無線局域網絡語音擴展VoIP技術應用

2019-11-04 22:29:26

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作者：劉易守
　　【導讀】WLAN網絡電話系統中其中一項尚未標準化的項目為輪詢方法(polling method)。因此本文就現有的兩種輪詢方法，分別討論其不同的優點和缺點，并且非凡著墨于移動裝置中最要害的要素──耗電量。

　　文章導讀 1、將語音導入WLAN 2、新一代的解碼器 3、以HCCA進行同步 4、EDCA的簡單性

　　　　　　
　　據港臺媒體報導，隨著WiFi標準的改善、802.11芯片體積不斷減小而功能不斷擴充，無線區域網絡語音(VoWLAN)電話系統的可行性也逐漸提升。雙頻移動電話可使用WLAN連線提供可靠的屋內話音服務，而寬帶電話服務則通過WLAN連結筆記電腦。另一方面，架構于WLAN的網絡電話手機，由于只需一臺WLAN基地站便能輕易支持多個手機，與具備低成本優勢的傳統無線電話機相比毫不遜色。

　　802.11標準建立了提供可靠、高性能的WiFi網絡電話系統所需之基本機制。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JumpStart for Wireless這類單鍵安全設定法，可讓所有使用者即使在手機無法顯示英文字母與數字的狀況下，仍能快速設定WLAN網絡電話手機的組態。

　　WLAN網絡電話系統中其中一項尚未標準化的項目為輪詢方法(polling method)。因此本文就現有的兩種輪詢方法，分別討論其不同的優點和缺點，并且非凡著墨于移動裝置中最要害的要素──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移動型射頻單芯片(radio-on-a-chip mobile;ROCm)裝置，實現了極低耗能量的睡眠模式，以及自動省電模式(Automatic Power-Save Delivery;A PSD)技術。ROCm同時提供絕佳的性能，能啟用高速傳輸以縮短發送/接收的時間，而芯片上的嵌入式處理器之自給式驅動程序，可分攤處理主機處理器上的經常性的網絡維護操作。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WLAN芯片的高達六倍，因此能改善電池壽命?，F時可實現各種VoIP應用的新一代802.11裝置，就包含這類的芯片。

　　將語音導入WLAN

　　802.11 WLAN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，仍面對相當嚴苛的挑戰。由于WLAN使用免執照頻譜，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網絡，WLAN并不支持同步操作(synchronous Operation)。因此，通常無法在微秒級下做猜測。由于VoIP是以固定時間間隔產生VoIP封包(即訊框)的固定數碼速率(CBR)應用，因此WLAN的CSMA競爭法明顯缺乏中心同步時序(centralized synchronous timing)。

　　此現象與移動電話系統所實作的標準電話機制形成更大的對比。移動電話系統使用授權頻譜與小心規劃的基地站部署，務求將無線電干擾減至最低。移動電話系統從電話到骨干線路都保持同步，于是能把握微秒層級的時序而且永不偏離，也因此能預知容量的大小，且容量提供給單一類別服務設計應用:語音。

　　這些移動電話系統的特性令它能輕易符合ITU-T建議的G.114標準，此標準指定端點對端點延遲預算不得大于150微秒。由于移動電話系統整體的架構采用可決定的方式應用時脈語音封包，因此不需因為要確保低延遲，而對語音封包以非凡的服務品質(QoS)機制排定優先順序。移動電話系統利用現有時槽、多工與語音服務治理加入資料服務。

　　WLAN則剛好相反，語音服務必須借助于原本針對資料而設計的功能。WLAN僅能用到端點對端點延遲預算150微秒的一部份，假如兩端都使用WLAN進行對話，那么延遲預算還要更進一步縮限。此外，若語音封包必須跨越網際網絡或忙碌的企業網絡，那么封包將無法避免延遲抵達，有時甚至無法抵達。遲到的封包可能成群抵達。

　　只要使用過舊式轉碼器在網際網絡或通用WLAN中以語音通信的人，都會熟悉這些問題。建立高品質VoWLAN的作法之一是改變WLAN以符合傳統編碼器的需要。事實上，無論是全時或分時，專屬實作均顯示802.11 MAC可改變為使用同步、時槽式的TDMA作法;此作法能有效解決以WLAN傳輸話音問題，不過這類系統通常與現有的WiFi裝置與網絡不相容。

　　雖然完全同步的網絡頗具吸引力，但缺乏嚴格同步卻也正是802.11的主要強項。這些年來，我們可在以太網絡和ATM網絡之間的競爭中看到這類IP網絡的優點。當可靠而具適應式(夠好)之通道存取對上嚴格時(完美)序式作法時，夠令人滿足的作法通常因更具多樣性而比受歡迎。

　　在設計VoWLAN系統時避免使用同步作法的另一個原因，是這些系統并非在封閉環境下運作。使用WLAN傳輸語音的主要賣點，是讓雙模移動電話與其他語音裝置能利用現有的WLAN基礎結構。

　　新一代的解碼器

　　改善現有802.11基礎結構的方法之一，是利用針對網際網絡應用而開發的比新語音解碼器。這些解碼器大幅簡化VoWLAN的設計。效率不彰的網際網絡電話環境，促成解碼器的開發，能以極低位的速度達到良好的語音品質。

　　例如:廣受歡迎的Skype網絡電話系統核心之iLBC解碼器，能提供相當于高端ITU G.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;而來自Global IP Sound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優于PSTN，而且能忍受高達30%的封包損失。網際網絡工程研究團隊(Internet Engineering Task Force;IETF)已對此解碼器制定標準。CableLabs應用于多媒體終端配接器與媒體閘道的PacketCable影音解碼器規格以被指定其為必要的解碼器。

　　有了此類解碼器，必要的VoWLAN語音品質就更易于實現，而且也能解決網際網絡所造成的延遲與抖動現象，故此非凡適合如802.11這種非同步開放系統使用。既然解碼器如此靈活，為何還要發展復雜的時序與同步方法呢?

　　挑戰耗電量　　

　　盡管現今的解碼器如此靈活，時序仍然是十分重要的，因為它對耗電量影響重大。移動電話系統的同步特性，使它能輕易而直接地實現手機睡眠/喚醒排程。手機能在封包之間知道能安全地進入睡眠模式。然而，802.11的裝置就永遠不知道何時可能接收突發的流量，或因其他理由而必須回應存取點。

　　雖然移動電話與VoWLAN系統之間有此差異，后者還是必須讓它的電池壽命能媲美移動電話手機。雙模移動電話手機的兩種類型功能都使用同一顆電池，因此勢必會互相比比。

　　說到這里，我們不禁又會想令WLAN同步操作。若存取點知道手機于何時進入睡眠模式，只在它預備好時進行傳輸，此時手機就可類似移動電話，定期進入睡眠模式。存取點不必在VoIP訊框抵達時馬上傳輸至手機，必要時可先將這些訊框置于緩沖區。

　　目前有兩種操作模式，能以足夠的同步在802.11 WLAN中實作良好的省電時序技術，因此不需完全同步操作。這些模式包括以‘混合控制功能(Hybrid Control Function;HCF)’控制的通道存取(HCF Controlled Channel access;HCCA)以及增強分散式通道存取(Enhanced Distributed Channel Access;EDCA)。此兩種模式都是IEEE 802.11e標準當中，服務品質(QoS)規定的一環，而兩者皆可用于發展中的省電傳訊方法，于存取點和站臺之間以同步固定數碼速率傳輸，而不需對整個WLAN進行同步。

　　以HCCA進行同步

　　HCCA模式就如同N-body同步機制，由存取點為N個站臺設定CBR輪詢排程。盡管典型的802.11系統無規律性，站臺還是盡可能地按排程同步。將這樣的配置描述為N-body系統是相當合理的，因為對輪詢排程上任一站的時序干擾，都會影響到其他N-1個站的時序。

　　當AP通過流量規格(TSPEC)接收到來自站臺的CBR要求時，HCCA機制便發揮作用，然后AP與該站進行CBR排程的通信。一旦AP接受站臺作為輪詢的用戶，此站臺通常會進入睡眠狀態，直到來自AP預期的下行輪詢或輪詢加VoIP訊框抵達為止(圖一)。在規定的時間內(架構于OFDM的802.11a/g為9μs，802.11b則會更久)，站臺以上行VoIP資料(或QoS-NULL)訊框回應。若站臺發送上行資料，AP就以ACK回應。

　　要知道此機制的耗電效率，讓我們先考慮站臺需保持喚醒狀態的時間比例。HCCA機制如需正確運作，在AP的下行輪詢前，站臺必須從睡眠模式中喚醒。根據硬件設計而定，喚醒的程序約需0.1到1.0微秒。然后站臺必須等到下行輪詢抵達，而輪詢可能在站臺預期的抵達時間到時仍未抵達。不同的原因如干擾、通道上長持續時間的訊框、AP中內部排程沖突(輪詢其他站臺)、更高優先順序的操作(AP必須傳輸一Beacon)、前一訊框超出預期的交換時間或是AP與站臺之間的相對時脈偏移，均會造成延遲。不過一旦下行輪詢抵達，排程就會變得可猜測。根據所選的解碼器與PHY速率，上行/下行訊框交換應在不到1微秒的時間內發生。

　　在HCCA機制中，時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，造成傳輸時間的變化。根據這些不確定性，站臺喚醒時間的約為2～5微秒。以20微秒的解碼器周期，此喚醒睡眠比所達成之效率比值為75%以上。

　　HCCA的固定位率排程

　　▲圖一:存取站可實作802.11e標準中指定的HCCA操作模式，提供可猜測時間的VoIP輪詢排程，以在WLAN站臺能以睡眠模式減少耗電量時進行治理。

　　假設平均通話時間約為100秒(以移動電話系統平均而言)而AP同時提供20通電話應用，WLAN可能每5秒就必須執行通話設定/解除。即使在各站臺經常進入與離開輪詢清單的狀況下，AP仍必須與每個站臺維持已發布的CBR排程。因此，AP也必須維持固定時槽的排程。

　　這里所說的時槽，為針對特定站臺之輪詢訊框交換序列而指定的通道時段。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間量，否則時槽的持續時間也會隨之變化。在時槽持續時間變化的情況下，無法達成效率佳的省電同步。

　　可選擇的方法之一，是讓所有站臺都以固定的PHY速度(6Mbps)操作，一次性避免不同持續時間造成的問題。盡管此選項會浪費許多潛在的網絡容量，但覆蓋范圍卻極佳而且容量良好，能容納約15個站臺。

　　若希望在使用不同PHY速率時也能降低耗電量，AP設計師可選擇另外兩種方法。其中一個方法是變更排程，令AP能可靠地與每個相關站臺通信。此作法會導致額外的負擔與可靠性的問題。至于另一個方法，則是讓AP利用每個時槽中未使用的時間中傳輸，如此非輪詢站臺就不會以Wi-Fi封包填入空置的空中。此作法可維持同步排程。

　　輪詢排程面臨更嚴重的挑戰，是它必須支持使用不同解碼器間隔時間的各種手機。在此狀況下，通常所建立的輪詢排程，經常發生CBR用戶間的時序沖突。先前所估算的75%最低效率，并未將這種排程沖突列入考慮，這也會消耗部份站臺睡眠時間預算。

　　理想的HCCA排程，也會因偶然需發送多份下行VoIP訊框至站臺而受到干擾。當封包因網際網絡或路由佇列行為而成群抵達AP時，就需要多份訊框。除非所有概念時槽都有足夠的額外時間預算，否則多份下行訊框會延遲CBR排程。若需上行重新傳輸時，也會發生此類排程延遲。為所有站臺在每個時槽都保留額外的時槽時間是一種浪費通道時間的作法，因此排程延遲通常會以延長所有受影響的下行站臺之開機時間加以解決。

　　通常工程師會把AP組態設定為避免長期猝發或其他可能增加CBR排程延遲的情況發生。此組態對HCCA與EDCA同樣適用。

　　EDCA的簡單性

　　HCCA輪詢的時序相互依靠性與另一種802.11e操作模式EDCA所應用的省電法時序獨立形成對比。在HCCA中，AP治理所有時序并解決所有排程沖突。而在EDCA中，所有站臺自行治理其時序(因此時序治理為分散式)，排程沖突則在空中以通道存取協定解決。

　　因此，EDCA站臺不像HCCA的站臺必須卑微地配合AP之輪詢排程，EDCA站臺可使用非排程APSD(Unscheduled APSD;UPSD)的非凡省電模式操作。此模式以站臺和AP之間的信號交握開始，因此AP知道站臺將進入睡眠模式，直到站臺預備好傳輸VoIP訊框為止(圖二)。

　　站臺的喚醒程序可在無排程延遲、輪詢等待或因其他站臺或沖突排程而造成的時序效應下發生。站臺喚醒并以可使用的最高優先順序參數傳輸VoIP訊框。上行訊框通常在小于2微秒的耗電量延遲下啟動。然后AP以ACK回應上行訊框。若有必要，站臺可重新傳輸并且保持在喚醒狀態，直到AP發送一VoIP訊框或null指示(表示無可用VoIP封包可傳送)。傳統的AP硬件之AP回應時間小于100?s，而改良后還可能縮短回應時間。

　　由于一次性為一站臺治理時序，遠比解決HCCA的N-body同步問題簡單得多，因此在現成的AP上新增EDCA功能，也相對輕易許多。此外，EDCA如同HCCA機制，在20-ms CBR的狀況下，可達到大致相同的75%省電效率。使用30-ms CBR間隔時間則可改善效率約83%。

　　802.11技術的改良勢必將網絡電話、網絡電話加資料、視頻加資料、網絡電話加視頻加資料等應用帶入主流。盡管802.11標準并未涵蓋所有網絡電話服務的各個層面，但仍有相當重要的標準。非凡是HCCA與EDCA都能提供在相同無線通道中支持語音加資料的方法，同時能優化手機電池壽命。

無線局域網絡語音擴展VoIP技術應用（圖二）