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wlan无线宽带上网:WLAN无线网络电话系统技术应用(图)

来源: 发布时间:星期日, 2008年12月14日 浏览:40次 评论:0

  随着WiFi标准改善、802.11芯片体积不断减小而功能不断扩充无线区域网络语音(VoWLAN)电话系统可行性也逐渐提升双频移动电话可使用WLAN连线提供可靠屋内话音服务而宽带电话服务则通过WLAN连结笔记本电脑方面架构于WLAN网络电话手机由于只需台WLAN基地站便能轻易支持多个手机和具备低成本优势传统无线电话机相比毫不逊色
  
  802.11标准建立了提供可靠、高性能WiFi网络电话系统所需的基本机制其中显着例子为性(802.11i/WPA)和QoS(802.11e/Wi-Fi多媒体)此外诸如Atheros开放JumpStart for Wireless这类单键设定法可让所有使用者即使在手机无法显示英文字母和数字状况下仍能快速设定WLAN网络电话手机组态
  
  WLAN网络电话系统中其中项尚未标准化项目为轮询思路方法(polling method)因此本文就现有两种轮询思路方法分别讨论其区别优点和缺点并且特别着墨于移动装置中最关键要素──耗电量
  
  所有降低耗电量思路方法均必须尽可能让用户装置使用低功耗睡眠模式而802.11芯片必需以睡眠模式中最低耗电量以支持此作法802.11芯片必须以睡眠模式最低可能耗电量支持此种作法例如Atheros AR6000移动型射频单芯片(radio-on-a-chip mobile;ROCm)装置实现了极低耗能量睡眠模式以及自动省电模式(Automatic Power-Save Delivery;APSD)技术ROCm同时提供绝佳性能能启用高速传输以缩短发送/接收时间而芯片上嵌入式处理器的自给式驱动可分摊处理主机处理器上经常性网络维护操作通过以上做法和其他省电策略ROCm芯片能改善WLAN操作耗电效率效果可比传统WLAN芯片高达 6倍因此能改善电池寿命现时可实现各种VoIP应用代802.11装置就包含这类芯片
  
  将语音导入WLAN
  
  802.11 WLAN可利用高性能元件以提供可靠整体性能然而此媒体特性在处理语音流量时仍面对相当严苛挑战由于WLAN使用免执照频谱因此必须容忍来自区别外部装置和其他WLAN大量干扰此外如同其他IP网络WLAN并不支持同步操作(synchronous operation)因此通常无法在微秒级下做预测由于VoIP是以固定时间间隔产生VoIP封包(即讯框)固定数码速率(CBR)应用因此WLANCSMA竞争法明显缺乏中央同步时序(centralized synchronous timing)
  
  此现象和移动电话系统所实作标准电话机制形成更大对比移动电话系统使用授权频谱和小心规划基地站部署务求将无线电干扰减至最低移动电话系统从电话到骨干线路都保持同步于是能掌握微秒层级时序而且永不偏离也因此能预知容量大小且容量提供给单类别服务设计应用:语音
  
  这些移动电话系统特性令它能轻易符合ITU-T建议G.114标准此标准指定端点对端点延迟预算不得大于150微秒由于移动电话系统整体架构采用可决定方式应用时脉语音封包因此不需要确保低延迟而对语音封包以特殊服务品质(QoS)机制排定优先顺序移动电话系统利用现有时槽、多工和语音服务管理加入资料服务
  
  WLAN则刚好相反语音服务必须借助于原本针对资料而设计功能WLAN仅能用到端点对端点延迟预算150微秒部份如果两端都使用WLAN进行对话那么延迟预算还要更进步缩限此外若语音封包必须跨越网际网络或忙碌企业网络那么封包将无法避免延迟抵达有时甚至无法抵达迟到封包可能成群抵达
  
  只要使用过旧式转码器在网际网络或通用WLAN中以语音通信都会熟悉这些问题建立高品质VoWLAN作法的是改变WLAN以符合传统编码器需要事实上无论是全时或分时专属实作均显示802.11 MAC可改变为使用同步、时槽式TDMA作法;此作法能有效解决以WLAN传输话音问题不过这类系统通常和现有WiFi装置和网络不相容
  
  虽然完全同步网络颇具吸引力但缺乏严格同步却也正是802.11主要强项这些年来我们可在以太网络和ATM网络的间竞争中看到这类IP网络优点当可靠而具适应式(够好)的通道存取对上严格时(完美)序式作法时够令人满意作法通常因更具多样性而比受欢迎
  
  在设计VoWLAN系统时避免使用同步作法个原因是这些系统并非在封闭环境下运作使用WLAN传输语音主要卖点是让双模移动电话和其他语音装置能利用现有WLAN基础结构
  
  解码器
  
  改善现有802.11基础结构思路方法的是利用针对网际网络应用而开发比新语音解码器这些解码器大幅简化VoWLAN设计效率不彰网际网络电话环境促成解码器开发能以极低位速度达到良好语音品质
  
  例如:广受欢迎Skype网络电话系统核心的iLBC解码器能提供相当于高端ITU G.729解码器特性;ITU解码器只以8kbps能提供公用电话般语音品质;而来自Global IP SoundiLBC解码器所需位速率稍高-13.3kbpsGlobal IP Sound称他们编码器语音品质优于PSTN而且能忍受高达30%封包损失网际网络工程研究团队(Team)(Internet Engineering Task Force;IETF)已对此解码器制定标准CableLabs应用于多媒体终端配接器和媒体闸道PacketCable影音解码器规格以被指定其为必要解码器
  
  有了此类解码器必要VoWLAN语音品质就更易于实现而且也能解决网际网络所造成延迟和抖动现象故此特别适合如802.11这种非同步开放系统使用既然解码器如此灵活为何还要发展复杂时序和同步思路方法呢?
  
  挑战耗电量
  
  尽管现今解码器如此灵活时序仍然是十分重要它对耗电量影响重大移动电话系统同步特性使它能轻易而直接地实现手机睡眠/唤醒排程手机能在封包的间知道能安全地进入睡眠模式然而802.11装置就永远不知道何时可能接收突发流量或因其他理由而必须回应存取点
  
  虽然移动电话和VoWLAN系统的间有此差异后者还是必须让它电池寿命能媲美移动电话手机双模移动电话手机两种类型功能都使用同颗电池因此势必会互相比比
  
  说到这里我们不禁又会想令WLAN同步操作若存取点知道手机于何时进入睡眠模式只在它准备好时进行传输此时手机就可类似移动电话定期进入睡眠模式存取点不必在VoIP讯框抵达时立刻传输至手机必要时可先将这些讯框置于缓冲区
  
  目前有两种操作模式能以足够同步在802.11 WLAN中实作良好省电时序技术因此不需完全同步操作这些模式包括以‘混合控制功能(Hybrid Control Function;HCF)’控制通道存取(HCF Controlled Channel Access;HCCA)以及增强分散式通道存取(Enhanced Distributed Channel Access;EDCA)此两种模式都是IEEE 802.11e标准当中服务品质(QoS)规定而两者皆可用于发展中省电传讯思路方法于存取点和站台的间以同步固定数码速率传输而不需对整个WLAN进行同步
  
  以HCCA进行同步
  
  HCCA模式就如同N-body同步机制由存取点为N个站台设定CBR轮询排程尽管典型802.11系统无规律性站台还是尽可能地按排程同步将这样配置描述为N-body系统是相当合理对轮询排程上任时序干扰都会影响到其他N-1个站时序
  
  当AP通过流量规格(TSPEC)接收到来自站台CBR要求时HCCA机制便发挥作用然后AP和该站进行CBR排程通信旦AP接受站台作为轮询用户此站台通常会进入睡眠状态直到来自AP预期下行轮询或轮询加VoIP讯框抵达为止(图)在规定时间内(架构于OFDM802.11a/g为9μs802.11b则会更久)站台以上行VoIP资料(或QoS-NULL)讯框回应若站台发送上行资料AP就以ACK回应
  
  要知道此机制耗电效率让我们先考虑站台需保持唤醒状态时间比例HCCA机制如需正确运作在AP下行轮询前站台必须从睡眠模式中唤醒根据硬件设计而定唤醒约需0.1到1.0微秒然后站台必须等到下行轮询抵达而轮询可能在站台预期抵达时间到时仍未抵达区别原因如干扰、通道上长持续时间讯框、AP中内部排程冲突(轮询其他站台)、更高优先顺序操作(AP必须传输Beacon)、前讯框超出预期时间或是AP和站台的间相对时脉偏移均会造成延迟不过旦下行轮询抵达排程就会变得可预测根据所选解码器和PHY速率上行/下行讯框应在不到1微秒时间内发生   在HCCA机制中时序不确定性主要来自CBR轮询排程延迟、失败后可能重试以及使用可变PHY速率时造成传输时间变化根据这些不确定性站台唤醒时间约为2~5微秒以20微秒解码器周期此唤醒睡眠比所达成的效率比值为75%以上
  
  HCCA固定位率排程
  
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  ▲图:存取站可实作802.11e标准中指定HCCA操作模式提供可预测时间VoIP轮询排程以在WLAN站台能以睡眠模式减少耗电量时进行管理
  
  假设平均通话时间约为100秒(以移动电话系统平均而言)而AP同时提供20通电话应用WLAN可能每5秒就必须执行通话设定/解除即使在各站台经常进入和离开轮询清单状况下AP仍必须和每个站台维持已发布CBR排程因此AP也必须维持固定时槽排程
  
  这里所说时槽为针对特定站台的轮询讯框交换序列而指定通道时段除非所有讯框都使用相同PHY速率使每次交换都占用相同通道时间量否则时槽持续时间也会随的变化在时槽持续时间变化情况下无法达成效率佳省电同步
  
  可选择思路方法的是让所有站台都以固定PHY速度(6Mbps)操作次性避免区别持续时间造
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