有效提升無線IP話音傳輸品質(zhì)

張彤 2007/10/31

　　早晨，Dave Goodman一邊開車，一邊在腦子里整理著公司下一步全面部署無線IP話音系統(tǒng)的思路，他計劃一上班就立刻召集工程師們開一個會議，討論實(shí)施這個方案的可行性。

　　Dave Goodman是美國一家經(jīng)營房地產(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VoIP功能，專門建立了自己的無線網(wǎng)絡(luò)。Dave Goodman解釋說，公司的行政助理們常常到處走動，參加多個項(xiàng)目的討論會，同時還要支持另一位行政助理的工作。他們需要能夠接聽打給他們自己的直撥PBX號碼的電話，并且還需要在同事離開辦公桌時“監(jiān)控他們的分機(jī)”。

　　無線IP通信的應(yīng)用，為企業(yè)用戶提供了話音自由移動的便捷性和運(yùn)營與管理的低成本，這些特點(diǎn)使其成為了企業(yè)通信不可或缺的組成部分。但對無線的傳輸品質(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)成為未來企業(yè)通信承載平臺的道路。語音或者視頻是對網(wǎng)絡(luò)傳輸品質(zhì)有較高要求的應(yīng)用，因此，隨著企業(yè)用戶對無線IP通信的重視程度的不斷加深，無線如何提升網(wǎng)絡(luò)的傳輸品質(zhì)，就成為了一個現(xiàn)實(shí)的問題。

保障流暢的話音

　　對話音質(zhì)量的考察，傳統(tǒng)上是采用主觀方法來衡量的。也就是人們在進(jìn)行通話時感受到的話音是否連續(xù)、是否清晰、會不會突然中斷等問題。

　　無線IP通信的話音傳輸關(guān)系到兩個方面，第一是以VoIP技術(shù)為基礎(chǔ)的各種應(yīng)用和協(xié)議。第二是無線技術(shù)，目前研發(fā)的無線IP話音是遵循802.11協(xié)議的，所以選擇支持802.11協(xié)議的設(shè)備也是建立無線IP語音的必要保證。對于無線話音品質(zhì)而言，這兩塊需要分開來研究，我們先來討論屬于VoIP技術(shù)的時延問題。

　　把VoIP包直接轉(zhuǎn)化為模擬信號前，話音數(shù)據(jù)包會預(yù)先保存在緩沖存儲器中。緩沖器在接收機(jī)上主要用來消除當(dāng)VoIP包失序到達(dá)時產(chǎn)生的回聲。然后編解碼器從緩沖器中取出下一個連續(xù)的包并轉(zhuǎn)化為模擬信號。這就造成了傳輸?shù)臅r延，當(dāng)時延過多時，數(shù)據(jù)包被取出的動作就會停止，等待新包的到來，導(dǎo)致通話的中斷。同時，如果緩沖器處理的數(shù)據(jù)包太多，可能會產(chǎn)生顯而易見的延時，進(jìn)而惡化話音質(zhì)量。另外，從整個數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)通路來看，網(wǎng)絡(luò)中的路由器、防火墻、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也會令話音的傳輸產(chǎn)生時延。對于WLAN來說，由于路由時延會因網(wǎng)絡(luò)的流量和擁堵情況而變化。因此，傳輸時延是由通信數(shù)據(jù)速率決定的。

　　傳輸時延可以通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)加以改善。減少每個方向上總的單向時延。同時，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AP在發(fā)射信號之前能確保話音業(yè)務(wù)的優(yōu)先級，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，這項(xiàng)技術(shù)可以在話音傳輸瞬間要求過大速率時，減少雙向話音總的單向延遲。

　　另外一種技術(shù)是Wi-Fi聯(lián)盟發(fā)布的無線多媒體(Wi-Fi MultiMedia，WMM）技術(shù)，它提供了流經(jīng)無線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)包的優(yōu)先次序。這對于語音和多媒體應(yīng)用是非常必要的。它將作為IEEE 802.11e標(biāo)準(zhǔn)的子集之一，以滿足業(yè)界對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)品中同時提供了這兩項(xiàng)技術(shù)，以確保語音與視頻的優(yōu)先傳輸。而ZyXEL公司則利用Pre-Authentication、 PMK Cache和 IAPP提升技術(shù)，提高無線傳輸在AP間漫游的速度，通過自動識別話音流量，分配最高優(yōu)先級并保障此類應(yīng)用的帶寬。

　　對于同樣影響話音傳輸質(zhì)量的數(shù)據(jù)包失序到達(dá)問題，業(yè)界普遍采用實(shí)時傳輸協(xié)議RTP（Realtime Transport Protocol）和實(shí)時傳輸控制協(xié)議RTCP（Realtime Transport Control Protocol）加以解決。

　　RTP提供了時間信息和實(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會話期間，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)計資料。因此，服務(wù)器可以利用這些信息動態(tài)地改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型。RTP和RTCP配合使用，能以有效的反饋和最小的開銷使傳輸效率最佳化，故特別適合傳送網(wǎng)上的實(shí)時數(shù)據(jù)。

語音的安全“特權(quán)”

　　當(dāng)前面說的兩個條件都滿足后，就可以通過Wi-Fi手機(jī)將音頻信號數(shù)字化并以數(shù)據(jù)包的形式通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。

　　在電信領(lǐng)域，保證語音傳輸品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)有兩個“死規(guī)定”，一是“5個9”的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性；另一個是“50ms”的切換間隔。對于無線話音來說，移動電話等終端設(shè)備必須能夠迅速地切斷與一臺接入點(diǎn)的連接，然后連接到另一臺接入點(diǎn)上。切換過程超過50毫秒，這種間隔就會被人耳感覺到。但是，802.11網(wǎng)絡(luò)中目前的漫游延時平均在數(shù)百毫秒，這將導(dǎo)致話音質(zhì)量下降�？焖俚那袚Q對于基于無線的話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)化移動終端在接入點(diǎn)之間移動時的切換過程。這項(xiàng)協(xié)議可以使無線終端在進(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)議不會帶來新的安全漏洞。

　　802.11r將控制漫游移動終端與候選接入點(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，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。

　　隨著無線網(wǎng)絡(luò)使用的普及，為了滿足增加的容量，接入點(diǎn)的密度可能會增加，這將導(dǎo)致更頻繁的切換。這種環(huán)境將會從802.11r提供的功能中受益。

　　另外，無線語音所提供的隨時隨地自由通信的功能，必須基于在任何地點(diǎn)都能通過無線接入網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，這對于企業(yè)網(wǎng)的安全勢必造成更大的壓力。它要求企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)能夠應(yīng)對不斷出現(xiàn)的訪問控制及高性能業(yè)務(wù)的安全要求，更明確地協(xié)調(diào)統(tǒng)一控制應(yīng)用。

　　通過將安全政策從網(wǎng)絡(luò)核心擴(kuò)展到邊緣，有效的訪問控制能夠在一定程度上應(yīng)對承載語音流傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)對安全性的特殊要求。對此，Juniper在原來的統(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，將訪問控制擴(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。該公司系統(tǒng)工程師梁小東介紹說，增強(qiáng)的Juniper入侵檢測與預(yù)防(IDP)平臺2～7層可見性，使網(wǎng)絡(luò)有能力將風(fēng)險隔離在某個用戶或設(shè)備上，進(jìn)而針對上述用戶或設(shè)備采取可設(shè)定的策略。其具有身份識別功能的Profiler技術(shù)，將用戶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網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用訪問。同時提供對不可管理設(shè)備的動態(tài)應(yīng)對，幫助強(qiáng)化基于角色或資源的訪問控制。

不可忽視的QoS

　　要在WLAN上實(shí)現(xiàn)語音和視頻等多媒體通信，就需要在傳輸數(shù)據(jù)的時候，對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸優(yōu)先級分類，這就是QoS的思路。在無線網(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)包之間的時間間隔。這就為語音和視頻的傳輸開了綠燈。

　　WLAN的QoS應(yīng)當(dāng)根據(jù)數(shù)據(jù)包的類型來處理流量，如將它們分為語音、數(shù)據(jù)或視頻等。服務(wù)級特性（Class-of-Service）對流量進(jìn)行分類，而QoS特性則對傳輸?shù)牧髁吭O(shè)置優(yōu)先級。

　　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)，以便滿足應(yīng)用程序的要求。

　　一項(xiàng)稱作“增強(qiáng)分布式協(xié)調(diào)訪問”(EDCA)的訪問方式和名為“混合控制信道訪問”(HCCA)的訪問方式擴(kuò)展了原來802.11標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的訪問方式。EDCA使每一種訪問類型對應(yīng)一類數(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)先等級數(shù)據(jù)的延遲不會隨著網(wǎng)絡(luò)通信的增加而遭到損失。這就為保證無線語音的QoS優(yōu)先級服務(wù)的實(shí)現(xiàn)提供了保證，也提供了目前語音和多媒體等應(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)特的語音流分類（VFC）功能支持的無線話音QoS，VFC功能實(shí)現(xiàn)了每個流的高級策略制訂和優(yōu)先級控制，對角色或用戶、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音流量的優(yōu)先級功能。 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

　　話音對傳輸品質(zhì)的要求非常苛刻�？煽啃�、可持續(xù)的數(shù)據(jù)流的要求在無線VoIP中非常重要。在現(xiàn)階段，作為補(bǔ)償，用戶必須部署更多的接入點(diǎn)，而且接入點(diǎn)需要用全向天線代替常規(guī)的單向天線集中向某個區(qū)域發(fā)射無線電信號。這就加大了用戶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)為是與話音無線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，這使得話音在傳輸過程中的數(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，不但提高了話音無線傳輸質(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)量的話音傳輸效果。

　　在覆蓋范圍方面，802.11n采用智能天線技術(shù)，通過多組獨(dú)立天線組成的天線陣列，可以動態(tài)調(diào)整波束，保證讓W(xué)LAN用戶接收到穩(wěn)定的信號，并可以減少其他信號的干擾，從而提升語音的清晰度。

　　美國Duke大學(xué)對這項(xiàng)新的技術(shù)進(jìn)行了實(shí)際使用環(huán)境的測試。在一所校園宿舍中，該大學(xué)部署了8臺Cisco Aironet 1250接入點(diǎn)，該宿舍中住著大約50位學(xué)生。每臺接入點(diǎn)都通過交換機(jī)實(shí)現(xiàn)千兆以太網(wǎng)連接，交換機(jī)通過安裝在建筑中的1臺路由器和專用的WLAN控制器互聯(lián)。Duke大學(xué)網(wǎng)絡(luò)人員監(jiān)測到同時多達(dá)30個以上的客戶機(jī)連接在這條802.11n無線網(wǎng)路上，其中的多數(shù)客戶機(jī)使用11b/g/a，一些客戶機(jī)使用全新的優(yōu)盤11n接口。

　　測試結(jié)果是令人滿意的，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，這個802.11n基礎(chǔ)設(shè)施不僅在性能上，而且在無線可靠性和一致性上都向前邁進(jìn)了一大步。他說：“802.11n可以幫助我們現(xiàn)實(shí)與有線網(wǎng)絡(luò)相媲美的無線網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)。它能夠更簡單地使企業(yè)或校園內(nèi)獲得相當(dāng)于蜂窩電話的移動性。用戶將可以借助它向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

　　越來越多新的應(yīng)用（比如文中提到的語音和視頻的應(yīng)用），大量消耗現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)帶寬，同時對網(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)越的移動性能，新應(yīng)用對于無線網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量有非常高的要求。記者曾經(jīng)就這個問題專門咨詢了Wi-Fi聯(lián)盟的高級市場總監(jiān)Karen Hanley女士，他的回答是：關(guān)于穩(wěn)定性，“為了得到更好的無線話音傳輸效果，在過去幾年的時間里，已經(jīng)有很多廠家在接受802.11n的測試。未來在下一代的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，承載話音應(yīng)用的平臺服務(wù)質(zhì)量將會成為一個強(qiáng)制性的測試和認(rèn)證。而同樣被提到很高要求的還有安全問題，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線傳輸過程中的數(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)行的無線傳輸，必須要進(jìn)行的強(qiáng)制性的測試，使話音的私隱性和傳輸?shù)姆�(wěn)定性都得到提升。

　　作為當(dāng)前無線領(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，更強(qiáng)調(diào)了對安全和傳輸穩(wěn)定性測試的強(qiáng)制性保證，這就像是當(dāng)年買車根本不需要考慮尾氣排放一樣，而今天一輛沒有達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的車已經(jīng)不能在我們城市的街道上行駛了，未來沒有品質(zhì)保障的無線也會面臨同樣的結(jié)果。

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