VoWLAN的挑戰與發(fā)展

1、引言

隨著(zhù)基于802.11的無(wú)線(xiàn)數據網(wǎng)絡(luò )在全球日益普及，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。

2、VoIP與VoWLAN

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

VoWLAN(Voice over WLAN)是對有線(xiàn)的VoIP系統的擴展，是傳統的模擬和數字語(yǔ)音通信的又一替代解決方案。它的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音與數據應用以無(wú)線(xiàn)的形式匯聚，并且終端具有可移動(dòng)性。VoWLAN系統有兩種工作方式。一種是把通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)的語(yǔ)音信號傳輸到VoIP網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)可以就是原來(lái)的有線(xiàn)VoIP網(wǎng)關(guān)，這樣語(yǔ)音數據在 IP網(wǎng)絡(luò )和PBX之間傳輸。這種方式使得傳統的有線(xiàn)辦公和住宅電話(huà)的功能都能在VoWLAN中實(shí)現。另一種VoWLAN方式是基于軟件的電話(huà)，就是 Softphone。這種方式直接在In

ternet上傳輸語(yǔ)音數據，用戶(hù)可通過(guò)PDA、移動(dòng)電話(huà)和筆記本電腦在提供WLAN接入的區域免費使用這種軟件電話(huà)。

3、VoWLAN的實(shí)現面臨的挑戰

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VoWLAN系統面臨著(zhù)巨大的挑戰。

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(huà)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，以便能夠實(shí)現平滑切換不掉線(xiàn)。AP通?？梢院芸斓奶幚?，但是與AP相連的有線(xiàn)傳輸系統往往會(huì )產(chǎn)生延遲，而這種延遲是超過(guò)VoWLAN系統限度的。當用戶(hù)從一個(gè)AP 漫游到另一個(gè)AP時(shí)，傳統的WLAN鑒權協(xié)議會(huì )產(chǎn)生數據流的中斷。中斷一般會(huì )持續0.25～0.5s，這要依賴(lài)網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構和鑒權服務(wù)器的位置。 VoWLAN用戶(hù)會(huì )經(jīng)常移動(dòng)，會(huì )在A(yíng)P間頻繁切換，采用傳統的鑒權，終端移動(dòng)時(shí)通話(huà)雙方都可能聽(tīng)到瞬間的中斷。因此，絕大多數VoWALN終端的解決方案都要求具有專(zhuān)有的預占優(yōu)先漫游算法來(lái)改善語(yǔ)音質(zhì)量并且當用戶(hù)移動(dòng)時(shí)在A(yíng)P覆蓋范圍內切換時(shí)帶寬最大化。

2.移動(dòng)性

移動(dòng)性是很大的挑戰。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)候光靠鏈路層切換是不能解決問(wèn)題的，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)。

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1所示。當用戶(hù)在 WLAN范圍內時(shí)采用基于IEEE 802.11的VoIP電話(huà)，若移出則采用GPRS等技術(shù)構成的VoIP電話(huà)。當然，若要使通話(huà)不間斷，實(shí)現平滑切換，可以考慮使用Mobile IP技術(shù)。另外，可以在手機上裝上GPS，這樣可以更好地定位切換。

圖1　雙模手機應用模型

3.安全性

從安全角度來(lái)看，VoWLAN存在著(zhù)很大的危機，所有沒(méi)有加密的數據都可能被篡改。VoWLAN用于安全系統的最大問(wèn)題是它對拒絕服務(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)請求來(lái)占用過(guò)多的服務(wù)資源，從而使合法用戶(hù)無(wú)法得到服務(wù)的響應)的防御不夠。很容易人為地干擾 VoWLAN的信號，使語(yǔ)音通信中斷。目前的WPA和即將出臺的IEEE 802.11i標準(TKIP)都可以增強WLAN網(wǎng)絡(luò )的安全性。WPA包括基于IEEE 802.1X的認證和TKIP。TKIP采用RC4加密算法與各種機制，如Michael信息完整性代碼、每包密鑰構建機制(per-packet key)和擴展初始化矢量(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A(yíng)ES的加密/數據認證協(xié)議CCMP(CBC-MAC Protocol)。隨著(zhù)802.11i標準的制訂和獲得批準，VoWLAN安全性將提供最高級別的保護，從而可以放心地使用VoWLAN。

4.QoS保證

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);另一種是分布式協(xié)同機制(DCF)。這兩種訪(fǎng)問(wèn)機制都沒(méi)有劃分優(yōu)先級，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，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可以支持優(yōu)先級和參數化的媒體訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)，并且結合了競爭和輪詢(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(EDCF)。為了區別不同的業(yè)務(wù)類(lèi)型，EDCF對不同業(yè)務(wù)劃分了優(yōu)先級，但是它只提供了統計上的優(yōu)先劃分，很難滿(mǎn)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，尤其是在高負載的環(huán)境下。

文獻[1]針對這個(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(kāi)銷(xiāo)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)移除選擇機制就是其中一種，這是采用了語(yǔ)音數據包的復用。另外，減少語(yǔ)音數據

包的開(kāi)銷(xiāo)也可以提高VoIP的容量，譬如可以壓縮VoIP數據包的RTP/UDP/IP頭部來(lái)減少開(kāi)銷(xiāo)。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[1]采用了語(yǔ)音業(yè)務(wù)復用，確定性的語(yǔ)音優(yōu)先權接入控制和減少開(kāi)銷(xiāo)3個(gè)機制提高QoS性能來(lái)滿(mǎn)足語(yǔ)音業(yè)務(wù)的時(shí)延要求和數據業(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)隙結構來(lái)達到較高的資源利用率，根據是否是語(yǔ)音業(yè)務(wù)來(lái)分配站點(diǎn)資源。上文已經(jīng)提到，EDCF的統計上的優(yōu)先接入可能會(huì )引起性能的不穩定，文獻[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，在減少開(kāi)銷(xiāo)方面，文獻[1]是把傳送給某個(gè)站點(diǎn)的所有物理層和MAC層的開(kāi)銷(xiāo)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(kāi)銷(xiāo)。這樣，文獻[1]的方案就保證了VoWLAN的QoS。

4、VoWLAN發(fā)展現狀和前景

隨著(zhù)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(xiàn)網(wǎng)關(guān)，VoWLAN在消費領(lǐng)域有著(zhù)巨大的增長(cháng)潛力。醫院、工廠(chǎng)、機場(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(huà)會(huì )議，甚至運用攝像頭進(jìn)行視頻會(huì )議，實(shí)現真正的移動(dòng)辦公。

VoWLAN技術(shù)的最大潛在市場(chǎng)在于把其整合到手機中。通過(guò)VoWLAN手持電話(huà)可以無(wú)縫地接入現有的寬帶數據網(wǎng)絡(luò )和IP電話(huà)網(wǎng)絡(luò )，使之成為語(yǔ)音和數據的綜合數字終端。如今NOKIA、Samsung、Motorola等手機制造商已經(jīng)推出WI-FI/GSM雙模手機?？梢灶A見(jiàn)，蜂窩/WLAN 雙模手機將會(huì )逐漸普及，而且WLAN將成為手機的通用功能。

當然，和有線(xiàn)VoIP一樣，WLAN(VOWLAN)無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音服務(wù)很大程度影響了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )基礎設施建設。雖然數據網(wǎng)點(diǎn)覆蓋足夠，但VOWLAN 要求一種更密的訪(fǎng)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，不只在應用層次需要解決這些問(wèn)題。在更基礎的WLAN架構和產(chǎn)品層次也需要根本的改變。 WLAN設備供應商開(kāi)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基礎設施解決諸多問(wèn)題。而一旦擁有標準化的QoS、增強的安全性，可靠的及易操作的網(wǎng)絡(luò )，VoWLAN的應用將會(huì )非常繁榮，與蜂窩系統形成有益的競爭和互補。

參考文獻

[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