IP電話邁向無線
沈建苗 編譯
2005/11/15
這幾乎就是不可抗拒的聯(lián)姻：IP語音傳輸（VoIP）提供了以低成本在網(wǎng)上打電話的方案，而Wi-Fi扔掉了連線。如果兩者相結(jié)合(現(xiàn)在這對(duì)組合已被稱為VoFi)，就可以通過任何能夠訪問的Wi-Fi連接，以低成本撥打無線電話。
VoIP和Wi-Fi的聯(lián)姻是天作之合。目前許多大公司已積極采用VoFi，明顯降低了長(zhǎng)途電話費(fèi)，即便音質(zhì)并不總是能夠與普通老式電話（POTS）的音質(zhì)相媲美，但至少不是相差甚遠(yuǎn)。
但如今VoFi正在進(jìn)入運(yùn)行環(huán)境有些不太穩(wěn)定的消費(fèi)者領(lǐng)域。VoIP的開拓者Vonage公司已在今年夏季開始銷售一款便攜式Wi-Fi電話，這款電話必須在標(biāo)準(zhǔn)的802.11網(wǎng)絡(luò)上使用，而不能在經(jīng)過改動(dòng)和調(diào)整從而滿足實(shí)時(shí)語音需求的特殊的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)上使用。VoFi在這種環(huán)境下音質(zhì)如何仍需拭目以待。
就連VoIP也要克服一些惡劣環(huán)境，才能在因特網(wǎng)上提供聲音自然的語音，VoFi就更不用說了。根本性難度就在于，分組網(wǎng)絡(luò)如LAN、Wi-Fi和因特網(wǎng)本來就不是為語音通信而設(shè)計(jì)的。為了讓通話聲音自然，語音信號(hào)在通話方之間傳送時(shí)必須沒有明顯的延遲。然而在分組網(wǎng)絡(luò)上，卻無法保證含有語音數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包能夠及時(shí)到達(dá)，或者能夠到達(dá)。Wi-Fi是一項(xiàng)無線技術(shù)，加上原本就不如LAN可靠，所以確保傳送及時(shí)、音質(zhì)良好就更不可能了。面向消費(fèi)者的Wi-Fi往往工作在不太理想的環(huán)境下，因而這種情形更加讓人擔(dān)憂。
幸運(yùn)的是，在有線VoIP中，處理數(shù)據(jù)包傳送不穩(wěn)定現(xiàn)象的技術(shù)已經(jīng)解決了諸多音質(zhì)問題。之所以會(huì)出現(xiàn)音質(zhì)問題，往往是因?yàn)橐蛱鼐W(wǎng)遇到異常問題，或者大量數(shù)據(jù)流量造成局域網(wǎng)擁塞，所以無法優(yōu)先處理VoIP應(yīng)用。
無線面臨的難題
不過，無線VoIP更為復(fù)雜。數(shù)據(jù)包傳送以及音質(zhì)會(huì)受到實(shí)際墻壁、微弱信號(hào)、電子干擾甚至無意中暫時(shí)成為射頻防護(hù)屏的行人的影響。雖然有線和無線VoIP系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)包傳送問題的方式實(shí)際上一模一樣，但無線系統(tǒng)遇到的問題更頻繁、更嚴(yán)重。
與有線VoIP一樣，VoFi音質(zhì)方面的問題主要集中在時(shí)延、抖動(dòng)和數(shù)據(jù)包丟失這三個(gè)方面。數(shù)據(jù)包到達(dá)目的地需要時(shí)間（時(shí)延），這個(gè)時(shí)間是個(gè)變量（抖動(dòng)），有些數(shù)據(jù)包永遠(yuǎn)也無法到達(dá)目的地（數(shù)據(jù)包丟失）。Wi-Fi上的時(shí)延、抖動(dòng)和數(shù)據(jù)包丟失都比有線LAN上來得嚴(yán)重，因而帶來了更難以處理的音質(zhì)問題。
當(dāng)然，任何VoIP或者VoFi應(yīng)用都存在一定的時(shí)延。譬如說，因特網(wǎng)ping測(cè)試可能會(huì)顯示波士頓和達(dá)拉斯之間來回一趟的時(shí)延為67毫秒；波士頓和瑞士日內(nèi)瓦之間來回一趟的時(shí)延為133毫秒；波士頓和澳大利亞阿德萊德之間來回一趟的時(shí)延為262毫秒。國際電信聯(lián)盟（ITU）在G.114標(biāo)準(zhǔn)中推薦：想獲得良好的通話質(zhì)量，單向時(shí)延要低于150 毫秒。照這個(gè)音質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)來衡量，所有上述時(shí)間都是可以接受的。
但如果時(shí)延變長(zhǎng)（見圖2），就會(huì)出現(xiàn)問題。因特網(wǎng)時(shí)延變化極大，很難預(yù)測(cè)，有時(shí)會(huì)突然增加。LAN上的數(shù)據(jù)擁塞也會(huì)導(dǎo)致時(shí)延很長(zhǎng)，通常的VoIP處理（譬如語音編碼和解碼）也會(huì)增加時(shí)延。如果單向時(shí)延超過大約200 毫秒，語音流就會(huì)受到干擾：參與方往往會(huì)中斷對(duì)方的說話，并在同一時(shí)間通話。長(zhǎng)時(shí)延還會(huì)引起回聲。
最經(jīng)常遇到的VoIP問題就是抖動(dòng)，即語音數(shù)據(jù)包以沒有規(guī)律的時(shí)間間隔到達(dá)目的地（見圖3）。抖動(dòng)明顯（超過大約50毫秒）的后果就是聲音斷斷續(xù)續(xù)。嚴(yán)重的抖動(dòng)其實(shí)會(huì)導(dǎo)致語音數(shù)據(jù)包不按順序到達(dá)目的地，從而導(dǎo)致聲音混亂無序。
抖動(dòng)現(xiàn)象在無線LAN中特別普遍，因而對(duì)VoFi來說是個(gè)嚴(yán)重問題。據(jù)Global IP Sound公司負(fù)責(zé)技術(shù)的副總裁Jan Linden聲稱，802.11b
網(wǎng)絡(luò)上的抖動(dòng)出現(xiàn)50到200毫秒的標(biāo)準(zhǔn)偏差并非罕見。相比之下，企業(yè)LAN卻很少出現(xiàn)超過幾毫秒的抖動(dòng)。
不過，最嚴(yán)重的音質(zhì)問題不是由于抖動(dòng)，而是由于數(shù)據(jù)包丟失。只要有一個(gè)語音數(shù)據(jù)包未到達(dá)目的地，至少會(huì)丟失20或者30毫秒的通話——具體時(shí)間取決于采用哪種語音編解碼器。在有些情況下，哪怕丟失1%的數(shù)據(jù)包，也會(huì)導(dǎo)致語音質(zhì)量嚴(yán)重下降。
而遺憾的是，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)往往會(huì)丟失許多數(shù)據(jù)包，原因是Wi-Fi用戶和Wi-Fi接入點(diǎn)間的連接質(zhì)量經(jīng)常不好。如果數(shù)據(jù)包沒有從發(fā)送方傳到接收方，網(wǎng)絡(luò)當(dāng)然可以重新發(fā)送，但重新發(fā)送語音包只會(huì)導(dǎo)致時(shí)延和抖動(dòng)問題更嚴(yán)重。而且，如果重新發(fā)送數(shù)據(jù)包導(dǎo)致時(shí)延過長(zhǎng)，VoFi系統(tǒng)就會(huì)干脆把它丟棄。
VoFi的解決之道
確實(shí)有一些辦法可以解決VoFi的許多問題。諸多技術(shù)不僅可以處理時(shí)延、抖動(dòng)和數(shù)據(jù)包丟失，還可以處理回聲及傳統(tǒng)電話的其他常見問題。VoFi還有眾多語音編解碼器可以使用，它們能壓縮語音、減小帶寬需求，同時(shí)仍提供良好的音質(zhì)。
為了盡量減小抖動(dòng)產(chǎn)生的影響，VoIP系統(tǒng)采用了抖動(dòng)緩沖器。抖動(dòng)緩沖器接收進(jìn)來的語音包，語音包可能以沒有規(guī)律的時(shí)間間隔到達(dá)，但經(jīng)抖動(dòng)緩沖器處理后，可以按有規(guī)律的間隔重新發(fā)送，從而讓優(yōu)先處理的語音數(shù)據(jù)聲音自然。
然而，抖動(dòng)緩沖器是把雙刃劍。雖然抖動(dòng)緩沖器可以消除進(jìn)入數(shù)據(jù)包的抖動(dòng)，不過它是以增加整體時(shí)延為代價(jià)的。小容量緩沖器帶來的時(shí)延低于大容量緩沖器，但一旦抖動(dòng)明顯，就會(huì)發(fā)生溢出、丟失語音數(shù)據(jù)包等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致音質(zhì)下降。另一方面，大容量緩沖器雖然丟失的數(shù)據(jù)包較少，但會(huì)導(dǎo)致時(shí)延讓人無法接受。
動(dòng)態(tài)抖動(dòng)緩沖器可以解決緩沖器大小問題。動(dòng)態(tài)抖動(dòng)緩沖器用軟件實(shí)現(xiàn)，檢測(cè)到變化的網(wǎng)絡(luò)條件后，就會(huì)相應(yīng)調(diào)整緩沖器大小。通�？梢詫�(duì)動(dòng)態(tài)抖動(dòng)緩沖器進(jìn)行配置，規(guī)定最多允許丟失多少比例的數(shù)據(jù)包。其實(shí)，動(dòng)態(tài)抖動(dòng)緩沖器會(huì)在抖動(dòng)和數(shù)據(jù)包丟失之間進(jìn)行折衷處理，以便盡量提高音質(zhì)。
數(shù)據(jù)包丟失會(huì)對(duì)音質(zhì)產(chǎn)生大小不一的影響，這要看數(shù)據(jù)包是如何丟失的。據(jù)一些人士聲稱，丟失多達(dá)10%的語音數(shù)據(jù)包照樣能獲得可以接受的音質(zhì)。不過另一些人士認(rèn)為，哪怕丟失1%的數(shù)據(jù)包也會(huì)導(dǎo)致音質(zhì)極差。顯然，出現(xiàn)這種不一致是因?yàn)閿?shù)據(jù)包丟失有的呈隨機(jī)性，有的呈突發(fā)性。有時(shí)，一個(gè)VoIP系統(tǒng)會(huì)在幾秒鐘時(shí)間內(nèi)丟失20%至30%的數(shù)據(jù)包，這種情況就會(huì)導(dǎo)致非常明顯的音質(zhì)問題。
為了處理數(shù)據(jù)包丟失問題，VoIP和VoFi系統(tǒng)采用了名為數(shù)據(jù)包丟失隱藏（packet loss concealment）的一種技術(shù)。這種技術(shù)并不找回丟失的數(shù)據(jù)包，只是把丟失數(shù)據(jù)包對(duì)語音產(chǎn)生的不利影響掩蓋起來。讓人驚訝的是，這種方法的效果非常好：在某些情況下最多允許可以丟失30%的數(shù)據(jù)包
Global IP Sound公司的Jan Linden認(rèn)為，實(shí)際上，數(shù)據(jù)包丟失隱藏技術(shù)就是為每個(gè)傳送的語音包添加了來自前一個(gè)語音包的一些信息。然后，如果某語音包沒有成功到達(dá)接收端，接收端就會(huì)等到接到下一個(gè)語音包，然后使用該語音包中的信息來描述前一個(gè)語音包。
最常用的數(shù)據(jù)包丟失隱藏方法僅僅是用整個(gè)前一個(gè)語音包取代丟失的數(shù)據(jù)包。因?yàn)檎Z音內(nèi)容前后有所關(guān)聯(lián)，所以你能得到與以前內(nèi)容類似的內(nèi)容。不過，這有個(gè)缺點(diǎn)——由于轉(zhuǎn)換效應(yīng)，音質(zhì)不是非常好。
一種更有效的隱藏?cái)?shù)據(jù)包丟失問題的方法就是，把一系列語音數(shù)據(jù)分成兩部分，然后按單獨(dú)的數(shù)據(jù)包連續(xù)發(fā)送。通過適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)采樣，每個(gè)數(shù)據(jù)包中含有大致相同的聲音序列。如果兩個(gè)數(shù)據(jù)包同時(shí)到達(dá)，接收端就可以使用這兩個(gè)數(shù)據(jù)包，完美再現(xiàn)聲音序列。如果有一個(gè)數(shù)據(jù)包丟失，系統(tǒng)就會(huì)使用另一個(gè)數(shù)據(jù)包再現(xiàn)同樣的聲音，只是音質(zhì)稍差罷了，不過仍可以接受。
802.11e確保QoS
VoIP 和VoFi還可以借助即將予以批準(zhǔn)的802.11e標(biāo)準(zhǔn)，從而在提高音質(zhì)方面得到一些改進(jìn)。802.11e規(guī)定了服務(wù)質(zhì)量（QoS）方面的要求。802.11本身不會(huì)對(duì)流量類型區(qū)別對(duì)待，所以不會(huì)為實(shí)時(shí)語音數(shù)據(jù)提供高于其他數(shù)據(jù)（如電子表格文件）的優(yōu)先級(jí)。不過，802.11e提供了不同的流量類別和優(yōu)先級(jí)別，從而使高優(yōu)先級(jí)的語音數(shù)據(jù)遇到的延遲比較低（因而抖動(dòng)和數(shù)據(jù)包丟失現(xiàn)象比較少）。
然而，802.11e不能保證語音數(shù)據(jù)總是盡可能快速、有規(guī)律地到達(dá)目的地，不過它確實(shí)增加了這種可能性。另外，要獲得非常好的效果，使用802.11e的網(wǎng)絡(luò)必須從源地發(fā)送到目的地的過程中一路傳達(dá)QoS需求，這種傳達(dá)依賴符合802.11e的所有網(wǎng)絡(luò)部件。
對(duì)VoIP 和VoFi應(yīng)用而言，擁有足夠的帶寬也很重要，即便帶寬通常不是主要的約束條件。畢竟，連802.11b網(wǎng)絡(luò)也能達(dá)到11Mbps，而 802.11a和802.11g更是可以提供54Mbps。往往連接速度最慢的居民寬帶因特網(wǎng)連接提供的速度通常至少也有1Mbps。
不過，帶寬仍是個(gè)因素，因?yàn)闊o線LAN根本提供不了規(guī)定的數(shù)據(jù)速率。譬如，不盡如人意的條件很可能把802.11b的數(shù)據(jù)速率降到2Mbps甚至1Mbps。如果再加上一些繁重的網(wǎng)絡(luò)流量，帶寬就可能限制音質(zhì)。
各種語音編解碼器可以降低VoIP和VoFi對(duì)帶寬的需求，不過在使用時(shí)一定要小心。在傳統(tǒng)電話中，符合ITU G.711標(biāo)準(zhǔn)的編解碼器可以把語音編碼成64kbps的數(shù)據(jù)流。在VoIP當(dāng)中，G.729編解碼器只需要8kbps，卻能獲得幾乎完全相同的音質(zhì)。不過，壓縮率越高，數(shù)據(jù)包丟失現(xiàn)象就越明顯，因?yàn)槊總�(gè)數(shù)據(jù)包含有更多的語音數(shù)據(jù)。
未來漫游
好像嫌所有這些難題還不夠嚴(yán)重，VoFi將來從一個(gè)Wi-Fi接入點(diǎn)漫游到另一個(gè)接入點(diǎn)，甚至在Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行漫游時(shí)，還面臨其他一些問題。在企業(yè)VoFi系統(tǒng)中，Wi-Fi漫游已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但這些系統(tǒng)都針對(duì)VoFi進(jìn)行了認(rèn)真配置，而面向消費(fèi)者的網(wǎng)絡(luò)卻不是這樣。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)，幾個(gè)無線運(yùn)營商目前正在對(duì)可以與VoFi-蜂窩雙模電話協(xié)同工作的系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。
漫游會(huì)影響音質(zhì)，原因是VoFi連接不會(huì)在瞬間從一個(gè)接入點(diǎn)切換至另一個(gè)接入點(diǎn)。切換過程需要一定的時(shí)間，而如果切換不夠快，通話質(zhì)量就會(huì)受到影響。
當(dāng)然，蜂窩網(wǎng)絡(luò)從來就沒有提供過良好的音質(zhì)，但大多數(shù)用戶為了獲得移動(dòng)性這一好處，甘愿忍受稍差的音質(zhì)。Wi-Fi和蜂窩技術(shù)的聯(lián)姻也會(huì)帶來移動(dòng)功能，但VoFi本身不只是與蜂窩網(wǎng)絡(luò)相競(jìng)爭(zhēng)，還會(huì)與音質(zhì)幾乎總是非常好的傳統(tǒng)固定電話相競(jìng)爭(zhēng)。
恐怕唯有時(shí)間才能表明用戶會(huì)不會(huì)重視成本和便利、輕視音質(zhì)；或者換一種說法，VoFi的音質(zhì)會(huì)不會(huì)逐漸趕上傳統(tǒng)電話。不管怎樣，未來人撥打的許多電話將會(huì)在網(wǎng)上進(jìn)行。
計(jì)算機(jī)世界網(wǎng)(www.ccw.com.cn)
相關(guān)鏈接: