VoIP在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)上的應用

0、引言

隨著(zhù)Internet技術(shù)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(luò )實(shí)現話(huà)音通信的一項傳輸技術(shù)。該技術(shù)的最大優(yōu)勢在于IP電話(huà)采用了先進(jìn)的語(yǔ)音編碼技術(shù)，只需要8～12 kbit/s的帶寬，可以在比傳統電路交換網(wǎng)絡(luò )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(luò )上傳輸語(yǔ)音信號的技術(shù)。它借助一連串的轉碼、編碼、壓縮、打包等程序，使得語(yǔ)音數據在IP網(wǎng)絡(luò )上傳輸到目的端，再經(jīng)由相反的程序，還原成語(yǔ)音信號供接聽(tīng)者接收。VoIP模型的基本結構圖如圖1所示。

在IP網(wǎng)絡(luò )上傳輸語(yǔ)音信號，要求一個(gè)基本的VoIP架構大致包含四個(gè)基本元素：媒體網(wǎng)關(guān)器(Media Gateway)、媒體網(wǎng)關(guān)控制器(Media Gateway Controller)、語(yǔ)音服務(wù)器、信號網(wǎng)關(guān)器(Signaling Cateway)。它們主要負責語(yǔ)音信號的IP封包，信號傳輸與轉換，提供語(yǔ)音響應，進(jìn)行相關(guān)交換控制以及增值服務(wù)等。

圖1VoIP的模型結構

VoIP的傳輸過(guò)程可以大致分為五個(gè)階段：

一是將模擬語(yǔ)音信號進(jìn)行編碼，通過(guò)對模擬語(yǔ)音信號進(jìn)行8位或6位的量化使得語(yǔ)音信號得以在IP網(wǎng)絡(luò )中傳輸，數字化的過(guò)程可以使用多種語(yǔ)音編碼方案來(lái)實(shí)現;

二是將語(yǔ)音包以特定的幀長(cháng)進(jìn)行壓縮編碼，同時(shí)并添加尋址及控制信息，這樣才能通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將數據轉發(fā)到目的地;

三是IP包的傳送，根據每個(gè)數據報文的目的地址，路由完成報文從源地址到目的地址的傳送;

四是IP包的數據處理，到了目的地址，由目的地的VoIP 設備接收這個(gè)IP數據并開(kāi)始處理，去掉尋址和控制信息，保留原始的原數據，然后把這個(gè)原數據提供給解碼器;

五是將數字語(yǔ)音重新還原為模擬語(yǔ)音，并通過(guò)特定的頻率用揚聲器播出。

2、VoIP在WLAN的應用

隨著(zhù)基于802.11的無(wú)線(xiàn)數據網(wǎng)絡(luò )在全球日益普遍，終端用戶(hù)正尋找更多的途徑來(lái)擴展其應用模式，VoWLAN(Voice over WLAN)就是新興應用之一。

與有線(xiàn)VoIP不同，VoWLAN是利用WLAN網(wǎng)絡(luò )實(shí)現無(wú)線(xiàn)的VoIP通話(huà)能力。它能讓使用者隨時(shí)訪(fǎng)問(wèn)語(yǔ)音、電子郵件和其它已聯(lián)網(wǎng)的資源，同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò )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——QoS保證

VoWLAN系統中，由于無(wú)線(xiàn)鏈路引入的串擾和多徑傳播將導致衰落和色散，從而引起系統的附加時(shí)延和抖動(dòng)。而語(yǔ)音業(yè)務(wù)對于時(shí)延和抖動(dòng)非常敏感，因此在VoWLAN系統中提供一種QoS保證技術(shù)就顯得非常重要。IEEE 802.11標準定義了兩種不同的信道訪(fǎng)問(wèn)機制：一種是點(diǎn)協(xié)調機制(PCF)，基于CSMA/CA方式;

另一種是分布式協(xié)同機制(DCF)，基于輪詢(xún)方式。但是這兩種都沒(méi)有劃分優(yōu)先級，因此隨著(zhù)用戶(hù)數的增多，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)在規定范圍內。

為此，IEEE 802.11工作組的媒體訪(fǎng)問(wèn)控制(MAC)改進(jìn)任務(wù)組(即E任務(wù)組)對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)先級和參數化的媒體訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)。HCF 結合了競爭和輪詢(xún)兩種機制，其中，基于競爭的訪(fǎng)問(wèn)機制稱(chēng)為增強式點(diǎn)協(xié)同功能(EPCF)，而無(wú)競爭的訪(fǎng)問(wèn)機制稱(chēng)為增強式分布系統功能(ED-CF)。

EDCF對業(yè)務(wù)先進(jìn)行分級，為不同的優(yōu)先級數據提供不同的服務(wù)輸出隊列，每個(gè)服務(wù)隊列采用EDCF方法來(lái)競爭傳輸資源。主要表現在不同優(yōu)先級隊列擁有的最小閑散時(shí)間(DIFS)和競爭窗口不一樣，可利用參數來(lái)改變競爭窗口大小，從而可以獲得不同的重發(fā)等待時(shí)間，保證了實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)有更高的服務(wù)優(yōu)先級。

EPCF信道訪(fǎng)問(wèn)方法采用QoS相關(guān)的點(diǎn)協(xié)同功能，稱(chēng)為混合協(xié)同器(HC)。HC利用點(diǎn)協(xié)同功能把優(yōu)先級信道分配給無(wú)線(xiàn)終端，用于傳輸有QoS 需求的數據，來(lái)滿(mǎn)足預定義的傳輸優(yōu)先級、服務(wù)速率、延時(shí)和抖動(dòng)。

有QoS需求的移動(dòng)終端可以給HC發(fā)送預留請求(RR)。移動(dòng)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)內發(fā)送。

由上可見(jiàn)，隨著(zhù)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修改了分布式和集中式的協(xié)調機制，并保持了對傳統協(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。根據國外做出的研究和仿真報告，IEEE 802.11e可以實(shí)現很好的QoS性能。

(2)VoIP在WLAN的應用——移動(dòng)性

移動(dòng)性也是很大的挑戰。無(wú)線(xiàn)電話(huà)用戶(hù)可能會(huì )更頻繁地在接入點(diǎn)之間漫游，這就要求在接入點(diǎn)之間具有無(wú)縫的，低反應時(shí)間的轉移。當VoIP結點(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)光靠上一節的鏈路層切換還不能解決問(wèn)題。

目前對VoIP電話(huà)移動(dòng)性支持包括網(wǎng)絡(luò )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(diǎn)的位置發(fā)生變化時(shí)，通話(huà)對方可以透明地撥打該VoIP電話(huà)，例如VoIP結點(diǎn)在甲地和乙地可以用同一個(gè)電話(huà)號碼進(jìn)行通話(huà)。

另外，當正在通話(huà)的用戶(hù)從甲地移動(dòng)到乙地時(shí)，采用Mobile IP技術(shù)可以保證通話(huà)的不間斷。

目前使用Mobile IP技術(shù)最大的問(wèn)題是三角路由問(wèn)題，即當VoIP結點(diǎn)的位置發(fā)生變化時(shí)，通信對方發(fā)給VoIP結點(diǎn)的話(huà)音數據，仍然要先發(fā)給家鄉代理，再由家鄉代理向 VoIP結點(diǎn)轉發(fā)。

雙方之間不能直接進(jìn)行通信，會(huì )增大雙方的通話(huà)延遲時(shí)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(shù)，如Mobile IPv6等。

圖2三角路由問(wèn)題

另外，由于IEEE 802.11網(wǎng)絡(luò )的覆蓋范圍有限，當VoIP結點(diǎn)移出WLAN時(shí)，通話(huà)就會(huì )中斷。對于這個(gè)問(wèn)題，目前的雙模手機是一種很好的方法，如圖3所 示。