無線局域網(wǎng)絡語音擴展VoIP技術應用

據(jù)港臺媒體報導，隨著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(qū)域網(wǎng)絡語音(VoWLAN)電話系統(tǒng)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(nèi)話音服務，而寬帶電話服務則通過WLAN連結(jié)筆記電腦。另一方面，架構(gòu)于WLAN的網(wǎng)絡電話手機，由于只需一臺WLAN基地站便能輕易支持多個手機，與具備低成本優(yōu)勢的傳統(tǒng)無線電話機相比毫不遜色。

802.11標準建立了提供可靠、高性能的WiFi網(wǎng)絡電話系統(tǒng)所需之基本機制。其中顯著的例子為安全性(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(shù)字的狀況下，仍能快速設定WLAN網(wǎng)絡電話手機的組態(tài)。

WLAN網(wǎng)絡電話系統(tǒng)中其中一項尚未標準化的項目為輪詢方法(polling method)。因此本文就現(xiàn)有的兩種輪詢方法，分別討論其不同的優(yōu)點和缺點，并且特別著墨于移動裝置中最關鍵的要素──耗電量。

所有降低耗電量的方法，均必須盡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(xiàn)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，能啟用高速傳輸以縮短發(fā)送/接收的時間，而芯片上的嵌入式處理器之自給式驅(qū)動程序，可分攤處理主機處理器上的經(jīng)常性的網(wǎng)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(tǒng)WLAN芯片的高達六倍，因此能改善電池壽命�，F(xiàn)時可實現(xiàn)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(zhàn)。由于WLAN使用免執(zhí)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(wǎng)絡，WLAN并不支持同步操作(synchronous operation)。因此，通常無法在微秒級下做預測。由于VoIP是以固定時間間隔產(chǎn)生VoIP封包(即訊框)的固定數(shù)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(xiàn)象與移動電話系統(tǒng)所實作的標準電話機制形成更大的對比。移動電話系統(tǒng)使用授權(quán)頻譜與小心規(guī)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(tǒng)從電話到骨干線路都保持同步，于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(tǒng)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于150微秒。由于移動電話系統(tǒng)整體的架構(gòu)采用可決定的方式應用時脈語音封包，因此不需因為要確保低延遲，而對語音封包以特殊的服務品質(zhì)(QoS)機制排定優(yōu)先順序。移動電話系統(tǒng)利用現(xiàn)有時槽、多工與語音服務管理加入資料服務。

WLAN則剛好相反，語音服務必須借助于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，那么延遲預算還要更進一步縮限。此外，若語音封包必須跨越網(wǎng)際網(wǎng)絡或忙碌的企業(yè)網(wǎng)絡，那么封包將無法避免延遲抵達，有時甚至無法抵達。遲到的封包可能成群抵達。

只要使用過舊式轉(zhuǎn)碼器在網(wǎng)際網(wǎng)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(zhì)VoWLAN的作法之一是改變WLAN以符合傳統(tǒng)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?yōu)槭褂猛�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(tǒng)通常與現(xiàn)有的WiFi裝置與網(wǎng)絡不相容。

雖然完全同步的網(wǎng)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(wǎng)絡和ATM網(wǎng)絡之間的競爭中看到這類IP網(wǎng)絡的優(yōu)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(tǒng)時避免使用同步作法的另一個原因，是這些系統(tǒng)并非在封閉環(huán)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(xiàn)有的WLAN基礎結(jié)構(gòu)。

新一代的解碼器

改善現(xiàn)有802.11基礎結(jié)構(gòu)的方法之一，是利用針對網(wǎng)際網(wǎng)絡應用而開發(fā)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(wǎng)際網(wǎng)絡電話環(huán)境，促成解碼器的開發(fā)，能以極低位的速度達到良好的語音品質(zhì)。

例如:廣受歡迎的Skype網(wǎng)絡電話系統(tǒng)核心之iLBC解碼器，能提供相當于高端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(zhì);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(zhì)優(yōu)于PSTN，而且能忍受高達30%的封包損失。網(wǎng)際網(wǎng)絡工程研究團隊(Internet Engineering Task Force;IETF)已對此解碼器制定標準。CableLabs應用于多媒體終端配接器與媒體閘道的PacketCable影音解碼器規(guī)格以被指定其為必要的解碼器。

有了此類解碼器，必要的VoWLAN語音品質(zhì)就更易于實現(xiàn)，而且也能解決網(wǎng)際網(wǎng)絡所造成的延遲與抖動現(xiàn)象，故此特別適合如802.11這種非同步開放系統(tǒng)使用。既然解碼器如此靈活，為何還要發(fā)展復雜的時序與同步方法呢?

挑戰(zhàn)耗電量

盡管現(xiàn)今的解碼器如此靈活，時序仍然是十分重要的，因為它對耗電量影響重大。移動電話系統(tǒng)的同步特性，使它能輕易而直接地實現(xiàn)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(fā)的流量，或因其他理由而必須回應存取點。

雖然移動電話與VoWLAN系統(tǒng)之間有此差異，后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。

說到這里，我們不禁又會想令WLAN同步操作。若存取點知道手機于何時進入睡眠模式，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于緩沖區(qū)。

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)以及增強分散式通道存取(Enhanced Distributed Channel Access;EDCA)。此兩種模式都是IEEE 802.11e標準當中，服務品質(zhì)(QoS)規(guī)定的一環(huán)，而兩者皆可用于發(fā)展中的省電傳訊方法，于存取點和站臺之間以同步固定數(shù)碼速率傳輸，而不需對整個WLAN進行同步。

以HCCA進行同步

HCCA模式就如同N-body同步機制，由存取點為N個站臺設定CBR輪詢排程。盡管典型的802.11系統(tǒng)無規(guī)律性，站臺還是盡可能地按排程同步。將這樣的配置描述為N-body系統(tǒng)是相當合理的，因為對輪詢排程上任一站的時序干擾，都會影響到其他N-1個站的時序。

當AP通過流量規(guī)格(TSPEC)接收到來自站臺的CBR要求時，HCCA機制便發(fā)揮作用，然后AP與該站進行CBR排程的通信。一旦AP接受站臺作為輪詢的用戶，此站臺通常會進入睡眠狀態(tài)，直到來自AP預期的下行輪詢或輪詢加VoIP訊框抵達為止(圖一)。在規(guī)定的時間內(nèi)(架構(gòu)于OFDM的802.11a/g為9μs，802.11b則會更久)，站臺以上行VoIP資料(或QoS-NULL)訊框回應。若站臺發(fā)送上行資料，AP就以ACK回應。

要知道此機制的耗電效率，讓我們先考慮站臺需保持喚醒狀態(tài)的時間比例。HCCA機制如需正確運作，在AP的下行輪詢前，站臺必須從睡眠模式中喚醒。根據(jù)硬件設計而定，喚醒的程序約需0.1到1.0微秒。然后站臺必須等到下行輪詢抵達，而輪詢可能在站臺預期的抵達時間到時仍未抵達。不同的原因如干擾、通道上長持續(xù)時間的訊框、AP中內(nèi)部排程沖突(輪詢其他站臺)、更高優(yōu)先順序的操作(AP必須傳輸一Beacon)、前一訊框超出預期的交換時間或是AP與站臺之間的相對時脈偏移，均會造成延遲。不過一旦下行輪詢抵達，排程就會變得可預測。根據(jù)所選的解碼器與PHY速率，上行/下行訊框交換應在不到1微秒的時間內(nèi)發(fā)生。

在HCCA機制中，時序的不確定性主要來自CBR輪詢排程的延遲、失敗后可能的重試以及使用可變PHY速率時，造成傳輸時間的變化。根據(jù)這些不確定性，站臺喚醒時間的約為2～5微秒。以20微秒的解碼器周期，此喚醒睡眠比所達成之效率比值為75%以上。

HCCA的固定位率排程

▲圖一:存取站可實作802.11e標準中指定的HCCA操作模式，提供可預測時間的VoIP輪詢排程，以在WLAN站臺能以睡眠模式減少耗電量時進行管理。