VoWi-Fi的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)剖析

隨著寬帶通信和Wi-Fi接入點(diǎn)的日益增多，以及VoIP的日益普及，兩種技術(shù)的融合近在咫尺。VoIP-over-Wi-Fi (VoWi-Fi)有希望成為進(jìn)一步推動(dòng)VoIP和寬帶普及的理想應(yīng)用。Infonetics的調(diào)查報(bào)告顯示，2004年出售的VoWi-Fi手機(jī)大約為11.3萬臺(tái)，這種較高的應(yīng)用比率將一直持續(xù)到2009年。

然而，為了使大眾能容易理解并采用VoWi-Fi，生產(chǎn)手機(jī)的OEM和ODM廠商還要克服許多技術(shù)障礙。例如，盡管新的標(biāo)準(zhǔn)(如802.11g)的傳輸速率已高達(dá)54 Mbits/s，然而目前許多已安裝Wi-Fi的熱點(diǎn)仍在運(yùn)行舊的802.11b標(biāo)準(zhǔn)，其傳輸速率僅為11 Mbits/s。

根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)的共享特性，不同的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)率意味著必須考慮每個(gè)語音呼叫所需消耗的帶寬數(shù)量?？赡艽嬖诘膸捪拗谱詈檬峭ㄟ^選擇VoWi-Fi設(shè)備所支持的語音編解碼器來解決。此外，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中的帶寬問題促使我們需要提高Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)上及整個(gè)端對(duì)端網(wǎng)絡(luò)上的固有服務(wù)質(zhì)量(QoS)水平。

許多人把VoWi-Fi手機(jī)視為當(dāng)今無繩電話或歐洲數(shù)字無繩電信系統(tǒng)(DECT)電話的VoIP替代品。因此，用戶將期望有類似的待機(jī)、通話時(shí)間以及其他新功能。所以，電源管理和延長電池工作壽命的能力是任何VoWi-Fi設(shè)備的關(guān)鍵元素。

VoWi-Fi帶寬考慮/編解碼器選擇

當(dāng)拿每個(gè)VoIP通道所需的典型帶寬與大多數(shù)Wi-Fi接入點(diǎn)的可用帶寬比較時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)似乎沒有必要討論VoIP應(yīng)用的帶寬可用性。畢竟，即使是舊的802.11b標(biāo)準(zhǔn)也有11Mbit/s的傳輸速率。因?yàn)镚.711運(yùn)行在相對(duì)來說微不足道的64kbit/s速率，Wi-Fi帶寬似乎遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過VoIP編解碼器的最低要求。

圖1：無DSP的VoWi-Fi架構(gòu)。

然而，請想一想爭取Wi-Fi頻段的應(yīng)用的巨大數(shù)量：家庭媒體服務(wù)器的流式MP3音頻、多玩家游戲、網(wǎng)上沖浪和其他設(shè)備到設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，再想一想會(huì)迅速把連接速率從11 Mbits/s下降為5.5、2甚至1 Mbits/s的各種環(huán)境因素；這樣，你就不會(huì)再認(rèn)為單次VoIP通話所需的帶寬與實(shí)際剩余帶寬之間的差異很巨大了。

VoIP設(shè)計(jì)為可在各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境(包括帶寬有限的網(wǎng)絡(luò))中使用，因此業(yè)界已開發(fā)出的技術(shù)可把標(biāo)準(zhǔn)電話信號(hào)壓縮為更有效的比特流。傳統(tǒng)的電路交換普通老式電話業(yè)務(wù)(POTS)以64 kbits/s的數(shù)據(jù)傳輸速率捕獲語音通話。這種稱為G.711的編碼方案實(shí)施簡單，而且本身與電路交換網(wǎng)絡(luò)兼容，因此它仍然被廣泛應(yīng)用于VoIP，以提供長話級(jí)話音。

為了更有效地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬進(jìn)行語音傳輸，業(yè)界已開發(fā)出多種備選語音編解碼器。這些編解碼器如G.729、G.723.1和iLBC使用多種復(fù)雜的處理技術(shù)來壓縮捕獲到的語音流，這意味著可大大減少傳輸相同電話聲道所需的網(wǎng)絡(luò)帶寬。然而，把電話聲道壓縮成較小比特流的結(jié)果會(huì)對(duì)音質(zhì)造成或多或少的影響，并增加執(zhí)行編解碼器所需的處理能力。

利用當(dāng)今的通信設(shè)備已有的處理能力，業(yè)界已開發(fā)出多種技術(shù)，以使VoIP通話比POTS網(wǎng)絡(luò)上的通話音效更好。其中，使用寬帶編解碼器的目的是為了提供比G.711保真度更高的語音復(fù)制。由于保真度較高，因此需要更多的帶寬來打包語音。在大多數(shù)情況下，寬帶編解碼器仍然比G.711消耗更少帶寬；然而，它們在DSP或CPU上執(zhí)行時(shí)所消耗的處理周期通常比G.711多很多。同樣地，需要平衡的因素包括可察覺的語音質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)帶寬消耗和處理器性能。

表1比較了各種常見VoIP編解碼器及其通常的數(shù)據(jù)傳輸速率和代表性的平均鑒定分?jǐn)?shù)(MOS)。MOS分?jǐn)?shù)是一種主觀衡量，分為1至5分，分?jǐn)?shù)越高，所察覺的業(yè)務(wù)質(zhì)量越好。

由于VoIP連接的兩端必須使用相同的編解碼器，因此VoWi-Fi手機(jī)必須在設(shè)備限制范圍內(nèi)及其運(yùn)行環(huán)境中提供種類盡可能多的編解碼器。當(dāng)今大多數(shù)支持VoIP的端點(diǎn)都支持G.711和G.729，而且越來越多設(shè)備提供其他窄帶編解碼器(如G.723.1)以及用于功能更豐富的設(shè)備的寬帶編解碼器(如G.722.2)。

VoWi-Fi的服務(wù)質(zhì)量

Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)本身是一個(gè)共享介質(zhì)，使用此網(wǎng)絡(luò)的所有用戶對(duì)可用帶寬具有相同的使用權(quán)。隨著支持Wi-Fi的設(shè)備繼續(xù)增多，越來越多的端點(diǎn)爭奪這種日益減少的資源。對(duì)于許多把Wi-Fi用作通信網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)，接收或傳送數(shù)據(jù)中的周期性延遲不會(huì)導(dǎo)致可察覺的問題。然而，語音通信的實(shí)時(shí)性質(zhì)，使擁擠的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生的延遲或中斷更加不可接受。

最初的 802.11規(guī)范對(duì)服務(wù)質(zhì)量沒有直接的規(guī)定；該協(xié)議設(shè)計(jì)為對(duì)訪問介質(zhì)的所有設(shè)備具有公平、相等的接入權(quán)。然而，由于Wi-Fi已取得發(fā)展，應(yīng)用范圍已擴(kuò)大，因此提高固有服務(wù)質(zhì)量水平的需要已變得很明顯。為滿足此需求，業(yè)界已開發(fā)出802.11e規(guī)范，其主要目標(biāo)是為Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)定義服務(wù)質(zhì)量。802.11e規(guī)范設(shè)計(jì)的其中一個(gè)主要特點(diǎn)是，它對(duì)各種不同類型的通信流采用不同的“優(yōu)先級(jí)別”。

通過為特定類型的通信流指定較高的優(yōu)先級(jí)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以恰當(dāng)?shù)嘏帕泻凸芾砹髁?，以在網(wǎng)絡(luò)擁擠的情況下傳送更高優(yōu)先級(jí)的通信流。802.11e標(biāo)準(zhǔn)定義了四種接入類別，語音相關(guān)的通信流被指定為最高優(yōu)先級(jí)，而為視頻數(shù)據(jù)、盡力傳送型數(shù)據(jù)和后臺(tái)數(shù)據(jù)按遞減順序指定剩余的級(jí)別。像所有優(yōu)先級(jí)方案一樣，流量分類的工作交由應(yīng)用程序執(zhí)行，所有應(yīng)用程序都必須“公平”地對(duì)待優(yōu)先級(jí)排序方案，以在網(wǎng)絡(luò)層上發(fā)揮作用。

此外，由于大多數(shù)VoIP通話不會(huì)在指定的當(dāng)?shù)豔i-Fi網(wǎng)絡(luò)中開始和終止，因此必須把整個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為支持一致服務(wù)質(zhì)量的方案。以太網(wǎng)能夠攜帶優(yōu)先級(jí)信息，作為802.1p擴(kuò)展的一部分(現(xiàn)在包含在更新的802.1D規(guī)范中)。

此擴(kuò)展定義了八個(gè)優(yōu)先級(jí)，使以太網(wǎng)交換設(shè)備上可以有許多截然不同的隊(duì)列。同樣地，通過使用DiffServ或IntServ協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)層中可以有服務(wù)質(zhì)量保證。在設(shè)計(jì)可傳送VoIP話務(wù)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，必須考慮如何解決端對(duì)端業(yè)務(wù)質(zhì)量的問題，以及在有線到無線網(wǎng)絡(luò)邊界如何轉(zhuǎn)換此服務(wù)質(zhì)量信息。在支持802.11e的Wi-Fi接入點(diǎn)中，必須把802.11e映射到802.1p(或DiffServ)服務(wù)質(zhì)量。

表1：各種常見VoIP編解碼器及其通常的數(shù)據(jù)傳輸速率和代表性的平均鑒定分?jǐn)?shù)(MOS)之比較。

802.11e規(guī)范在與VoWi-Fi手機(jī)配合使用時(shí)的另一個(gè)重要屬性是能夠定時(shí)傳送數(shù)據(jù)包到網(wǎng)絡(luò)上的端點(diǎn)。此特性使設(shè)備可以在某些定時(shí)間隔中協(xié)調(diào)一批數(shù)據(jù)包的接收。定義網(wǎng)絡(luò)流量何時(shí)到達(dá)的能力，使設(shè)備可以在需要傳輸話務(wù)或接收排定的輸入數(shù)據(jù)以外的時(shí)間關(guān)閉Wi-Fi子系統(tǒng)。這樣，系統(tǒng)設(shè)計(jì)員可進(jìn)一步把設(shè)備的整體電量消耗減至最少。

VoWi-Fi的電池壽命問題

阻礙VoWi-Fi手機(jī)迅速普及的一個(gè)重要因素可能是電池壽命。許多第一代設(shè)備的待機(jī)時(shí)間比大多數(shù)便攜式電話的通話時(shí)間還要短。顯然，要使VoWi-Fi手機(jī)為消費(fèi)者所廣泛采用，這些設(shè)備的電池壽命必須能夠比得上目前的便攜式、無繩或DECT電話的電池壽命。更復(fù)雜的問題是，用戶已習(xí)慣便攜式電話的小體積，這就在設(shè)備可使用的電池大小方面對(duì)OEM或ODM設(shè)置了限制。

設(shè)備中的Wi-Fi組件是VoWi-Fi手機(jī)中消耗最多電池電量的組件之一。雖然新一代Wi-Fi芯片的耗電量將大大減少，但VoWi-Fi手機(jī)中許多其他器件要共享有限的電量。例如，傳統(tǒng)的DSP設(shè)計(jì)需要多個(gè)處理器或系統(tǒng)級(jí)芯片器件來執(zhí)行所有的VoIP功能。

在這些設(shè)計(jì)中，一般的人機(jī)界面(MMI)以及VoIP通話控制功能使用傳統(tǒng)的應(yīng)用處理器(ARM、MIPS等)，而DSP則用于語音到數(shù)據(jù)包到語音的轉(zhuǎn)換。此方法在便攜設(shè)備的設(shè)計(jì)中暴露出很多缺點(diǎn)。

最后，使用分立的應(yīng)用處理器和DSP(不管是作為獨(dú)立組件還是作為系統(tǒng)級(jí)芯片的核心)會(huì)導(dǎo)致更大的物理封裝，從而減少了產(chǎn)品中較大電池的可用內(nèi)部面積。此外，整個(gè)系統(tǒng)中組件的增多會(huì)增加設(shè)備的整體電量消耗。

“無DSP”設(shè)計(jì)

有一種技術(shù)可改善VoWi-Fi設(shè)備電量消耗，即充分利用“無DSP”設(shè)計(jì)方法，在這種設(shè)計(jì)中，語音處理是在應(yīng)用處理器中進(jìn)行的。隨著用于便攜式用途的通用應(yīng)用處理器的發(fā)展，它們已有足夠的處理能力執(zhí)行需進(jìn)行大量計(jì)算的工作(如語音處理)以及其他的一般應(yīng)用功能。在應(yīng)用處理器上執(zhí)行語音處理功能以及去掉DSP，可直接實(shí)現(xiàn)節(jié)能和減少物理封裝體積。圖1顯示了無DSP的VoWi-Fi手機(jī)。

與VoWi-Fi設(shè)備電池供電、便攜特性有關(guān)的考慮因素也必須應(yīng)用于整個(gè)軟件架構(gòu)。為了在待機(jī)狀態(tài)下盡可能地省電，在不進(jìn)行處理時(shí)，系統(tǒng)必須關(guān)閉外部硬件以及處理器的電源。

在不通話時(shí)，設(shè)備只應(yīng)執(zhí)行非常少量的、不經(jīng)常進(jìn)行的工作。內(nèi)嵌的操作系統(tǒng)和相關(guān)的應(yīng)用程序應(yīng)定期喚醒(時(shí)間間隔介于250 ms和500 ms之間)以檢查有沒有輸入事件，如收到要求開始VoIP通話的SIP通話控制數(shù)據(jù)包?？赡芴岣呦到y(tǒng)處理層次的其他事件包括用戶按鍵盤上的按紐以啟動(dòng)通話。在這種情況下，硬件應(yīng)設(shè)計(jì)為允許中斷，以喚醒系統(tǒng)的適當(dāng)部分并開始處理適當(dāng)?shù)墓ぷ鳌?

允許對(duì)處理器時(shí)鐘頻率進(jìn)行程序式控制的CPU子系統(tǒng)可被用來延長VoWi-Fi設(shè)備的電池壽命。通過讓處理器以較慢的時(shí)鐘頻率運(yùn)行以進(jìn)行正常的MMI交互作用，然后突然提高處理器速度，提供最大的性能以在VoIP通話過程中進(jìn)行語音處理，系統(tǒng)可持續(xù)地設(shè)法從電池騰出額外的待機(jī)和通話時(shí)間。單處理器、無DSP架構(gòu)實(shí)際上使應(yīng)用程序開發(fā)員可以更容易地實(shí)施程序式的處理器速度控制，因?yàn)樗麄儫o需擔(dān)心系統(tǒng)中多個(gè)處理器之間可能發(fā)生的時(shí)鐘同步問題。

從VoIP軟件子系統(tǒng)的角度來看，必須小心不要假設(shè)系統(tǒng)中指定硬件資源的可用性，也不要鎖定某一指定的資源而使其無法在長時(shí)間不需要使用時(shí)斷電。VoIP軟件的設(shè)計(jì)必須以這種“外部”控制觀點(diǎn)為核心。

VoIP軟件應(yīng)設(shè)計(jì)為應(yīng)用程序可以控制VoIP軟件執(zhí)行的時(shí)間(及其可訪問的資源)，使系統(tǒng)在任何特定的時(shí)間不需要某些硬件資源時(shí)關(guān)閉或中斷它們。例如，當(dāng)沒有正在進(jìn)行的通話時(shí)關(guān)閉麥克風(fēng)和喇叭接口，將有助于延長電池壽命。如果這是通過簡單的運(yùn)行至完成模式來實(shí)現(xiàn)的，那么應(yīng)用程序能夠按需要在通話間隔時(shí)間內(nèi)關(guān)閉系統(tǒng)的各個(gè)部件。

VoWi-Fi的前景

此處的設(shè)計(jì)考慮因素適用于單模、專用VoWi-Fi手機(jī)以及新興的結(jié)合便攜式和VoWi-Fi功能的“雙?！笔謾C(jī)。實(shí)際上，VoWi-Fi的增長預(yù)計(jì)將來自于承諾可在兩種網(wǎng)絡(luò)制式之間無縫切換的“雙?！笔謾C(jī)。

雖然部署VoWi-Fi電話將面臨許多挑戰(zhàn)，但適當(dāng)?shù)睾喜⒖紤]以下因素可輕易克服這些挑戰(zhàn)：選擇VoIP編解碼器以獲得適當(dāng)?shù)?strong>帶寬并實(shí)現(xiàn)質(zhì)量最優(yōu)化、使用支持802.11e的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)以確保語音話務(wù)的優(yōu)先級(jí)以及使用無DSP架構(gòu)以延長VoWi-Fi手機(jī)的電池壽命。