關(guān)鍵字: VoIP13, WLAN29, 局域網(wǎng)2, IEEE26, 網(wǎng)絡(luò)電話1, 摩托羅拉1, NEC1, Wi-Fi2, 融合2, 網(wǎng)絡(luò)11, Qos4, 手機(jī)23, 分組交換2, 集線器1, 路由器1, IP8, 3GPP1, SIM卡1, VPN3, GSM2, CA2, 測試1, TDMA1, 射頻1, SIP1, 漫游1, 雙模1

摘要　VoWLAN（VoIP over WLAN）技術(shù)是一種利用無線局域網(wǎng)（WLAN）來傳輸VoIP幀的技術(shù)。由于WLAN和VoIP的固有缺陷，使VoWLAN技術(shù)中仍有許多問題尚待解決。文章對VoWLAN技術(shù)中的語音質(zhì)量、安全、功耗和移動(dòng)性管理4個(gè)主要問題及其解決方案進(jìn)行探討，最后展望了VoWLAN技術(shù)的發(fā)展前景。
0、引言
隨著以IEEE 802.11為基礎(chǔ)的無線局域網(wǎng)（WLAN）的普及和VoIP的應(yīng)用，人們看到了無線網(wǎng)絡(luò)電話可以實(shí)現(xiàn)的希望。90年代末期就有公司開始提供專用的VoWLAN解決方案。目前，摩托羅拉、諾基亞、NEC等公司已開始為下一代Wi-Fi/蜂窩融合型網(wǎng)絡(luò)提供產(chǎn)品和服務(wù)。
VoWLAN技術(shù)是基于WLAN的語音通信技術(shù)。從某種程度上講，VoWLAN技術(shù)是對VoIP的擴(kuò)展和更新，將VoIP無線化，使用戶能更方便更直接地進(jìn)行語音通信。
由于VoWLAN融合了VoIP和WLAN兩種技術(shù)，因而繼承了這兩種技術(shù)話費(fèi)便宜和使用方便的優(yōu)勢。但是VoIP和WLAN的固有缺陷和不足同時(shí)也在VoWLAN中顯現(xiàn)出來。在有線環(huán)境中，QoS和安全性就一直困擾著VoIP，而在采用無牌照無線電頻譜的WLAN中，這兩個(gè)問題就變得更加復(fù)雜，QoS和安全性就更加難以得到保障。除了上述問題，由于VoWLAN利用無線鏈路作為最后1 km的傳輸通道，使得VoWLAN手機(jī)可以在WLAN接入點(diǎn)間自由往來，顯然，VoWLAN手機(jī)的功耗和移動(dòng)性管理成為VoWLAN的兩個(gè)關(guān)鍵問題。同時(shí)，還有其他問題制約著VoWLAN。以下將對VoWLAN技術(shù)中的語音質(zhì)量、安全、功耗和移動(dòng)性管理4個(gè)主要問題及其解決方案進(jìn)行探討。
1、語音質(zhì)量
VoWLAN完全建立在分組交換基礎(chǔ)上，分組交換固有的時(shí)延、丟包等弱點(diǎn)使VoWLAN系統(tǒng)的通話質(zhì)量一直無法保證。對傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)，可通過增加帶寬來提高VoIP的語音質(zhì)量，但是在WLAN環(huán)境之下，帶寬資源是有限的，使問題難以解決。
1.1　時(shí)延
與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)相比，語音業(yè)務(wù)受時(shí)延的影響大得多。時(shí)延過大會導(dǎo)致語音失真，嚴(yán)重時(shí)甚至可以使通話無法進(jìn)行。VoWLAN中的時(shí)延主要包含傳播時(shí)延、傳輸時(shí)延和處理時(shí)延。
傳播時(shí)延是指信號通過介質(zhì)從一個(gè)地方傳播到另外一個(gè)地方所花費(fèi)的時(shí)間。其大小由通信距離決定，因?yàn)闊o線電波的速度與光速一樣，通常傳播時(shí)延可以忽略不計(jì)。但是，如果通信距離太大（如跨洋通信和洲際通信）就必須考慮傳播時(shí)延。
傳輸時(shí)延是由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備造成的時(shí)延。一般來講，所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都會造成一定時(shí)延，并且不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備造成的時(shí)延是不同的。例如，集線器造成的時(shí)延是相對不變的，而路由器造成的時(shí)延則會隨網(wǎng)絡(luò)的流量和擁塞程度的變化而變化。在WLAN環(huán)境下，通信時(shí)的數(shù)據(jù)速率決定了傳輸時(shí)延，在IEEE 802.11b網(wǎng)絡(luò)中，傳輸時(shí)延與數(shù)據(jù)傳輸速率成正比。
處理時(shí)延涉及的范圍較廣，從模/數(shù)轉(zhuǎn)換到編/解碼，從排隊(duì)等待到緩沖器接收等，都會產(chǎn)生一定的時(shí)延。如果處理不好就會造成通話的瞬間中斷。
以上三種時(shí)延中，只有傳輸時(shí)延在一定程度上是受控的，可通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)加以改善。
1.2　丟包
無線網(wǎng)絡(luò)中有兩個(gè)主要的原因會造成數(shù)據(jù)包的丟失：a）時(shí)延變化過大；b）載波偵聽多路訪問（CSMA）域中流量過大，監(jiān)聽到有沖突的數(shù)據(jù)包就會被丟失。由于語音IP包的實(shí)時(shí)性，沒有時(shí)間重發(fā)丟失的包，因而丟失的IP包會使通話中斷。
從影響VoWLAN的語音質(zhì)量的主要因素可看出，提高語音質(zhì)量要從縮短時(shí)延和減少丟包著手。VoWLAN采用了一些優(yōu)化語音質(zhì)量的新興IEEE標(biāo)準(zhǔn)，主要有IEEE 802.11e、IEEE 802.11r、IEEE 802.11i和IEEE 802.11k。這些優(yōu)先協(xié)議規(guī)定，語音通信在通過Wi-Fi基礎(chǔ)架構(gòu)時(shí)具有路徑選擇權(quán)，從而可將影響語音質(zhì)量的丟包、時(shí)延和抖動(dòng)減到最少。
2、安全
WLAN是一個(gè)開放性的網(wǎng)絡(luò)，安全問題嚴(yán)重制約VoWLAN的發(fā)展。早期的WLAN并沒有考慮安全問題，只是采用簡單的訪問控制機(jī)制控制訪問。
安全問題可進(jìn)一步分為訪問控制和數(shù)據(jù)包加密，IEEE 802.1用于訪問控制，IEEE 802.11i用于數(shù)據(jù)包加密。目前，并不是所有WLAN基礎(chǔ)設(shè)施都支持IEEE 802.1x和IEEE 802.11i，而且基于IEEE 802.1x的身份認(rèn)證方法變化形式很多，3GPP和UMA支持基于SIM卡的認(rèn)證，但很多WISP提供其他認(rèn)證方法，甚至是非標(biāo)準(zhǔn)方法，使VoWLAN的安全功能難以落實(shí)，特別是在域間進(jìn)行切換時(shí)。
針對上述安全問題，從體制和技術(shù)上提出了以下安全策略：
1）完善WLAN基礎(chǔ)設(shè)施，使之能支持IEEE 802.1x和IEEE 802.11i，消除由基礎(chǔ)設(shè)施引起的安全隱患。
2）統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，避免域間切換帶來的安全問題。
3）采用WLAN VPN技術(shù)可有效防止非法用戶的入侵。VPN主要采用DES、3DES等技術(shù)來保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩�，將其與IEEE 802.11b安全技術(shù)結(jié)合，是目前比較理想的安全解決方案。但是VPN技術(shù)在封裝語音包時(shí)，不能對高低優(yōu)先級加以識別，還可能導(dǎo)致延遲，降低語音質(zhì)量。
4）基于IEEE 802.11b的安全保證。由于IEEE802.11b制定了WEP機(jī)制，為WLAN提供了WLAN ESS ID、訪問控制列表和二層加密等保護(hù)手段。
5）防火墻技術(shù)，將接入點(diǎn)（AP）放置在防火墻外部，只允許具有合法地址的用戶進(jìn)入。
3、功耗
通常，GSM手機(jī)的通話時(shí)間超過5小時(shí)，待機(jī)時(shí)間超過100小時(shí)，人們希望VoWLAN手機(jī)也能達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，甚至超過這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。但WLAN采用CSMA/CA技術(shù)控制介質(zhì)訪問，研究和對實(shí)際系統(tǒng)的測試結(jié)果都表明，CSMA/CA是比TDMA耗能的訪問機(jī)制，這是因?yàn)槿绻�有�?shù)據(jù)包需要發(fā)送或接收，WLAN移動(dòng)臺必須始終保持在喚醒狀態(tài)。
VoWLAN手機(jī)的功耗問題可歸結(jié)為空閑模式和工作模式兩種。
1）空閑模式
在空閑模式下，VoWLAN手機(jī)可以進(jìn)入IEEE 802.11中定義的一種節(jié)能模式（PSM），如果沒有數(shù)據(jù)包需要接收或發(fā)送，WLAN接口會一直休眠。這時(shí)，所有的射頻和基帶電路都會關(guān)閉，只有計(jì)數(shù)用的振蕩器工作，因此，休眠模式下的功耗非常低。為了監(jiān)聽來自接入點(diǎn)的信標(biāo)消息（beacon message），節(jié)能狀態(tài)下的VoWLAN手機(jī)在每個(gè)監(jiān)聽間隔（listen interval）內(nèi)都得喚醒一次。為了減小空閑模式下的功耗，在硬件方面，可以減少休眠和接收模式下的功耗，降低喚醒時(shí)間的精度，使接收信標(biāo)消息的時(shí)間達(dá)到最小。在軟件方面，可以擴(kuò)大VoWLAN手機(jī)的監(jiān)聽間隔，以減少每個(gè)周期內(nèi)的喚醒次數(shù)，但這要求當(dāng)VoWLAN手機(jī)休眠時(shí)，接入點(diǎn)必須擁有足夠的緩存來暫時(shí)存儲分組。通常，保持在空閑模式下的VoWLAN手機(jī)，其功耗在5mW到50mW之間，但與GSM手機(jī)相比，功耗仍然較高。
2）工作模式
工作模式下的功耗是VoWLAN手機(jī)的又一關(guān)鍵問題，它決定了VoWLAN手機(jī)的最長通話時(shí)間。由于語音分組周期性到達(dá)，最直接的方法就是使WALN移動(dòng)臺始終保持喚醒，稱為持續(xù)訪問模式（CAM）。然而，基于持續(xù)訪問模式的VoIP要求WLAN移動(dòng)臺始終保持喚醒狀態(tài)，即VoWLAN手機(jī)沒有分組可發(fā)送或接收也存在能量消耗。對于VoWLAN，基于IEEE 802.11中持續(xù)訪問模式下的平均功耗在500mW到1W之間，具體值依WLAN的芯片而定。可以利用IEEE 802.11中的節(jié)能模式來減小工作模式下的功耗問題。在IEEE 802.11規(guī)范中指出，所有移動(dòng)臺都可先通知接入點(diǎn)然后進(jìn)入休眠。當(dāng)VoWLAN手機(jī)有分組需要發(fā)送時(shí)，它就喚醒自己，然后發(fā)送上行鏈路語音分組，發(fā)送完后，接著發(fā)出節(jié)電輪詢（PS-poll）信息，以獲取接入點(diǎn)的下行語音分組隊(duì)列。由于下行鏈路語音分組被緩存在接入點(diǎn)內(nèi)，將會產(chǎn)生一定的時(shí)延，通過使用抖動(dòng)緩沖器可以減緩這種抖動(dòng)。如果在工作模式下采用節(jié)能模式的方法，VoWLAN手機(jī)就只需在發(fā)送和接收上行鏈路/下行鏈路語音分組時(shí)進(jìn)行喚醒，接著回到休眠狀態(tài)，直到下一輪上行鏈路/下行鏈路語音分組的到來。這樣可以降低50%～80%的功耗。
從以上分析可看出，若要降低VoWLAN手機(jī)的功耗，需得從減小接收、發(fā)射及休眠模式的功耗著手，這主要依靠硬件上的改進(jìn)。在軟件設(shè)計(jì)中，盡量減小MAC層無線信道競爭，將語音特點(diǎn)融入到對MAC層的設(shè)計(jì)中，同時(shí)可以考慮蜂窩系統(tǒng)中的一些設(shè)計(jì)概念，如不連續(xù)接收（DRX）和不連續(xù)發(fā)射（DTX），將它們引入到VoWLAN系統(tǒng)中。
4、移動(dòng)性管理
通常，WLAN接入點(diǎn)的覆蓋半徑為50m～300m，如果VoWLAN手機(jī)不斷移動(dòng)，則會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間的頻繁切換。對于VoIP，語音分組時(shí)延的推薦標(biāo)準(zhǔn)是低于50ms，如果某個(gè)分組的時(shí)延超過了200ms，則認(rèn)為該分組丟失。也就是說，VoWLAN手機(jī)從一個(gè)接入點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)接入點(diǎn)，其分組時(shí)延必須控制在50ms內(nèi)。WLAN的移動(dòng)性管理可分為兩種情況：a）VoWLAN手機(jī)在接入點(diǎn)間切換，而不用改變其IP地址；b）由于兩個(gè)接入點(diǎn)屬于不同的子網(wǎng)，切換之后VoWLAN手機(jī)的IP地址會改變。為了恢復(fù)會話，可以考慮應(yīng)用層切換，如會話啟動(dòng)協(xié)議（SIP）移動(dòng)性。如果應(yīng)用移動(dòng)IP，那么應(yīng)用層切換問題就可以留到IP層解決，因?yàn)橐苿?dòng)IP可以確保VoWLAN的IP不變。
對于沒有采用IEEE 802.1x和IEEE 802.11i的WLAN，50ms的時(shí)延標(biāo)準(zhǔn)比較容易達(dá)到。研究表明，要加入到新的WLAN中，一個(gè)移動(dòng)臺大約需要300ms～500ms的時(shí)間，這個(gè)過程包括掃描和加入新信道、認(rèn)證以及聯(lián)系新接入點(diǎn)。為了減小掃描時(shí)間，可采用SyncScan進(jìn)行被動(dòng)掃描，以減小WLAN的掃描時(shí)間。在VoIP會話期間同樣可以掃描接入點(diǎn)，因?yàn)檎Z音分組到達(dá)的時(shí)間間隔為10ms～30ms，而VoWLAN手機(jī)只需1 ms～2ms的時(shí)間來發(fā)射和接收上行鏈路/下行鏈路分組，VoWLAN手機(jī)可以利用空閑時(shí)間與其他信道進(jìn)行交換，掃描WLAN的接入點(diǎn)。交換前，先向接入點(diǎn)發(fā)送一個(gè)PSM請求，以便緩存分組，或者只與新信道交換而不用通知接入點(diǎn)，但是前者會引入時(shí)延，后者會導(dǎo)致分組丟失。
維持接入點(diǎn)間的QoS及確保接入點(diǎn)間的安全等，是VoWLAN移動(dòng)性管理將面臨的挑戰(zhàn)。同時(shí)，接入點(diǎn)間切換造成的時(shí)延必須低于50ms。IEEE 802.1x/802.11i要求新接入點(diǎn)內(nèi)的移動(dòng)臺生成安全的密鑰，而生成新密鑰至少需要4次握手，這將會帶來更大的時(shí)延。另外，安全性、QoS及其他參數(shù)的上下文轉(zhuǎn)移可能會產(chǎn)生新問題。眾多的研究、IEEE 802.11r和新的IEEE 802.11 WGs都試圖為快速切換和快速上下文轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)出新的協(xié)議。目前，一種可行的方法是利用鄰居圖來減小切換時(shí)延。
5、結(jié)束語
除上述主要問題外，VoWLAN技術(shù)還存在其他問題，如漫游、網(wǎng)絡(luò)資源利用率、干擾、雙模或多模等問題。
盡管VoWLAN在實(shí)現(xiàn)和運(yùn)營方面存在很多問題，但是隨著IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的制定和相關(guān)核心算法的日趨成熟，這些問題也將隨之化解�？梢灶A(yù)見，在未來的幾年內(nèi)，VoWLAN將呈現(xiàn)出高速發(fā)展的趨勢，特別是在企業(yè)領(lǐng)域（如醫(yī)療衛(wèi)生等垂直行業(yè)），VoWLAN的發(fā)展勢頭將會越來越強(qiáng)勁。