WLAN無線網絡電話系統技術應用(圖)

2019-11-05 02:35:36

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供稿：網友

　　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連結筆記本電腦。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。現時可實現各種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
　　　 WLAN無線網絡電話系統技術應用(圖)

　　▲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

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