IP電話邁向無線
沈建苗 編譯
2005/11/15
這幾乎就是不可抗拒的聯(lián)姻：IP語音傳輸（VoIP）提供了以低成本在網(wǎng)上打電話的方案，而Wi-Fi扔掉了連線。如果兩者相結(jié)合(現(xiàn)在這對組合已被稱為VoFi)，就可以通過任何能夠訪問的Wi-Fi連接，以低成本撥打無線電話。
VoIP和Wi-Fi的聯(lián)姻是天作之合。目前許多大公司已積極采用VoFi，明顯降低了長途電話費，即便音質(zhì)并不總是能夠與普通老式電話（POTS）的音質(zhì)相媲美，但至少不是相差甚遠。
但如今VoFi正在進入運行環(huán)境有些不太穩(wěn)定的消費者領(lǐng)域。VoIP的開拓者Vonage公司已在今年夏季開始銷售一款便攜式Wi-Fi電話，這款電話必須在標準的802.11網(wǎng)絡(luò)上使用，而不能在經(jīng)過改動和調(diào)整從而滿足實時語音需求的特殊的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)上使用。VoFi在這種環(huán)境下音質(zhì)如何仍需拭目以待。
就連VoIP也要克服一些惡劣環(huán)境，才能在因特網(wǎng)上提供聲音自然的語音，VoFi就更不用說了。根本性難度就在于，分組網(wǎng)絡(luò)如LAN、Wi-Fi和因特網(wǎng)本來就不是為語音通信而設(shè)計的。為了讓通話聲音自然，語音信號在通話方之間傳送時必須沒有明顯的延遲。然而在分組網(wǎng)絡(luò)上，卻無法保證含有語音數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包能夠及時到達，或者能夠到達。Wi-Fi是一項無線技術(shù)，加上原本就不如LAN可靠，所以確保傳送及時、音質(zhì)良好就更不可能了。面向消費者的Wi-Fi往往工作在不太理想的環(huán)境下，因而這種情形更加讓人擔(dān)憂。
幸運的是，在有線VoIP中，處理數(shù)據(jù)包傳送不穩(wěn)定現(xiàn)象的技術(shù)已經(jīng)解決了諸多音質(zhì)問題。之所以會出現(xiàn)音質(zhì)問題，往往是因為因特網(wǎng)遇到異常問題，或者大量數(shù)據(jù)流量造成局域網(wǎng)擁塞，所以無法優(yōu)先處理VoIP應(yīng)用。
無線面臨的難題
不過，無線VoIP更為復(fù)雜。數(shù)據(jù)包傳送以及音質(zhì)會受到實際墻壁、微弱信號、電子干擾甚至無意中暫時成為射頻防護屏的行人的影響。雖然有線和無線VoIP系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)包傳送問題的方式實際上一模一樣，但無線系統(tǒng)遇到的問題更頻繁、更嚴重。
與有線VoIP一樣，VoFi音質(zhì)方面的問題主要集中在時延、抖動和數(shù)據(jù)包丟失這三個方面。數(shù)據(jù)包到達目的地需要時間（時延），這個時間是個變量（抖動），有些數(shù)據(jù)包永遠也無法到達目的地（數(shù)據(jù)包丟失）。Wi-Fi上的時延、抖動和數(shù)據(jù)包丟失都比有線LAN上來得嚴重，因而帶來了更難以處理的音質(zhì)問題。
當(dāng)然，任何VoIP或者VoFi應(yīng)用都存在一定的時延。譬如說，因特網(wǎng)ping測試可能會顯示波士頓和達拉斯之間來回一趟的時延為67毫秒；波士頓和瑞士日內(nèi)瓦之間來回一趟的時延為133毫秒；波士頓和澳大利亞阿德萊德之間來回一趟的時延為262毫秒。國際電信聯(lián)盟（ITU）在G.114標準中推薦：想獲得良好的通話質(zhì)量，單向時延要低于150 毫秒。照這個音質(zhì)標準來衡量，所有上述時間都是可以接受的。
但如果時延變長（見圖2），就會出現(xiàn)問題。因特網(wǎng)時延變化極大，很難預(yù)測，有時會突然增加。LAN上的數(shù)據(jù)擁塞也會導(dǎo)致時延很長，通常的VoIP處理（譬如語音編碼和解碼）也會增加時延。如果單向時延超過大約200 毫秒，語音流就會受到干擾：參與方往往會中斷對方的說話，并在同一時間通話。長時延還會引起回聲。
最經(jīng)常遇到的VoIP問題就是抖動，即語音數(shù)據(jù)包以沒有規(guī)律的時間間隔到達目的地（見圖3）。抖動明顯（超過大約50毫秒）的后果就是聲音斷斷續(xù)續(xù)。嚴重的抖動其實會導(dǎo)致語音數(shù)據(jù)包不按順序到達目的地，從而導(dǎo)致聲音混亂無序。
抖動現(xiàn)象在無線LAN中特別普遍，因而對VoFi來說是個嚴重問題。據(jù)Global IP Sound公司負責(zé)技術(shù)的副總裁Jan Linden聲稱，802.11b
網(wǎng)絡(luò)上的抖動出現(xiàn)50到200毫秒的標準偏差并非罕見。相比之下，企業(yè)LAN卻很少出現(xiàn)超過幾毫秒的抖動。
不過，最嚴重的音質(zhì)問題不是由于抖動，而是由于數(shù)據(jù)包丟失。只要有一個語音數(shù)據(jù)包未到達目的地，至少會丟失20或者30毫秒的通話——具體時間取決于采用哪種語音編解碼器。在有些情況下，哪怕丟失1%的數(shù)據(jù)包，也會導(dǎo)致語音質(zhì)量嚴重下降。
而遺憾的是，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)往往會丟失許多數(shù)據(jù)包，原因是Wi-Fi用戶和Wi-Fi接入點間的連接質(zhì)量經(jīng)常不好。如果數(shù)據(jù)包沒有從發(fā)送方傳到接收方，網(wǎng)絡(luò)當(dāng)然可以重新發(fā)送，但重新發(fā)送語音包只會導(dǎo)致時延和抖動問題更嚴重。而且，如果重新發(fā)送數(shù)據(jù)包導(dǎo)致時延過長，VoFi系統(tǒng)就會干脆把它丟棄。
VoFi的解決之道
確實有一些辦法可以解決VoFi的許多問題。諸多技術(shù)不僅可以處理時延、抖動和數(shù)據(jù)包丟失，還可以處理回聲及傳統(tǒng)電話的其他常見問題。VoFi還有眾多語音編解碼器可以使用，它們能壓縮語音、減小帶寬需求，同時仍提供良好的音質(zhì)。
為了盡量減小抖動產(chǎn)生的影響，VoIP系統(tǒng)采用了抖動緩沖器。抖動緩沖器接收進來的語音包，語音包可能以沒有規(guī)律的時間間隔到達，但經(jīng)抖動緩沖器處理后，可以按有規(guī)律的間隔重新發(fā)送，從而讓優(yōu)先處理的語音數(shù)據(jù)聲音自然。
然而，抖動緩沖器是把雙刃劍。雖然抖動緩沖器可以消除進入數(shù)據(jù)包的抖動，不過它是以增加整體時延為代價的。小容量緩沖器帶來的時延低于大容量緩沖器，但一旦抖動明顯，就會發(fā)生溢出、丟失語音數(shù)據(jù)包等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致音質(zhì)下降。另一方面，大容量緩沖器雖然丟失的數(shù)據(jù)包較少，但會導(dǎo)致時延讓人無法接受。
動態(tài)抖動緩沖器可以解決緩沖器大小問題。動態(tài)抖動緩沖器用軟件實現(xiàn)，檢測到變化的網(wǎng)絡(luò)條件后，就會相應(yīng)調(diào)整緩沖器大小。通�？梢詫討B(tài)抖動緩沖器進行配置，規(guī)定最多允許丟失多少比例的數(shù)據(jù)包。其實，動態(tài)抖動緩沖器會在抖動和數(shù)據(jù)包丟失之間進行折衷處理，以便盡量提高音質(zhì)。
數(shù)據(jù)包丟失會對音質(zhì)產(chǎn)生大小不一的影響，這要看數(shù)據(jù)包是如何丟失的。據(jù)一些人士聲稱，丟失多達10%的語音數(shù)據(jù)包照樣能獲得可以接受的音質(zhì)。不過另一些人士認為，哪怕丟失1%的數(shù)據(jù)包也會導(dǎo)致音質(zhì)極差。顯然，出現(xiàn)這種不一致是因為數(shù)據(jù)包丟失有的呈隨機性，有的呈突發(fā)性。有時，一個VoIP系統(tǒng)會在幾秒鐘時間內(nèi)丟失20%至30%的數(shù)據(jù)包，這種情況就會導(dǎo)致非常明顯的音質(zhì)問題。
為了處理數(shù)據(jù)包丟失問題，VoIP和VoFi系統(tǒng)采用了名為數(shù)據(jù)包丟失隱藏（packet loss concealment）的一種技術(shù)。這種技術(shù)并不找回丟失的數(shù)據(jù)包，只是把丟失數(shù)據(jù)包對語音產(chǎn)生的不利影響掩蓋起來。讓人驚訝的是，這種方法的效果非常好：在某些情況下最多允許可以丟失30%的數(shù)據(jù)包
Global IP Sound公司的Jan Linden認為，實際上，數(shù)據(jù)包丟失隱藏技術(shù)就是為每個傳送的語音包添加了來自前一個語音包的一些信息。然后，如果某語音包沒有成功到達接收端，接收端就會等到接到下一個語音包，然后使用該語音包中的信息來描述前一個語音包。
最常用的數(shù)據(jù)包丟失隱藏方法僅僅是用整個前一個語音包取代丟失的數(shù)據(jù)包。因為語音內(nèi)容前后有所關(guān)聯(lián)，所以你能得到與以前內(nèi)容類似的內(nèi)容。不過，這有個缺點——由于轉(zhuǎn)換效應(yīng)，音質(zhì)不是非常好。
一種更有效的隱藏數(shù)據(jù)包丟失問題的方法就是，把一系列語音數(shù)據(jù)分成兩部分，然后按單獨的數(shù)據(jù)包連續(xù)發(fā)送。通過適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)采樣，每個數(shù)據(jù)包中含有大致相同的聲音序列。如果兩個數(shù)據(jù)包同時到達，接收端就可以使用這兩個數(shù)據(jù)包，完美再現(xiàn)聲音序列。如果有一個數(shù)據(jù)包丟失，系統(tǒng)就會使用另一個數(shù)據(jù)包再現(xiàn)同樣的聲音，只是音質(zhì)稍差罷了，不過仍可以接受。
802.11e確保QoS
VoIP 和VoFi還可以借助即將予以批準的802.11e標準，從而在提高音質(zhì)方面得到一些改進。802.11e規(guī)定了服務(wù)質(zhì)量（QoS）方面的要求。802.11本身不會對流量類型區(qū)別對待，所以不會為實時語音數(shù)據(jù)提供高于其他數(shù)據(jù)（如電子表格文件）的優(yōu)先級。不過，802.11e提供了不同的流量類別和優(yōu)先級別，從而使高優(yōu)先級的語音數(shù)據(jù)遇到的延遲比較低（因而抖動和數(shù)據(jù)包丟失現(xiàn)象比較少）。
然而，802.11e不能保證語音數(shù)據(jù)總是盡可能快速、有規(guī)律地到達目的地，不過它確實增加了這種可能性。另外，要獲得非常好的效果，使用802.11e的網(wǎng)絡(luò)必須從源地發(fā)送到目的地的過程中一路傳達QoS需求，這種傳達依賴符合802.11e的所有網(wǎng)絡(luò)部件。
對VoIP 和VoFi應(yīng)用而言，擁有足夠的帶寬也很重要，即便帶寬通常不是主要的約束條件。畢竟，連802.11b網(wǎng)絡(luò)也能達到11Mbps，而 802.11a和802.11g更是可以提供54Mbps。往往連接速度最慢的居民寬帶因特網(wǎng)連接提供的速度通常至少也有1Mbps。
不過，帶寬仍是個因素，因為無線LAN根本提供不了規(guī)定的數(shù)據(jù)速率。譬如，不盡如人意的條件很可能把802.11b的數(shù)據(jù)速率降到2Mbps甚至1Mbps。如果再加上一些繁重的網(wǎng)絡(luò)流量，帶寬就可能限制音質(zhì)。
各種語音編解碼器可以降低VoIP和VoFi對帶寬的需求，不過在使用時一定要小心。在傳統(tǒng)電話中，符合ITU G.711標準的編解碼器可以把語音編碼成64kbps的數(shù)據(jù)流。在VoIP當(dāng)中，G.729編解碼器只需要8kbps，卻能獲得幾乎完全相同的音質(zhì)。不過，壓縮率越高，數(shù)據(jù)包丟失現(xiàn)象就越明顯，因為每個數(shù)據(jù)包含有更多的語音數(shù)據(jù)。
未來漫游
好像嫌所有這些難題還不夠嚴重，VoFi將來從一個Wi-Fi接入點漫游到另一個接入點，甚至在Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間進行漫游時，還面臨其他一些問題。在企業(yè)VoFi系統(tǒng)中，Wi-Fi漫游已經(jīng)實現(xiàn)，但這些系統(tǒng)都針對VoFi進行了認真配置，而面向消費者的網(wǎng)絡(luò)卻不是這樣。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)市場，幾個無線運營商目前正在對可以與VoFi-蜂窩雙模電話協(xié)同工作的系統(tǒng)進行評估。
漫游會影響音質(zhì)，原因是VoFi連接不會在瞬間從一個接入點切換至另一個接入點。切換過程需要一定的時間，而如果切換不夠快，通話質(zhì)量就會受到影響。
當(dāng)然，蜂窩網(wǎng)絡(luò)從來就沒有提供過良好的音質(zhì)，但大多數(shù)用戶為了獲得移動性這一好處，甘愿忍受稍差的音質(zhì)。Wi-Fi和蜂窩技術(shù)的聯(lián)姻也會帶來移動功能，但VoFi本身不只是與蜂窩網(wǎng)絡(luò)相競爭，還會與音質(zhì)幾乎總是非常好的傳統(tǒng)固定電話相競爭。
恐怕唯有時間才能表明用戶會不會重視成本和便利、輕視音質(zhì)；或者換一種說法，VoFi的音質(zhì)會不會逐漸趕上傳統(tǒng)電話。不管怎樣，未來人撥打的許多電話將會在網(wǎng)上進行。
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