VoWi-Fi的设计挑战剖析

随着宽带通信和Wi-Fi接入点的日益增多，以及VoIP的日益普及，两种技术的融合近在咫尺。VoIP-over-Wi-Fi (VoWi-Fi)有希望成为进一步推动VoIP和宽带普及的理想应用。Infonetics的调查报告显示，2004年出售的VoWi-Fi手机大约为11.3万台，这种较高的应用比率将一直持续到2009年。

然而，为了使大众能容易理解并采用VoWi-Fi，生产手机的OEM和ODM厂商还要克服许多技术障碍。例如，尽管新的标准(如802.11g)的传输速率已高达54 Mbits/s，然而目前许多已安装Wi-Fi的热点仍在运行旧的802.11b标准，其传输速率仅为11 Mbits/s。

根据无线网络的共享特性，不同的网络数据率意味着必须考虑每个语音呼叫所需消耗的带宽数量。可能存在的带宽限制最好是通过选择VoWi-Fi设备所支持的语音编解码器来解决。此外，Wi-Fi网络中的带宽问题促使我们需要提高Wi-Fi网络上及整个端对端网络上的固有服务质量(QoS)水平。

许多人把VoWi-Fi手机视为当今无绳电话或欧洲数字无绳电信系统(DECT)电话的VoIP替代品。因此，用户将期望有类似的待机、通话时间以及其他新功能。所以，电源管理和延长电池工作寿命的能力是任何VoWi-Fi设备的关键元素。

VoWi-Fi带宽考虑/编解码器选择

当拿每个VoIP通道所需的典型带宽与大多数Wi-Fi接入点的可用带宽比较时，我们发现似乎没有必要讨论VoIP应用的带宽可用性。毕竟，即使是旧的802.11b标准也有11Mbit/s的传输速率。因为G.711运行在相对来说微不足道的64kbit/s速率，Wi-Fi带宽似乎远远超过VoIP编解码器的最低要求。

图1：无DSP的VoWi-Fi架构。

然而，请想一想争取Wi-Fi频段的应用的巨大数量：家庭媒体服务器的流式MP3音频、多玩家游戏、网上冲浪和其他设备到设备的数据传输，再想一想会迅速把连接速率从11 Mbits/s下降为5.5、2甚至1 Mbits/s的各种环境因素；这样，你就不会再认为单次VoIP通话所需的带宽与实际剩余带宽之间的差异很巨大了。

VoIP设计为可在各种网络环境(包括带宽有限的网络)中使用，因此业界已开发出的技术可把标准电话信号压缩为更有效的比特流。传统的电路交换普通老式电话业务(POTS)以64 kbits/s的数据传输速率捕获语音通话。这种称为G.711的编码方案实施简单，而且本身与电路交换网络兼容，因此它仍然被广泛应用于VoIP，以提供长话级话音。

为了更有效地利用网络带宽进行语音传输，业界已开发出多种备选语音编解码器。这些编解码器如G.729、G.723.1和iLBC使用多种复杂的处理技术来压缩捕获到的语音流，这意味着可大大减少传输相同电话声道所需的网络带宽。然而，把电话声道压缩成较小比特流的结果会对音质造成或多或少的影响，并增加执行编解码器所需的处理能力。

利用当今的通信设备已有的处理能力，业界已开发出多种技术，以使VoIP通话比POTS网络上的通话音效更好。其中，使用宽带编解码器的目的是为了提供比G.711保真度更高的语音复制。由于保真度较高，因此需要更多的带宽来打包语音。在大多数情况下，宽带编解码器仍然比G.711消耗更少带宽；然而，它们在DSP或CPU上执行时所消耗的处理周期通常比G.711多很多。同样地，需要平衡的因素包括可察觉的语音质量、网络带宽消耗和处理器性能。

表1比较了各种常见VoIP编解码器及其通常的数据传输速率和代表性的平均鉴定分数(MOS)。MOS分数是一种主观衡量，分为1至5分，分数越高，所察觉的业务质量越好。

由于VoIP连接的两端必须使用相同的编解码器，因此VoWi-Fi手机必须在设备限制范围内及其运行环境中提供种类尽可能多的编解码器。当今大多数支持VoIP的端点都支持G.711和G.729，而且越来越多设备提供其他窄带编解码器(如G.723.1)以及用于功能更丰富的设备的宽带编解码器(如G.722.2)。

VoWi-Fi的服务质量

Wi-Fi网络本身是一个共享介质，使用此网络的所有用户对可用带宽具有相同的使用权。随着支持Wi-Fi的设备继续增多，越来越多的端点争夺这种日益减少的资源。对于许多把Wi-Fi用作通信网络的业务，接收或传送数据中的周期性延迟不会导致可察觉的问题。然而，语音通信的实时性质，使拥挤的Wi-Fi网络中发生的延迟或中断更加不可接受。

最初的 802.11规范对服务质量没有直接的规定；该协议设计为对访问介质的所有设备具有公平、相等的接入权。然而，由于Wi-Fi已取得发展，应用范围已扩大，因此提高固有服务质量水平的需要已变得很明显。为满足此需求，业界已开发出802.11e规范，其主要目标是为Wi-Fi网络定义服务质量。802.11e规范设计的其中一个主要特点是，它对各种不同类型的通信流采用不同的“优先级别”。

通过为特定类型的通信流指定较高的优先级，网络设备可以恰当地排列和管理流量，以在网络拥挤的情况下传送更高优先级的通信流。802.11e标准定义了四种接入类别，语音相关的通信流被指定为最高优先级，而为视频数据、尽力传送型数据和后台数据按递减顺序指定剩余的级别。像所有优先级方案一样，流量分类的工作交由应用程序执行，所有应用程序都必须“公平”地对待优先级排序方案，以在网络层上发挥作用。

此外，由于大多数VoIP通话不会在指定的当地Wi-Fi网络中开始和终止，因此必须把整个网络设计为支持一致服务质量的方案。以太网能够携带优先级信息，作为802.1p扩展的一部分(现在包含在更新的802.1D规范中)。

此扩展定义了八个优先级，使以太网交换设备上可以有许多截然不同的队列。同样地，通过使用DiffServ或IntServ协议，在网络层中可以有服务质量保证。在设计可传送VoIP话务的网络时，必须考虑如何解决端对端业务质量的问题，以及在有线到无线网络边界如何转换此服务质量信息。在支持802.11e的Wi-Fi接入点中，必须把802.11e映射到802.1p(或DiffServ)服务质量。

表1：各种常见VoIP编解码器及其通常的数据传输速率和代表性的平均鉴定分数(MOS)之比较。

802.11e规范在与VoWi-Fi手机配合使用时的另一个重要属性是能够定时传送数据包到网络上的端点。此特性使设备可以在某些定时间隔中协调一批数据包的接收。定义网络流量何时到达的能力，使设备可以在需要传输话务或接收排定的输入数据以外的时间关闭Wi-Fi子系统。这样，系统设计员可进一步把设备的整体电量消耗减至最少。

VoWi-Fi的电池寿命问题

阻碍VoWi-Fi手机迅速普及的一个重要因素可能是电池寿命。许多第一代设备的待机时间比大多数便携式电话的通话时间还要短。显然，要使VoWi-Fi手机为消费者所广泛采用，这些设备的电池寿命必须能够比得上目前的便携式、无绳或DECT电话的电池寿命。更复杂的问题是，用户已习惯便携式电话的小体积，这就在设备可使用的电池大小方面对OEM或ODM设置了限制。

设备中的Wi-Fi组件是VoWi-Fi手机中消耗最多电池电量的组件之一。虽然新一代Wi-Fi芯片的耗电量将大大减少，但VoWi-Fi手机中许多其他器件要共享有限的电量。例如，传统的DSP设计需要多个处理器或系统级芯片器件来执行所有的VoIP功能。

在这些设计中，一般的人机界面(MMI)以及VoIP通话控制功能使用传统的应用处理器(ARM、MIPS等)，而DSP则用于语音到数据包到语音的转换。此方法在便携设备的设计中暴露出很多缺点。

最后，使用分立的应用处理器和DSP(不管是作为独立组件还是作为系统级芯片的核心)会导致更大的物理封装，从而减少了产品中较大电池的可用内部面积。此外，整个系统中组件的增多会增加设备的整体电量消耗。

“无DSP”设计

有一种技术可改善VoWi-Fi设备电量消耗，即充分利用“无DSP”设计方法，在这种设计中，语音处理是在应用处理器中进行的。随着用于便携式用途的通用应用处理器的发展，它们已有足够的处理能力执行需进行大量计算的工作(如语音处理)以及其他的一般应用功能。在应用处理器上执行语音处理功能以及去掉DSP，可直接实现节能和减少物理封装体积。图1显示了无DSP的VoWi-Fi手机。

与VoWi-Fi设备电池供电、便携特性有关的考虑因素也必须应用于整个软件架构。为了在待机状态下尽可能地省电，在不进行处理时，系统必须关闭外部硬件以及处理器的电源。

在不通话时，设备只应执行非常少量的、不经常进行的工作。内嵌的操作系统和相关的应用程序应定期唤醒(时间间隔介于250 ms和500 ms之间)以检查有没有输入事件，如收到要求开始VoIP通话的SIP通话控制数据包。可能提高系统处理层次的其他事件包括用户按键盘上的按纽以启动通话。在这种情况下，硬件应设计为允许中断，以唤醒系统的适当部分并开始处理适当的工作。

允许对处理器时钟频率进行程序式控制的CPU子系统可被用来延长VoWi-Fi设备的电池寿命。通过让处理器以较慢的时钟频率运行以进行正常的MMI交互作用，然后突然提高处理器速度，提供最大的性能以在VoIP通话过程中进行语音处理，系统可持续地设法从电池腾出额外的待机和通话时间。单处理器、无DSP架构实际上使应用程序开发员可以更容易地实施程序式的处理器速度控制，因为他们无需担心系统中多个处理器之间可能发生的时钟同步问题。

从VoIP软件子系统的角度来看，必须小心不要假设系统中指定硬件资源的可用性，也不要锁定某一指定的资源而使其无法在长时间不需要使用时断电。VoIP软件的设计必须以这种“外部”控制观点为核心。

VoIP软件应设计为应用程序可以控制VoIP软件执行的时间(及其可访问的资源)，使系统在任何特定的时间不需要某些硬件资源时关闭或中断它们。例如，当没有正在进行的通话时关闭麦克风和喇叭接口，将有助于延长电池寿命。如果这是通过简单的运行至完成模式来实现的，那么应用程序能够按需要在通话间隔时间内关闭系统的各个部件。

VoWi-Fi的前景

此处的设计考虑因素适用于单模、专用VoWi-Fi手机以及新兴的结合便携式和VoWi-Fi功能的“双模”手机。实际上，VoWi-Fi的增长预计将来自于承诺可在两种网络制式之间无缝切换的“双模”手机。

虽然部署VoWi-Fi电话将面临许多挑战，但适当地合并考虑以下因素可轻易克服这些挑战：选择VoIP编解码器以获得适当的带宽并实现质量最优化、使用支持802.11e的Wi-Fi网络以确保语音话务的优先级以及使用无DSP架构以延长VoWi-Fi手机的电池寿命。