VoWLAN的挑戰(zhàn)與發(fā)展

1、引言

隨著基于802.11的無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)在全球日益普及，終端用戶正尋找更多的途徑來(lái)擴(kuò)展其應(yīng)用模式，VoWLAN(Voice over WLAN)就是新興應(yīng)用之一。

2、VoIP與VoWLAN

VoIP是Voice over Internet Protocol的縮寫，指的是將模擬的聲音信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮與封包之后，以數(shù)據(jù)封包的形式在IP網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)的傳輸。VoIP最大的優(yōu)勢(shì)是能廣泛地采用Internet和全球IP互聯(lián)的環(huán)境，提供比傳統(tǒng)業(yè)務(wù)更多、更好的服務(wù)。

VoWLAN(Voice over WLAN)是對(duì)有線的VoIP系統(tǒng)的擴(kuò)展，是傳統(tǒng)的模擬和數(shù)字語(yǔ)音通信的又一替代解決方案。它的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)線語(yǔ)音與數(shù)據(jù)應(yīng)用以無(wú)線的形式匯聚，并且終端具有可移動(dòng)性。VoWLAN系統(tǒng)有兩種工作方式。一種是把通過(guò)訪問(wèn)點(diǎn)的語(yǔ)音信號(hào)傳輸?shù)絍oIP網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)可以就是原來(lái)的有線VoIP網(wǎng)關(guān)，這樣語(yǔ)音數(shù)據(jù)在 IP網(wǎng)絡(luò)和PBX之間傳輸。這種方式使得傳統(tǒng)的有線辦公和住宅電話的功能都能在VoWLAN中實(shí)現(xiàn)。另一種VoWLAN方式是基于軟件的電話，就是 Softphone。這種方式直接在In

ternet上傳輸語(yǔ)音數(shù)據(jù)，用戶可通過(guò)PDA、移動(dòng)電話和筆記本電腦在提供WLAN接入的區(qū)域免費(fèi)使用這種軟件電話。

3、VoWLAN的實(shí)現(xiàn)面臨的挑戰(zhàn)

VoWLAN系統(tǒng)中，由于無(wú)線鏈路引入的串?dāng)_和多徑傳播將導(dǎo)致衰落和色散，從而引起系統(tǒng)的附加時(shí)延和抖動(dòng)。而語(yǔ)音業(yè)務(wù)對(duì)于時(shí)延和抖動(dòng)非常敏感，因此VoWLAN系統(tǒng)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

1.覆蓋與漫游

AP漫游是802.11協(xié)議的一個(gè)功能，這能使VoWLAN電話能夠自動(dòng)在不同AP之間進(jìn)行切換和移動(dòng)。這種切換的時(shí)間必須非常迅速，以便能夠?qū)崿F(xiàn)平滑切換不掉線。AP通?？梢院芸斓奶幚恚桥cAP相連的有線傳輸系統(tǒng)往往會(huì)產(chǎn)生延遲，而這種延遲是超過(guò)VoWLAN系統(tǒng)限度的。當(dāng)用戶從一個(gè)AP 漫游到另一個(gè)AP時(shí)，傳統(tǒng)的WLAN鑒權(quán)協(xié)議會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)流的中斷。中斷一般會(huì)持續(xù)0.25～0.5s，這要依賴網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和鑒權(quán)服務(wù)器的位置。 VoWLAN用戶會(huì)經(jīng)常移動(dòng)，會(huì)在AP間頻繁切換，采用傳統(tǒng)的鑒權(quán)，終端移動(dòng)時(shí)通話雙方都可能聽到瞬間的中斷。因此，絕大多數(shù)VoWALN終端的解決方案都要求具有專有的預(yù)占優(yōu)先漫游算法來(lái)改善語(yǔ)音質(zhì)量并且當(dāng)用戶移動(dòng)時(shí)在AP覆蓋范圍內(nèi)切換時(shí)帶寬最大化。

2.移動(dòng)性

移動(dòng)性是很大的挑戰(zhàn)。當(dāng)VoIP結(jié)點(diǎn)的移動(dòng)跨越不同的子網(wǎng)時(shí)，即移動(dòng)到不同的IP網(wǎng)段，這時(shí)候光靠鏈路層切換是不能解決問(wèn)題的，目前對(duì)VoIP 電話移動(dòng)性支持包括網(wǎng)絡(luò)層的Mobile IP協(xié)議和應(yīng)用層信令協(xié)議SIP。SIP信令能夠在VoIP結(jié)點(diǎn)的位置發(fā)生變化時(shí)，通話對(duì)方可以透明地?fù)艽蛟揤oIP電話，例如VoIP結(jié)點(diǎn)在甲地和乙地可以用同一個(gè)電話號(hào)碼進(jìn)行通話。

由于IEEE 802.11網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍有限，當(dāng)VoIP結(jié)點(diǎn)移出WLAN時(shí)，通話就會(huì)中斷。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，目前的雙模手機(jī)是一種很好的方法，如圖1所示。當(dāng)用戶在 WLAN范圍內(nèi)時(shí)采用基于IEEE 802.11的VoIP電話，若移出則采用GPRS等技術(shù)構(gòu)成的VoIP電話。當(dāng)然，若要使通話不間斷，實(shí)現(xiàn)平滑切換，可以考慮使用Mobile IP技術(shù)。另外，可以在手機(jī)上裝上GPS，這樣可以更好地定位切換。

圖1　雙模手機(jī)應(yīng)用模型

3.安全性

從安全角度來(lái)看，VoWLAN存在著很大的危機(jī)，所有沒有加密的數(shù)據(jù)都可能被篡改。VoWLAN用于安全系統(tǒng)的最大問(wèn)題是它對(duì)拒絕服務(wù)攻擊，即 DoS(Denial of Service)。最基本的DoS攻擊就是利用合理的服務(wù)請(qǐng)求來(lái)占用過(guò)多的服務(wù)資源，從而使合法用戶無(wú)法得到服務(wù)的響應(yīng))的防御不夠。很容易人為地干擾 VoWLAN的信號(hào)，使語(yǔ)音通信中斷。目前的WPA和即將出臺(tái)的IEEE 802.11i標(biāo)準(zhǔn)(TKIP)都可以增強(qiáng)WLAN網(wǎng)絡(luò)的安全性。WPA包括基于IEEE 802.1X的認(rèn)證和TKIP。TKIP采用RC4加密算法與各種機(jī)制，如Michael信息完整性代碼、每包密鑰構(gòu)建機(jī)制(per-packet key)和擴(kuò)展初始化矢量(IV)等，來(lái)消除WEP協(xié)議中潛在的安全性漏洞。IEEE 802.11i還將包含一個(gè)基于AES的加密/數(shù)據(jù)認(rèn)證協(xié)議CCMP(CBC-MAC Protocol)。隨著802.11i標(biāo)準(zhǔn)的制訂和獲得批準(zhǔn)，VoWLAN安全性將提供最高級(jí)別的保護(hù)，從而可以放心地使用VoWLAN。

4.QoS保證

IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種不同的信道訪問(wèn)機(jī)制：一種是點(diǎn)協(xié)調(diào)機(jī)制(PCF);另一種是分布式協(xié)同機(jī)制(DCF)。這兩種訪問(wèn)機(jī)制都沒有劃分優(yōu)先級(jí)，隨著用戶數(shù)的增多，MAC不能保證為實(shí)時(shí)語(yǔ)音業(yè)務(wù)提供可靠的分組傳輸且 傳輸時(shí)延和抖動(dòng)在規(guī)定范圍內(nèi)，也就是不能保證語(yǔ)音業(yè)務(wù)的QoS。為此， IEEE802.11改進(jìn)任務(wù)組對(duì)802.11的MAC層協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，使其可以支持具有QoS要求的應(yīng)用，即IEEE802.11e標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.11e中，MAC接入采用混合協(xié)同功能(HCF)控制機(jī)制。HCF可以支持優(yōu)先級(jí)和參數(shù)化的媒體訪問(wèn)服務(wù)，并且結(jié)合了競(jìng)爭(zhēng)和輪詢兩種機(jī)制，其中，基于競(jìng)爭(zhēng)的訪問(wèn)機(jī)制稱為增強(qiáng)式點(diǎn)協(xié)同功能(EPCF)，而無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的訪問(wèn)機(jī)制稱為增強(qiáng)式分布系統(tǒng)功能(EDCF)。為了區(qū)別不同的業(yè)務(wù)類型，EDCF對(duì)不同業(yè)務(wù)劃分了優(yōu)先級(jí)，但是它只提供了統(tǒng)計(jì)上的優(yōu)先劃分，很難滿足每個(gè)語(yǔ)音包的時(shí)延要求。因此，EDCF也無(wú)法完全保證QoS，尤其是在高負(fù)載的環(huán)境下。

文獻(xiàn)[1]針對(duì)這個(gè)情況提出了提高語(yǔ)音業(yè)務(wù)在無(wú)限局域網(wǎng)中的容量來(lái)提高VoWLAN的QoS的方法。作者指出，無(wú)限局域網(wǎng)中語(yǔ)音業(yè)務(wù)的容量受到限制，主要原因是巨大的開銷和IEEE 802.11 MAC協(xié)議的效率不高。為了提高語(yǔ)音業(yè)務(wù)在無(wú)限局域網(wǎng)中的容量，文章引用了幾種方法，循環(huán)移位和站點(diǎn)移除選擇機(jī)制就是其中一種，這是采用了語(yǔ)音數(shù)據(jù)包的復(fù)用。另外，減少語(yǔ)音數(shù)據(jù)

包的開銷也可以提高VoIP的容量，譬如可以壓縮VoIP數(shù)據(jù)包的RTP/UDP/IP頭部來(lái)減少開銷。還有一些研究通過(guò)采用一種新的MAC層協(xié)議來(lái)提高容量。

參考文獻(xiàn)[1]采用了語(yǔ)音業(yè)務(wù)復(fù)用，確定性的語(yǔ)音優(yōu)先權(quán)接入控制和減少開銷3個(gè)機(jī)制提高QoS性能來(lái)滿足語(yǔ)音業(yè)務(wù)的時(shí)延要求和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的QoS 保證，同時(shí)它也提高了帶寬利用率。作者通過(guò)改進(jìn)IEEE 802.11e HCF業(yè)務(wù)的時(shí)隙結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到較高的資源利用率，根據(jù)是否是語(yǔ)音業(yè)務(wù)來(lái)分配站點(diǎn)資源。上文已經(jīng)提到，EDCF的統(tǒng)計(jì)上的優(yōu)先接入可能會(huì)引起性能的不穩(wěn)定，文獻(xiàn)[1]中的方案采取確定策略給語(yǔ)音業(yè)務(wù)一個(gè)較高的優(yōu)先權(quán)，在減少開銷方面，文獻(xiàn)[1]是把傳送給某個(gè)站點(diǎn)的所有物理層和MAC層的開銷聚集起來(lái)然后通過(guò) MAC層的一個(gè)幀來(lái)傳送，就大大減少了物理層和MAC的開銷。這樣，文獻(xiàn)[1]的方案就保證了VoWLAN的QoS。

4、VoWLAN發(fā)展現(xiàn)狀和前景

隨著寬帶服務(wù)提供商推出與寬帶連接捆綁在一起的VoIP業(yè)務(wù)和無(wú)線網(wǎng)關(guān)，VoWLAN在消費(fèi)領(lǐng)域有著巨大的增長(zhǎng)潛力。醫(yī)院、工廠、機(jī)場(chǎng)和零售商場(chǎng)等環(huán)境都是VoWLAN鎖定的主要市場(chǎng)。使用者可以加入電話會(huì)議，甚至運(yùn)用攝像頭進(jìn)行視頻會(huì)議，實(shí)現(xiàn)真正的移動(dòng)辦公。

VoWLAN技術(shù)的最大潛在市場(chǎng)在于把其整合到手機(jī)中。通過(guò)VoWLAN手持電話可以無(wú)縫地接入現(xiàn)有的寬帶數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和IP電話網(wǎng)絡(luò)，使之成為語(yǔ)音和數(shù)據(jù)的綜合數(shù)字終端。如今NOKIA、Samsung、Motorola等手機(jī)制造商已經(jīng)推出WI-FI/GSM雙模手機(jī)。可以預(yù)見，蜂窩/WLAN 雙模手機(jī)將會(huì)逐漸普及，而且WLAN將成為手機(jī)的通用功能。

當(dāng)然，和有線VoIP一樣，WLAN(VOWLAN)無(wú)線語(yǔ)音服務(wù)很大程度影響了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。雖然數(shù)據(jù)網(wǎng)點(diǎn)覆蓋足夠，但VOWLAN 要求一種更密的訪問(wèn)點(diǎn)布局。聲音也涉及服務(wù)質(zhì)量和快速漫游的問(wèn)題，不只在應(yīng)用層次需要解決這些問(wèn)題。在更基礎(chǔ)的WLAN架構(gòu)和產(chǎn)品層次也需要根本的改變。 WLAN設(shè)備供應(yīng)商開始在最近的產(chǎn)品改良中解決許多與VoIP相關(guān)的問(wèn)題。

總之，VoWLAN并不僅僅是VoIP和WLAN的簡(jiǎn)單疊加，還需要基于WLAN基礎(chǔ)設(shè)施解決諸多問(wèn)題。而一旦擁有標(biāo)準(zhǔn)化的QoS、增強(qiáng)的安全性，可靠的及易操作的網(wǎng)絡(luò)，VoWLAN的應(yīng)用將會(huì)非常繁榮，與蜂窩系統(tǒng)形成有益的競(jìng)爭(zhēng)和互補(bǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]　Ping Wang，Hai Jiang，Weihua Zhuang.Capacity Improvement and Analysis for Voice/Data Traffic over WLANs.IEEE transaction on wireless communications，VOL.6，NO.4，APRIL 2007