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(zhù)公司下一步全面部署無(wú)線(xiàn)IP話(huà)音系統的思路，他計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號碼的電話(huà)，并且還需要在同事離開(kāi)辦公桌時(shí)“監控他們的分機”。
無(wú)線(xiàn)IP通信的應用，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。但對無(wú)線(xiàn)的傳輸品質(zhì)，尤其是其穩定性、安全性的質(zhì)疑，一直影響著(zhù)這項技術(shù)成為未來(lái)企業(yè)通信承載平臺的道路。語(yǔ)音或者視頻是對網(wǎng)絡(luò )傳輸品質(zhì)有較高要求的應用，因此，隨著(zhù)企業(yè)用戶(hù)對無(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)現實(shí)的問(wèn)題。
保障流暢的話(huà)音
對話(huà)音質(zhì)量的考察，傳統上是采用主觀(guān)方法來(lái)衡量的。也就是人們在進(jìn)行通話(huà)時(shí)感受到的話(huà)音是否連續、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)為基礎的各種應用和協(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)議的設備也是建立無(wú)線(xiàn)IP語(yǔ)音的必要保證。對于無(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包直接轉化為模擬信號前，話(huà)音數據包會(huì )預先保存在緩沖存儲器中。緩沖器在接收機上主要用來(lái)消除當VoIP包失序到達時(shí)產(chǎn)生的回聲。然后編解碼器從緩沖器中取出下一個(gè)連續的包并轉化為模擬信號。這就造成了傳輸的時(shí)延，當時(shí)延過(guò)多時(shí)，數據包被取出的動(dòng)作就會(huì )停止，等待新包的到來(lái)，導致通話(huà)的中斷。同時(shí)，如果緩沖器處理的數據包太多，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)數據包的網(wǎng)絡(luò )通路來(lái)看，網(wǎng)絡(luò )中的路由器、防火墻、交換機等網(wǎng)絡(luò )設備也會(huì )令話(huà)音的傳輸產(chǎn)生時(shí)延。對于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)延是由通信數據速率決定的。
傳輸時(shí)延可以通過(guò)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )結構加以改善。減少每個(gè)方向上總的單向時(shí)延。同時(shí)，AP的擁塞控制機制可以保證數據包丟失的最少。如果每個(gè)AP在發(fā)射信號之前能確保話(huà)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)中包含了兩項確保語(yǔ)音QoS的指標：一種是BroadRange功能，可提供高達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)的數據包的優(yōu)先次序。這對于語(yǔ)音和多媒體應用是非常必要的。它將作為IEEE 802.11e標準的子集之一，以滿(mǎn)足業(yè)界對Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )應用與多媒體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A(yíng)P間漫游的速度，通過(guò)自動(dòng)識別話(huà)音流量，分配最高優(yōu)先級并保障此類(lèi)應用的帶寬。
對于同樣影響話(huà)音傳輸質(zhì)量的數據包失序到達問(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)現流同步，而RTCP負責提供傳輸質(zhì)量在當前應用進(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)送的數據包的數量、丟失的數據包的數量等統計資料。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)數據。
語(yǔ)音的安全“特權”
當前面說(shuō)的兩個(gè)條件都滿(mǎn)足后，就可以通過(guò)Wi-Fi手機將音頻信號數字化并以數據包的形式通過(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)的標準有兩個(gè)“死規定”，一是“5個(gè)9”的網(wǎng)絡(luò )穩定性；另一個(gè)是“50ms”的切換間隔。對于無(wú)線(xiàn)話(huà)音來(lái)說(shuō)，移動(dòng)電話(huà)等終端設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(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)平均在數百毫秒，這將導致話(huà)音質(zhì)量下降。快速的切換對于基于無(wú)線(xiàn)的話(huà)音得到廣泛部署是必不可少的。
802.11r標準用于加快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用中斷。全面采用這項協(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)系并預留QoS資源。使用802.11r時(shí)，終端可以利用當前的接入點(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(zhù)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，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 )能夠應對不斷出現的訪(fǎng)問(wèn)控制及高性能業(yè)務(wù)的安全要求，更明確地協(xié)調統一控制應用。
通過(guò)將安全政策從網(wǎng)絡(luò )核心擴展到邊緣，有效的訪(fǎng)問(wèn)控制能夠在一定程度上應對承載語(yǔ)音流傳輸的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )對安全性的特殊要求。對此，Juniper在原來(lái)的統一接入控制產(chǎn)品基礎上推出了加強版本的 UAC 2.1，將訪(fǎng)問(wèn)控制擴展到網(wǎng)絡(luò )流量，從而減少企業(yè)資產(chǎn)外露的相關(guān)風(fēng)險。該公司系統工程師梁小東介紹說(shuō)，增強的Juniper入侵檢測與預防(IDP)平臺2～7層可見(jiàn)性，使網(wǎng)絡(luò )有能力將風(fēng)險隔離在某個(gè)用戶(hù)或設備上，進(jìn)而針對上述用戶(hù)或設備采取可設定的策略。其具有身份識別功能的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 )和應用訪(fǎng)問(wèn)。同時(shí)提供對不可管理設備的動(dòng)態(tài)應對，幫助強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)現語(yǔ)音和視頻等多媒體通信，就需要在傳輸數據的時(shí)候，對數據進(jìn)行傳輸優(yōu)先級分類(lèi)，這就是QoS的思路。在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中實(shí)現QoS的標準是IEEE 802.1e，這項標準將使WLAN管理員能夠設置不同種類(lèi)數據包的優(yōu)先范圍，并可控制被發(fā)送數據包之間的時(shí)間間隔。這就為語(yǔ)音和視頻的傳輸開(kāi)了綠燈。
WLAN的QoS應當根據數據包的類(lèi)型來(lái)處理流量，如將它們分為語(yǔ)音、數據或視頻等。服務(wù)級特性（Class-of-Service）對流量進(jìn)行分類(lèi)，而QoS特性則對傳輸的流量設置優(yōu)先級。
802.11e標準中已經(jīng)增加了一套提高性能的標準。增加的條款能夠讓網(wǎng)絡(luò )管理員設置網(wǎng)絡(luò )，以便滿(mǎn)足應用程序的要求。
一項稱(chēng)作“增強分布式協(xié)調訪(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)方式擴展了原來(lái)802.11標準規定的訪(fǎng)問(wèn)方式。EDCA使每一種訪(fǎng)問(wèn)類(lèi)型對應一類(lèi)數據。這些參數能夠讓網(wǎng)絡(luò )管理員根據應用程序組合和通信量調整網(wǎng)絡(luò )。因此，高優(yōu)先等級數據的延遲不會(huì )隨著(zhù)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)先級服務(wù)的實(shí)現提供了保證，也提供了目前語(yǔ)音和多媒體等應用需要的服務(wù)質(zhì)量和增強的網(wǎng)絡(luò )性能。
Aruba提供了另一種獨特的語(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)現了每個(gè)流的高級策略制訂和優(yōu)先級控制，對角色或用戶(hù)、設備以及正在發(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)先級功能。 因此，性能質(zhì)量更高，即使存在大量WLAN數據流量的情況下也如此。
802.11n高速路
話(huà)音對傳輸品質(zhì)的要求非常苛刻。可靠性、可持續的數據流的要求在無(wú)線(xiàn)VoIP中非常重要。在現階段，作為補償，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)代替常規的單向天線(xiàn)集中向某個(gè)區域發(fā)射無(wú)線(xiàn)電信號。這就加大了用戶(hù)在管理和成本方面的投入。
802.11n標準在速度、覆蓋范圍和安全方面被認為是與話(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的帶寬內實(shí)現將目前802.11a及802.11g提供的54Mbps提高到108Mbps，甚至高達500Mbps。北電企業(yè)網(wǎng)工程師經(jīng)理孫志方認為，這使得話(huà)音在傳輸過(guò)程中的數據流延遲得到有效控制。而且基于MIMO(多入多出)與OFDM(正交頻分復用)技術(shù)的結合，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傳輸速率可達到目前傳輸速率的10倍，從而實(shí)現高質(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)多組獨立天線(xiàn)組成的天線(xiàn)陣列，可以動(dòng)態(tài)調整波束，保證讓W(xué)LAN用戶(hù)接收到穩定的信號，并可以減少其他信號的干擾，從而提升語(yǔ)音的清晰度。
美國Duke大學(xué)對這項新的技術(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(zhù)大約50位學(xué)生。每臺接入點(diǎn)都通過(guò)交換機實(shí)現千兆以太網(wǎng)連接，交換機通過(guò)安裝在建筑中的1臺路由器和專(zhuān)用的WLAN控制器互聯(lián)。Duke大學(xué)網(wǎng)絡(luò )人員監測到同時(shí)多達30個(gè)以上的客戶(hù)機連接在這條802.11n無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路上，其中的多數客戶(hù)機使用11b/g/a，一些客戶(hù)機使用全新的優(yōu)盤(pán)11n接口。
測試結果是令人滿(mǎn)意的，據Duke大學(xué)信息技術(shù)辦公室通信基礎設施副主管說(shuō)，這個(gè)802.11n基礎設施不僅在性能上，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。它能夠更簡(jiǎn)單地使企業(yè)或校園內獲得相當于蜂窩電話(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
強制性的品質(zhì)保證
越來(lái)越多新的應用（比如文中提到的語(yǔ)音和視頻的應用），大量消耗現有的互聯(lián)網(wǎng)帶寬，同時(shí)對網(wǎng)絡(luò )傳輸的品質(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，新應用對于無(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)盟的高級市場(chǎng)總監Karen Hanley女士，他的回答是：關(guān)于穩定性，“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)音應用的平臺服務(wù)質(zhì)量將會(huì )成為一個(gè)強制性的測試和認證。而同樣被提到很高要求的還有安全問(wèn)題，Hanley強調了WPA2認證加密技術(shù)。她認為，這項技術(shù)能夠對無(wú)線(xiàn)傳輸過(guò)程中的數據包執行更加高安全性的加密和更加嚴格的認證程序。同樣，未來(lái)這種WPA2加密認證將是任何一種在802.11n協(xié)議基礎上進(jìn)行的無(wú)線(xiàn)傳輸，必須要進(jìn)行的強制性的測試，使話(huà)音的私隱性和傳輸的穩定性都得到提升。
作為當前無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域最具影響力的認證機構之一，Wi-Fi聯(lián)盟在認可802.11n提供的更高速度和傳輸距離的同時(shí)，更強調了對安全和傳輸穩定性測試的強制性保證，這就像是當年買(mǎi)車(chē)根本不需要考慮尾氣排放一樣，而今天一輛沒(méi)有達到排放標準的車(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 )面臨同樣的結果。
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