VoWLAN：實(shí)現(xiàn)VoIP技術(shù)應(yīng)用
將語音導(dǎo)入WLAN
2008/10/20
隨著WiFi標(biāo)準(zhǔn)的改善、802.11芯片體積不斷減小而功能不斷擴(kuò)充，無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)語音(VoWLAN)電話系統(tǒng)的可行性也逐漸提升。雙頻移動(dòng)電話可使用WLAN連線提供可靠的屋內(nèi)話音服務(wù)，而寬帶電話服務(wù)則通過WLAN連結(jié)筆記電腦。另一方面，架構(gòu)于WLAN的網(wǎng)絡(luò)電話手機(jī)，由于只需一臺(tái)WLAN基地站便能輕易支持多個(gè)手機(jī)，與具備低成本優(yōu)勢(shì)的傳統(tǒng)無線電話機(jī)相比毫不遜色。
802.11標(biāo)準(zhǔn)建立了提供可靠、高性能的WiFi網(wǎng)絡(luò)電話系統(tǒng)所需之基本機(jī)制。其中顯著的例子為安全性(802.11i/WPA)與QoS(802.11e/Wi-Fi多媒體)。此外，諸如Atheros開放程序碼的JumpStartforWireless這類單鍵安全設(shè)定法，可讓所有使用者即使在手機(jī)無法顯示英文字母與數(shù)字的狀況下，仍能快速設(shè)定WLAN網(wǎng)絡(luò)電話手機(jī)的組態(tài)。
WLAN網(wǎng)絡(luò)電話系統(tǒng)中其中一項(xiàng)尚未標(biāo)準(zhǔn)化的項(xiàng)目為輪詢方法(pollingmethod)。因此本文就現(xiàn)有的兩種輪詢方法，分別討論其不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并且特別著墨于移動(dòng)裝置中最關(guān)鍵的要素──耗電量。
所有降低耗電量的方法，均必須盡可能讓用戶裝置使用低功耗的睡眠模式，而802.11芯片必需以睡眠模式中最低的耗電量以支持此作法802.11芯片必須以睡眠模式的最低可能耗電量支持此種作法。例如，Atheros的AR6000移動(dòng)型射頻單芯片(radio-on-a-chipmobile;ROCm)裝置，實(shí)現(xiàn)了極低耗能量的睡眠模式，以及自動(dòng)省電模式(AutomaticPower-Save Delivery;APSD)技術(shù)。ROCm同時(shí)提供絕佳的性能，能啟用高速傳輸以縮短發(fā)送/接收的時(shí)間，而芯片上的嵌入式處理器之自給式驅(qū)動(dòng)程序，可分?jǐn)偺幚碇鳈C(jī)處理器上的經(jīng)常性的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)操作。通過以上的做法與其他省電策略，ROCm芯片能改善WLAN操作的耗電效率，效果可比傳統(tǒng)WLAN芯片的高達(dá)六倍，因此能改善電池壽命。現(xiàn)時(shí)可實(shí)現(xiàn)各種VoIP應(yīng)用的新一代802.11裝置，就包含這類的芯片。
將語音導(dǎo)入WLAN
802.11WLAN可利用高性能的元件以提供可靠的整體性能，然而，此媒體的特性在處理語音流量時(shí)，仍面對(duì)相當(dāng)嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。由于WLAN使用免執(zhí)照頻譜，因此必須容忍來自不同外部裝置與其他WLAN的大量干擾。此外，如同其他IP網(wǎng)絡(luò)，WLAN并不支持同步操作(synchronousoperation)。因此，通常無法在微秒級(jí)下做預(yù)測(cè)。由于VoIP是以固定時(shí)間間隔產(chǎn)生VoIP封包(即訊框)的固定數(shù)碼速率(CBR)應(yīng)用，因此WLAN的CSMA競(jìng)爭(zhēng)法明顯缺乏中央同步時(shí)序(centralizedsynchronous timing)。
此現(xiàn)象與移動(dòng)電話系統(tǒng)所實(shí)作的標(biāo)準(zhǔn)電話機(jī)制形成更大的對(duì)比。移動(dòng)電話系統(tǒng)使用授權(quán)頻譜與小心規(guī)劃的基地站部署，務(wù)求將無線電干擾減至最低。移動(dòng)電話系統(tǒng)從電話到骨干線路都保持同步，于是能掌握微秒層級(jí)的時(shí)序而且永不偏離，也因此能預(yù)知容量的大小，且容量提供給單一類別服務(wù)設(shè)計(jì)應(yīng)用:語音。
這些移動(dòng)電話系統(tǒng)的特性令它能輕易符合ITU-T建議的G.114標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)指定端點(diǎn)對(duì)端點(diǎn)延遲預(yù)算不得大于150微秒。由于移動(dòng)電話系統(tǒng)整體的架構(gòu)采用可決定的方式應(yīng)用時(shí)脈語音封包，因此不需因?yàn)橐_保低延遲，而對(duì)語音封包以特殊的服務(wù)品質(zhì)(QoS)機(jī)制排定優(yōu)先順序。移動(dòng)電話系統(tǒng)利用現(xiàn)有時(shí)槽、多工與語音服務(wù)管理加入資料服務(wù)。
WLAN則剛好相反，語音服務(wù)必須借助于原本針對(duì)資料而設(shè)計(jì)的功能。WLAN僅能用到端點(diǎn)對(duì)端點(diǎn)延遲預(yù)算150微秒的一部份，如果兩端都使用WLAN進(jìn)行對(duì)話，那么延遲預(yù)算還要更進(jìn)一步縮限。此外，若語音封包必須跨越網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)或忙碌的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，那么封包將無法避免延遲抵達(dá)，有時(shí)甚至無法抵達(dá)。遲到的封包可能成群抵達(dá)。
只要使用過舊式轉(zhuǎn)碼器在網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)或通用WLAN中以語音通信的人，都會(huì)熟悉這些問題。建立高品質(zhì)VoWLAN的作法之一是改變WLAN以符合傳統(tǒng)編碼器的需要。事實(shí)上，無論是全時(shí)或分時(shí)，
雖然完全同步的網(wǎng)絡(luò)頗具吸引力，但缺乏嚴(yán)格同步卻也正是802.11的主要強(qiáng)項(xiàng)。這些年來，我們可在以太網(wǎng)絡(luò)和ATM網(wǎng)絡(luò)之間的競(jìng)爭(zhēng)中看到這類IP網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)可靠而具適應(yīng)式(夠好)之通道存取對(duì)上嚴(yán)格時(shí)(完美)序式作法時(shí)，夠令人滿意的作法通常因更具多樣性而比受歡迎。
在設(shè)計(jì)VoWLAN系統(tǒng)時(shí)避免使用同步作法的另一個(gè)原因，是這些系統(tǒng)并非在封閉環(huán)境下運(yùn)作。使用WLAN傳輸語音的主要賣點(diǎn)，是讓雙模移動(dòng)電話與其他語音裝置能利用現(xiàn)有的WLAN基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。
新一代的解碼器
改善現(xiàn)有802.11基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的方法之一，是利用針對(duì)網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而開發(fā)的比新語音解碼器。這些解碼器大幅簡(jiǎn)化VoWLAN的設(shè)計(jì)。效率不彰的網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)電話環(huán)境，促成解碼器的開發(fā)，能以極低位的速度達(dá)到良好的語音品質(zhì)。
例如:廣受歡迎的Skype網(wǎng)絡(luò)電話系統(tǒng)核心之iLBC解碼器，能提供相當(dāng)于高端ITUG.729解碼器的特性;ITU解碼器只以8kbps，能提供公用電話般的語音品質(zhì);而來自GlobalIPSound的iLBC解碼器，所需的位速率稍高-13.3kbps。Global IP Sound稱他們的編碼器語音品質(zhì)優(yōu)于PSTN，而且能忍受高達(dá)30%的封包損失。網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)工程研究團(tuán)隊(duì)(Internet Engineering Task Force;IETF)已對(duì)此解碼器制定標(biāo)準(zhǔn)。CableLabs應(yīng)用于多媒體終端配接器與媒體閘道的PacketCable影音解碼器規(guī)格以被指定其為必要的解碼器。
有了此類解碼器，必要的VoWLAN語音品質(zhì)就更易于實(shí)現(xiàn)，而且也能解決網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)所造成的延遲與抖動(dòng)現(xiàn)象，故此特別適合如802.11這種非同步開放系統(tǒng)使用。既然解碼器如此靈活，為何還要發(fā)展復(fù)雜的時(shí)序與同步方法呢?
挑戰(zhàn)耗電量
盡管現(xiàn)今的解碼器如此靈活，時(shí)序仍然是十分重要的，因?yàn)樗鼘?duì)耗電量影響重大。移動(dòng)電話系統(tǒng)的同步特性，使它能輕易而直接地實(shí)現(xiàn)手機(jī)睡眠/喚醒排程。手機(jī)能在封包之間知道能安全地進(jìn)入睡眠模式。然而，802.11的裝置就永遠(yuǎn)不知道何時(shí)可能接收突發(fā)的流量，或因其他理由而必須回應(yīng)存取點(diǎn)。
雖然移動(dòng)電話與VoWLAN系統(tǒng)之間有此差異，后者還是必須讓它的電池壽命能媲美移動(dòng)電話手機(jī)。雙模移動(dòng)電話手機(jī)的兩種類型功能都使用同一顆電池，因此勢(shì)必會(huì)互相比比。
說到這里，我們不禁又會(huì)想令WLAN同步操作。若存取點(diǎn)知道手機(jī)于何時(shí)進(jìn)入睡眠模式，只在它準(zhǔn)備好時(shí)進(jìn)行傳輸，此時(shí)手機(jī)就可類似移動(dòng)電話，定期進(jìn)入睡眠模式。存取點(diǎn)不必在VoIP訊框抵達(dá)時(shí)立刻傳輸至手機(jī)，必要時(shí)可先將這些訊框置于緩沖區(qū)。
目前有兩種操作模式，能以足夠的同步在802.11WLAN中實(shí)作良好的省電時(shí)序技術(shù)，因此不需完全同步操作。這些模式包括以‘混合控制功能(HybridControlFunction;HCF)’控制的通道存取(HCF Controlled Channel Access;HCCA)以及增強(qiáng)分散式通道存取(Enhanced Distributed Channel Access;EDCA)。此兩種模式都是IEEE 802.11e標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，服務(wù)品質(zhì)(QoS)規(guī)定的一環(huán)，而兩者皆可用于發(fā)展中的省電傳訊方法，于存取點(diǎn)和站臺(tái)之間以同步固定數(shù)碼速率傳輸，而不需對(duì)整個(gè)WLAN進(jìn)行同步。
以HCCA進(jìn)行同步
HCCA模式就如同N-body同步機(jī)制，由存取點(diǎn)為N個(gè)站臺(tái)設(shè)定CBR輪詢排程。盡管典型的802.11系統(tǒng)無規(guī)律性，站臺(tái)還是盡可能地按排程同步。將這樣的配置描述為N-body系統(tǒng)是相當(dāng)合理的，因?yàn)閷?duì)輪詢排程上任一站的時(shí)序干擾，都會(huì)影響到其他N-1個(gè)站的時(shí)序。
當(dāng)AP通過流量規(guī)格(TSPEC)接收到來自站臺(tái)的CBR要求時(shí)，HCCA機(jī)制便發(fā)揮作用，然后AP與該站進(jìn)行CBR排程的通信。一旦AP接受站臺(tái)作為輪詢的用戶，此站臺(tái)通常會(huì)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直到來自AP預(yù)期的下行輪詢或輪詢加VoIP訊框抵達(dá)為止(圖一)。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)(架構(gòu)于OFDM的802.11a/g為9μs，802.11b則會(huì)更久)，站臺(tái)以上行VoIP資料(或QoS-NULL)訊框回應(yīng)。若站臺(tái)發(fā)送上行資料，AP就以ACK回應(yīng)。
要知道此機(jī)制的耗電效率，讓我們先考慮站臺(tái)需保持喚醒狀態(tài)的時(shí)間比例。HCCA機(jī)制如需正確運(yùn)作，在AP的下行輪詢前，站臺(tái)必須從睡眠模式中喚醒。根據(jù)硬件設(shè)計(jì)而定，喚醒的程序約需0.1到1.0微秒。然后站臺(tái)必須等到下行輪詢抵達(dá)，而輪詢可能在站臺(tái)預(yù)期的抵達(dá)時(shí)間到時(shí)仍未抵達(dá)。不同的原因如干擾、通道上長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的訊框、AP中內(nèi)部排程沖突(輪詢其他站臺(tái))、更高優(yōu)先順序的操作(AP必須傳輸一Beacon)、前一訊框超出預(yù)期的交換時(shí)間或是AP與站臺(tái)之間的相對(duì)時(shí)脈偏移，均會(huì)造成延遲。不過一旦下行輪詢抵達(dá)，排程就會(huì)變得可預(yù)測(cè)。根據(jù)所選的解碼器與PHY速率，上行/下行訊框交換應(yīng)在不到1微秒的時(shí)間內(nèi)發(fā)生。
在HCCA機(jī)制中，時(shí)序的不確定性主要來自CBR輪詢排程的延遲、失敗后可能的重試以及使用可變PHY速率時(shí)，造成傳輸時(shí)間的變化。根據(jù)這些不確定性，站臺(tái)喚醒時(shí)間的約為2～5微秒。以20微秒的解碼器周期，此喚醒睡眠比所達(dá)成之效率比值為75%以上。HCCA的固定位率排程
存取站可實(shí)作802.11e標(biāo)準(zhǔn)中指定的HCCA操作模式，提供可預(yù)測(cè)時(shí)間的VoIP輪詢排程，以在WLAN站臺(tái)能以睡眠模式減少耗電量時(shí)進(jìn)行管理。
假設(shè)平均通話時(shí)間約為100秒(以移動(dòng)電話系統(tǒng)平均而言)而AP同時(shí)提供20通電話應(yīng)用，WLAN可能每5秒就必須執(zhí)行通話設(shè)定/解除。即使在各站臺(tái)經(jīng)常進(jìn)入與離開輪詢清單的狀況下，AP仍必須與每個(gè)站臺(tái)維持已發(fā)布的CBR排程。因此，AP也必須維持固定時(shí)槽的排程。
這里所說的時(shí)槽，為針對(duì)特定站臺(tái)之輪詢訊框交換序列而指定的通道時(shí)段。除非所有訊框都使用相同的PHY速率，使每次交換都占用相同的通道時(shí)間量，否則時(shí)槽的持續(xù)時(shí)間也會(huì)隨之變化。在時(shí)槽持續(xù)時(shí)間變化的情況下，無法達(dá)成效率佳的省電同步。
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