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VoWi-Fi的設計挑戰剖析

2008/10/29

　　隨著(zhù)寬帶通信和Wi-Fi接入點(diǎn)的日益增多，以及VoIP的日益普及，兩種技術(shù)的融合近在咫尺。VoIP-over-Wi-Fi (VoWi-Fi)有希望成為進(jìn)一步推動(dòng)VoIP和寬帶普及的理想應用。Infonetics的調查報告顯示，2004年出售的VoWi-Fi手機大約為11.3萬(wàn)臺，這種較高的應用比率將一直持續到2009年。

　　然而，為了使大眾能容易理解并采用VoWi-Fi，生產(chǎn)手機的OEM和ODM廠(chǎng)商還要克服許多技術(shù)障礙。例如，盡管新的標準(如802.11g)的傳輸速率已高達54 Mbits/s，然而目前許多已安裝Wi-Fi的熱點(diǎn)仍在運行舊的802.11b標準，其傳輸速率僅為11 Mbits/s。

　　根據無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的共享特性，不同的網(wǎng)絡(luò )數據率意味著(zhù)必須考慮每個(gè)語(yǔ)音呼叫所需消耗的帶寬數量。可能存在的帶寬限制最好是通過(guò)選擇VoWi-Fi設備所支持的語(yǔ)音編解碼器來(lái)解決。此外，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )中的帶寬問(wèn)題促使我們需要提高Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )上及整個(gè)端對端網(wǎng)絡(luò )上的固有服務(wù)質(zhì)量(QoS)水平。

　　許多人把VoWi-Fi手機視為當今無(wú)繩電話(huà)或歐洲數字無(wú)繩電信系統(DECT)電話(huà)的VoIP替代品。因此，用戶(hù)將期望有類(lèi)似的待機、通話(huà)時(shí)間以及其他新功能。所以，電源管理和延長(cháng)電池工作壽命的能力是任何VoWi-Fi設備的關(guān)鍵元素。

VoWi-Fi帶寬考慮/編解碼器選擇

　　當拿每個(gè)VoIP通道所需的典型帶寬與大多數Wi-Fi接入點(diǎn)的可用帶寬比較時(shí)，我們發(fā)現似乎沒(méi)有必要討論VoIP應用的帶寬可用性。畢竟，即使是舊的802.11b標準也有11Mbit/s的傳輸速率。因為G.711運行在相對來(lái)說(shuō)微不足道的64kbit/s速率，Wi-Fi帶寬似乎遠遠超過(guò)VoIP編解碼器的最低要求。

　　然而，請想一想爭取Wi-Fi頻段的應用的巨大數量：家庭媒體服務(wù)器的流式MP3音頻、多玩家游戲、網(wǎng)上沖浪和其他設備到設備的數據傳輸，再想一想會(huì )迅速把連接速率從11 Mbits/s下降為5.5、2甚至1 Mbits/s的各種環(huán)境因素；這樣，你就不會(huì )再認為單次VoIP通話(huà)所需的帶寬與實(shí)際剩余帶寬之間的差異很巨大了。

　　VoIP設計為可在各種網(wǎng)絡(luò )環(huán)境(包括帶寬有限的網(wǎng)絡(luò ))中使用，因此業(yè)界已開(kāi)發(fā)出的技術(shù)可把標準電話(huà)信號壓縮為更有效的比特流。傳統的電路交換普通老式電話(huà)業(yè)務(wù)(POTS)以64 kbits/s的數據傳輸速率捕獲語(yǔ)音通話(huà)。這種稱(chēng)為G.711的編碼方案實(shí)施簡(jiǎn)單，而且本身與電路交換網(wǎng)絡(luò )兼容，因此它仍然被廣泛應用于VoIP，以提供長(cháng)話(huà)級話(huà)音。

　　為了更有效地利用網(wǎng)絡(luò )帶寬進(jìn)行語(yǔ)音傳輸，業(yè)界已開(kāi)發(fā)出多種備選語(yǔ)音編解碼器。這些編解碼器如G.729、G.723.1和iLBC使用多種復雜的處理技術(shù)來(lái)壓縮捕獲到的語(yǔ)音流，這意味著(zhù)可大大減少傳輸相同電話(huà)聲道所需的網(wǎng)絡(luò )帶寬。然而，把電話(huà)聲道壓縮成較小比特流的結果會(huì )對音質(zhì)造成或多或少的影響，并增加執行編解碼器所需的處理能力。

　　利用當今的通信設備已有的處理能力，業(yè)界已開(kāi)發(fā)出多種技術(shù)，以使VoIP通話(huà)比POTS網(wǎng)絡(luò )上的通話(huà)音效更好。其中，使用寬帶編解碼器的目的是為了提供比G.711保真度更高的語(yǔ)音復制。由于保真度較高，因此需要更多的帶寬來(lái)打包語(yǔ)音。在大多數情況下，寬帶編解碼器仍然比G.711消耗更少帶寬；然而，它們在DSP或CPU上執行時(shí)所消耗的處理周期通常比G.711多很多。同樣地，需要平衡的因素包括可察覺(jué)的語(yǔ)音質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò )帶寬消耗和處理器性能。

　　表1比較了各種常見(jiàn)VoIP編解碼器及其通常的數據傳輸速率和代表性的平均鑒定分數(MOS)。MOS分數是一種主觀(guān)衡量，分為1至5分，分數越高，所察覺(jué)的業(yè)務(wù)質(zhì)量越好。

　　由于VoIP連接的兩端必須使用相同的編解碼器，因此VoWi-Fi手機必須在設備限制范圍內及其運行環(huán)境中提供種類(lèi)盡可能多的編解碼器。當今大多數支持VoIP的端點(diǎn)都支持G.711和G.729，而且越來(lái)越多設備提供其他窄帶編解碼器(如G.723.1)以及用于功能更豐富的設備的寬帶編解碼器(如G.722.2)。

VoWi-Fi的服務(wù)質(zhì)量

　　Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )本身是一個(gè)共享介質(zhì)，使用此網(wǎng)絡(luò )的所有用戶(hù)對可用帶寬具有相同的使用權。隨著(zhù)支持Wi-Fi的設備繼續增多，越來(lái)越多的端點(diǎn)爭奪這種日益減少的資源。對于許多把Wi-Fi用作通信網(wǎng)絡(luò )的業(yè)務(wù)，接收或傳送數據中的周期性延遲不會(huì )導致可察覺(jué)的問(wèn)題。然而，語(yǔ)音通信的實(shí)時(shí)性質(zhì)，使擁擠的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )中發(fā)生的延遲或中斷更加不可接受。

　　最初的 802.11規范對服務(wù)質(zhì)量沒(méi)有直接的規定；該協(xié)議設計為對訪(fǎng)問(wèn)介質(zhì)的所有設備具有公平、相等的接入權。然而，由于Wi-Fi已取得發(fā)展，應用范圍已擴大，因此提高固有服務(wù)質(zhì)量水平的需要已變得很明顯。為滿(mǎn)足此需求，業(yè)界已開(kāi)發(fā)出802.11e規范，其主要目標是為Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )定義服務(wù)質(zhì)量。802.11e規范設計的其中一個(gè)主要特點(diǎn)是，它對各種不同類(lèi)型的通信流采用不同的“優(yōu)先級別”。

　　通過(guò)為特定類(lèi)型的通信流指定較高的優(yōu)先級，網(wǎng)絡(luò )設備可以恰當地排列和管理流量，以在網(wǎng)絡(luò )擁擠的情況下傳送更高優(yōu)先級的通信流。802.11e標準定義了四種接入類(lèi)別，語(yǔ)音相關(guān)的通信流被指定為最高優(yōu)先級，而為視頻數據、盡力傳送型數據和后臺數據按遞減順序指定剩余的級別。像所有優(yōu)先級方案一樣，流量分類(lèi)的工作交由應用程序執行，所有應用程序都必須“公平”地對待優(yōu)先級排序方案，以在網(wǎng)絡(luò )層上發(fā)揮作用。

　　此外，由于大多數VoIP通話(huà)不會(huì )在指定的當地Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )中開(kāi)始和終止，因此必須把整個(gè)網(wǎng)絡(luò )設計為支持一致服務(wù)質(zhì)量的方案。以太網(wǎng)能夠攜帶優(yōu)先級信息，作為802.1p擴展的一部分(現在包含在更新的802.1D規范中)。

　　此擴展定義了八個(gè)優(yōu)先級，使以太網(wǎng)交換設備上可以有許多截然不同的隊列。同樣地，通過(guò)使用DiffServ或IntServ協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò )層中可以有服務(wù)質(zhì)量保證。在設計可傳送VoIP話(huà)務(wù)的網(wǎng)絡(luò )時(shí)，必須考慮如何解決端對端業(yè)務(wù)質(zhì)量的問(wèn)題，以及在有線(xiàn)到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )邊界如何轉換此服務(wù)質(zhì)量信息。在支持802.11e的Wi-Fi接入點(diǎn)中，必須把802.11e映射到802.1p(或DiffServ)服務(wù)質(zhì)量。
　　
　　802.11e規范在與VoWi-Fi手機配合使用時(shí)的另一個(gè)重要屬性是能夠定時(shí)傳送數據包到網(wǎng)絡(luò )上的端點(diǎn)。此特性使設備可以在某些定時(shí)間隔中協(xié)調一批數據包的接收。定義網(wǎng)絡(luò )流量何時(shí)到達的能力，使設備可以在需要傳輸話(huà)務(wù)或接收排定的輸入數據以外的時(shí)間關(guān)閉Wi-Fi子系統。這樣，系統設計員可進(jìn)一步把設備的整體電量消耗減至最少。

VoWi-Fi的電池壽命問(wèn)題

　　阻礙VoWi-Fi手機迅速普及的一個(gè)重要因素可能是電池壽命。許多第一代設備的待機時(shí)間比大多數便攜式電話(huà)的通話(huà)時(shí)間還要短。顯然，要使VoWi-Fi手機為消費者所廣泛采用，這些設備的電池壽命必須能夠比得上目前的便攜式、無(wú)繩或DECT電話(huà)的電池壽命。更復雜的問(wèn)題是，用戶(hù)已習慣便攜式電話(huà)的小體積，這就在設備可使用的電池大小方面對OEM或ODM設置了限制。

　　設備中的Wi-Fi組件是VoWi-Fi手機中消耗最多電池電量的組件之一。雖然新一代Wi-Fi芯片的耗電量將大大減少，但VoWi-Fi手機中許多其他器件要共享有限的電量。例如，傳統的DSP設計需要多個(gè)處理器或系統級芯片器件來(lái)執行所有的VoIP功能。

　　在這些設計中，一般的人機界面(MMI)以及VoIP通話(huà)控制功能使用傳統的應用處理器(ARM、MIPS等)，而DSP則用于語(yǔ)音到數據包到語(yǔ)音的轉換。此方法在便攜設備的設計中暴露出很多缺點(diǎn)。

　　最后，使用分立的應用處理器和DSP(不管是作為獨立組件還是作為系統級芯片的核心)會(huì )導致更大的物理封裝，從而減少了產(chǎn)品中較大電池的可用內部面積。此外，整個(gè)系統中組件的增多會(huì )增加設備的整體電量消耗。

“無(wú)DSP”設計

　　有一種技術(shù)可改善VoWi-Fi設備電量消耗，即充分利用“無(wú)DSP”設計方法，在這種設計中，語(yǔ)音處理是在應用處理器中進(jìn)行的。隨著(zhù)用于便攜式用途的通用應用處理器的發(fā)展，它們已有足夠的處理能力執行需進(jìn)行大量計算的工作(如語(yǔ)音處理)以及其他的一般應用功能。在應用處理器上執行語(yǔ)音處理功能以及去掉DSP，可直接實(shí)現節能和減少物理封裝體積。圖1顯示了無(wú)DSP的VoWi-Fi手機。

　　與VoWi-Fi設備電池供電、便攜特性有關(guān)的考慮因素也必須應用于整個(gè)軟件架構。為了在待機狀態(tài)下盡可能地省電，在不進(jìn)行處理時(shí)，系統必須關(guān)閉外部硬件以及處理器的電源。

　　在不通話(huà)時(shí)，設備只應執行非常少量的、不經(jīng)常進(jìn)行的工作。內嵌的操作系統和相關(guān)的應用程序應定期喚醒(時(shí)間間隔介于250 ms和500 ms之間)以檢查有沒(méi)有輸入事件，如收到要求開(kāi)始VoIP通話(huà)的SIP通話(huà)控制數據包。可能提高系統處理層次的其他事件包括用戶(hù)按鍵盤(pán)上的按紐以啟動(dòng)通話(huà)。在這種情況下，硬件應設計為允許中斷，以喚醒系統的適當部分并開(kāi)始處理適當的工作。

　　允許對處理器時(shí)鐘頻率進(jìn)行程序式控制的CPU子系統可被用來(lái)延長(cháng)VoWi-Fi設備的電池壽命。通過(guò)讓處理器以較慢的時(shí)鐘頻率運行以進(jìn)行正常的MMI交互作用，然后突然提高處理器速度，提供最大的性能以在VoIP通話(huà)過(guò)程中進(jìn)行語(yǔ)音處理，系統可持續地設法從電池騰出額外的待機和通話(huà)時(shí)間。單處理器、無(wú)DSP架構實(shí)際上使應用程序開(kāi)發(fā)員可以更容易地實(shí)施程序式的處理器速度控制，因為他們無(wú)需擔心系統中多個(gè)處理器之間可能發(fā)生的時(shí)鐘同步問(wèn)題。

　　從VoIP軟件子系統的角度來(lái)看，必須小心不要假設系統中指定硬件資源的可用性，也不要鎖定某一指定的資源而使其無(wú)法在長(cháng)時(shí)間不需要使用時(shí)斷電。VoIP軟件的設計必須以這種“外部”控制觀(guān)點(diǎn)為核心。

　　VoIP軟件應設計為應用程序可以控制VoIP軟件執行的時(shí)間(及其可訪(fǎng)問(wèn)的資源)，使系統在任何特定的時(shí)間不需要某些硬件資源時(shí)關(guān)閉或中斷它們。例如，當沒(méi)有正在進(jìn)行的通話(huà)時(shí)關(guān)閉麥克風(fēng)和喇叭接口，將有助于延長(cháng)電池壽命。如果這是通過(guò)簡(jiǎn)單的運行至完成模式來(lái)實(shí)現的，那么應用程序能夠按需要在通話(huà)間隔時(shí)間內關(guān)閉系統的各個(gè)部件。

VoWi-Fi的前景

　　此處的設計考慮因素適用于單模、專(zhuān)用VoWi-Fi手機以及新興的結合便攜式和VoWi-Fi功能的“雙模”手機。實(shí)際上，VoWi-Fi的增長(cháng)預計將來(lái)自于承諾可在兩種網(wǎng)絡(luò )制式之間無(wú)縫切換的“雙模”手機。

　　雖然部署VoWi-Fi電話(huà)將面臨許多挑戰，但適當地合并考慮以下因素可輕易克服這些挑戰：選擇VoIP編解碼器以獲得適當的帶寬并實(shí)現質(zhì)量最優(yōu)化、使用支持802.11e的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )以確保語(yǔ)音話(huà)務(wù)的優(yōu)先級以及使用無(wú)DSP架構以延長(cháng)VoWi-Fi手機的電池壽命。

ZDnet (www.zdnet.com.cn)

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