS-policy kombinerar klassificering med köschemaläggning, bandbreddsallokering, form- eller hastighetsbegränsningar och tillträdeskontroll där plattformen stöder dem. Schemaläggare kan införa lägsta eller maximala priser på köer, vilket gör att nätverket kan skydda kritiska flöden utan att lämna obegränsad kapacitet till en enda klass.

Video är det tydligaste exemplet. Det kan vara tillåtet att använda betydande ledig kapacitet under gynnsamma förhållanden, men dess maximala hastighet kan begränsas när flera realtidstjänster konkurrerar. Adaptiv kodning ger ett ytterligare svar: snarare än att bygga en lång videokö under en kapacitetsnedgång kan applikationen sänka sin bithastighet och bevara snabb leverans för mindre kritiska flöden.

 

Håll QoS användbar när rutter och länkvillkor ändras

Domare QoS End to End, inte ett hopp i taget

Engångsmätningar är användbara, men applikationer upplever hela rutten.

Varje ytterligare relä kan introducera konflikt med medelåtkomst, bearbetningstid, köbildning, återsändningar och ytterligare en möjlighet för störningar eller svaga signalförhållanden. Ett sex millisekunders radiohopp innebär inte en sex millisekunders applikationsväg om ett paket måste passera flera laddade reläer.

Av den anledningen bör MANET QoS utvärderas med hjälp av end-to-end-mätningar. Genomsnittlig latens är användbar för att fastställa en baslinje, men observationer i procent eller värsta fall avslöjar de korta topparna som kan störa tal, fördröja kommandon eller få ett livevideoflöde att känna sig fristående från verkliga händelser. Jitter bör också observeras över tid eftersom variationer i pakettid kan ändras snabbt när trafikstockningar, ruttförhållanden och RF-kvalitet förändras.

Välj inte rutter av Hop Count Alone

En väg med tre hopp är inte nödvändigtvis bättre än en väg med fyra hopp. En av dessa tre länkar kan vara överbelastad, instabil, kraftigt störd eller fungera nära kanten av användbara RF-förhållanden.

Routingbeslut som stöder realtidsprestanda bör därför beakta mer än distans uttryckt som hoppräkning. Relevanta indata kan inkludera tillgänglig kapacitet, paketförlust, länkkvalitet, strömstockning, fördröjning och sannolikheten att en länk kommer att förbli användbar när noder rör sig.

Effektiv länkkapacitet måste också ta hänsyn till förluster orsakade av mediumaccess, återsändningar och ändrade RF-förhållanden. Topologiförändringar och rörlighet påverkar beräkningen ytterligare. Den kortaste vägen kan därför vara fel väg om ett relä blir flaskhalsen.

Behandla ruttåterställning som en del av QoS

Mobilitet lägger till ytterligare ett mått som konventionella QoS-diskussioner ibland förbiser: återhämtningstid.

När en rörlig nod bryter en aktiv rutt är den relevanta frågan inte bara om en alternativ väg så småningom existerar. Operatörer behöver veta hur länge rösten avbryts, hur många telemetriuppdateringar som missas, om kommandosvaret pausas och hur lång tid det tar att återuppta video.

Hårda end-to-end-garantier är svåra när topologi och RF-förhållanden kan förändras snabbt. Ett mer praktiskt MANET QoS-mål är förutsägbar differentiering i kombination med snabb anpassning. Nätverket bör känna igen vägförsämringar, hitta ett användbart alternativ och återställa högre prioritet trafik innan en kort topologiändring blir ett långt applikationsavbrott.

 

Se till att radionätverket kan stödja QoS-policyn

Storlekskapacitet för samtidig trafik, inte toppdatahastighetsanspråk

QoS-schemaläggning kan inte tillverka radiokapacitet. Innan du tilldelar köer, uppskatta trafiken som faktiskt kommer att existera.

En implementeringsmodell kan inkludera två livevideoflöden, flera PTT-användare, återkommande telemetri, kommandotrafik, routingoverhead och enstaka filöverföringar. Kapacitetsplanering bör då inkludera marginal för återsändningar, ändring av modulering, interferens, mobilitet och mesh-vidarebefordran snarare än att anta att varje länk kontinuerligt fungerar med sin bästa datahastighet.

Relänoder förtjänar särskild uppmärksamhet. En radio som verkar lätt laddad som en slutpunkt kan bli en flaskhals när den vidarebefordrar trafik från flera andra noder. När nätet ändras kan den aggregationspunkten också flyttas. Planering av MANET QoS kring enbart nominella källhastigheter kan därför dölja punkten där överbelastning först kommer att inträffa.

Titta bortom QoS-inställningarna till RF och Mesh Beteende

Kökonfigurationen fungerar på den kapacitet som det trådlösa lagret gör tillgängligt. MIMO-tekniker, moduleringsbeteende, störningshantering, kanalval och routingförmåga påverkar alla hur mycket användbar kapacitet som är tillgänglig för trafikschemaläggaren.

WDS MIMOmesh ger ett exempel på hur adaptiv MANET QoS kan fungera tillsammans med MIMO-nätverk, dynamisk routing och multi-hop-anslutning.

Den kombinerar MANET- och MIMO-nätverk med adaptiva QoS-datahastigheter, dynamisk Layer 2 eller Layer 3 routing, multi-hop relädrift och adaptiv modulering. En genomsnittlig enkelvägsfördröjning på 6 ms vid 20 MHz bandbredd stöds tillsammans med spektrumskanning, intelligent frekvensval och adaptiva frekvenshoppningsmöjligheter. Dessa egenskaper ersätter inte QoS-policyn, men de hjälper till att fastställa RF- och routingvillkoren under vilka policyn fungerar.

Samma princip gäller för luftburna system. WDS DDLmesh kan bära HD-video tillsammans med dubbelriktad flygkontroll, GPS, röst och annan data. Adaptiva QoS-datahastigheter, dynamisk routing, multi-hop reläkapacitet och en genomsnittlig 6 ms enkelvägsfördröjning på 20 MHz hjälper till att stödja blandad trafik över en föränderlig trådlös topologi. Applikationskrav och radiobeteende måste därför konstrueras tillsammans snarare än att behandlas som separata uppgifter.

 

Testa MANET QoS under de förhållanden som faktiskt orsakar fel

Kör röst, video och telemetri tillsammans

Att testa varje applikation separat ger betryggande siffror som kan försvinna så snart nätverketvinna så snart nätverket har en realistisk arbetsbelastning.

Ett meningsfullt MANET QoS-test bör generera röst- eller PTT, livevideo, telemetri, kommandotrafik och representativ bakgrundsdata samtidigt. Erbjuden last kan sedan höjas i kontrollerade steg tills köer börjar byggas eller tillgänglig radiokapacitet faller under efterfrågan.

Den viktigaste observationen är inte bara den maximala genomströmningen som uppnås. Ingenjörer bör registrera vilken applikation som förstörs. Om video förbrukar länken tills kommandofördröjningen ökar, gör inte prioritetsmodellen vad den var designad för att göra. Om videobithastigheten minskar medan kommandopaket och tal förblir aktuella, visar systemet det avsedda beteendet.

Lägg till rörlighet, extra humle och RF-stress

Nästa steg är att störa nätverket medvetet. Jämför en direkt anslutning med två-, tre- och flerhoppsbanor. Flytta noder tills aktiva länkar ändras. Lägg till hinder eller störningar, minska signalmarginalen och placera samtidig trafik genom samma relä.

Mät fördröjning, jitter, paketförlust, användbar genomströmning och ruttåterställningstid under hela testet. Observationer på applikationsnivå har lika stor betydelse: notera röstavbrott, videon fryser eller fördröjer, oregelbundna telemetriintervall och försenade kommandosvar.

Testning under föränderlig topologi, variabel länkkapacitet, realistiska trafikmönster och nodmobilitet avslöjar problem som förblir dolda under statiska förhållanden. Det ger också en mer representativ bild av hur ett trådlöst multi-hop-nätverk kommer att bete sig efter driftsättning än ett tomgångstest eller ett fast enlänks-riktmärke.

Definiera framgång som graciös nedbrytning

Ett robust mobilnät behöver inte upprätthålla maximal prestanda för varje tjänst under alla möjliga förhållanden. Det måste misslyckas i en kontrollerad ordning.

Under svår trafikstockning kan en videokodare sjunka till en lägre bithastighet eller bildhastighet. Bakgrundsöverföringar kan sakta ner dramatiskt. Rutintelemetri kunde tolerera något längre intervall. Kritiska kontrollpaket och röst bör dock fortsätta att få den vidarebefordran som fastställts av uppdragspolicyn.

Det är ett mer användbart acceptanskriterium för MANET QoS än en siffra för rubrikgenomströmning:

Det sista testet bör driva nätverket bortom bekväma driftsförhållanden. När resursbristen blir oundviklig visar trafikklassernas beteende om QoS-designen faktiskt skyddar operativa prioriteringar.

 

Slutsats

Effektiv MANET QoS beror på att nätverksresurserna matchas med de olika behoven av röst-, video-, telemetri- och kontrolltrafik. Prioritering, kapacitetsplanering, resiliens och realistisk multi-hop-testning hjälper alla viktiga kommunikationer att förbli användbar när trängsel, mobilitet eller störningar ändrar nätverksförhållanden.

Shenzhen Sinosun Technology Co., Ltd. erbjuder MANET och trådlösa datalänklösningar designade för blandad video-, röst- och dataöverföring. Genom att kombinera adaptiva QoS-funktioner med dynamisk routing och multi-hop-anslutning kan dessa system hjälpa operatörer att upprätthålla mer förutsägbar kommunikation samtidigt som den utnyttjar tillgänglig trådlös kapacitet bättre.

 

FAQ

F: Vad förbättras MANET QoS i ett mobilt ad hoc-nätverk?

S:

F: Vilket QoS-mått betyder mest för röst och video i MANETs?

S: Latens, jitter, paketförlust och användbar genomströmning är huvudmåtten. Röst är särskilt fördröjningskänsligt, medan video är mer beroende av ihållande bandbredd och leveranskonsistens.

F: Varför är QoS svårare att underhålla i MANETs?

S: Mobilnoder ändrar ständigt nätverkstopologi och ruttkvalitet. Störningar, begränsad trådlös kapacitet, multi-hop-vidarebefordran och återsändningar kan också ändra applikationsprestanda inom korta perioder.

F: Ska röst, video och telemetri ha samma prioritet?

S: Nej. Prioritet bör återspegla operativ betydelse och trafikbeteende. Kommandotrafik kan behöva den lägsta fördröjningen, rösten behöver förutsägbar timing, medan video ofta kan tolerera adaptiva bithastighetsminskningar.

F: Hur ska MANET QoS-prestanda testas?

S: Testa blandad trafik under realistiska trafikstockningar, rörlighet, störningar och flera hopp. Mät fördröjning från slut till ände, jitter, förlust, genomströmning, ruttåterställning och appbeteende under nätverksändringar.