VoIP在無線局域網(wǎng)上的應(yīng)用

 0、引言

隨著Internet技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)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(xiàn)話音通信的一項(xiàng)傳輸技術(shù)。該技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于IP電話采用了先進(jìn)的語音編碼技術(shù)，只需要8～12 kbit/s的帶寬，可以在比傳統(tǒng)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(gòu)架

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

在IP網(wǎng)絡(luò)上傳輸語音信號(hào)，要求一個(gè)基本的VoIP架構(gòu)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)、語音服務(wù)器、信號(hào)網(wǎng)關(guān)器(Signaling Cateway)。它們主要負(fù)責(zé)語音信號(hào)的IP封包，信號(hào)傳輸與轉(zhuǎn)換，提供語音響應(yīng)，進(jìn)行相關(guān)交換控制以及增值服務(wù)等。

圖1VoIP的模型結(jié)構(gòu)

VoIP的傳輸過程可以大致分為五個(gè)階段：

一是將模擬語音信號(hào)進(jìn)行編碼，通過對(duì)模擬語音信號(hào)進(jìn)行8位或6位的量化使得語音信號(hào)得以在IP網(wǎng)絡(luò)中傳輸，數(shù)字化的過程可以使用多種語音編碼方案來實(shí)現(xiàn);

二是將語音包以特定的幀長(zhǎng)進(jìn)行壓縮編碼，同時(shí)并添加尋址及控制信息，這樣才能通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目的地;

三是IP包的傳送，根據(jù)每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文的目的地址，路由完成報(bào)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(shè)備接收這個(gè)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(gè)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(yáng)聲器播出。

2、VoIP在WLAN的應(yīng)用

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

與有線VoIP不同，VoWLAN是利用WLAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無線的VoIP通話能力。它能讓使用者隨時(shí)訪問語音、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(fèi)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?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)。而語音業(yè)務(wù)對(duì)于時(shí)延和抖動(dòng)非常敏感，因此在VoWLAN系統(tǒng)中提供一種QoS保證技術(shù)就顯得非常重要。IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種不同的信道訪問機(jī)制：一種是點(diǎn)協(xié)調(diào)機(jī)制(PCF)，基于CSMA/CA方式;

另一種是分布式協(xié)同機(jī)制(DCF)，基于輪詢方式。但是這兩種都沒有劃分優(yōu)先級(jí)，因此隨著用戶數(shù)的增多，MAC不能保證為實(shí)時(shí)語音業(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)。

為此，IEEE 802.11工作組的媒體訪問控制(MAC)改進(jìn)任務(wù)組(即E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與PCF和DCF直接兼容，而且可以支持優(yōu)先級(jí)和參數(shù)化的媒體訪問服務(wù)。HCF 結(jié)合了競(jìng)爭(zhēng)和輪詢兩種機(jī)制，其中，基于競(jìng)爭(zhēng)的訪問機(jī)制稱為增強(qiáng)式點(diǎn)協(xié)同功能(EPCF)，而無競(jìng)爭(zhēng)的訪問機(jī)制稱為增強(qiáng)式分布系統(tǒng)功能(ED-CF)。

EDCF對(duì)業(yè)務(wù)先進(jìn)行分級(jí)，為不同的優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)提供不同的服務(wù)輸出隊(duì)列，每個(gè)服務(wù)隊(duì)列采用EDCF方法來競(jìng)爭(zhēng)傳輸資源。主要表現(xiàn)在不同優(yōu)先級(jí)隊(duì)列擁有的最小閑散時(shí)間(DIFS)和競(jìng)爭(zhēng)窗口不一樣，可利用參數(shù)來改變競(jìng)爭(zhēng)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(jí)。

EPCF信道訪問方法采用QoS相關(guān)的點(diǎn)協(xié)同功能，稱為混合協(xié)同器(HC)。HC利用點(diǎn)協(xié)同功能把優(yōu)先級(jí)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(yù)定義的傳輸優(yōu)先級(jí)、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(yù)留請(qǐng)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(jìng)爭(zhēng)間隔(CGI)內(nèi)發(fā)送。

由上可見，隨著對(duì)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(jī)制，并保持了對(duì)傳統(tǒng)協(xié)議的兼容;

另一方面也提出了一些獨(dú)特的解決方案，如批應(yīng)答和準(zhǔn)入控制。根據(jù)國(guó)外做出的研究和仿真報(bào)告，IEEE 802.11e可以實(shí)現(xiàn)很好的QoS性能。

(2)VoIP在WLAN的應(yīng)用——移動(dòng)性

移動(dòng)性也是很大的挑戰(zhàn)。無線電話用戶可能會(huì)更頻繁地在接入點(diǎn)之間漫游，這就要求在接入點(diǎn)之間具有無縫的，低反應(yīng)時(shí)間的轉(zhuǎn)移。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)光靠上一節(jié)的鏈路層切換還不能解決問題。

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。

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

目前使用Mobile IP技術(shù)最大的問題是三角路由問題，即當(dāng)VoIP結(jié)點(diǎn)的位置發(fā)生變化時(shí)，通信對(duì)方發(fā)給VoIP結(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。

雙方之間不能直接進(jìn)行通信，會(huì)增大雙方的通話延遲時(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2三角路由問題

另外，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)問題，目前的雙模手機(jī)是一種很好的方法，如圖3所 示。

當(dāng)用戶在 WLAN范圍內(nèi)時(shí)采用基于IEEE802.11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)。

圖3雙模手機(jī)應(yīng)用模型

(3)VoIP在WLAN的應(yīng)用——安全性

最后，安全性也是一個(gè)復(fù)雜的問題，但必須加以解決，以使用戶能放心地進(jìn)行語音或數(shù)據(jù)通訊。從安全角度來看，語音和數(shù)據(jù)通訊是完全一樣的。安全算法解決方案，如目前的WPA和即將出臺(tái)的IEEE 802.11i標(biāo)準(zhǔn)(TKIP)，都將增強(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RCA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)，使之可以得到廣泛布署。

3、VoWLAN發(fā)展前景

VoWLAN在實(shí)現(xiàn)和運(yùn)營(yíng)方面存在很多障礙，但消費(fèi)者對(duì)此項(xiàng)應(yīng)用的需求非常強(qiáng)烈。在企業(yè)領(lǐng)域，特別是在醫(yī)療衛(wèi)生等垂直行業(yè)，VoWLAN發(fā)展勢(shì)頭將會(huì)越來越強(qiáng)勁。

蜂窩-WLAN雙模手機(jī)將會(huì)逐漸普及，而且一旦價(jià)格降到一定水平，WLAN將成為手機(jī)的通用功能，因此VoLAN在消費(fèi)領(lǐng)域有著巨大的增長(zhǎng)潛力。