無線局域網絡語音擴展VoIP技術應用(一)

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在我實習工作的這段時間使我學到了很多的知識:比如1無線局域網絡語音擴展VoIP技術應用:據港臺媒體報導,隨着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,架構於WLAN的網絡電話手機,由於只需一臺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。

無線局域網絡語音擴展VoIP技術應用(一)

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。其中顯着的例子爲安全性(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爲輪詢方法(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,並且特別着墨於移動裝置中最關鍵的要素──耗電量。

所有降低耗電量的方法,均必須儘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;APSD)技術。ROCm同時提供絕佳的性能,能啓用高速傳輸以縮短髮送/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。由於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並不支持同步操作(synchronous operation)。因此,通常無法在微秒級下做預測。由於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競爭法明顯缺乏中央同步時序(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幹線路都保持同步,於是能掌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於150微秒。由於移動電話系統整體的架構採用可決定的方式應用時脈語音封包,因此不需因爲要確保低延遲,而對語音封包以特殊的服務品質(QoS)機制排定優先順序。移動電話系統利用現有時槽、多工與語音服務管理加入資料服務。

WLAN則剛好相反,語音服務必須藉助於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,如果兩端都使用WLAN進行對話,那麼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,那麼封包將無法避免延遲抵達,有時甚至無法抵達。遲到的封包可能成羣抵達。

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可改變爲使用同步、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,夠令人滿意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,是這些系統並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,能提供相當於高端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於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應用於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爲必要的解碼器。

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

挑戰耗電量  

儘管現今的解碼器如此靈活,時序仍然是十分重要的,因爲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迴應存取點。

雖然移動電話與VoWLAN系統之間有此差異,後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。

說到這裏,我們不禁又會想令WLAN同步操作。若存取點知道手機於何時進入睡眠模式,只在它準備好時進行傳輸,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訊框抵達時立刻傳輸至手機,必要時可先將這些訊框置於緩衝區。

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