VoIP在無線局域網(wǎng)上的應用

0、引言

隨著Internet技術的發(fā)展和計算機的多媒體化，VoIP得到飛速發(fā)展。VoIP是利用基于路由器的IP分組交換網(wǎng)絡實現(xiàn)話音通信的一項傳輸技術。該技術的最大優(yōu)勢在于IP電話采用了先進的語音編碼技術，只需要8～12 kbit/s的帶寬，可以在比傳統(tǒng)電路交換網(wǎng)絡的64 kbit/s小得多的帶寬上傳輸。

1、VoIP基本原理與構架

VoIP是一種可以在IP網(wǎng)絡上傳輸語音信號的技術。它借助一連串的轉碼、編碼、壓縮、打包等程序，使得語音數(shù)據(jù)在IP網(wǎng)絡上傳輸?shù)侥康亩?，再?jīng)由相反的程序，還原成語音信號供接聽者接收。VoIP模型的基本結構圖如圖1所示。

在IP網(wǎng)絡上傳輸語音信號，要求一個基本的VoIP架構大致包含四個基本元素：媒體網(wǎng)關器(Media Gateway)、媒體網(wǎng)關控制器(Media Gateway Controller)、語音服務器、信號網(wǎng)關器(Signaling Cateway)。它們主要負責語音信號的IP封包，信號傳輸與轉換，提供語音響應，進行相關交換控制以及增值服務等。

圖1VoIP的模型結構

VoIP的傳輸過程可以大致分為五個階段：

一是將模擬語音信號進行編碼，通過對模擬語音信號進行8位或6位的量化使得語音信號得以在IP網(wǎng)絡中傳輸，數(shù)字化的過程可以使用多種語音編碼方案來實現(xiàn);

二是將語音包以特定的幀長進行壓縮編碼，同時并添加尋址及控制信息，這樣才能通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)轉發(fā)到目的地;

三是IP包的傳送，根據(jù)每個數(shù)據(jù)報文的目的地址，路由完成報文從源地址到目的地址的傳送;

四是IP包的數(shù)據(jù)處理，到了目的地址，由目的地的VoIP 設備接收這個IP數(shù)據(jù)并開始處理，去掉尋址和控制信息，保留原始的原數(shù)據(jù)，然后把這個原數(shù)據(jù)提供給解碼器;

五是將數(shù)字語音重新還原為模擬語音，并通過特定的頻率用揚聲器播出。

2、VoIP在WLAN的應用

隨著基于802.11的無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡在全球日益普遍，終端用戶正尋找更多的途徑來擴展其應用模式，VoWLAN(Voice over WLAN)就是新興應用之一。

與有線VoIP不同，VoWLAN是利用WLAN網(wǎng)絡實現(xiàn)無線的VoIP通話能力。它能讓使用者隨時訪問語音、電子郵件和其它已聯(lián)網(wǎng)的資源，同時提高了網(wǎng)絡效率并降低了每次呼叫的成本，從而降低總體IT費用。

(1)VoWLAN面臨的挑戰(zhàn)——QoS保證

VoWLAN系統(tǒng)中，由于無線鏈路引入的串擾和多徑傳播將導致衰落和色散，從而引起系統(tǒng)的附加時延和抖動。而語音業(yè)務對于時延和抖動非常敏感，因此在VoWLAN系統(tǒng)中提供一種QoS保證技術就顯得非常重要。IEEE 802.11標準定義了兩種不同的信道訪問機制：一種是點協(xié)調(diào)機制(PCF)，基于CSMA/CA方式;

另一種是分布式協(xié)同機制(DCF)，基于輪詢方式。但是這兩種都沒有劃分優(yōu)先級，因此隨著用戶數(shù)的增多，MAC不能保證為實時語音業(yè)務提供可靠的分組傳輸且傳輸時延和抖動在規(guī)定范圍內(nèi)。

為此，IEEE 802.11工作組的媒體訪問控制(MAC)改進任務組(即E任務組)對802.11的MAC層協(xié)議進行改進，使其可以支持具有QoS要求的應用，即 IEEE802.11e標準。IEEE 802.11e中，MAC接入采用混合協(xié)同功能(HCF)控制機制。

HCF與PCF和DCF直接兼容，而且可以支持優(yōu)先級和參數(shù)化的媒體訪問服務。HCF 結合了競爭和輪詢兩種機制，其中，基于競爭的訪問機制稱為增強式點協(xié)同功能(EPCF)，而無競爭的訪問機制稱為增強式分布系統(tǒng)功能(ED-CF)。

EDCF對業(yè)務先進行分級，為不同的優(yōu)先級數(shù)據(jù)提供不同的服務輸出隊列，每個服務隊列采用EDCF方法來競爭傳輸資源。主要表現(xiàn)在不同優(yōu)先級隊列擁有的最小閑散時間(DIFS)和競爭窗口不一樣，可利用參數(shù)來改變競爭窗口大小，從而可以獲得不同的重發(fā)等待時間，保證了實時業(yè)務有更高的服務優(yōu)先級。

EPCF信道訪問方法采用QoS相關的點協(xié)同功能，稱為混合協(xié)同器(HC)。HC利用點協(xié)同功能把優(yōu)先級信道分配給無線終端，用于傳輸有QoS 需求的數(shù)據(jù)，來滿足預定義的傳輸優(yōu)先級、服務速率、延時和抖動。

有QoS需求的移動終端可以給HC發(fā)送預留請求(RR)。移動終端可以在EDCF模式或者 EPCF模式下發(fā)送RR，也可以在受控競爭間隔(CGI)內(nèi)發(fā)送。

由上可見，隨著對QoS研究的不斷深入，IEEE 802.11e協(xié)議也在逐步完善，一方面在原有的框架內(nèi)修改了分布式和集中式的協(xié)調(diào)機制，并保持了對傳統(tǒng)協(xié)議的兼容;

另一方面也提出了一些獨特的解決方案，如批應答和準入控制。根據(jù)國外做出的研究和仿真報告，IEEE 802.11e可以實現(xiàn)很好的QoS性能。

(2)VoIP在WLAN的應用——移動性

移動性也是很大的挑戰(zhàn)。無線電話用戶可能會更頻繁地在接入點之間漫游，這就要求在接入點之間具有無縫的，低反應時間的轉移。當VoIP結點的移動跨越不同的子網(wǎng)時，即移動到不同的IP網(wǎng)段，這時光靠上一節(jié)的鏈路層切換還不能解決問題。

目前對VoIP電話移動性支持包括網(wǎng)絡層的Mobile IP協(xié)議和應用層信令協(xié)議SIP.SIP信令能夠在VoIP結點的位置發(fā)生變化時，通話對方可以透明地撥打該VoIP電話，例如VoIP結點在甲地和乙地可以用同一個電話號碼進行通話。

另外，當正在通話的用戶從甲地移動到乙地時，采用Mobile IP技術可以保證通話的不間斷。

目前使用Mobile IP技術最大的問題是三角路由問題，即當VoIP結點的位置發(fā)生變化時，通信對方發(fā)給VoIP結點的話音數(shù)據(jù)，仍然要先發(fā)給家鄉(xiāng)代理，再由家鄉(xiāng)代理向 VoIP結點轉發(fā)。

雙方之間不能直接進行通信，會增大雙方的通話延遲時間。三角路由如圖2所示。為了消除三角路由，可以采用路由優(yōu)化技術，如Mobile IPv6等。

圖2三角路由問題

另外，由于IEEE 802.11網(wǎng)絡的覆蓋范圍有限，當VoIP結點移出WLAN時，通話就會中斷。對于這個問題，目前的雙模手機是一種很好的方法，如圖3所 示。