WLAN无线网络电话系统技术应用(图)

随着WiFi标准的改善、802.11芯片体积不断减小而功能不断扩充，无线区域网络语音(VoWLAN)电话系统的可行性也逐渐提升。双频移动电话可使用WLAN连线提供可靠的屋内话音服务，而宽带电话服务则通过WLAN连结笔记本电脑。另一方面，架构于WLAN的网络电话手机，由于只需一台WLAN基地站便能轻易支持多个手机，与具备低成本优势的传统无线电话机相比毫不逊色。
　　
　　802.11标准建立了提供可靠、高性能的WiFi网络电话系统所需之基本机制。其中显着的例子为安全性(802.11i/WPA)与QoS(802.11e/Wi-Fi多媒体)。此外，诸如Atheros开放程序码的JumpStart for Wireless这类单键安全设定法，可让所有使用者即使在手机无法显示英文字母与数字的状况下，仍能快速设定WLAN网络电话手机的组态。
　　
　　WLAN网络电话系统中其中一项尚未标准化的项目为轮询方法(polling method)。因此本文就现有的两种轮询方法，分别讨论其不同的优点和缺点，并且特别着墨于移动装置中最关键的要素──耗电量。
　　
　　所有降低耗电量的方法，均必须尽可能让用户装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电量以支持此作法802.11芯片必须以睡眠模式的最低可能耗电量支持此种作法。例如，Atheros 的AR6000移动型射频单芯片(radio-on-a-chip mobile;ROCm)装置，实现了极低耗能量的睡眠模式，以及自动省电模式(Automatic Power-Save Delivery;APSD)技术。ROCm同时提供绝佳的性能，能启用高速传输以缩短发送/接收的时间，而芯片上的嵌入式处理器之自给式驱动程序，可分摊处理主机处理器上的经常性的网络维护操作。通过以上的做法与其他省电策略，ROCm芯片能改善WLAN操作的耗电效率，效果可比传统WLAN芯片的高达六倍，因此能改善电池寿命。现时可实现各种VoIP应用的新一代802.11装置，就包含这类的芯片。
　　
　　将语音导入WLAN
　　
　　802.11 WLAN可利用高性能的元件以提供可靠的整体性能，然而，此媒体的特性在处理语音流量时，仍面对相当严苛的挑战。由于WLAN使用免执照频谱，因此必须容忍来自不同外部装置与其他WLAN的大量干扰。此外，如同其他IP网络，WLAN并不支持同步操作(synchronous operation)。因此，通常无法在微秒级下做预测。由于VoIP是以固定时间间隔产生VoIP封包(即讯框)的固定数码速率(CBR)应用，因此WLAN的CSMA竞争法明显缺乏中央同步时序(centralized synchronous timing)。
　　
　　此现象与移动电话系统所实作的标准电话机制形成更大的对比。移动电话系统使用授权频谱与小心规划的基地站部署，务求将无线电干扰减至最低。移动电话系统从电话到骨干线路都保持同步，于是能掌握微秒层级的时序而且永不偏离，也因此能预知容量的大小，且容量提供给单一类别服务设计应用:语音。
　　
　　这些移动电话系统的特性令它能轻易符合ITU-T建议的G.114标准，此标准指定端点对端点延迟预算不得大于150微秒。由于移动电话系统整体的架构采用可决定的方式应用时脉语音封包，因此不需因为要确保低延迟，而对语音封包以特殊的服务品质(QoS)机制排定优先顺序。移动电话系统利用现有时槽、多工与语音服务管理加入资料服务。
　　
　　WLAN则刚好相反，语音服务必须借助于原本针对资料而设计的功能。WLAN仅能用到端点对端点延迟预算150微秒的一部份，如果两端都使用WLAN进行对话，那么延迟预算还要更进一步缩限。此外，若语音封包必须跨越网际网络或忙碌的企业网络，那么封包将无法避免延迟抵达，有时甚至无法抵达。迟到的封包可能成群抵达。
　　
　　只要使用过旧式转码器在网际网络或通用WLAN中以语音通信的人，都会熟悉这些问题。建立高品质VoWLAN的作法之一是改变WLAN以符合传统编码器的需要。事实上，无论是全时或分时，专属实作均显示802.11 MAC可改变为使用同步、时槽式的TDMA作法;此作法能有效解决以WLAN传输话音问题，不过这类系统通常与现有的WiFi装置与网络不相容。
　　
　　虽然完全同步的网络颇具吸引力，但缺乏严格同步却也正是802.11的主要强项。这些年来，我们可在以太网络和ATM网络之间的竞争中看到这类IP网络的优点。当可靠而具适应式(够好)之通道存取对上严格时(完美)序式作法时，够令人满意的作法通常因更具多样性而比受欢迎。
　　
　　在设计VoWLAN系统时避免使用同步作法的另一个原因，是这些系统并非在封闭环境下运作。使用WLAN传输语音的主要卖点，是让双模移动电话与其他语音装置能利用现有的WLAN基础结构。
　　
　　新一代的解码器
　　
　　改善现有802.11基础结构的方法之一，是利用针对网际网络应用而开发的比新语音解码器。这些解码器大幅简化VoWLAN的设计。效率不彰的网际网络电话环境，促成解码器的开发，能以极低位的速度达到良好的语音品质。
　　
　　例如:广受欢迎的Skype网络电话系统核心之iLBC解码器，能提供相当于高端ITU G.729解码器的特性;ITU解码器只以8kbps，能提供公用电话般的语音品质;而来自Global IP Sound的iLBC解码器，所需的位速率稍高-13.3kbps。Global IP Sound称他们的编码器语音品质优于PSTN，而且能忍受高达30%的封包损失。网际网络工程研究团队(Internet Engineering Task Force;IETF)已对此解码器制定标准。CableLabs应用于多媒体终端配接器与媒体闸道的PacketCable影音解码器规格以被指定其为必要的解码器。
　　
　　有了此类解码器，必要的VoWLAN语音品质就更易于实现，而且也能解决网际网络所造成的延迟与抖动现象，故此特别适合如802.11这种非同步开放系统使用。既然解码器如此灵活，为何还要发展复杂的时序与同步方法呢?
　　
　　挑战耗电量
　　
　　尽管现今的解码器如此灵活，时序仍然是十分重要的，因为它对耗电量影响重大。移动电话系统的同步特性，使它能轻易而直接地实现手机睡眠/唤醒排程。手机能在封包之间知道能安全地进入睡眠模式。然而，802.11的装置就永远不知道何时可能接收突发的流量，或因其他理由而必须回应存取点。
　　
　　虽然移动电话与VoWLAN系统之间有此差异，后者还是必须让它的电池寿命能媲美移动电话手机。双模移动电话手机的两种类型功能都使用同一颗电池，因此势必会互相比比。
　　
　　说到这里，我们不禁又会想令WLAN同步操作。若存取点知道手机于何时进入睡眠模式，只在它准备好时进行传输，此时手机就可类似移动电话，定期进入睡眠模式。存取点不必在VoIP讯框抵达时立刻传输至手机，必要时可先将这些讯框置于缓冲区。
　　
　　目前有两种操作模式，能以足够的同步在802.11 WLAN中实作良好的省电时序技术，因此不需完全同步操作。这些模式包括以‘混合控制功能(Hybrid Control Function;HCF)’控制的通道存取(HCF Controlled Channel Access;HCCA)以及增强分散式通道存取(Enhanced Distributed Channel Access;EDCA)。此两种模式都是IEEE 802.11e标准当中，服务品质(QoS)规定的一环，而两者皆可用于发展中的省电传讯方法，于存取点和站台之间以同步固定数码速率传输，而不需对整个WLAN进行同步。
　　
　　以HCCA进行同步
　　
　　HCCA模式就如同N-body同步机制，由存取点为N个站台设定CBR轮询排程。尽管典型的802.11系统无规律性，站台还是尽可能地按排程同步。将这样的配置描述为N-body系统是相当合理的，因为对轮询排程上任一站的时序干扰，都会影响到其他N-1个站的时序。
　　
　　当AP通过流量规格(TSPEC)接收到来自站台的CBR要求时，HCCA机制便发挥作用，然后AP与该站进行CBR排程的通信。一旦AP接受站台作为轮询的用户，此站台通常会进入睡眠状态，直到来自AP预期的下行轮询或轮询加VoIP讯框抵达为止(图一)。在规定的时间内(架构于OFDM的802.11a/g为9μs，802.11b则会更久)，站台以上行VoIP资料(或QoS-NULL)讯框回应。若站台发送上行资料，AP就以ACK回应。
　　
　　要知道此机制的耗电效率，让我们先考虑站台需保持唤醒状态的时间比例。HCCA机制如需正确运作，在AP的下行轮询前，站台必须从睡眠模式中唤醒。根据硬件设计而定，唤醒的程序约需0.1到1.0微秒。然后站台必须等到下行轮询抵达，而轮询可能在站台预期的抵达时间到时仍未抵达。不同的原因如干扰、通道上长持续时间的讯框、AP中内部排程冲突(轮询其他站台)、更高优先顺序的操作(AP必须传输一Beacon)、前一讯框超出预期的交换时间或是AP与站台之间的相对时脉偏移，均会造成延迟。不过一旦下行轮询抵达，排程就会变得可预测。根据所选的解码器与PHY速率，上行/下行讯框交换应在不到1微秒的时间内发生。 　　在HCCA机制中，时序的不确定性主要来自CBR轮询排程的延迟、失败后可能的重试以及使用可变PHY速率时，造成传输时间的变化。根据这些不确定性，站台唤醒时间的约为2～5微秒。以20微秒的解码器周期，此唤醒睡眠比所达成之效率比值为75%以上。
　　
　　HCCA的固定位率排程
　　

　

　　▲图一:存取站可实作802.11e标准中指定的HCCA操作模式，提供可预测时间的VoIP轮询排程，以在WLAN站台能以睡眠模式减少耗电量时进行管理。
　　
　　假设平均通话时间约为100秒(以移动电话系统平均而言)而AP同时提供20通电话应用，WLAN可能每5秒就必须执行通话设定/解除。即使在各站台经常进入与离开轮询清单的状况下，AP仍必须与每个站台维持已发布的CBR排程。因此，AP也必须维持固定时槽的排程。
　　
　　这里所说的时槽，为针对特定站台之轮询讯框交换序列而指定的通道时段。除非所有讯框都使用相同的PHY速率，使每次交换都占用相同的通道时间量，否则时槽的持续时间也会随之变化。在时槽持续时间变化的情况下，无法达成效率佳的省电同步。