VoWLAN若干问题的分析与对策

宽带探索者

VoWLAN的前途分析？


    随着无线通信技术和移动终端的迅猛发展，以IEEE802.11为基础的无线局域网的应用越来越广泛。据In-Stat/MDAR企业预测VoWLAN(无线局域网上传输语音)将成为竞争力很强的语音传输技术，预计到2006年，将有50万台基于802.11无线局域网标准的语音终端设备投向市场，其前景十分乐观。尽管VoWLAN的应用方案（见图1）已经呈现在大家的面前，但是要保证业务能顺利开展还有许多问题有待解决，主要表现在以下几个方面。


图1VoWLAN应用方案

    一、语音质量问题

    传统的IP网络主要是用来传输数据业务,采用的是尽力而为的、无连接的技术，存在失序到达和时延抖动甚至分组丢失等情况。数据业务对实时性要求不高,但话音属于实时业务，对时序、时延等有严格的要求。

    语音质量传统上是采用主观方法来衡量的。它主要采用ITU 建议的P.800中的MOS（mean opinion score）指标。ITU P.800标准说明了在不同的时延和数据丢失的情况下人对通话的反应。现在，在建立语音测量客观标准方面已经取得了显著的进步。ITU 推荐标准G.107采用E-MODEL 来测量语音质量。E-MODEL告诉大家有两个主要因素会影响数字语音在WLAN上的传输，它们是时延和数据丢失，失序到达问题可以采用RTP和RTCP技术加以解决，下面分别加以先容。

    1．时延的影响

    语音通话时，如果时延过大就会失真，严重的还会使通话无法进行。VoWLAN中单向时延有四部分组成。

    （1） 传播时延

    信号传播时间有通话距离决定的。因为无线电传播的速度和光速一样，所以传播时延没有那么显著，短距离通信时可以忽略不计，但洲际通信时则是要考虑的。

    （2） 打包时延

    编解码器把摸拟信号转化为数字信号要花费时间。高码流编解码器例如G.711的IP打包速度比较快，大约1ms。低码流编解码器要用更多的时间，因为它们要采用压缩技术来减少包的尺寸。例如编解码器G.723把模拟信号转化为数字信号有67.5ms的时延。因而使用高压缩率的解码器可以减少VoWLAN上的流量，相应的时延也会增加。也就是说一旦编解码器的算法选定，是时延便固定了。

    （3） 缓冲器时延

    缓冲器在接收机上主要用来消除当VoIP包失序到达时产生的语音回声。把VoIP包直接转化为模拟信号前，进来的包会预先保存在缓冲存储器中。编解码器然后从缓冲器中取出下一个包并转化为模拟信号，也就是说VoIP包在进入编解码器前要先经过缓冲器。当时延过多时，取出动作就会停止直到新包的到来，这样就会导致通话的中断。所以设计VoWLAN系统时应该仔细考虑接收机缓冲器的大小。如果缓冲器处理太多的包可能会产生显而易见的延时进而恶化语音质量。但是，如果缓冲器只能处理太少的包，通话会产生瞬间的中断。

    （4） 传输时延

    从路由器到防火墙再到交换机等等，网络设备都会产生时延。有些设备例如集线器，时延是相对不变的。其他设备例如路由器的时延会因为网络的流量和拥堵情况而变化。对于WLAN来讲传输时延是有通信数据速率决定的。在802.11b网络中，如果传输速率是1Mbit/s，时延则要比11Mbit/s的高出11倍。

    虽然以上四种时延都会影响语音质量，但是前三种是不受控的，能提高的余地很小；而传输时延可以通过优化网络结构加以改善。

    2．数据丢失的影响

    因为VoIP包传输具有时实性的特点，所以就没有时间重新发送丢失的包。这些丢失的包会使语音通信产生间断，进而产生静音，如果丢失发生的频繁则会使通话变得好无意义。

    无线网络中有两个主要的原因会导致包的丢失：CSMA域中流量过大，有冲突的包就会被丢弃；或者时延变化过大，因为包到达缓冲器过晚或过早而被丢弃。

    WLAN中有三种方法可以用来改善语音质量。

    （1） 减少每个方向上总的单向时延。WLAN中语音和数据均以最大速率进行传输可以解决这个问题。

    （2） 减少时延的差异。减少每个CSMA域中客户的数量可以解决这个问题。

    （3） 减少包丢失，特别是脉冲丢失。即使包丢失可以有802.11协议的重试机制来减轻，AP的拥塞控制机制也必须要保证语音包丢失的最少。如果每个AP在发射信号之前能确保语音业务的优先级，就可以减少包的丢失。

    二、带宽占用

    WLAN中VoIP呼叫占用的带宽要比解码器的数据速率大的多。低码流解码器例如G.729，数据最大速率是8kbps。但是，实际的带宽要大的多。当以30ms的间隔发送时，每个数据包的大小是30字节。另外，包头有额外的RTP字头和802.11字头。所以，单向总带宽要多于25kbit/s。双向通话要求高于50kbit/s的带宽。更高码流的解码器G.711，一个语音呼叫会占用160kbit/s的带宽。

    使用G.711 解码器，如果没有静音抑制，能支撑10个并发VoIP呼叫的AP大概需要1.6Mbit/s的带宽。需要指出的是10个客户竞争一个802.11AP，由于协议采用CSMA Backoff算法，数据最大速率会低于1.6Mbit/s。

    在这种模式下每个AP最好能同时有5到7个呼叫。这个数字是基于2Mbit/s的情况，如果部分或者全部VoWLAN终端的数据速率是1Mbit/s，这个数字要减少一半。为了避免每个AP的最大呼叫数过量，对VoWLAN终端和AP覆盖范围内的呼叫数量进行评估是必不可少的。需要特别指出的是，在AP标准范围内才可能有更高的数据传输。当VoWLAN终端在RF覆盖的边缘时，它们的传输速率会降到最低且占用更多的带宽。例如，一个VoWLAN应用在数据传输为11Mbit/s时需要7%的带宽，2Mbit/s时大约需要10%的带宽，1Mbit/s时大约需要15%的带宽。

    有四种技术可以用来优化WLAN的带宽占用：报头压缩，静音抑制，帧打包，呼叫接入控制。

    （1） 有报头压缩的情况下，如果采用低速编码器可以节省一半的带宽。不利的方面是它会增加等待和单向时延中的传输时延。

    （2） 静音抑制可以通过减少有效载荷进而节省带宽。在大多数的电话通话中，总会有几次一方或双方是静音的。静音时，没必要发完整的包，只需要发稍小一点的即可。通话双方的静音抑制可以压缩50%的有效载荷。

    （3） 帧打包技术通过把多个音频包合为一个来节省带宽。这就意味着排列后的包只需要一个包头，而不是一个音频包一个包头。因为较大的包要等较小的包合并后才能有发射机发出，所以会产生时延。另外，单个包传输的丢失意味着多个包的丢失，这样会进一步损害呼叫质量。

    （4） 最后，采用呼叫接入控制可以避免WLAN中有过多的同时发生的VoIP通话。呼叫管理App可以限制同时发生的通话的数量到预先设定的值，从而避免AP的过载。

    尽管这四项技术可以提高VOWLAN的性能，如果想挖掘WLAN的最大的潜能，你需要知道WLAN全部可用的容量。只有采用全部非重叠802.11信道持续通过设备才能获得。另外，网络中较少的抖动可以减少传输时延的积累。通过把AP放在距网络边缘较近的地方，可以减少VoIP包的抖动，进而改善通话质量。

    三、漫游支撑

    当用户从一个AP漫游到另一个AP时，传统的WLAN鉴权协议会产生数据流的中断。中断一般会持续0.25到0.5s，这要依赖网络的拓扑结构和鉴权服务器的位置。

    VoWLAN用户会经常移动，会在AP间频繁切换。采用传统的鉴权，即使是最好的情况下，终端移动时通话双方都能听到瞬间的中断。因此，绝大多数VoWALN终端的解决方案都要求具有专有的预占优先漫游算法来改善语音质量并且当用户移动时在AP覆盖范围内切换时带宽最大化。

    众所周知，一些通用无线设备例如蜂窝电话和双向对讲机发射的电磁波会干扰一些设备的敏感电路从而导致其失效。如果采用集群天线技术，VoWLAN设备可以用比蜂窝电话和双向对讲机低的多的功率来工作。传统蜂窝电话发射的射频功率为3W。移动蜂窝电话一般最大输出功率为0.6W，个别单元额定功率会是1.2W。通常蜂窝电话采用功率控制来减少功率的发射从而节省耗电，但是在建筑物里时需要全功率发射。相反的，基于集群天线技术，VoWLAN终端接入WLAN时可以节省有效功率至10到15mw，这个数字是传统蜂窝电话射频输出功率的2%。集群天线技术可以有效的增加每个信道的CSMA域的数量。通过增加域的数量大家可以减少每个域中用户的数量。

    采用集群天线技术，WLAN上所有的语音通信被传到无线控制器，不用考虑网络的子网。另外，因为WLAN在无线控制器汇合而不是单个的AP，所以可以实现无缝移动。

    四、总结与展望

    虽然VoWLAN还有许多问题有待解决，但是随着802.11系列标准的制定和相关核心算法的日趋成熟， VoWLAN的关键问题将随之化解。可以预见，伴随着多模技术的提出，移动终端在不同网络间自由切换变的越来越现实，这必将带来应用的快速成长。