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摘要　VoWLAN（VoIP over WLAN）技術是一種利用無線局域網（WLAN）來傳輸VoIP幀的技術。由于WLAN和VoIP的固有缺陷，使VoWLAN技術中仍有許多問題尚待解決。文章對VoWLAN技術中的語音質量、安全、功耗和移動性管理4個主要問題及其解決方案進行探討，最后展望了VoWLAN技術的發(fā)展前景。
0、引言
隨著以IEEE 802.11為基礎的無線局域網（WLAN）的普及和VoIP的應用，人們看到了無線網絡電話可以實現(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/蜂窩融合型網絡提供產品和服務。
VoWLAN技術是基于WLAN的語音通信技術。從某種程度上講，VoWLAN技術是對VoIP的擴展和更新，將VoIP無線化，使用戶能更方便更直接地進行語音通信。
由于VoWLAN融合了VoIP和WLAN兩種技術，因而繼承了這兩種技術話費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，這兩個問題就變得更加復雜，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手機可以在WLAN接入點間自由往來，顯然，VoWLAN手機的功耗和移動性管理成為VoWLAN的兩個關鍵問題。同時，還有其他問題制約著VoWLAN。以下將對VoWLAN技術中的語音質量、安全、功耗和移動性管理4個主要問題及其解決方案進行探討。
1、語音質量
VoWLAN完全建立在分組交換基礎上，分組交換固有的時延、丟包等弱點使VoWLAN系統(tǒng)的通話質量一直無法保證。對傳統(tǒng)的有線網絡，可通過增加帶寬來提高VoIP的語音質量，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　時延
與傳統(tǒng)的數據業(yè)務相比，語音業(yè)務受時延的影響大得多。時延過大會導致語音失真，嚴重時甚至可以使通話無法進行。VoWLAN中的時延主要包含傳播時延、傳輸時延和處理時延。
傳播時延是指信號通過介質從一個地方傳播到另外一個地方所花費的時間。其大小由通信距離決定，因為無線電波的速度與光速一樣，通常傳播時延可以忽略不計。但是，如果通信距離太大（如跨洋通信和洲際通信）就必須考慮傳播時延。
傳輸時延是由網絡設備造成的時延。一般來講，所有網絡設備都會造成一定時延，并且不同的網絡設備造成的時延是不同的。例如，集線器造成的時延是相對不變的，而路由器造成的時延則會隨網絡的流量和擁塞程度的變化而變化。在WLAN環(huán)境下，通信時的數據速率決定了傳輸時延，在IEEE 802.11b網絡中，傳輸時延與數據傳輸速率成正比。
處理時延涉及的范圍較廣，從模/數轉換到編/解碼，從排隊等待到緩沖器接收等，都會產生一定的時延。如果處理不好就會造成通話的瞬間中斷。
以上三種時延中，只有傳輸時延在一定程度上是受控的，可通過優(yōu)化網絡結構加以改善。
1.2　丟包
無線網絡中有兩個主要的原因會造成數據包的丟失：a）時延變化過大；b）載波偵聽多路訪問（CSMA）域中流量過大，監(jiān)聽到有沖突的數據包就會被丟失。由于語音IP包的實時性，沒有時間重發(fā)丟失的包，因而丟失的IP包會使通話中斷。
從影響VoWLAN的語音質量的主要因素可看出，提高語音質量要從縮短時延和減少丟包著手。VoWLAN采用了一些優(yōu)化語音質量的新興IEEE標準，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基礎架構時具有路徑選擇權，從而可將影響語音質量的丟包、時延和抖動減到最少。
2、安全
WLAN是一個開放性的網絡，安全問題嚴重制約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制控制訪問。
安全問題可進一步分為訪問控制和數據包加密，IEEE 802.1用于訪問控制，IEEE 802.11i用于數據包加密。目前，并不是所有WLAN基礎設施都支持IEEE 802.1x和IEEE 802.11i，而且基于IEEE 802.1x的身份認證方法變化形式很多，3GPP和UMA支持基于SIM卡的認證，但很多WISP提供其他認證方法，甚至是非標準方法，使VoWLAN的安全功能難以落實，特別是在域間進行切換時。
針對上述安全問題，從體制和技術上提出了以下安全策略：
1）完善WLAN基礎設施，使之能支持IEEE 802.1x和IEEE 802.11i，消除由基礎設施引起的安全隱患。
2）統(tǒng)一標準，避免域間切換帶來的安全問題。
3）采用WLAN VPN技術可有效防止非法用戶的入侵。VPN主要采用DES、3DES等技術來保障數據傳輸的安全，將其與IEEE 802.11b安全技術結合，是目前比較理想的安全解決方案。但是VPN技術在封裝語音包時，不能對高低優(yōu)先級加以識別，還可能導致延遲，降低語音質量。
4）基于IEEE 802.11b的安全保證。由于IEEE802.11b制定了WEP機制，為WLAN提供了WLAN ESS ID、訪問控制列表和二層加密等保護手段。
5）防火墻技術，將接入點（AP）放置在防火墻外部，只允許具有合法地址的用戶進入。
3、功耗
通常，GSM手機的通話時間超過5小時，待機時間超過100小時，人們希望VoWLAN手機也能達到這個標準，甚至超過這個標準。但WLAN采用CSMA/CA技術控制介質訪問，研究和對實際系統(tǒng)的測試結果都表明，CSMA/CA是比TDMA耗能的訪問機制，這是因為如果有數據包需要發(fā)送或接收，WLAN移動臺必須始終保持在喚醒狀態(tài)。
VoWLAN手機的功耗問題可歸結為空閑模式和工作模式兩種。
1）空閑模式
在空閑模式下，VoWLAN手機可以進入IEEE 802.11中定義的一種節(jié)能模式（PSM），如果沒有數據包需要接收或發(fā)送，WLAN接口會一直休眠。這時，所有的射頻和基帶電路都會關閉，只有計數用的振蕩器工作，因此，休眠模式下的功耗非常低。為了監(jiān)聽來自接入點的信標消息（beacon message），節(jié)能狀態(tài)下的VoWLAN手機在每個監(jiān)聽間隔（listen interval）內都得喚醒一次。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，降低喚醒時間的精度，使接收信標消息的時間達到最小。在軟件方面，可以擴大VoWLAN手機的監(jiān)聽間隔，以減少每個周期內的喚醒次數，但這要求當VoWLAN手機休眠時，接入點必須擁有足夠的緩存來暫時存儲分組。通常，保持在空閑模式下的VoWLAN手機，其功耗在5mW到50mW之間，但與GSM手機相比，功耗仍然較高。
2）工作模式
工作模式下的功耗是VoWLAN手機的又一關鍵問題，它決定了VoWLAN手機的最長通話時間。由于語音分組周期性到達，最直接的方法就是使WALN移動臺始終保持喚醒，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移動臺始終保持喚醒狀態(tài)，即VoWLAN手機沒有分組可發(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�？梢岳�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，所有移動臺都可先通知接入點然后進入休眠。當VoWLAN手機有分組需要發(fā)送時，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，以獲取接入點的下行語音分組隊列。由于下行鏈路語音分組被緩存在接入點內，將會產生一定的時延，通過使用抖動緩沖器可以減緩這種抖動。如果在工作模式下采用節(jié)能模式的方法，VoWLAN手機就只需在發(fā)送和接收上行鏈路/下行鏈路語音分組時進行喚醒，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。在軟件設計中，盡量減小MAC層無線信道競爭，將語音特點融入到對MAC層的設計中，同時可以考慮蜂窩系統(tǒng)中的一些設計概念，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、移動性管理
通常，WLAN接入點的覆蓋半徑為50m～300m，如果VoWLAN手機不斷移動，則會導致節(jié)點間的頻繁切換。對于VoIP，語音分組時延的推薦標準是低于50ms，如果某個分組的時延超過了200ms，則認為該分組丟失。也就是說，VoWLAN手機從一個接入點移動到另一個接入點，其分組時延必須控制在50ms內。WLAN的移動性管理可分為兩種情況：a）VoWLAN手機在接入點間切換，而不用改變其IP地址；b）由于兩個接入點屬于不同的子網，切換之后VoWLAN手機的IP地址會改變。為了恢復會話，可以考慮應用層切換，如會話啟動協(xié)議（SIP）移動性。如果應用移動IP，那么應用層切換問題就可以留到IP層解決，因為移動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的時延標準比較容易達到。研究表明，要加入到新的WLAN中，一個移動臺大約需要300ms～500ms的時間，這個過程包括掃描和加入新信道、認證以及聯(lián)系新接入點。為了減小掃描時間，可采用SyncScan進行被動掃描，以減小WLAN的掃描時間。在VoIP會話期間同樣可以掃描接入點，因為語音分組到達的時間間隔為10ms～30ms，而VoWLAN手機只需1 ms～2ms的時間來發(fā)射和接收上行鏈路/下行鏈路分組，VoWLAN手機可以利用空閑時間與其他信道進行交換，掃描WLAN的接入點。交換前，先向接入點發(fā)送一個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，但是前者會引入時延，后者會導致分組丟失。
維持接入點間的QoS及確保接入點間的安全等，是VoWLAN移動性管理將面臨的挑戰(zhàn)。同時，接入點間切換造成的時延必須低于50ms。IEEE 802.1x/802.11i要求新接入點內的移動臺生成安全的密鑰，而生成新密鑰至少需要4次握手，這將會帶來更大的時延。另外，安全性、QoS及其他參數的上下文轉移可能會產生新問題。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移設計出新的協(xié)議。目前，一種可行的方法是利用鄰居圖來減小切換時延。
5、結束語
除上述主要問題外，VoWLAN技術還存在其他問題，如漫游、網絡資源利用率、干擾、雙模或多模等問題。
盡管VoWLAN在實現(xiàn)和運營方面存在很多問題，但是隨著IEEE 802.11系列標準的制定和相關核心算法的日趨成熟，這些問題也將隨之化解�？梢灶A見，在未來的幾年內，VoWLAN將呈現(xiàn)出高速發(fā)展的趨勢，特別是在企業(yè)領域（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勁。