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射頻/無線  

解決VoWLAN的品質和可靠性挑戰

上網時間: 2007年12月21日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:無線區域網路  接取點  干擾 

本文討論了現有VoWLAN技術的性能和可靠性方面遭遇的挑戰,並提出一個創新性的WLAN Edge架構來克服這些挑戰。

為了節省成本,VoIP技術已廣泛為企業所接受,而下一步,就是要考慮如何在WLAN上部署VoIP(VoWLAN),為用戶提供行動性和方便性。

不過,正如系統設計工程師和網路管理員所瞭解的那樣,匯聚無線語音/數據/視訊網路上用戶的增加和發送的數據量的激增,會導致一系列問題,這些問題將限制VoWLAN的廣泛普及。

本文將討論現有VoWLAN技術在性能和可靠性方面的挑戰。在提出這些問題後,我們將推出一種稱為訊息通道覆蓋技術的創新型WLAN Edge架構。該技術在克服這些挑戰的同時,能讓用戶體驗到VoWLAN在成本和生產率方面的優勢。

傳統VoWLAN性能挑戰

傳統上,大部份與無線網路相關的問題,均來自於其採用的單元式(cell-based)架構,在這種架構中,每個用戶連接到一個接取點(AP),而每一個接取點則該架構中的單元(cell)服務。

特別是在VoWLAN應用中,該架構將導致‘性能縮水’(performance thieves)的重複產生,這將嚴重影響整個系統的服務性能和可靠性。所產生的問題包括:

同頻干擾。當兩個接取點工作在同一個訊息通道上並同時發射時,將會產生這種訊號傳輸問題。這與有線網路中的交叉干擾類似,將減慢網路的速度,因為每個接取點在試圖重發之前必須等待。

過大的延遲和抖動。在數據傳輸應用中,像網際網路接取,文件傳輸和電子郵件等,其對延遲性能的需求遠不及對吞吐率的需求,有一些延遲通常也是可以接受的。但是,語音傳輸卻希望是即時的,即使是幾十毫秒的延遲也是無法接受的。

對抖動的靈敏度也是如此。抖動指的是延遲的隨機變化,在語音應用中,這將會產生語音的不延續,莫名其妙的停頓,或無法理解的斷續語音-所有這些在語音通話中都是無法接受的。在基於單元的WLAN中,漫遊開銷,安全機制,重發,以及數據/語音匯聚都會增加延遲和抖動。

邊緣用戶和混合模式問題。在基於單元的方案中的一個邊緣用戶指的是距離接取點過遠,以至於無法以最高數據率連接的用戶。連接時速度很慢,使得其他用戶也被迫使用低速率,由於需要足夠的時間總量來保證邊緣用戶來發送其數據封包。

混合模式用戶,即透過各種無線設備(IEEE 802.11a/b/g)存取系統的用戶,可能產生類似的延遲,因為他們的設備連接速度不一。例如,對於一個單獨的802.11b用戶,其速度為慢速,這將迫使其他用戶也要用慢速存取。

接取點之間的漫遊延遲。隨著用戶從一個單元移入另一個單元,傳統的單元規劃無法簡單地以最大數據率提供覆蓋,因為可用的訊息通道數量有限。單元間的有限交疊在接取點的切換點或者附近會產生‘黑洞’,這將導致斷線和覆蓋差或無法覆蓋的區域。這是因為一個切換需要很多步驟,包括接取點恢復,這通常需要150~400毫秒,可能產生上述的延遲、抖動和較差的語音品質。

容量小、呼叫能力差。企業網路中需要足夠的容量。容量決定著所支援的並發呼叫和傳輸數量。在傳統基於單元的架構中,如何維持足夠的容量一直是一個問題,特別是在高峰呼叫期間。實際上,現行的推薦標準中建議每個802.11b網路中需要支援的最少並發呼叫數為5到7個。

功耗需求。手機必須輕巧,便於攜帶,這就限制了所用電池的尺寸、功率容量和使用時間。的確,為了延長電池的使用時間,並實現最大的數據率,手機應該盡可能靠近控制接取點。不過,這一要求外加電池功率的快速消耗,將與所謂的無限行動性目標相違背。

網路安全。無線網路系統中的安全問題一直都是一個主要的關注點,這當然有很好的理由。目前業界已經發現,原來用於802.11無線網路的安全協議,即有線對等私密(WEP)協議,還存在一些缺陷。

IEEE 802.11i標準為WLAN導入了小的安全標準。過渡的Wi-Fi保護接取(WPA)包括臨時密鑰,消息完整性檢查和強大的鑒權功能,解決了WEP的某些安全問題。但是,由於這些額外的安全措施,WPA在每個接取點切換地方導入了額外的延遲,這使語音服務更加混亂。

圖1:傳統基於接取點的VoWLAN設計架構。
圖1:傳統基於接取點的VoWLAN設計架構。

訊息通道覆蓋

訊息通道覆蓋基礎設備和拓樸架構與現有的蜂巢式架構基本上是截然不同的,該技術要求全面的射頻單元規劃來避免同頻干擾。訊息通道覆蓋技術的第二層‘邊緣架構’允許每個接取點的每個地方都可以使用每一個無線訊息通道。實現了連續的無線覆蓋,沒有漫遊延遲和同頻干擾問題。

訊息通道覆蓋技術已經完成了全面的測試,在部署時只要得當,就與IEEE 802.11a/b/g協議和標準完全相容。目前該技術只有少數無線技術供應商提供,隨著業界逐漸瞭解其工作原理和性能優勢,這項技術預計將更加普及。該技術是專門為克服VoWLAN的性能缺陷,並提供高性能、可升級的行動通訊基礎設備而設計,目的是能夠均等地傳輸語音和數據。

對無線網路來說,一個主要的衡量指標之一是網路能夠提供的總頻寬,或是連接速率。各地點的訊號強度越大,意味著連接越可靠,能夠潛在地支援更多的用戶,提供更快的數據串流傳輸率,或者說兩者都有改善。

透過這一創新設計,訊息通道覆蓋技術能夠在網路中提供較強的訊號,沒有同頻干擾和延遲問題。以下列舉了該技術與傳統單元式WLAN架構的區別:

在傳統的WLAN中,每個接取點構成一個單元,且為每個接取點分配一個訊息通道。為了減少單元間的干擾,必須根據安裝部署前測得的詳盡射頻站點電測方案,為服務區中的所有接取點分配訊息通道。這種接取點部署方案需要大量的射頻經驗和周密規劃,這通常是WLAN安裝過程中成本最高的一個方面。這種架構還迫使語音和數據用戶競用相同的無線資源,因此,即使在單元式網路安裝好並執行後,訊號傳輸問題依然持續存在。隨著廠商機構的增加或變化,在確定新的接取點部署方案時,還需額外的射頻規劃成本。

訊息通道覆蓋技術則完全省去了上述所需的時間、工作量和成本。訊息通道覆蓋架構始於省略單獨的單元─這是傳統WLAN中的基礎。在該新技術中,每一個接取點共享同一MAC地址,並工作在相同的訊息通道上,由無線交換來控制所有的路由決策。這樣,所有的接取點合起來實現了沒有空域的覆蓋。在訊息通道覆蓋WLAN技術中所用的‘thin AP’是一個簡單的射頻/天線網路閘道-即用戶和交換機之間的通道,這意味著用戶只與交換機產生關聯,而與接取點無關。

由於交換完全受控,決策基於逐個數據封包,故接取點間沒有競用。其結果是沒有同頻干擾,也不會在某個特定的接取點出現客戶集聚,引起容量緊張的現象。重要性均等,實現了高吞吐率,即便是單元串流很高時也是如此,而且與IEEE 802.11a/b/g協議和安全標準全部相容。

該訊息通道覆蓋技術的Edge架構還省去了隨著網路成長和變化所引起的複雜性和高成本射頻單元規劃。事實上,採用該技術,可根據所需的數據率,增加任意多的接取點。

表1:傳統VoWLAN技術與訊息通道覆蓋技術的比較。
表1:傳統VoWLAN技術與訊息通道覆蓋技術的比較。

簡單的架構

如上所述,如果要求系統提供足夠的服務品質,並滿足企業和個人用戶所期望向從電話系統中所獲取的方便性和行動性體驗,VoWLAN的部署還有一些必須滿足的特殊需求。時常產生的延遲和抖動是無法接受的。必須確保完全的覆蓋和無縫的行動性,沒有服務的中斷。處理語音,數據和多媒體串流傳輸時,容量(頻寬)必須足夠,即便是在峰值載荷條件下也應如此。安全性也必須經得住考驗。

該技術為VoWLAN應用提供了理想的解決方案,因為它省去了接取點之間的連接,以及昂貴的射頻經驗和單元規劃。事實上,該系統還提供了網路工程師和系統整合商少有遇到的超簡單性,因為系統的工作僅依賴於三個核心元件:

WLAN交換機。這是一個2層設備,控制所有的單元交換和用戶接取,可用乙太網路供電,無需中跨(midspan)或端接(endspan)設備。無論對任何類型的用戶,也不管用戶數量有多少,或者傳輸的數據封包容量有多大,高品質、多埠的無線交換機都是系統性能和可靠性的關鍵所在。為了升級,多台交換機應該依照主從配置菊鏈在一起。

‘Thin’接取點對即插即用功能來說是關鍵。由於所有的軟體和處理智慧都位於控制接取點的交換機中,故thin接取點無需配置或編程IP或MAC地址。這些簡單的(儘管仍很複雜)接取點設備也可以用WLAN交換機提供的標準乙太網路供電(802.3af PoE)來提供能量。可以在任何時候增加額外的接取點,任意擴展WLAN規模。

控制和安全軟體為無線交換機提供作業管理或‘大腦’。軟體部份控制所有客戶端方面的事物,並提供整套的預防攻擊或是標準的安全選擇。為確保軟體能夠支援WPA2,最新的安全協議基於IEEE 802.11i標準,用於鑒權和加密。WPA2設計目的是保護所有的接取點,並消除某個接取點出現安全問題的風險。此外,多工無線接取點提供了配置專用的安全覆蓋來防止欺騙式接取點探測的能力。

在尋求一個無線解決方案時,另一個所期望的功能是頻譜多工技術。該功能被植入無線交換機中,由於允許多個接取點同時使用相同的訊息通道,能將頻寬擴展很多。該技術使得智慧交換機能夠利用所有用戶和所有接取點的時間差,即時確定是否有機會多工某個訊息通道。如果可以多工,訊息通道覆蓋寬度會被動態細分,以提供多工同時鏈接,能夠增加網路的容量,且不會引起同頻干擾。

快速獲取收益

對許多廠商來說,訊息通道覆蓋WLAN技術使他們對無瑕疵的VoWLAN性能和無縫漫遊的憧憬成為現實。與傳統的WLAN相較,基於訊息通道覆蓋技術的WLAN的實現和部署要相對地快速和容易,加速了獲利的時間。此外,這種架構模型的WLAN可以完美地升級,以應對服務的成長,而且絲毫不影響許多企業已經安裝的現有有線區域網路。

簡而言之,訊息通道覆蓋WLAN架構代表著無線技術的一個重大突破。它是一個真正的‘盒式系統’,能夠提供廠商整個覆蓋範圍內無處不在的、可靠的和安全的漫遊技術和無線數據傳輸,用戶的數量不會被限制,而無線設備和應用的總成本等優勢也是網路業界前所未見的。

作者:Brad Meeks

產品經理

Belden公司




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