VoWLAN技术中若干问题探讨

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摘要　VoWLAN（VoIP over WLAN）技术是一种利用无线局域网（WLAN）来传输VoIP帧的技术。由于WLAN和VoIP的固有缺陷，使VoWLAN技术中仍有许多问题尚待解决。文章对VoWLAN技术中的语音质量、安全、功耗和移动性管理4个主要问题及其解决方案进行探讨，最后展望了VoWLAN技术的发展前景。
0、引言
随着以IEEE 802.11为基础的无线局域网（WLAN）的普及和VoIP的应用，人们看到了无线网络电话可以实现的希望。90年代末期就有公司开始提供专用的VoWLAN解决方案。目前，摩托罗拉、诺基亚、NEC等公司已开始为下一代Wi-Fi/蜂窝融合型网络提供产品和服务。
VoWLAN技术是基于WLAN的语音通信技术。从某种程度上讲，VoWLAN技术是对VoIP的扩展和更新，将VoIP无线化，使用户能更方便更直接地进行语音通信。
由于VoWLAN融合了VoIP和WLAN两种技术，因而继承了这两种技术话费便宜和使用方便的优势。但是VoIP和WLAN的固有缺陷和不足同时也在VoWLAN中显现出来。在有线环境中，QoS和安全性就一直困扰着VoIP，而在采用无牌照无线电频谱的WLAN中，这两个问题就变得更加复杂，QoS和安全性就更加难以得到保障。除了上述问题，由于VoWLAN利用无线链路作为最后1 km的传输通道，使得VoWLAN手机可以在WLAN接入点间自由往来，显然，VoWLAN手机的功耗和移动性管理成为VoWLAN的两个关键问题。同时，还有其他问题制约着VoWLAN。以下将对VoWLAN技术中的语音质量、安全、功耗和移动性管理4个主要问题及其解决方案进行探讨。
1、语音质量
VoWLAN完全建立在分组交换基础上，分组交换固有的时延、丢包等弱点使VoWLAN系统的通话质量一直无法保证。对传统的有线网络，可通过增加带宽来提高VoIP的语音质量，但是在WLAN环境之下，带宽资源是有限的，使问题难以解决。
1.1　时延
与传统的数据业务相比，语音业务受时延的影响大得多。时延过大会导致语音失真，严重时甚至可以使通话无法进行。VoWLAN中的时延主要包含传播时延、传输时延和处理时延。
传播时延是指信号通过介质从一个地方传播到另外一个地方所花费的时间。其大小由通信距离决定，因为无线电波的速度与光速一样，通常传播时延可以忽略不计。但是，如果通信距离太大（如跨洋通信和洲际通信）就必须考虑传播时延。
传输时延是由网络设备造成的时延。一般来讲，所有网络设备都会造成一定时延，并且不同的网络设备造成的时延是不同的。例如，集线器造成的时延是相对不变的，而路由器造成的时延则会随网络的流量和拥塞程度的变化而变化。在WLAN环境下，通信时的数据速率决定了传输时延，在IEEE 802.11b网络中，传输时延与数据传输速率成正比。
处理时延涉及的范围较广，从模/数转换到编/解码，从排队等待到缓冲器接收等，都会产生一定的时延。如果处理不好就会造成通话的瞬间中断。
以上三种时延中，只有传输时延在一定程度上是受控的，可通过优化网络结构加以改善。
1.2　丢包
无线网络中有两个主要的原因会造成数据包的丢失：a）时延变化过大；b）载波侦听多路访问（CSMA）域中流量过大，监听到有冲突的数据包就会被丢失。由于语音IP包的实时性，没有时间重发丢失的包，因而丢失的IP包会使通话中断。
从影响VoWLAN的语音质量的主要因素可看出，提高语音质量要从缩短时延和减少丢包着手。VoWLAN采用了一些优化语音质量的新兴IEEE标准，主要有IEEE 802.11e、IEEE 802.11r、IEEE 802.11i和IEEE 802.11k。这些优先协议规定，语音通信在通过Wi-Fi基础架构时具有路径选择权，从而可将影响语音质量的丢包、时延和抖动减到最少。
2、安全
WLAN是一个开放性的网络，安全问题严重制约VoWLAN的发展。早期的WLAN并没有考虑安全问题，只是采用简单的访问控制机制控制访问。
安全问题可进一步分为访问控制和数据包加密，IEEE 802.1用于访问控制，IEEE 802.11i用于数据包加密。目前，并不是所有WLAN基础设施都支持IEEE 802.1x和IEEE 802.11i，而且基于IEEE 802.1x的身份认证方法变化形式很多，3GPP和UMA支持基于SIM卡的认证，但很多WISP提供其他认证方法，甚至是非标准方法，使VoWLAN的安全功能难以落实，特别是在域间进行切换时。
针对上述安全问题，从体制和技术上提出了以下安全策略：
1）完善WLAN基础设施，使之能支持IEEE 802.1x和IEEE 802.11i，消除由基础设施引起的安全隐患。
2）统一标准，避免域间切换带来的安全问题。
3）采用WLAN VPN技术可有效防止非法用户的入侵。VPN主要采用DES、3DES等技术来保障数据传输的安全，将其与IEEE 802.11b安全技术结合，是目前比较理想的安全解决方案。但是VPN技术在封装语音包时，不能对高低优先级加以识别，还可能导致延迟，降低语音质量。
4）基于IEEE 802.11b的安全保证。由于IEEE802.11b制定了WEP机制，为WLAN提供了WLAN ESS ID、访问控制列表和二层加密等保护手段。
5）防火墙技术，将接入点（AP）放置在防火墙外部，只允许具有合法地址的用户进入。
3、功耗
通常，GSM手机的通话时间超过5小时，待机时间超过100小时，人们希望VoWLAN手机也能达到这个标准，甚至超过这个标准。但WLAN采用CSMA/CA技术控制介质访问，研究和对实际系统的测试结果都表明，CSMA/CA是比TDMA耗能的访问机制，这是因为如果有数据包需要发送或接收，WLAN移动台必须始终保持在唤醒状态。
VoWLAN手机的功耗问题可归结为空闲模式和工作模式两种。
1）空闲模式
在空闲模式下，VoWLAN手机可以进入IEEE 802.11中定义的一种节能模式（PSM），如果没有数据包需要接收或发送，WLAN接口会一直休眠。这时，所有的射频和基带电路都会关闭，只有计数用的振荡器工作，因此，休眠模式下的功耗非常低。为了监听来自接入点的信标消息（beacon message），节能状态下的VoWLAN手机在每个监听间隔（listen interval）内都得唤醒一次。为了减小空闲模式下的功耗，在硬件方面，可以减少休眠和接收模式下的功耗，降低唤醒时间的精度，使接收信标消息的时间达到最小。在软件方面，可以扩大VoWLAN手机的监听间隔，以减少每个周期内的唤醒次数，但这要求当VoWLAN手机休眠时，接入点必须拥有足够的缓存来暂时存储分组。通常，保持在空闲模式下的VoWLAN手机，其功耗在5mW到50mW之间，但与GSM手机相比，功耗仍然较高。
2）工作模式
工作模式下的功耗是VoWLAN手机的又一关键问题，它决定了VoWLAN手机的最长通话时间。由于语音分组周期性到达，最直接的方法就是使WALN移动台始终保持唤醒，称为持续访问模式（CAM）。然而，基于持续访问模式的VoIP要求WLAN移动台始终保持唤醒状态，即VoWLAN手机没有分组可发送或接收也存在能量消耗。对于VoWLAN，基于IEEE 802.11中持续访问模式下的平均功耗在500mW到1W之间，具体值依WLAN的芯片而定。可以利用IEEE 802.11中的节能模式来减小工作模式下的功耗问题。在IEEE 802.11规范中指出，所有移动台都可先通知接入点然后进入休眠。当VoWLAN手机有分组需要发送时，它就唤醒自己，然后发送上行链路语音分组，发送完后，接着发出节电轮询（PS-poll）信息，以获取接入点的下行语音分组队列。由于下行链路语音分组被缓存在接入点内，将会产生一定的时延，通过使用抖动缓冲器可以减缓这种抖动。如果在工作模式下采用节能模式的方法，VoWLAN手机就只需在发送和接收上行链路/下行链路语音分组时进行唤醒，接着回到休眠状态，直到下一轮上行链路/下行链路语音分组的到来。这样可以降低50%～80%的功耗。
从以上分析可看出，若要降低VoWLAN手机的功耗，需得从减小接收、发射及休眠模式的功耗着手，这主要依靠硬件上的改进。在软件设计中，尽量减小MAC层无线信道竞争，将语音特点融入到对MAC层的设计中，同时可以考虑蜂窝系统中的一些设计概念，如不连续接收（DRX）和不连续发射（DTX），将它们引入到VoWLAN系统中。
4、移动性管理
通常，WLAN接入点的覆盖半径为50m～300m，如果VoWLAN手机不断移动，则会导致节点间的频繁切换。对于VoIP，语音分组时延的推荐标准是低于50ms，如果某个分组的时延超过了200ms，则认为该分组丢失。也就是说，VoWLAN手机从一个接入点移动到另一个接入点，其分组时延必须控制在50ms内。WLAN的移动性管理可分为两种情况：a）VoWLAN手机在接入点间切换，而不用改变其IP地址；b）由于两个接入点属于不同的子网，切换之后VoWLAN手机的IP地址会改变。为了恢复会话，可以考虑应用层切换，如会话启动协议（SIP）移动性。如果应用移动IP，那么应用层切换问题就可以留到IP层解决，因为移动IP可以确保VoWLAN的IP不变。
对于没有采用IEEE 802.1x和IEEE 802.11i的WLAN，50ms的时延标准比较容易达到。研究表明，要加入到新的WLAN中，一个移动台大约需要300ms～500ms的时间，这个过程包括扫描和加入新信道、认证以及联系新接入点。为了减小扫描时间，可采用SyncScan进行被动扫描，以减小WLAN的扫描时间。在VoIP会话期间同样可以扫描接入点，因为语音分组到达的时间间隔为10ms～30ms，而VoWLAN手机只需1 ms～2ms的时间来发射和接收上行链路/下行链路分组，VoWLAN手机可以利用空闲时间与其他信道进行交换，扫描WLAN的接入点。交换前，先向接入点发送一个PSM请求，以便缓存分组，或者只与新信道交换而不用通知接入点，但是前者会引入时延，后者会导致分组丢失。
维持接入点间的QoS及确保接入点间的安全等，是VoWLAN移动性管理将面临的挑战。同时，接入点间切换造成的时延必须低于50ms。IEEE 802.1x/802.11i要求新接入点内的移动台生成安全的密钥，而生成新密钥至少需要4次握手，这将会带来更大的时延。另外，安全性、QoS及其他参数的上下文转移可能会产生新问题。众多的研究、IEEE 802.11r和新的IEEE 802.11 WGs都试图为快速切换和快速上下文转移设计出新的协议。目前，一种可行的方法是利用邻居图来减小切换时延。
5、结束语
除上述主要问题外，VoWLAN技术还存在其他问题，如漫游、网络资源利用率、干扰、双模或多模等问题。
尽管VoWLAN在实现和运营方面存在很多问题，但是随着IEEE 802.11系列标准的制定和相关核心算法的日趋成熟，这些问题也将随之化解。可以预见，在未来的几年内，VoWLAN将呈现出高速发展的趋势，特别是在企业领域（如医疗卫生等垂直行业），VoWLAN的发展势头将会越来越强劲。