有效提升無(wú)線(xiàn)IP話(huà)音傳輸品質(zhì)
張彤 2007/10/31
早晨，Dave Goodman一邊開(kāi)車(chē)，一邊在腦子里整理著公司下一步全面部署無(wú)線(xiàn)IP話(huà)音系統(tǒng)的思路，他計(jì)劃一上班就立刻召集工程師們開(kāi)一個(gè)會(huì)議，討論實(shí)施這個(gè)方案的可行性。
Dave Goodman是美國(guó)一家經(jīng)營(yíng)房地產(chǎn)商業(yè)抵押貸款公司的CTO。這家公司已經(jīng)為獲得本地移動(dòng)VoIP功能，專(zhuān)門(mén)建立了自己的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。Dave Goodman解釋說(shuō)，公司的行政助理們常常到處走動(dòng)，參加多個(gè)項(xiàng)目的討論會(huì)，同時(shí)還要支持另一位行政助理的工作。他們需要能夠接聽(tīng)打給他們自己的直撥PBX號(hào)碼的電話(huà)，并且還需要在同事離開(kāi)辦公桌時(shí)“監(jiān)控他們的分機(jī)”。
無(wú)線(xiàn)IP通信的應(yīng)用，為企業(yè)用戶(hù)提供了話(huà)音自由移動(dòng)的便捷性和運(yùn)營(yíng)與管理的低成本，這些特點(diǎn)使其成為了企業(yè)通信不可或缺的組成部分。但對(duì)無(wú)線(xiàn)的傳輸品質(zhì)，尤其是其穩(wěn)定性、安全性的質(zhì)疑，一直影響著這項(xiàng)技術(shù)成為未來(lái)企業(yè)通信承載平臺(tái)的道路。語(yǔ)音或者視頻是對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸品質(zhì)有較高要求的應(yīng)用，因此，隨著企業(yè)用戶(hù)對(duì)無(wú)線(xiàn)IP通信的重視程度的不斷加深，無(wú)線(xiàn)如何提升網(wǎng)絡(luò)的傳輸品質(zhì)，就成為了一個(gè)現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題。
保障流暢的話(huà)音
對(duì)話(huà)音質(zhì)量的考察，傳統(tǒng)上是采用主觀方法來(lái)衡量的。也就是人們?cè)谶M(jìn)行通話(huà)時(shí)感受到的話(huà)音是否連續(xù)、是否清晰、會(huì)不會(huì)突然中斷等問(wèn)題。
無(wú)線(xiàn)IP通信的話(huà)音傳輸關(guān)系到兩個(gè)方面，第一是以VoIP技術(shù)為基礎(chǔ)的各種應(yīng)用和協(xié)議。第二是無(wú)線(xiàn)技術(shù)，目前研發(fā)的無(wú)線(xiàn)IP話(huà)音是遵循802.11協(xié)議的，所以選擇支持802.11協(xié)議的設(shè)備也是建立無(wú)線(xiàn)IP語(yǔ)音的必要保證。對(duì)于無(wú)線(xiàn)話(huà)音品質(zhì)而言，這兩塊需要分開(kāi)來(lái)研究，我們先來(lái)討論屬于VoIP技術(shù)的時(shí)延問(wèn)題。
把VoIP包直接轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)前，話(huà)音數(shù)據(jù)包會(huì)預(yù)先保存在緩沖存儲(chǔ)器中。緩沖器在接收機(jī)上主要用來(lái)消除當(dāng)VoIP包失序到達(dá)時(shí)產(chǎn)生的回聲。然后編解碼器從緩沖器中取出下一個(gè)連續(xù)的包并轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)。這就造成了傳輸?shù)臅r(shí)延，當(dāng)時(shí)延過(guò)多時(shí)，數(shù)據(jù)包被取出的動(dòng)作就會(huì)停止，等待新包的到來(lái)，導(dǎo)致通話(huà)的中斷。同時(shí)，如果緩沖器處理的數(shù)據(jù)包太多，可能會(huì)產(chǎn)生顯而易見(jiàn)的延時(shí)，進(jìn)而惡化話(huà)音質(zhì)量。另外，從整個(gè)數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)通路來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)中的路由器、防火墻、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也會(huì)令話(huà)音的傳輸產(chǎn)生時(shí)延。對(duì)于WLAN來(lái)說(shuō)，由于路由時(shí)延會(huì)因網(wǎng)絡(luò)的流量和擁堵情況而變化。因此，傳輸時(shí)延是由通信數(shù)據(jù)速率決定的。
傳輸時(shí)延可以通過(guò)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)加以改善。減少每個(gè)方向上總的單向時(shí)延。同時(shí)，AP的擁塞控制機(jī)制可以保證數(shù)據(jù)包丟失的最少。如果每個(gè)AP在發(fā)射信號(hào)之前能確保話(huà)音業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)，就可以減少包的丟失。
一種叫做Encore的技術(shù)中包含了兩項(xiàng)確保語(yǔ)音QoS的指標(biāo)：一種是BroadRange功能，可提供高達(dá)125M的傳輸帶寬，并且具有幀簇發(fā)功能。華碩網(wǎng)絡(luò)通訊部產(chǎn)品經(jīng)理傅建華說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)可以在話(huà)音傳輸瞬間要求過(guò)大速率時(shí)，減少雙向話(huà)音總的單向延遲。
另外一種技術(shù)是Wi-Fi聯(lián)盟發(fā)布的無(wú)線(xiàn)多媒體(Wi-Fi MultiMedia，WMM）技術(shù)，它提供了流經(jīng)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)包的優(yōu)先次序。這對(duì)于語(yǔ)音和多媒體應(yīng)用是非常必要的。它將作為IEEE 802.11e標(biāo)準(zhǔn)的子集之一，以滿(mǎn)足業(yè)界對(duì)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與多媒體QoS解決方案的需求。華碩在自己的產(chǎn)品中同時(shí)提供了這兩項(xiàng)技術(shù)，以確保語(yǔ)音與視頻的優(yōu)先傳輸。而ZyXEL公司則利用Pre-Authentication、 PMK Cache和 IAPP提升技術(shù)，提高無(wú)線(xiàn)傳輸在AP間漫游的速度，通過(guò)自動(dòng)識(shí)別話(huà)音流量，分配最高優(yōu)先級(jí)并保障此類(lèi)應(yīng)用的帶寬。
對(duì)于同樣影響話(huà)音傳輸質(zhì)量的數(shù)據(jù)包失序到達(dá)問(wèn)題，業(yè)界普遍采用實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP（Realtime Transport Protocol）和實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議RTCP（Realtime Transport Control Protocol）加以解決。
RTP提供了時(shí)間信息和實(shí)現(xiàn)流同步，而RTCP負(fù)責(zé)提供傳輸質(zhì)量在當(dāng)前應(yīng)用進(jìn)程之間的交換控制。在RTP會(huì)話(huà)期間，各參與者周期性地傳送RTCP包，包中含有已發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量、丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量等統(tǒng)計(jì)資料。因此，服務(wù)器可以利用這些信息動(dòng)態(tài)地改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類(lèi)型。RTP和RTCP配合使用，能以有效的反饋和最小的開(kāi)銷(xiāo)使傳輸效率最佳化，故特別適合傳送網(wǎng)上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
語(yǔ)音的安全“特權(quán)”
當(dāng)前面說(shuō)的兩個(gè)條件都滿(mǎn)足后，就可以通過(guò)Wi-Fi手機(jī)將音頻信號(hào)數(shù)字化并以數(shù)據(jù)包的形式通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。
在電信領(lǐng)域，保證語(yǔ)音傳輸品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)“死規(guī)定”，一是“5個(gè)9”的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性；另一個(gè)是“50ms”的切換間隔。對(duì)于無(wú)線(xiàn)話(huà)音來(lái)說(shuō)，移動(dòng)電話(huà)等終端設(shè)備必須能夠迅速地切斷與一臺(tái)接入點(diǎn)的連接，然后連接到另一臺(tái)接入點(diǎn)上。切換過(guò)程超過(guò)50毫秒，這種間隔就會(huì)被人耳感覺(jué)到。但是，802.11網(wǎng)絡(luò)中目前的漫游延時(shí)平均在數(shù)百毫秒，這將導(dǎo)致話(huà)音質(zhì)量下降�？焖俚那袚Q對(duì)于基于無(wú)線(xiàn)的話(huà)音得到廣泛部署是必不可少的。
802.11r標(biāo)準(zhǔn)用于加快WLAN中的接入點(diǎn)之間或蜂窩之間的切換速度。
802.11r將優(yōu)化移動(dòng)終端在接入點(diǎn)之間移動(dòng)時(shí)的切換過(guò)程。這項(xiàng)協(xié)議可以使無(wú)線(xiàn)終端在進(jìn)行切換前、在新接入點(diǎn)上建立安全和QoS狀態(tài)，這樣做將大大減少連接丟失和應(yīng)用中斷。全面采用這項(xiàng)協(xié)議不會(huì)帶來(lái)新的安全漏洞。
802.11r將控制漫游移動(dòng)終端與候選接入點(diǎn)的通信方式，建立安全聯(lián)系并預(yù)留QoS資源。使用802.11r時(shí)，終端可以利用當(dāng)前的接入點(diǎn)作為與其他接入點(diǎn)連接的管道，從而大大減少切換信道造成的中斷。
隨著無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)使用的普及，為了滿(mǎn)足增加的容量，接入點(diǎn)的密度可能會(huì)增加，這將導(dǎo)致更頻繁的切換。這種環(huán)境將會(huì)從802.11r提供的功能中受益。
另外，無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音所提供的隨時(shí)隨地自由通信的功能，必須基于在任何地點(diǎn)都能通過(guò)無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，這對(duì)于企業(yè)網(wǎng)的安全勢(shì)必造成更大的壓力。它要求企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)能夠應(yīng)對(duì)不斷出現(xiàn)的訪(fǎng)問(wèn)控制及高性能業(yè)務(wù)的安全要求，更明確地協(xié)調(diào)統(tǒng)一控制應(yīng)用。
通過(guò)將安全政策從網(wǎng)絡(luò)核心擴(kuò)展到邊緣，有效的訪(fǎng)問(wèn)控制能夠在一定程度上應(yīng)對(duì)承載語(yǔ)音流傳輸?shù)臒o(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)安全性的特殊要求。對(duì)此，Juniper在原來(lái)的統(tǒng)一接入控制產(chǎn)品基礎(chǔ)上推出了加強(qiáng)版本的 UAC 2.1，將訪(fǎng)問(wèn)控制擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)流量，從而減少企業(yè)資產(chǎn)外露的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。該公司系統(tǒng)工程師梁小東介紹說(shuō)，增強(qiáng)的Juniper入侵檢測(cè)與預(yù)防(IDP)平臺(tái)2～7層可見(jiàn)性，使網(wǎng)絡(luò)有能力將風(fēng)險(xiǎn)隔離在某個(gè)用戶(hù)或設(shè)備上，進(jìn)而針對(duì)上述用戶(hù)或設(shè)備采取可設(shè)定的策略。其具有身份識(shí)別功能的Profiler技術(shù)，將用戶(hù)身份和角色信息綁定到網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用程序使用上，使企業(yè)能夠更有效地追蹤并審計(jì)網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用訪(fǎng)問(wèn)。同時(shí)提供對(duì)不可管理設(shè)備的動(dòng)態(tài)應(yīng)對(duì)，幫助強(qiáng)化基于角色或資源的訪(fǎng)問(wèn)控制。
不可忽視的QoS
要在WLAN上實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音和視頻等多媒體通信，就需要在傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸優(yōu)先級(jí)分類(lèi)，這就是QoS的思路。在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)QoS的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.1e，這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)將使WLAN管理員能夠設(shè)置不同種類(lèi)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先范圍，并可控制被發(fā)送數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間間隔。這就為語(yǔ)音和視頻的傳輸開(kāi)了綠燈。
WLAN的QoS應(yīng)當(dāng)根據(jù)數(shù)據(jù)包的類(lèi)型來(lái)處理流量，如將它們分為語(yǔ)音、數(shù)據(jù)或視頻等。服務(wù)級(jí)特性（Class-of-Service）對(duì)流量進(jìn)行分類(lèi)，而QoS特性則對(duì)傳輸?shù)牧髁吭O(shè)置優(yōu)先級(jí)。
802.11e標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)增加了一套提高性能的標(biāo)準(zhǔn)。增加的條款能夠讓網(wǎng)絡(luò)管理員設(shè)置網(wǎng)絡(luò)，以便滿(mǎn)足應(yīng)用程序的要求。
一項(xiàng)稱(chēng)作“增強(qiáng)分布式協(xié)調(diào)訪(fǎng)問(wèn)”(EDCA)的訪(fǎng)問(wèn)方式和名為“混合控制信道訪(fǎng)問(wèn)”(HCCA)的訪(fǎng)問(wèn)方式擴(kuò)展了原來(lái)802.11標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的訪(fǎng)問(wèn)方式。EDCA使每一種訪(fǎng)問(wèn)類(lèi)型對(duì)應(yīng)一類(lèi)數(shù)據(jù)。這些參數(shù)能夠讓網(wǎng)絡(luò)管理員根據(jù)應(yīng)用程序組合和通信量調(diào)整網(wǎng)絡(luò)。因此，高優(yōu)先等級(jí)數(shù)據(jù)的延遲不會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)通信的增加而遭到損失。這就為保證無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音的QoS優(yōu)先級(jí)服務(wù)的實(shí)現(xiàn)提供了保證，也提供了目前語(yǔ)音和多媒體等應(yīng)用需要的服務(wù)質(zhì)量和增強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)性能。
Aruba提供了另一種獨(dú)特的語(yǔ)音流分類(lèi)（VFC）功能支持的無(wú)線(xiàn)話(huà)音QoS，VFC功能實(shí)現(xiàn)了每個(gè)流的高級(jí)策略制訂和優(yōu)先級(jí)控制，對(duì)角色或用戶(hù)、設(shè)備以及正在發(fā)送的實(shí)際流量進(jìn)行比較。而QoS策略制定可提高合法話(huà)音流量的優(yōu)先級(jí)功能。 因此，性能質(zhì)量更高，即使存在大量WLAN數(shù)據(jù)流量的情況下也如此。
802.11n高速路
話(huà)音對(duì)傳輸品質(zhì)的要求非�？量��？煽啃浴⒖沙掷m(xù)的數(shù)據(jù)流的要求在無(wú)線(xiàn)VoIP中非常重要。在現(xiàn)階段，作為補(bǔ)償，用戶(hù)必須部署更多的接入點(diǎn)，而且接入點(diǎn)需要用全向天線(xiàn)代替常規(guī)的單向天線(xiàn)集中向某個(gè)區(qū)域發(fā)射無(wú)線(xiàn)電信號(hào)。這就加大了用戶(hù)在管理和成本方面的投入。
802.11n標(biāo)準(zhǔn)在速度、覆蓋范圍和安全方面被認(rèn)為是與話(huà)音無(wú)線(xiàn)傳輸最相匹配的技術(shù)之一。在傳輸速率方面，802.11n能在20MHz到40MHz的帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)將目前802.11a及802.11g提供的54Mbps提高到108Mbps，甚至高達(dá)500Mbps。北電企業(yè)網(wǎng)工程師經(jīng)理孫志方認(rèn)為，這使得話(huà)音在傳輸過(guò)程中的數(shù)據(jù)流延遲得到有效控制。而且基于MIMO(多入多出)與OFDM(正交頻分復(fù)用)技術(shù)的結(jié)合，不但提高了話(huà)音無(wú)線(xiàn)傳輸質(zhì)量，也使傳輸速率得到極大提升，理論上，WLAN傳輸速率可達(dá)到目前傳輸速率的10倍，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的話(huà)音傳輸效果。
在覆蓋范圍方面，802.11n采用智能天線(xiàn)技術(shù)，通過(guò)多組獨(dú)立天線(xiàn)組成的天線(xiàn)陣列，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整波束，保證讓W(xué)LAN用戶(hù)接收到穩(wěn)定的信號(hào)，并可以減少其他信號(hào)的干擾，從而提升語(yǔ)音的清晰度。
美國(guó)Duke大學(xué)對(duì)這項(xiàng)新的技術(shù)進(jìn)行了實(shí)際使用環(huán)境的測(cè)試。在一所校園宿舍中，該大學(xué)部署了8臺(tái)Cisco Aironet 1250接入點(diǎn)，該宿舍中住著大約50位學(xué)生。每臺(tái)接入點(diǎn)都通過(guò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)千兆以太網(wǎng)連接，交換機(jī)通過(guò)安裝在建筑中的1臺(tái)路由器和專(zhuān)用的WLAN控制器互聯(lián)。Duke大學(xué)網(wǎng)絡(luò)人員監(jiān)測(cè)到同時(shí)多達(dá)30個(gè)以上的客戶(hù)機(jī)連接在這條802.11n無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路上，其中的多數(shù)客戶(hù)機(jī)使用11b/g/a，一些客戶(hù)機(jī)使用全新的優(yōu)盤(pán)11n接口。
測(cè)試結(jié)果是令人滿(mǎn)意的，據(jù)Duke大學(xué)信息技術(shù)辦公室通信基礎(chǔ)設(shè)施副主管說(shuō)，這個(gè)802.11n基礎(chǔ)設(shè)施不僅在性能上，而且在無(wú)線(xiàn)可靠性和一致性上都向前邁進(jìn)了一大步。他說(shuō)：“802.11n可以幫助我們現(xiàn)實(shí)與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)相媲美的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)。它能夠更簡(jiǎn)單地使企業(yè)或校園內(nèi)獲得相當(dāng)于蜂窩電話(huà)的移動(dòng)性。用戶(hù)將可以借助它向VoIP遷移，也可以利用它完成端到端的WLAN覆蓋。
編看編想
強(qiáng)制性的品質(zhì)保證
越來(lái)越多新的應(yīng)用（比如文中提到的語(yǔ)音和視頻的應(yīng)用），大量消耗現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)帶寬，同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)钠焚|(zhì)也提出了更高的要求。為了獲得更加優(yōu)越的移動(dòng)性能，新應(yīng)用對(duì)于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量有非常高的要求。記者曾經(jīng)就這個(gè)問(wèn)題專(zhuān)門(mén)咨詢(xún)了Wi-Fi聯(lián)盟的高級(jí)市場(chǎng)總監(jiān)Karen Hanley女士，他的回答是：關(guān)于穩(wěn)定性，“為了得到更好的無(wú)線(xiàn)話(huà)音傳輸效果，在過(guò)去幾年的時(shí)間里，已經(jīng)有很多廠(chǎng)家在接受802.11n的測(cè)試。未來(lái)在下一代的802.11n的技術(shù)中，將把目前的性能提升5倍，在這樣的背景之下，承載話(huà)音應(yīng)用的平臺(tái)服務(wù)質(zhì)量將會(huì)成為一個(gè)強(qiáng)制性的測(cè)試和認(rèn)證。而同樣被提到很高要求的還有安全問(wèn)題，Hanley強(qiáng)調(diào)了WPA2認(rèn)證加密技術(shù)。她認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)o(wú)線(xiàn)傳輸過(guò)程中的數(shù)據(jù)包執(zhí)行更加高安全性的加密和更加嚴(yán)格的認(rèn)證程序。同樣，未來(lái)這種WPA2加密認(rèn)證將是任何一種在802.11n協(xié)議基礎(chǔ)上進(jìn)行的無(wú)線(xiàn)傳輸，必須要進(jìn)行的強(qiáng)制性的測(cè)試，使話(huà)音的私隱性和傳輸?shù)姆�(wěn)定性都得到提升。
作為當(dāng)前無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域最具影響力的認(rèn)證機(jī)構(gòu)之一，Wi-Fi聯(lián)盟在認(rèn)可802.11n提供的更高速度和傳輸距離的同時(shí)，更強(qiáng)調(diào)了對(duì)安全和傳輸穩(wěn)定性測(cè)試的強(qiáng)制性保證，這就像是當(dāng)年買(mǎi)車(chē)根本不需要考慮尾氣排放一樣，而今天一輛沒(méi)有達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)已經(jīng)不能在我們城市的街道上行駛了，未來(lái)沒(méi)有品質(zhì)保障的無(wú)線(xiàn)也會(huì)面臨同樣的結(jié)果。
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