VoWLAN的挑战与发展

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1、引言

　　随着基于802.11的无线数据网络在全球日益普及，终端用户正寻找更多的途径来扩展其应用模式，VoWLAN（Voice over WLAN）就是新兴应用之一。

2、VoIP与VoWLAN

　　VoIP是Voice over Internet Protocol的缩写，指的是将模拟的声音信号经过压缩与封包之后，以数据封包的形式在IP网络的环境进行语音信号的传输。VoIP最大的优势是能广泛地采用Internet和全球IP互联的环境，提供比传统业务更多、更好的服务。
　　VoWLAN（Voice over WLAN）是对有线的VoIP系统的扩展，是传统的模拟和数字语音通信的又一替代解决方案。它的优点是无线语音与数据应用以无线的形式汇聚，并且终端具有可移动性。VoWLAN系统有两种工作方式。一种是把通过访问点的语音信号传输到VoIP网关，该网关可以就是原来的有线VoIP网关，这样语音数据在 IP网络和PBX之间传输。这种方式使得传统的有线办公和住宅电话的功能都能在VoWLAN中实现。另一种VoWLAN方式是基于软件的电话，就是 Softphone。这种方式直接在Internet上传输语音数据，用户可通过PDA、移动电话和笔记本电脑在提供WLAN接入的区域免费使用这种软件电话。

3、VoWLAN的实现面临的挑战

　　VoWLAN系统中，由于无线链路引入的串扰和多径传播将导致衰落和色散，从而引起系统的附加时延和抖动。而语音业务对于时延和抖动非常敏感，因此VoWLAN系统面临着巨大的挑战。

　　1.覆盖与漫游

　　AP漫游是802.11协议的一个功能，这能使VoWLAN电话能够自动在不同AP之间进行切换和移动。这种切换的时间必须非常迅速，以便能够实现平滑切换不掉线。AP通常可以很快的处理，但是与AP相连的有线传输系统往往会产生延迟，而这种延迟是超过VoWLAN系统限度的。当用户从一个AP 漫游到另一个AP时，传统的WLAN鉴权协议会产生数据流的中断。中断一般会持续0.25～0.5s，这要依赖网络的拓扑结构和鉴权服务器的位置。 VoWLAN用户会经常移动，会在AP间频繁切换，采用传统的鉴权，终端移动时通话双方都可能听到瞬间的中断。因此，绝大多数VoWALN终端的解决方案都要求具有专有的预占优先漫游算法来改善语音质量并且当用户移动时在AP覆盖范围内切换时带宽最大化。

　　2.移动性

　　移动性是很大的挑战。当VoIP结点的移动跨越不同的子网时，即移动到不同的IP网段，这时候光靠链路层切换是不能解决问题的，目前对VoIP 电话移动性支持包括网络层的Mobile IP协议和应用层信令协议SIP。SIP信令能够在VoIP结点的位置发生变化时，通话对方可以透明地拨打该VoIP电话，例如VoIP结点在甲地和乙地可以用同一个电话号码进行通话。

　　由于IEEE 802.11网络的覆盖范围有限，当VoIP结点移出WLAN时，通话就会中断。对于这个问题，目前的双模手机是一种很好的方法，如图1所示。当用户在 WLAN范围内时采用基于IEEE 802.11的VoIP电话，若移出则采用GPRS等技术构成的VoIP电话。当然，若要使通话不间断，实现平滑切换，可以考虑使用Mobile IP技术。另外，可以在手机上装上GPS，这样可以更好地定位切换。

图1　双模手机应用模型

　　3.安全性

　　从安全角度来看，VoWLAN存在着很大的危机，所有没有加密的数据都可能被篡改。VoWLAN用于安全系统的最大问题是它对拒绝服务攻击，即 DoS（Denial of Service）。最基本的DoS攻击就是利用合理的服务请求来占用过多的服务资源，从而使合法用户无法得到服务的响应）的防御不够。很容易人为地干扰 VoWLAN的信号，使语音通信中断。目前的WPA和即将出台的IEEE 802.11i标准（TKIP）都可以增强WLAN网络的安全性。WPA包括基于IEEE 802.1X的认证和TKIP。TKIP采用RC4加密算法与各种机制，如Michael信息完整性代码、每包密钥构建机制（per-packet key）和扩展初始化矢量（IV）等，来消除WEP协议中潜在的安全性漏洞。IEEE 802.11i还将包含一个基于AES的加密/数据认证协议CCMP（CBC-MAC Protocol）。随着802.11i标准的制订和获得批准，VoWLAN安全性将提供最高级别的保护，从而可以放心地使用VoWLAN。

　　4.QoS保证

　　IEEE 802.11标准定义了两种不同的信道访问机制：一种是点协调机制（PCF）；另一种是分布式协同机制（DCF）。这两种访问机制都没有划分优先级，随着用户数的增多，MAC不能保证为实时语音业务提供可靠的分组传输且 传输时延和抖动在规定范围内，也就是不能保证语音业务的QoS。为此， IEEE802.11改进任务组对802.11的MAC层协议进行改进，使其可以支持具有QoS要求的应用，即IEEE802.11e标准。IEEE 802.11e中，MAC接入采用混合协同功能（HCF）控制机制。HCF可以支持优先级和参数化的媒体访问服务，并且结合了竞争和轮询两种机制，其中，基于竞争的访问机制称为增强式点协同功能（EPCF），而无竞争的访问机制称为增强式分布系统功能（EDCF）。为了区别不同的业务类型，EDCF对不同业务划分了优先级，但是它只提供了统计上的优先划分，很难满足每个语音包的时延要求。因此，EDCF也无法完全保证QoS，尤其是在高负载的环境下。

　　文献[1]针对这个情况提出了提高语音业务在无限局域网中的容量来提高VoWLAN的QoS的方法。作者指出，无限局域网中语音业务的容量受到限制，主要原因是巨大的开销和IEEE 802.11 MAC协议的效率不高。为了提高语音业务在无限局域网中的容量，文章引用了几种方法，循环移位和站点移除选择机制就是其中一种，这是采用了语音数据包的复用。另外，减少语音数据包的开销也可以提高VoIP的容量，譬如可以压缩VoIP数据包的RTP/UDP/IP头部来减少开销。还有一些研究通过采用一种新的MAC层协议来提高容量。

　　参考文献[1]采用了语音业务复用，确定性的语音优先权接入控制和减少开销3个机制提高QoS性能来满足语音业务的时延要求和数据业务的QoS 保证，同时它也提高了带宽利用率。作者通过改进IEEE 802.11e HCF业务的时隙结构来达到较高的资源利用率，根据是否是语音业务来分配站点资源。上文已经提到，EDCF的统计上的优先接入可能会引起性能的不稳定，文献[1]中的方案采取确定策略给语音业务一个较高的优先权，在减少开销方面，文献[1]是把传送给某个站点的所有物理层和MAC层的开销聚集起来然后通过 MAC层的一个帧来传送，就大大减少了物理层和MAC的开销。这样，文献[1]的方案就保证了VoWLAN的QoS。

4、VoWLAN发展现状和前景

　　随着宽带服务提供商推出与宽带连接捆绑在一起的VoIP业务和无线网关，VoWLAN在消费领域有着巨大的增长潜力。医院、工厂、机场和零售商场等环境都是VoWLAN锁定的主要市场。使用者可以加入电话会议，甚至运用摄像头进行视频会议，实现真正的移动办公。

　　VoWLAN技术的最大潜在市场在于把其整合到手机中。通过VoWLAN手持电话可以无缝地接入现有的宽带数据网络和IP电话网络，使之成为语音和数据的综合数字终端。如今NOKIA、Samsung、Motorola等手机制造商已经推出WI-FI/GSM双模手机。可以预见，蜂窝/WLAN 双模手机将会逐渐普及，而且WLAN将成为手机的通用功能。

　　当然，和有线VoIP一样，WLAN（VOWLAN）无线语音服务很大程度影响了无线网络基础设施建设。虽然数据网点覆盖足够，但VOWLAN 要求一种更密的访问点布局。声音也涉及服务质量和快速漫游的问题，不只在应用层次需要解决这些问题。在更基础的WLAN架构和产品层次也需要根本的改变。 WLAN设备供应商开始在最近的产品改良中解决许多与VoIP相关的问题。

　　总之，VoWLAN并不仅仅是VoIP和WLAN的简单叠加，还需要基于WLAN基础设施解决诸多问题。而一旦拥有标准化的QoS、增强的安全性，可靠的及易操作的网络，VoWLAN的应用将会非常繁荣，与蜂窝系统形成有益的竞争和互补。

参考文献

　　[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