WiFi语音技术浅析

Wi-Fi语音技术浅析WLAN和VoIP是目前的IT产业领域关注的热点，因此使用WLAN提供语音服务(WiFi语音)的终端设备也就应运而生。WiFi语音终端设备利用现有的WLAN网络实现无线的VoIP语音通话，用户可以通过WiFi语音终端设备在WLAN网络的覆盖范围内随时进行语音通话，既发挥了IP网络成本低的特点，用户又能享受到WLAN带来的方便性。按照统计，WiFi手机终端的出货量在快速增长，预计到2010年将超过1.3亿部。随着WiFi终端的逐步成熟，WiFi语音正在成为运营商、大企业的关注热点。近日，工信部正式允许支持WAPI功能的WiFi手机入网，一些知名品牌如MOTOA3100WiFi手机已经正式上市。但是当前WiFi语音推广也面临一些现实困难。l标准迟迟没建立要保证WiFi语音能够正常建立需要对环境进行严格的测试，让各个厂商有一个真正的标准，这样才能保证WiFi语音产品的大批量研发与生产。FMCA(Fixed-MobileConvergenceAlliance)组织测试过一些WiFi语音终端款型，也在推动制定相应的规范，但目前还没有相关的标准草案正式推出。l语音信号衰减与延迟问题由于无线信号不如有线那样稳定，各个地方存在着盲区和信号弱的问题。此时通过WiFi语音设备无法保证正常通讯。所以WiFi语音推广组织一直在研究信号覆盖强度。此外，延迟也是一个需要考虑的问题。现代WiFi网络的AP密度很高，每个AP覆盖的范围有限。按正常速度行走，每几秒钟就可能发生一次漫游。为降低由漫游引起的突发丢包的影响，必须尽可能缩短漫游时间。IEEE和WiFi联盟正在讨论是否应把漫游时间限制在50ms之内。WiFi语音关键技术虽然基于WLAN的VoIP技术与有线网络类似，但是由于无线网络固有的特性，在支持上层的实时业务时与有线网络有很大差异，导致无线网络传输的语音质量有可能比有线网络要差很多，因此必须采取特殊的措施来保障一定的业务质量。1.信令技术WiFi语音系统中，信令技术保证呼叫的顺利实现和语音质量。目前被广泛接受的信令体系包括ITU-T的H.323系列和IETF的会话初始协议SIP。与H.323不同，SIP是一种比较简单的会话初始化协议。它不像H.323那样提供所有的通信协议，而是只提供会话或呼叫的建立与控制功能，且既支持单点发送(Unicast)也支持多点发送，会话参加者可以随时加入一个已经存在的会议。SIP是一种应用层协议，可以用UDP或TCP作为其传输协议。由于SIP仅用于初始化呼叫，而不传输媒体数据，因而造成的附加传输代价也不大。SIP的URL甚至可以嵌入到Web页或其他超文本链路中，用户只需点击鼠标就可以发出呼叫。与H.323相比，SIP还有建立呼叫快，支持传送号码的特点。目前，WiFi语音技术基本都是通过SIP实现的。2.语音通话质量问题传统的IP网络主要是用来传输数据业务,数据业务对实时性要求不高,但话音属于实时业务，对时序、时延等有严格的要求。语音质量传统上是采用主观方法来衡量的。它主要采用ITU-T建议的P.800中的MOS(meanopinionscore)指标。ITU-TP.800标准解释了在不同的时延和数据丢失的情况下人对通话的反应。现在，在建立语音测量客观标准方面已经取得了显著的进步。ITU推荐标准G.107采用E-MODEL来测量语音质量。E-MODEL认为有两个主要因素会影响数字语音在WLAN上的传输：时延和数据丢失，失序到达问题可以采用RTP和RTCP技术加以解决。WLAN中有三种方法可以用来改善语音质量：(1)减少每个方向上总的单向时延。WLAN中语音和数据均以最大速率进行传输可以解决这个问题;(2)减少时延的差异(抖动)。减少每个CSMA冲突域中客户的数量可以解决这个问题。(3)减少包丢失，特别是脉冲丢失。即使包丢失可以有802.11协议的重传机制来减轻，AP的QoS控制机制也必须要保证语音包丢失的最少。3.实时传输技术WiFi语音系统中也用到了实时传输技术，主要是采用实时传输协议RTP。RTP是提供端到端的包括音频在内的实时数据传送的协议。RTP包括数据和控制两部分，后者叫RTCP。RTP提供了时间标签和控制不同数据流同步特性的机制，可以让接收端重组发送端的数据包。此外，静音检测技术和回波消除技术也是十分关键的技术。静音检测技术可有效剔除微弱信号，从而使语音信号的占用带宽进一步降低;回波消除技术主要利用数字滤波器技术来消除对通话质量影响很大的回波干扰，保证通话质量，这点在时延相对较大的WiFi语音系统尤为重要。4.带宽占用WLAN中VoIP呼叫占用的带宽要比解码器的数据速率大的多。低码流解码器例如G.729，数据最大速率是8kbps。但是，实际的带宽要大的多。当以30ms的间隔发送时，每个数据包的大小是30字节。另外，包头有额外的RTP字头和802.11字头。所以，单向总带宽要多于25kbit/s。更高码流的解码器G.711，一个语音呼叫会占用160kbit/s的带宽(VoIP报文长度，不包含无线传输部分开销)。下面详细描述WiFi语音通话时对带宽占用的详细计算过程：l802.11帧的封装802.11帧必须通过物理层传送到空中，需要物理层汇聚过程(PLCP)为每个帧增加前导码和PLCP头。而802.11帧本身就包括MAC帧，占用28个字节。其中还包含了长度为8个字节的SNAP标头，因此封装一个数据帧，就会增加36个字节的额外负担。对于1500的报文则变为1536Byte长度。如果再加上加密标头，MAC标头的长度就更长。图1802.11帧结构l无线传输上层协议封装完报文后是根据所使用的特定物理层规则加以传送。不同物理层有其最小块(block)或符号(symbol)。速率为11Mbps的802.11b网络使用长度为8个位的符号。802.11a和11g所使用的符号可以承载更多的数据，而符号的大小取决于所使用的速率。以54Mbps为例，其使用的符号长度为216个位。各种速率之间的差异主要是各个数据块所封装的数据位数不同，和块传送快慢无关。如1536个字节的载荷包含了12288个位，对802.11g而言，此帧需要57个符号来传递。数据报文无线传输时间主要包括帧间隔时间和帧传输时间。其中帧间隔包括SIFS和DIFS，另外还要考虑无线的ACK帧的传输时间。即：传输时间=DIFS+802.11DATA+SIFS+802.11ACK。其中802.11ACK报文长度14字节。802.11g在54M时，其参数取值如下：DIFS=34usSIFS=16us前导码和PLCP头传输时间=20us在54M速率下，802.11g使用216个位符号，每个符号传输时间:216bits/(54Mbits)=4us。l802.11a/g54M的传输性能以一条语音流的RTP报文传输为例，RTP报文包含：IP协议头：20字节UDP协议头：8字节RTP协议头：12字节RTP数据：长度不定。以RTP报文打包时长为20ms计算(RTP流单向发送速率是50pps)，对G.711报文长度是160bytes(对于G.729报文长度是20bytes)，整个VoIP包是200bytes(IP+UDP+RTP)。前面已经计算出，802.11MAC帧头报文头是36bytes，RTP包的总包长是236字节。因此，对于传输236字节长度的报文，需要的符号数为236×8/216=8.74个(约等于9个)。而802.11ack的符号数为1个。计算一个双向呼叫在54M速率发送时占用的带宽如下：DIFS=34us:802.11数据报文传输时间=PLCP+DIFS+DATA=20+34+9×4=90usSIFS=16us:802.11ACK报文传输时间=PLCP+SIFS+ACK=20+16+1×4=40us合计一个双向呼叫的RTP传输时间为2×130=260us，按照打包时长20ms(每秒钟发送50个包)计算，则每个双向呼叫的RTP带宽占用为：50×260us=13毫秒。按照RTP流带宽占用不超过总带宽的60%计算(需要预留带宽给Beacon等管理帧)，每个AP最大容纳的并发呼叫为：46路。上述并发呼叫数是基于54Mbit/s传输的情况。如果部分或者全部WiFi语音终端的数据速率低于54Mbit/s，这个数字要降低。为了避免每个AP的最大呼叫数过量，对WiFi语音终端和AP覆盖范围内的呼叫数量进行评估必不可少。特别指出，在AP标准范围内才可能有更高的数据传输。当WiFi语音终端在RF覆盖的边缘时，它们的传输速率会降到最低且占用更多的带宽。例如，一个WiFi语音应用在数据传输为54Mbit/s时需要3%的带宽，11Mbit/s时需要的带宽约5%。实际部署时，一般建议的并发呼叫数不超过20路。5.漫游支持无线漫游的概念l终端可以在属于同一个SSID的AP接入点接入l终端可以在Wireless网络中任意移动l保证已有的业务不中断，用户的标识(IP地址)不改变二层漫游：在同一个子网内的AP间漫游三层漫游：在不同子网内的AP间漫游图2漫游的概念图3FATAP二层漫游FATAP由于协议功能限制，无法实现跨子网的用户漫游。二层漫游过程描述如下，同一SSID如语音SSID，在AP1和AP2映射为同一数据VLAN。终端漫游时，用户的IP地址维持不变，(目前绝大部分WiFi手机在漫游切换时不会重新发送DHCP报文，即WiFi终端在和当前连接AP去关联时，不会触发手机DHCP)，从而基于IP的上层业务不会中断。以WiFi手机和同网段IP电话互通为例，此种方式下跨AP的二层漫游FATAP可以轻松实现。如果无线空口启用了WPA/WPA2加密，则需通过IAPP协议来保障PMK在AP之间的传递，保障漫游过程用户不重新认证。但IAPP协议配置需要建立点到点的隧道连接，配置和维护非常复杂，在大规模组网中无法使用。但如果是跨子网的漫游，用户漫游到新AP后，由于新AP上SSID对应的VALN和子网发生了变化，终端采用原来的IP地址无法和网关实现互通。只有重新获取IP地址才能正常工作，而重新获取IP地址的过程会导致上层所有应用中断。图4FATAP跨子网漫游对FITAP来说，用户所有的数据报文都封装在CAPWAP隧道中，无线控制器集中转发数据并终结隧道。用户漫游后发起连接请求，无线控制器根据用户信息判断是否漫游用户。如果是漫游用户，则对用户做特殊处理，维持用户漫游前的VLAN信息不变，因此用户的业务可以保持不中断。图5FITAP跨子网漫游FITAP漫游过程详细描述如下：1)AP1与AP2分别与AC建立CAPWAP隧道;2)无线用户与AP1关联，接入网络;AP会将用户的报文封装在隧道中送给AC处理;3)当无线用户从AP1往AP2方向移动时，无线用户向AP2发起认证和重关联请求(此时重关联请求中携带无线用户与AP1协商出的PMK对应的PMKID;4)AP2透传重认证请求报文到AC上;5)AC检查发现此无线用户已经在AP1上进行认证，且通过PMKID成功查询得到对应PMK，表明此无线用户为漫游用户;6)重关联成功后，AC直接通知无线用户使用原有的PMK进行四次握手(4-Wayhandshake)协商，得到实际数据加密使用的PTK。7)无线用户与AP1解除关联，所有用户数据通过AP2进行转发。整个协商过程中，未和认证服务器进行交互，且用户无需重登录。实际影响漫游切换的因素，不只是网络原因，网络设备主要完成终端漫游切换后的关联、认证、表项刷新等，通过预共享密钥和用户权限同步等技术，已经可以限制漫游时网络切换时间在100ms以内。但WiFi语音通话实际测试漫游切换时间都在1秒以上，原因在哪里呢?WiFi手机终端对漫游时机的选取直接决定漫游的行为，不同手机漫游特性也存在很大差异。手机终端根据信号测量的结果，判断何时漫游。由于人体在行走中各种因素的影响，手机获取的信号强度值随时变化，导致漫游切换的时机很难把握。最不理想的情况是手机在一个信号很强的AP附近，但通话有明显的丢包和中断。这是因为手机认为没有达到漫游