VoWLAN若干問題的分析與對策

2019-11-03 19:23:46

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供稿：網友

　　北京郵電大學李紹勝宋建

　　隨著無線通信技術和移動終端的迅猛發展，以IEEE802.11為基礎的無線局域網的應用越來越廣泛。據In-Stat/MDAR公司預測VoWLAN(無線局域網上傳輸語音)將成為競爭力很強的語音傳輸技術，預計到2006年，將有50萬臺基于802.11無線局域網標準的語音終端設備投向市場，其前景十分樂觀。盡管VoWLAN的應用方案（見圖1）已經呈現在我們的面前，但是要保證業務能順利開展還有許多問題有待解決，主要表現在以下幾個方面。

圖1VoWLAN應用方案

　　一、語音質量問題

　　傳統的ip網絡主要是用來傳輸數據業務,采用的是盡力而為的、無連接的技術，存在失序到達和時延抖動甚至分組丟失等情況。數據業務對實時性要求不高,但話音屬于實時業務，對時序、時延等有嚴格的要求。

　　語音質量傳統上是采用主觀方法來衡量的。它主要采用ITU 建議的P.800中的MOS（mean opinion score）指標。ITU P.800標準解釋了在不同的時延和數據丟失的情況下人對通話的反應。現在，在建立語音測量客觀標準方面已經取得了顯著的進步。ITU 推薦標準G.107采用E-MODEL 來測量語音質量。E-MODEL告訴我們有兩個主要因素會影響數字語音在WLAN上的傳輸，它們是時延和數據丟失，失序到達問題可以采用RTP和RTCP技術加以解決，下面分別加以介紹。

　　1．時延的影響

　　語音通話時，如果時延過大就會失真，嚴重的還會使通話無法進行。VoWLAN中單向時延有四部分組成。

　?。?）傳播時延

　　信號傳播時間有通話距離決定的。因為無線電傳播的速度和光速一樣，所以傳播時延沒有那么顯著，短距離通信時可以忽略不計，但洲際通信時則是要考慮的。

　?。?）打包時延

　　編解碼器把摸擬信號轉化為數字信號要花費時間。高碼流編解碼器例如G.711的IP打包速度比較快，大約1ms。低碼流編解碼器要用更多的時間，因為它們要采用壓縮技術來減少包的尺寸。例如編解碼器G.723把模擬信號轉化為數字信號有67.5ms的時延。因而使用高壓縮率的解碼器可以減少VoWLAN上的流量，相應的時延也會增加。也就是說一旦編解碼器的算法選定，是時延便固定了。

　?。?）緩沖器時延

　　緩沖器在接收機上主要用來消除當VoIP包失序到達時產生的語音回聲。把VoIP包直接轉化為模擬信號前，進來的包會預先保存在緩沖存儲器中。編解碼器然后從緩沖器中取出下一個包并轉化為模擬信號，也就是說VoIP包在進入編解碼器前要先經過緩沖器。當時延過多時，取出動作就會停止直到新包的到來，這樣就會導致通話的中斷。所以設計VoWLAN系統時應該仔細考慮接收機緩沖器的大小。如果緩沖器處理太多的包可能會產生顯而易見的延時進而惡化語音質量。但是，如果緩沖器只能處理太少的包，通話會產生瞬間的中斷。

　　（4）傳輸時延

　　從路由器到防火墻再到交換機等等，網絡設備都會產生時延。有些設備例如集線器，時延是相對不變的。其他設備例如路由器的時延會因為網絡的流量和擁堵情況而變化。對于WLAN來講傳輸時延是有通信數據速率決定的。在802.11b網絡中，如果傳輸速率是1Mbit/s，時延則要比11Mbit/s的高出11倍。

　　雖然以上四種時延都會影響語音質量，但是前三種是不受控的，能提高的余地很小；而傳輸時延可以通過優化網絡結構加以改善。

　　2．數據丟失的影響

　　因為VoIP包傳輸具有時實性的特點，所以就沒有時間重新發送丟失的包。這些丟失的包會使語音通信產生間斷，進而產生靜音，如果丟失發生的頻繁則會使通話變得好無意義。

　　無線網絡中有兩個主要的原因會導致包的丟失：CSMA域中流量過大，有沖突的包就會被丟棄；或者時延變化過大，因為包到達緩沖器過晚或過早而被丟棄。

　　WLAN中有三種方法可以用來改善語音質量。

　?。?）減少每個方向上總的單向時延。WLAN中語音和數據均以最大速率進行傳輸可以解決這個問題。

　?。?）減少時延的差異。減少每個CSMA域中客戶的數量可以解決這個問題。

　?。?）減少包丟失，特別是脈沖丟失。即使包丟失可以有802.11協議的重試機制來減輕，AP的擁塞控制機制也必須要保證語音包丟失的最少。如果每個AP在發射信號之前能確保語音業務的優先級，就可以減少包的丟失。

　　二、帶寬占用

　　WLAN中VoIP呼叫占用的帶寬要比解碼器的數據速率大的多。低碼流解碼器例如G.729，數據最大速率是8kbps。但是，實際的帶寬要大的多。當以30ms的間隔發送時，每個數據包的大小是30字節。另外，包頭有額外的RTP字頭和802.11字頭。所以，單向總帶寬要多于25kbit/s。雙向通話要求高于50kbit/s的帶寬。更高碼流的解碼器G.711，一個語音呼叫會占用160kbit/s的帶寬。

　　使用G.711 解碼器，如果沒有靜音抑制，能支持10個并發VoIP呼叫的AP大概需要1.6Mbit/s的帶寬。需要指出的是10個客戶競爭一個802.11AP，由于協議采用CSMA Backoff算法，數據最大速率會低于1.6Mbit/s。

　　在這種模式下每個AP最好能同時有5到7個呼叫。這個數字是基于2Mbit/s的情況，如果部分或者全部VoWLAN終端的數據速率是1Mbit/s，這個數字要減少一半。為了避免每個AP的最大呼叫數過量，對VoWLAN終端和AP覆蓋范圍內的呼叫數量進行評估是必不可少的。需要特別指出的是，在AP標準范圍內才可能有更高的數據傳輸。當VoWLAN終端在RF覆蓋的邊緣時，它們的傳輸速率會降到最低且占用更多的帶寬。例如，一個VoWLAN應用在數據傳輸為11Mbit/s時需要7%的帶寬，2Mbit/s時大約需要10%的帶寬，1Mbit/s時大約需要15%的帶寬。

　　有四種技術可以用來優化WLAN的帶寬占用：報頭壓縮，靜音抑制，幀打包，呼叫接入控制。

　　（1）有報頭壓縮的情況下，如果采用低速編碼器可以節省一半的帶寬。不利的方面是它會增加等待和單向時延中的傳輸時延。

　?。?）靜音抑制可以通過減少有效載荷進而節省帶寬。在大多數的電話通話中，總會有幾次一方或雙方是靜音的。靜音時，沒必要發完整的包，只需要發稍小一點的即可。通話雙方的靜音抑制可以壓縮50%的有效載荷。

　?。?）幀打包技術通過把多個音頻包合為一個來節省帶寬。這就意味著排列后的包只需要一個包頭，而不是一個音頻包一個包頭。因為較大的包要等較小的包合并后才能有發射機發出，所以會產生時延。另外，單個包傳輸的丟失意味著多個包的丟失，這樣會進一步損害呼叫質量。

　?。?）最后，采用呼叫接入控制可以避免WLAN中有過多的同時發生的VoIP通話。呼叫管理軟件可以限制同時發生的通話的數量到預先設定的值，從而避免AP的過載。

　　盡管這四項技術可以提高VOWLAN的性能，如果想挖掘WLAN的最大的潛能，你需要知道WLAN全部可用的容量。只有采用全部非重疊802.11信道持續通過設備才能獲得。另外，網絡中較少的抖動可以減少傳輸時延的積累。通過把AP放在距網絡邊緣較近的地方，可以減少VoIP包的抖動，進而改善通話質量。

　　三、漫游支持

　　當用戶從一個AP漫游到另一個AP時，傳統的WLAN鑒權協議會產生數據流的中斷。中斷一般會持續0.25到0.5s，這要依賴網絡的拓撲結構和鑒權服務器的位置。

　　VoWLAN用戶會經常移動，會在AP間頻繁切換。采用傳統的鑒權，即使是最好的情況下，終端移動時通話雙方都能聽到瞬間的中斷。因此，絕大多數VoWALN終端的解決方案都要求具有專有的預占優先漫游算法來改善語音質量并且當用戶移動時在AP覆蓋范圍內切換時帶寬最大化。

　　眾所周知，一些通用無線設備例如蜂窩電話和雙向對講機發射的電磁波會干擾一些設備的敏感電路從而導致其失效。如果采用集群天線技術，VoWLAN設備可以用比蜂窩電話和雙向對講機低的多的功率來工作。傳統蜂窩電話發射的射頻功率為3W。移動蜂窩電話一般最大輸出功率為0.6W，個別單元額定功率會是1.2W。通常蜂窩電話采用功率控制來減少功率的發射從而節省耗電，但是在建筑物里時需要全功率發射。相反的，基于集群天線技術，VoWLAN終端接入WLAN時可以節省有效功率至10到15mw，這個數字是傳統蜂窩電話射頻輸出功率的2%。集群天線技術可以有效的增加每個信道的CSMA域的數量。通過增加域的數量我們可以減少每個域中用戶的數量。

　　采用集群天線技術，WLAN上所有的語音通信被傳到無線控制器，不用考慮網絡的子網。另外，因為WLAN在無線控制器匯合而不是單個的AP，所以可以實現無縫移動。

　　四、總結與展望

　　雖然VoWLAN還有許多問題有待解決，但是隨著802.11系列標準的制定和相關核心算法的日趨成熟， VoWLAN的關鍵問題將隨之化解?？梢灶A見，伴隨著多模技術的提出，移動終端在不同網絡間自由切換變的越來越現實，這必將帶來應用的快速成長。

----《通信世界》