VoWLAN技術研究與測試——數(shù)據(jù)與多媒體通信

　　目前的IT產(chǎn)業(yè)領域中，WLAN和VoIP是人們關注的熱點，因此使用WLAN提供語音服務（VoWLAN）的終端設備也就應運而生。VoWLAN終端設備利用現(xiàn)有的WLAN網(wǎng)絡實現(xiàn)無線的VoIP語音通話，用戶可以通過VoWLAN終端設備在WLAN網(wǎng)絡的覆蓋范圍內(nèi)隨時進行語音通話。這既發(fā)揮了IP網(wǎng)絡成本低的特點，又使得用戶獲得WLAN帶來的方便性。

　　一、VoWLAN應用方式

　　VoWLAN系統(tǒng)有兩種應用方式，一種針對有線辦公和住宅電話，也就是基于傳統(tǒng)終端的解決方案，如圖1所示。

　　對于傳統(tǒng)的語音終端，為了實現(xiàn)VoIP，需要添加VoIP網(wǎng)關設備。網(wǎng)關的主要功能是信令處理、協(xié)議轉(zhuǎn)換、語音編碼和解碼以及路由協(xié)議處理等，對外分別提供與PSTN網(wǎng)和IP網(wǎng)連接的接口。因此，基于WLAN的網(wǎng)關設備其實是無線接入點（AP）和VoIP網(wǎng)關設備相結(jié)合的產(chǎn)品。一方面用戶端設備通過模擬語音接口接入VoIP網(wǎng)關；另一方面，該網(wǎng)關通過內(nèi)置的WLAN功能將語音打包成IP分組包之后，通過無線鏈路傳送至起中繼作用的接收站無線網(wǎng)橋。這種應用方式類似于有線LAN的VoIP解決方案，只是利用了已經(jīng)敷設的WLAN，解決了VoIP的布線問題，用戶終端無需做大的改動，從而節(jié)省了用戶費用。

圖1基于傳統(tǒng)終端的VoWLAN系統(tǒng)應用方式

　　另一種VoWLAN應用方式是針對支持WLAN的便攜式語音終端，如圖2所示，在PDA、移動電話、筆記本電腦等上使用通常所說的Softphone就可以實現(xiàn)。這種方式的基本特點是終端一般內(nèi)置無線局域網(wǎng)模塊，與無線接入點（AP）的通信采用802.11協(xié)議，內(nèi)嵌的VoIP語音壓縮技術使得模擬語音通過終端后被打包成IP數(shù)據(jù)包，然后通過WLAN無線鏈路，最終直接在Internet上傳輸語音數(shù)據(jù)。這種方式可以使得在Internet任何地方語音交流完全免費，且保證了終端的可移動性。

圖2基于便攜式終端的VoWLAN系統(tǒng)應用方式

　　二、VoWLAN關鍵技術

　　雖然基于WLAN的VoIP技術與有線網(wǎng)絡類似，但是由于無線網(wǎng)絡固有的特性，在支持上層的實時業(yè)務時與有線網(wǎng)絡有很大差異，導致無線網(wǎng)絡傳輸?shù)恼Z音質(zhì)量有可能比有線網(wǎng)絡要差很多，因此必須采取特殊的措施來保障一定的業(yè)務質(zhì)量。VoWLAN的關鍵技術主要包括信令技術、編碼技術、實時傳輸技術以及服務質(zhì)量QoS保證技術等。

　　2.1信令技術

　　VoWLAN系統(tǒng)中，信令技術保證呼叫的順利實現(xiàn)和語音質(zhì)量。目前被廣泛接受的信令體系包括ITU-T的H.323系列和IETF的會話初始協(xié)議SIP。

　　ITU的H.323系列建議定義了在無業(yè)務質(zhì)量保證的因特網(wǎng)或其他分組網(wǎng)絡上多媒體通信的協(xié)議及其規(guī)程。H.323標準是局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)和Internet上多媒體技術的基礎保障，它是ITU-T有關多媒體通信的一個協(xié)議集，包括用于ISDN的H.320，用于B-ISDN的H.321和用于PSTN終端的H.324等建議。其編碼機制，協(xié)議范圍和基本操作類似于ISDN的Q.931信令協(xié)議的簡化版本，并采用了比較傳統(tǒng)電路交換方式。相關的協(xié)議包括用于控制的H.245，用于建立連接的H.255.0，用于大型會議的H.332，用于補充業(yè)務的H.450.1、H.450.2和H.450.3，有關安全的H.235，以及與電路交換業(yè)務互操作的H.246等。H.323提供設備之間、高層應用之間和提供商之間的互操作性，它不依賴于網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，獨立于操作系統(tǒng)和硬件平臺。同時，H.323還具備相當?shù)撵`活性，支持包含不同功能的節(jié)點之間的會議和不同網(wǎng)絡之間的會議。

　　雖然H.323提供了窄帶多媒體通信所需要的所有子協(xié)議，但H.323不支持多點發(fā)送（Multicast）協(xié)議，只能采用多點控制單元（MCU）構(gòu)成多點會議，因而同時只能支持有限的多點用戶。H.323也不支持呼叫轉(zhuǎn)移，且建立呼叫的時間比較長。

　　與H.323不同，SIP是一種比較簡單的會話初始化協(xié)議。它不像H.323那樣提供所有的通信協(xié)議，而是只提供會話或呼叫的建立與控制功能，且既支持單點發(fā)送（Unicast）也支持多點發(fā)送，會話參加者可以隨時加入一個已經(jīng)存在的會議。

　　SIP是一種應用層協(xié)議，可以用UDP或TCP作為其傳輸協(xié)議。與H.323不同的是：SIP是一種基于文本的協(xié)議，用SIP規(guī)則資源定位（SIPUniformResourceLocations）語言描述，這樣易于實現(xiàn)和調(diào)試，更重要的是靈活性和擴展性好。由于SIP僅用于初始化呼叫，而不傳輸媒體數(shù)據(jù)，因而造成的附加傳輸代價也不大。SIP的URL甚至可以嵌入到Web頁或其他超文本鏈路中，用戶只需點擊鼠標就可以發(fā)出呼叫。與H.323相比，SIP還有建立呼叫快，支持傳送號碼的特點。

　　2.2編碼技術

　　語音壓縮編碼技術是VoWLAN技術的一個重要組成部分。目前主要的編碼技術有ITU-T定義的G.729、G.723、G.723.1等。其中，G.729可將經(jīng)過采樣的64kbit/s語音以幾乎不失真的質(zhì)量壓縮至8kbit/s。由于在分組交換網(wǎng)絡中，業(yè)務質(zhì)量不能得到很好保證，因而需要語音編碼具有一定的靈活性，即編碼速率、編碼尺度的可變可適應性。G.729原來是8kbit/s現(xiàn)在的工作范圍擴展至6.4kbit/s～11.8kbit/s，語音質(zhì)量也在此范圍內(nèi)有一定的變化。G.723.1采用5.3/6.3kbit/s雙速率語音編碼，其話音質(zhì)量好，但是處理時延較大。表1是G.723.1、G.729和G.729A的部分性能比較。

[table]

編碼方法

G.723.1

G.729

G.729A

比特率

5.3/6.3kbit/s

8kbit/s

8kbit/s

幀長度

30ms

10ms

10ms

處理時延

30ms

10ms

10ms

觀看時延

7.5ms

5ms

5ms

幀字節(jié)數(shù)

20/24

10

10

DSP MIP

16

20

10.5

RAM

2200

3000

2000

[/table]

　　此外還需要注意的一個問題是，語音編碼的帶寬和實際所占用的帶寬是不同的，語音編碼的帶寬是實際語音包的帶寬，而語音包在網(wǎng)絡上傳輸時，還需要增加各種報頭，如RTP包頭、UDP包頭和IP包頭。由于語音包本身很小，所以這些額外的帶寬都是很可觀的。表2中列出了各種編碼方式下和打包時長所對應的實際帶寬。

　　語音編解碼打包時長語音數(shù)據(jù)帶寬實際所占帶寬

[table]

語音編解碼

打包時長

語音數(shù)據(jù)帶寬

實際所占帶寬

G.723.1（5.3K）

30ms

5.3K

16.2K

G.723.1（5.3K）

60ms

5.3K

10.6K

G.723.1（6.3K）

30ms

6.3K

16.8K

G.723.1（6.3K）

60ms

6.3K

11.6K

G.729

20ms

8K

24K

G.729

60ms

8K

13.3K

[/table]

　　由表2可以很明顯的看出，打包時間越長，所占用的實際帶寬越小，但時延越大。

　　2.3服務質(zhì)量QoS保證技術－802.11e

　　VoWLAN系統(tǒng)中，由于無線鏈路引入的串擾和多徑傳播將導致衰落和色散，從而引起系統(tǒng)的附加時延和抖動。而語音業(yè)務對于時延和抖動非常敏感，因此在VoWLAN系統(tǒng)中提供一種QoS保證技術就顯得非常重要。

　　IEEE802.11標準定義了兩種不同的信道訪問機制：一種是點協(xié)調(diào)機制（PCF），基于CSMA/CA方式；另一種是分布式協(xié)同機制（DCF），基于輪詢方式。但是這兩種都沒有劃分優(yōu)先級，因此隨著用戶數(shù)的增多，MAC不能保證為實時語音業(yè)務提供可靠的分組傳輸且傳輸時延和抖動在規(guī)定范圍內(nèi)。為此，IEEE802.11工作組的媒體訪問控制（MAC）改進任務組（即E任務組）對802.11的MAC層協(xié)議進行改進，使其可以支持具有QoS要求的應用，即IEEE802.11e標準。

　　IEEE802.11e中，MAC接入采用混合協(xié)同功能（HCF）控制機制。HCF與PCF和DCF直接兼容，而且可以支持優(yōu)先級和參數(shù)化的媒體訪問服務。HCF結(jié)合了競爭和輪詢兩種機制，其中，基于競爭的訪問機制稱為增強式點協(xié)同功能（EPCF），而無競爭的訪問機制稱為增強式分布系統(tǒng)功能（EDCF）。

　　EDCF對業(yè)務先進行分級，為不同的優(yōu)先級數(shù)據(jù)提供不同的服務輸出隊列，每個服務隊列采用EDCF方法來競爭傳輸資源。主要表現(xiàn)在不同優(yōu)先級隊列擁有的最小閑散時間（DIFS）和競爭窗口不一樣，可利用參數(shù)來改變競爭窗口大小，從而可以獲得不同的重發(fā)等待時間，保證了實時業(yè)務有更高的服務優(yōu)先級。

　　EPCF信道訪問方法采用QoS相關的點協(xié)同功能，稱為混合協(xié)同器（HC）。HC利用點協(xié)同功能把優(yōu)先級信道分配給無線終端，用于傳輸有QoS需求的數(shù)據(jù)，來滿足預定義的傳輸優(yōu)先級、服務速率、延時和抖動。有QoS需求的移動終端可以給HC發(fā)送預留請求（RR）。移動終端可以在EDCF模式或者EPCF模式下發(fā)送RR，也可以在受控競爭間隔（CGI）內(nèi)發(fā)送。

　　由上可見，隨著對QoS研究的不斷深入，IEEE802.11e協(xié)議也在逐步完善，一方面在原有的框架內(nèi)修改了分布式和集中式的協(xié)調(diào)機制，并保持了對傳統(tǒng)協(xié)議的兼容；另一方面也提出了一些獨特的解決方案，如批應答和準入控制。根據(jù)國外做出的研究和仿真報告，IEEE802.11e可以實現(xiàn)很好的QoS性能。

　　2.4實時傳輸技術

　　VoWLAN系統(tǒng)中也用到了實時傳輸技術，主要是采用實時傳輸協(xié)議RTP。RTP是提供端到端的包括音頻在內(nèi)的實時數(shù)據(jù)傳送的協(xié)議。RTP包括數(shù)據(jù)和控制兩部分，后者叫RTCP。RTP提供了時間標簽和控制不同數(shù)據(jù)流同步特性的機制，可以讓接收端重組發(fā)送端的數(shù)據(jù)包，可以提供接收端到多點發(fā)送組的服務質(zhì)量保證。

　　此外，靜音檢測技術和回波消除技術也是十分關鍵的技術。靜音檢測技術可有效剔除微弱信號，從而使語音信號的占用帶寬進一步降低到3.5kbit/s左右；回波消除技術主要利用數(shù)字濾波器技術來消除對通話質(zhì)量影響很大的回波干擾，保證通話質(zhì)量，這點在時延相對較大的VoWLAN系統(tǒng)尤為重要。

　　三、VoWLAN系統(tǒng)測試

　　VoWLAN系統(tǒng)測試中，主要可劃分為語音質(zhì)量分析和傳輸性能分析兩個方面。由于VoWLAN完全建立在分組交換基礎上，而分組交換固有的時延、丟包等弱點使VoWLAN系統(tǒng)的通話質(zhì)量得到不保證，因此在VoWLAN系統(tǒng)中，通話質(zhì)量一直是人們最為關注的問題之一，語音質(zhì)量的測試也就成了一項關鍵的指標。

　　影響VoWLAN系統(tǒng)通話質(zhì)量的因素

　　由于本身的技術特定，影響VoWLAN系統(tǒng)通話質(zhì)量的因素很多。從用戶通話過程中的主觀感受而言，主要有以下幾個方面。

　　>帶寬

　　當帶寬不足時，語音質(zhì)量會明顯的下降；充足的帶寬是保證語音質(zhì)量的基礎。

　　>時延

　　由于IP電話需要對語音包進行編碼和解碼，再加上傳輸?shù)臅r延，這就使得IP電話的時延要比普通電話大的多。當時延大于400ms時，人就可以明顯的感覺出來，當時延大于2s時，交流就會比較困難。IP電話的編碼時延大約在120ms左右，傳輸時延是影響IP電話時延的主要因素。

　　>抖動

　　所謂抖動，就是每個語音包傳輸時間之間的差別：當抖動超過一個語音包的時長時，語音質(zhì)量就會明顯下降。通過提高打包時長，可以減少抖動對語音質(zhì)量的影響。

　　>丟包

　　一般來說，丟包對語音質(zhì)量影響不大，當丟包在10%以下時，不會有明顯的感覺；但是當丟包大于20%時，就會影響語音的質(zhì)量。

　　>靜音檢測

　　靜音檢測檢測能夠減少傳送的語音包數(shù)量，減少所需的帶寬。但同時靜音檢測可能會丟掉一些微弱的聲音，在靜音到非靜音的轉(zhuǎn)換過程中，會給用戶不連貫的感覺。

　　>背景噪聲生成

　　背景噪聲主要解決當靜音檢測時靜音和非靜音轉(zhuǎn)換時的問題，通過加入背景噪聲，用戶會覺得語音比較連貫，但背景噪聲畢竟不是真實的，實際上也降低了語音質(zhì)量。

　　>回波抵消

　　由于IP網(wǎng)絡時延的不確定性，回波抵消本身就有可能導致語音的失真。

　　四、VoWLAN系統(tǒng)語音質(zhì)量測試

　　4.1主觀評價與客觀評價

　　端到端語音質(zhì)量的評價方法主要有兩種：主觀評價和客觀評價。

　　主觀評價方法的依據(jù)是ITU-TP.800（傳輸質(zhì)量的主觀評價方法），利用人本身的主觀感覺給聽到（或?qū)υ挘┑恼Z音的滿意度打分，打分的基本原則是可懂度。依此分數(shù)來評價端到端的語音質(zhì)量。

　　主觀評價試驗是需要設計的。設計的內(nèi)容主要包括物理條件，例如空間大小，噪聲環(huán)境等；試驗人員的選擇，如是否有聽力問題，是否第一次參與試驗等；語音樣本的選擇以及測試數(shù)據(jù)的收集與整理方法等等。

　　同時，主觀評價試驗的結(jié)果是一個統(tǒng)計的結(jié)果，是對眾多評價數(shù)據(jù)進行收集、統(tǒng)計，最后得到一個“平均意見得分”，也就是MOS分。特別需要說明的是，每一次主觀評價試驗的結(jié)果可能是不同。

　　由此看出，主觀評價方法并不適用于實驗室對某個特定連接進行語音質(zhì)量的評定，它僅適用于在實驗室環(huán)境下，對受控的連接和語音樣本進行綜合評價。

　　客觀評價主要解決如何利用客觀的方法評價語音質(zhì)量。根據(jù)聲學特性以及人的心理聲學模型，歸納出客觀評價指標。但是需要說明的是，任何客觀評價方法都是以主觀評價為基礎的。也就是說，客觀評價方法是否正確、合理，一定需要通過主觀評價來評估。只有結(jié)果與主觀評價取得一致的客觀評價方法，才是正確的方法。

　　另外，語音質(zhì)量的客觀評價是可以重復的，即在相同測試條件下得到的客觀評價分數(shù)是相同的（這一點與主觀評價非常不同）。

　　從上述分析看出，作為實驗室測試設備和系統(tǒng)應采用客觀評價方法。但采用何種客觀方法更合理、更準確，則需通過主觀試驗來驗證。

　　4.2VoWLAN系統(tǒng)語音質(zhì)量測試—客觀評價

　　目前，客觀評價語音質(zhì)量的方法是在聽覺模式下，在語音通道中（端到端地）傳送語音樣本信號；再將接收到的語音信號與（經(jīng)適配后的）原始樣本信號進行比較，以得到一個結(jié)果，然后根據(jù)ITU-TP.800.1建議的方法，計算出MOS分值。因此，VoWLAN系統(tǒng)語音質(zhì)量測試客觀評價方法如圖3所示。

圖3客觀評定測試方法

　　需要注意的是，由于WLAN受空中電磁波影響很大，因此測試中應將待測設備與測試儀表的射頻接口通過射頻電纜相連，且置于屏蔽箱內(nèi)，才能保證待測設備處于“干凈”的環(huán)境內(nèi)，得到的結(jié)果是可靠且可重復的。

　　此外，傳輸性能主要指設備的響度評定值、頻率響應、噪聲特性、失真特性、回聲特性等，此外還有背景噪聲傳輸和雙向通話特性等等。這些指標全面地考察了VoWLAN系統(tǒng)在通話過程中的特性，由此能夠分析設備的設計缺陷。

　　因此，傳輸性能的測試不僅可以完善語音質(zhì)量的評價，還可以幫助提高設備的設計水平。

　　五、總結(jié)

　　VoWLAN設備在未來通信市場上的前景廣闊，因此很多廠商都提供了相應的解決方案，市場上也出現(xiàn)了許多相關產(chǎn)品。但是VoWLAN移動終端并不僅僅是VoIP和WLAN的簡單疊加，還需要基于WLAN基礎設施解決QoS、無縫漫游、安全等諸多問題。而一旦擁有標準化的QoS、增強的安全性，可靠的及易操作的網(wǎng)絡，VoiceoverWLAN的應用將會非常繁榮，與蜂窩系統(tǒng)形成有益的競爭和互補。

----《通信世界》

作者：信息產(chǎn)業(yè)部電信研究院泰爾實驗室汪坤 劉曉紅 張薇