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Effects of communication environment on VoIP capacity using WiFi
Effects of communication environment on VoIP capacity using WiFi
Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering. 2015. Jun, 19(6): 1327-1332
Copyright © 2015, The Korean Institute of Information and Commucation Engineering
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/li-censes/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
  • Received : April 30, 2015
  • Accepted : June 08, 2015
  • Published : June 30, 2015
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대우 최
wchoi58@gmail.com

Abstract
본 연구에서는 WiFi 무선망을 통한 VoIP 서비스의 품질에 영향을 주는 요소들을 분석하였다. VoIP 품질에 영향을 주는 요소로는 VoIP 통화의 수, WiFi 구간의 비음성 트래픽, 백본망내의 패킷 손실율과 단대단 지연등이 있다. WiFi 구간내 비음성 트래픽이 없으며 백본망의 패킷 손실율이 4%이고 단대단 지연이 90msec인 경우 G.729a 코덱으로는 12통화가 가능하며 G.729a VAD 코덱으로는 27통화까지 서비스 가능하였다. 분석결과 WiFi 구간의 데이터 트래픽과 TCP/IP망내 지연 및 패킷 손실율이 통화품질에 많은 영향을 주고 있는 것으로 확인되었으며 양질의 통화를 제공하기 위해서는 단대단 지연과 패킷 손실율을 최소한으로 유지하는 것 외에도 AP내에서 일종의 VoIP 호 접속 제어를 할 필요가 있는 것으로 판단된다.
Keywords
Ⅰ. 서 론
휴대전화를 이용한 WiFi 사용이 증가하면서 인터넷을 이용한 음성통신 즉 VoIP (Voice over IP)의 중요성이 부각되고 있으며 [1] , 이에 따라 한국통신기술협회(TTA)는 모바일 인터넷전화 서비스에 관한 통화품질기준을 마련하였다 [2] .
무선망 환경은 통신잡음의 영향을 많이 받기 때문에 신뢰성 있는 통신을 위한 오버헤드가 크며 따라서 유선망 환경에 비하여 유효 통신 용량이 적게 된다.
무선 환경에서의 음성통화 품질에 관한 연구로는 대규모 MANET 환경에서의 종단간 성능에 관한 연구 [3] 와 DDOS 침해가 있는 경우의 VoIP 성능에 관한연구 [4] 가 있으며 VoIP를 위한 dynamic QoS에 관한연구가 있다 [5] . 또한 WiFi환경에서 동일 AP (Access Point) 내에서의 음성 코덱별 용량에 관한 연구 [6] 와 이동단말의 로밍에 따른 VoIP 서비스 품질에 관한 연구 [7] 가 보고되었다. 본 논문에서는 통신환경이 VoIP의 품질에 미치는 영향을 컴퓨터 시뮬레이션으로 분석하고자 한다.
본 논문의 구성은 제2장에서 VoIP 전송 및 음성품질 기준에 관하여 살펴보고 제3장에서 여러 가지 환경이 VoIP 용량에 미치는 영향을 분석한 후 제4장에서 결론을 맺도록 한다.
Ⅱ. VoIP 전송기술과 음성품질 기준
- 2.1. WiFi 표준과 음성코덱 표준
WiFi 는 IEEE802.11로 표준화 되어 있는데 802.11b 의 평균 전송속도와 최대 전송속도는 각각 6.5 및 11Mbps이다 [8] . 음성코덱으로는 G.711과 G.729a 방식 등이 있으며 코덱 출력 데이타 속도는 각각 64Kbps 와 8Kbps 이다 [6] . G.729a는 선택사항으로 통화중 무음구간을 검출하여 처리하는 VAD(Voice Activity Detection) 기능을 포함한다.
- 2.2. VoIP 전송기술
음성코덱의 출력데이타가 WiFi 및 인터넷으로 전송되기 위해서는 RTP, UDP 프로토콜을 차례로 거쳐 IP패킷으로 만들어지는데 각 단계별로 프로토콜 헤더 12, 8 및 20바이트가 보태지게 되어 실제 전송되는 데이터의 양은 코덱 출력보다 많아지게 된다.
G.711 코덱 출력이 계층2에서 이더넷(Ethernet)으로 전송되는 경우 88.8Kbps의 속도를 갖게 되고 G.729a는 32.8Kbps의 속도를 갖는다.
- 2.3. 음성통화 품질기준
ITU-T에서 표준화한 음성품질 지표 MOS(Mean Opinion Score)는 전화음성 품질을 1~5의 값으로 표현하며 5가 가장 좋은 품질이고 1이 가장 나쁜 품질을 나타낸다 [9] . 우리나라에서는 모바일 인터넷 전화의 품질이 MOS 값 2.5 이상이고 단대단 지연이 300msec 이내일 것을 요구하고 있다 [2] .
Ⅲ. VoIP 용량에 영향을 주는 환경과 통화품질 분석
- 3.1. 시뮬레이션 환경
본 연구에서는 그림 1 과 같은 망구조를 바탕으로 OPNET을 이용하여 통신환경이 VoIP에 미치는 영향을 컴퓨터 시뮬레이션으로 분석하였다. 통화의 한쪽은 유선망으로 가정하고 다른 한쪽은 WiFi 환경으로 가정하였다. WiFi 망 쪽의 모바일 단말 M1~M5 등은 AP와 이더넷을 통하여 TCP/IP 망으로 접속되고 유선망 측의 고정 단말 C1 ~ C5는 이더넷을 통하여 TCP/IP망에 연결된다.
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시뮬레이션을 위한 네트워크 구조 Fig. 1 Structure of simulation network
그 외 기본적인 가정은 다음과 같다.
  • 모바일 단말은 하나의 AP 영역내에서 전체 통화기간동안 머문다.
  • WiFi 지역에는 11Mbps급의 IEEE802.11b를 적용한다.
  • 거리에 따른 전파환경의 차이는 고려하지 않는다.
  • WiFi MAC 기능 중 RTS/CTS 옵션과 프레임 분할 옵션은 사용하지 않는다.
  • 호설정과 해제과정은 생략한다.
- 3.2. VoIP 트래픽 발생량
WiFi 구간은 그림 2 와 같이 MAC 계층을 기준으로 그 아래 PHY 계층과 상위의 IP계층으로 연결되는데 MAC 계층을 기준으로 송수신되는 트래픽을 traffic received와 traffic sent 및 스루풋으로 정의 하였다.
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WiFi 구간의 계층 구조 Fig. 2 Layered architecture of WiFi area
표 1 은 1개의 통화(call)만 진행중일 때 G.711 출력을 WiFi 또는 이더넷으로 전송할 경우의 단계별 트래픽 발생량을 시뮬레이션으로 측정한 것을 나타내고 있다. G.711 음성코덱의 출력은 RTP와 UDP를 차례로 거치고나서 이더넷으로 전송되거나 WiFi로 전송된다.
WiFi 및 이더넷을 통한 음성 트래픽 측정 결과(G.711)Table. 1 Measured voice Traffic via WiFi and Ethernet (G.711)
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WiFi 및 이더넷을 통한 음성 트래픽 측정 결과(G.711) Table. 1 Measured voice Traffic via WiFi and Ethernet (G.711)
이 과정에서 최초 64Kbps인 음성이 UDP를 거치면서 오버헤드가 더해져서 80Kbps가 되고 이더넷으로 전송되면 이더넷 오버헤드로 인하여 96Kbps가 된다. 한편 WiFi 구간에서는 330Kbps의 속도를 갖게 되는데 IP계층으로 전송되는 트래픽은 96Kbps로서 이더넷으로 전송되는 양과 같아진다. 음성의 품질은 WiFi와 이더넷에 상관없이 모두 MOS 값이 4.1보다 커서 양호한 상태임을 알 수 있다.
- 3.3. 통화수 증가에 따른 VoIP 음성 품질
IEEE802.11b WiFi 환경에서 G.711 코덱을 이용한 VoIP의 최대 수용가능 콜의 수는 5개이다 [6] . 단말수 5개인 경우와 최대용량을 초과한 6개인 경우 주요 지점의 트래픽을 표 2 에서 분석하였다.
통화 수에 따른 WiFi 구간 트래픽 비교 (G.711)Table. 2 Comparison of WiFi Traffic (G.711)
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통화 수에 따른 WiFi 구간 트래픽 비교 (G.711) Table. 2 Comparison of WiFi Traffic (G.711)
통화의 수가 많아지면서 WiFi에서 PHY로 내려가는 트래픽은 350Kbps로 약간의 증가를 보이는데 이것은 무선구간의 다운 스트림쪽으로 재전송이 생기기 때문으로 분석된다.
상향 스트림쪽은 현저하게 트래픽 증가를 보이는데 이것은 5개의 단말에서 보내는 모든 트래픽이 중첩되고 충돌이 많이 발생하기 때문이다. 통화의 수가 6개가 되면서 MAC에서 IP로 전송되는 데이터가 정상치인 96Kbps에서 92~94Kbps로 떨어지는데 이것이 품질 저하의 원인이 된다.
통화의 수가 6개가 되면 표 2 에서 보는 바와 같이 MOS 값은 모든 WiFi 쪽 단말에서 기준치인 2.5 보다 작은 1.0 정도로 떨어져 통화가 불가능한 상태가 된다. 통화품질 저하의 다른 원인은 AP 쪽에서 모바일 단말로 내려가는 다운 스트림의 오버플로우로 인한 트래픽 손실과 큐잉지연으로 분석되었다. 그림 3 은 통화수 6개일 때 AP내 다운스트림 쪽에서 발생하는 버퍼 오버플로우에 의한 데이터 손실율을 보이고 있다. 같은 조건에서 무선단말에서 측정된 음성 데이터 지연이 450msec 이상으로 기준을 초과한다.
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WiFi 다운스트림에서의 데이터 손실 (통화수= 6) Fig. 3 Data overflow at WiFi downstream (no. of call = 6)
- 3.4. WiFi 구간 데이터 트래픽에 따른 VoIP 음성품질
일반적으로 WiFi 구간에는 인터넷 접속을 위한 데이터 트래픽이 있다. 데이터 트래픽이 VoIP 품질에 미치은 영향을 분석하기 위하여 OPNET의 wireless Jammer 를 이용하였다. 일반 모바일 단말을 이용하여 배경 트래픽을 구현하는 것보다 Jammer를 이용하는 것이 더 일반적인 상황을 구현할 수 있다.
실험을 위하여 표 3 과 같이 랜덤 트래픽을 발생하였다. 백그라운드 트래픽의 패킷 길이는 평균이 160바이트인 지수분포를 갖도록 하고 도착간격은 평균이 40, 20, 10msec인 지수분포를 따르도록 하여 평균트래픽을 32Kbps, 64Kbps 및 128Kbps가 되도록 하였다.
랜덤 배경 트래픽의 특성Table. 3 Characteristics of random background traffic
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랜덤 배경 트래픽의 특성 Table. 3 Characteristics of random background traffic
표 3 과 같은 백그라운드 트래픽이 있는 환경에서 VoIP 통화 수를 증가 시키면서 코덱에 따른 MOS 값을 측정한 결과는 표 4 와 같다. G.729a VAD 코덱을 사용하는 경우 잡음이 없을 때 27개의 통화를 수용할수 있었으나 [6] 잡음이 늘어감에 따라 26, 25 및 23개로 줄어드는 것을 알 수 있다. G.729a와 G.729a VAD의 경우를 살펴보면 많은 수의 통화가 집적되어 진행되고 있을 경우 약간의 배경 트래픽도 곧바로 전체 음성통화의 품질에 영향을 준다는 것을 알수 있다. 따라서 VoIP 통화품질의 적절성을 유지하기 위해서는 동일 AP내에서 허용되는 통화수를 제어할 필요가 있다.
배경 트래픽이 있는 경우의 최대 수용 가능 통화의 수Table. 4 No. of permitted call under background traffic
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배경 트래픽이 있는 경우의 최대 수용 가능 통화의 수 Table. 4 No. of permitted call under background traffic
- 3.5. 망내 통신지연 및 패킷 손실에 따른 VoIP 음성품질
G.729a 및 G.729a VAD 코덱을 사용하고 각각 최대 허용 통화수 인 12개 및 27개 통화가 진행중일 때 end-to-end 지연과 유선망내 패킷 손실율에 따라 MOS값을 측정한 결과가 그림 4 그림 5 에 각각 나타나 있다.
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백본망의 지연 및 패킷 손실에 따른 통화품질 (G.729a, 통화수= 12개) Fig. 4 Voice quality according to the e-to-e delay and packet loss within backbone network (G.729a, number of call = 12)
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백본망의 지연 및 패킷 손실에 따른 통화품질 (G.729a VAD, 통화수= 27개) Fig. 5 Voice quality according to the e-to-e delay and packet loss within backbone network (G.729a with VAD, number of call = 27)
G.711코덱과 G.729a 코덱을 사용한 경우 end to end 지연에 따른 통화품질을 그림 6 에 나타내었다. 음성 통화수는 최대 수용가능수 인 5개 및 12개인 경우이고 유선망내 패킷손실율은 4%인 경우이다. G.729a 코덱을 사용하면 통화의 수는 증가시킬 수 있으나 통화품질은 저하됨을 알 수 있다. G.729a VAD 방식의 경우 통화수는 27개까지 늘릴수 있으나 이때의 통화품질은 G.729와 비슷하였다.
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백본망의 지연과 코덱의 종류에 따른 통화품질 (패킷 손실율 = 4%) Fig. 6 Voice quality according to the e-to-e delay and voice codec (packet loss = 4%)
Ⅳ. 결 론
본 연구에서는 통신환경이 VoIP의 통화품질에 미치는 영향과 품질저하의 원인을 컴퓨터 시뮬레이션으로 분석하였다. 먼저 VoIP 통화수가 늘어날 때 최대 용량을 넘어서는 경우 갑자기 통화품질이 떨어지는데 그 원인이 WiFi 구간의 하향스트림 쪽에서 발생하는 트래픽 오버플로우와 그로인한 패킷 손실임을 밝혔다. 상향스트림 쪽의 CSMA/CA 다중접속으로 인한 트래픽 오버헤드도 최대용량에 영향을 준다.
다음으로 VoIP 통화와 함께 전달되는 일반 데이터 트래픽이 통화품질의 저하에 상당한 영향을 미치는 것으로 분석되었다. G.729a와 G.729a VAD 방식을 사용하는 경우 배경 트래픽을 G.711 코덱 출력의 절반 수준인 32Kbps부터 2배씩 늘려갔을 때 가능한 통화의 수가 1~2개씩 감소하였다. 향후 VoIP 통화가 늘어날 경우 통화 품질 유지를 위해서는 동일 AP 내에서 가능한 총통화의 수를 제어하는 방식이 적용되어야 할 것으로 판단된다.
마지막으로 TCP/IP 망내의 지연과 패킷 손실율이 통화품질에 많은 영향을 미친다. G.729a 코덱을 사용할 경우 단대단 지연이 90msec가 넘으면 망내 패킷손실율을 2% 또는 그 이하로 유지해야 최대용량인 12 통화를 수용할수 있다. 그렇지 않을 경우 통화수를 줄여야 통화품질을 만족시킬수 있게 된다. G.729a VAD 코덱의 경우에도 지연과 패킷손실율이 90msec와 2% 수준을 만족할 경우 27 통화까지 서비스할 수 있었다. G.729a 및 G.729a VAD를 사용하는 경우 G.711코덱에 비해 최대 통화수는 증가하지만 통화품질은 떨어지는 것을 확인하였다.
Acknowledgements
This research was supported by the Tongmyong University of Research Grants 2013A018.
BIO
최대우(Dae-Woo Choi)
1981.2. 경북대학교 전자공학과(공학사)
1983.2. 경북대학교 전자공학과(공학석사)
1997.8. KAIST 전기및전자공학과 (공학박사)
1983.3 ~ 1999.2. ETRI 교환전송기술연구소
1999.3 ~ 현재. 동명대학교 전자공학과, 교수
※관심분야 : 통신프로토콜, 통신망, IoT/IoE
References
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