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VoWLAN通訊系統設計中的技術挑戰與解決方法分析

上網時間: 2004年08月29日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:VoWLAN  VoIP  CNC  無線區域網路語音  切換 

由於無線區域網路語音(VoWLAN)通訊系統的設計在世界上還處於起步階段,有些關鍵技術尚未有標準的解決方案。本文將從下至上介紹VoWLAN系統設計時在實體層、媒體接取層和IP層遇到的關鍵問題,並就其中的部份問題提出了解決方案。

VoWLAN無疑是目前WLAN焦點服務中最吸引人的業務之一。從2003年初開始,中國網通就已經啟動了VoWLAN商用試驗網路系統的預研和產品測試工作,包括CISCO、朗訊、華為在內的多家著名廠商參與了相關產品的評測。隸屬於清華大學電子工程系的華錄資訊技術研究所也推出自行開發的VoWLAN系統參與評測。本文將以該系統為參照對象,介紹VoWLAN系統實現過程中面臨的諸多問題和挑戰,以及在該系統中的解決方案。

評測系統組網方案

在評測系統中,我們提供了包括行動終端、接取伺服器、位置伺服器在內的所有關鍵設備,網路結構如圖所示。

在試驗網中,我們搭建了3個獨立的無線區域子網(A、B、C區),每個子網由數台(3∼5個)接取點(AP)和相應的二層網路連接組成,用於虛擬獨立的‘焦點’。由於是室內覆蓋,每個子網的覆蓋半徑約為150公尺,每個無線子網之間約有數十公尺的重疊覆蓋區間。用戶使用的無線終端硬體系統為具有SD擴展槽的PDA(聯想天璣XP210),加配SD WLAN擴充卡,軟體系統採用Pocket PC 2002作業系統並加上我們開發的行動終端軟體構成。

每個子網中都使用了一台語音接取伺服器,該伺服器完成接取控制、子網內位置登記、流媒體轉發和SIP呼叫代理等多種功能。子網中的語音接取伺服器均透過都會區域網與位置登記伺服器連接。位置登記伺服器完成全網位置登記、終端行動性管理等功能。

無線區域子網和位置登記伺服器均透過都會區域網與中國網通的軟交換試驗網連接。圖中的信號網路閘道和軟交換系統均使用已有的軟交換試驗網設備(中興通訊公司提供)。

網通測試的主要內容除基本的SIP呼叫業務以外,重點測試了用戶終端在無線子網之間切換時引發的行動性問題。

VoWLAN面臨的挑戰

VoWLAN系統的實施牽涉到包括實體層(空中介面)、媒體接取控制層(MAC)、傳輸層(IP)、業務層(SIP)在內的多種層次,系統結構十分龐大。就目前測試的情況來看,上述各個層次中仍然存在著諸多尚未完全解決的問題,下面將參照我們在計畫實施過程中遇到的難點來分析這些問題對系統的影響,並提出一些解決方法。

1. 實體層存在的問題

實體層主要涉及WLAN的空中介面部份,該層定義了WLAN使用的頻段、頻段的劃分方式(如在802.11b中,寬度為83MHz的頻段被劃分成了14個重疊覆蓋子頻段)、無線傳輸採用的編碼調變方式(802.11b在10Mbps速率下採用QPSK,直接序列擴頻DSSS)、發射功率、接收靈敏度等關鍵無線參數。在VoWLAN試驗網的組網過程中,我們發現以下幾方面的問題:

a. 室內環境中,AP的覆蓋範圍十分有限

由於試驗使用的AP均採用802.11b協議,工作在2.4G頻段,室內環境中的障礙物(如普通的牆壁、門窗、隔斷等)對AP的覆蓋範圍影響非常大。據實測經驗,普通AP的覆蓋半徑在視距範圍內一般可達數十公尺到上百公尺,但對於非視距傳播的情況(如AP放置在室內,在鄰近的走廊上測試),訊號衰減的速度非常快,極端情況下甚至在十幾公尺的範圍內就會出現訊號覆蓋的‘盲點’。

b. 無線頻段資源缺乏

802.11b使用的每個子頻段頻寬約為22M,在2.402G到2.483G的允許頻段上只能有3個完全不重疊的子頻段。VoWLAN試驗網與中國網通原有的WLAN辦公網搭建在同一實體區域內,原有的WLAN辦公網為了充分利用頻段資源,採用頻段交叉覆蓋的方式,因此原有頻段資源利用率已經接近飽和。在正常辦公時間內,由於兩個網路之間的相互干擾,極端情況下可能導致無線通道上的數據傳輸品質明顯下降。

c. 缺少有效的頻譜管理

無論是11Mbps的802.11b還是54Mbps的802.11a/g,使用的頻段均為開放頻段,至少在室內環境中,私人或企業購買並使用符合相關協議的設備完全合法。這也就意味著,在廠商鋪設的焦點中(如在寫字樓中),個人使用的WLAN設備可以合法地搶佔這一頻段的資源。符合802.11a/b/g協議的設備(AP、網路卡、橋接等)隨處可以買到,價格低廉而且發射功率強大,更為重要的是,國家對這些設備的使用目前還沒有任何實質性的約束。

無線覆蓋的問題可以透過細致的工程實施過程解決。目前新的射頻方案也層出不窮,如智慧天線,訊息通道處理的晶片和演算法也在持續的改進中,可以預見未來的無線訊息通道通訊品質會有很大的改善。

無線頻段資源管理在很大程度上不是技術問題,而是國家政策與法律的問題。隨著WLAN應用的日益廣泛,企業和家庭使用的WLAN產品數量正爆炸性的增加,加上藍芽、微波設備(如微波爐)、無線電話等無線設備的加入,2.4G頻段資源日益緊張。可營運的VoWLAN究竟是使用新的頻段,還是在現有頻段中透過強制法規的方式獲取,需要國家的相關管理部門盡快完成相關的研究工作並提早制定法規。

2.媒體接取層

媒體接取層是802.11b協議的主要內容,該層將載波偵聽多點接取/衝突檢測(CSMA/CA)方式定義為802.11b的標準接取控制方案,並且為該方案規定了相關的訊框格式和標準的作業規程。對於VoWLAN這種特殊的應用環境而言,現有的協議還存在不足之處:

a. 切換方式不統一

為了保證語音通話的連續性,行動終端在AP之間切換時,數據的傳輸必須保持連續。令人遺憾的是,802.11b沒有定義任何切換演算法,結果導致目前各個廠家提供的產品切換的效果相差很大(參考《An Empirical Analysis of the IEEE 802.11 MAC Layer Handoff Process》),切換引發的時延從50ms到800ms不等。

b. 尚未支援QoS標準

就WLAN標準的制定過程來看,802.11e協議已經基本制定完成,少數廠家已經開始生產支援該協議的晶片,但目前市場上暫時還無法買到相應的產品。VoWLAN設計初衷就是同時為用戶提供數據和即時語音業務,如果不能提供有效的QoS,語音的品質將無法保證。

c. 沒有有效的接取控制方案

目前WLAN接取控制的方案有很多,最簡單如限定BSSID(basic service set ID)和限定接取主機的MAC地址等,較為複雜的如802.1x、PPPoE(基於乙太網路的點對點協議)和VPN等。在實際應用中上述方案都存在下面的問題:由於BSSID會在網上廣播,因此限定BSSID的方案實際沒有任何安全性可言;每台行動終端的MAC地址均不相同,在行動環境中,AP幾乎無法判定合法MAC的範圍,因此限定MAC的方案也很難應用。

802.11x似乎是目前比較流行的WLAN接取控制方式,但在實際應用中仍存在許多問題。除去安全性漏洞以外,802.1x認證的速度問題在行動語音環境中暴露的更為明顯:802.1x實際使用的認證流程與RADIUS協議相同,由於涉及協議報文的傳輸與處理,以及大量的資料庫查詢作業,一般系統能夠提供的認證時延均在1秒以上。而在終端行動速度較高(如時速60公里)或小區覆蓋半徑較小(如50公尺)的情況下,可能每隔數秒就會產生一次切換,這將使得因認證引發的時延變得不可接受。

PPPOE和VPN屬於IP層的接取方案,因此控制的實現方式均為阻斷或開放IP層的傳輸,無法實現對MAC層的接取控制。例如,沒有透過PPPoE認證的非法用戶雖然無法獲取IP地址,不能連接到任何網路資源,但作為二層設備的AP並不能‘意識’到這一點,仍然照常處理非法用戶收發的報文。

行動終端在AP之間的快速切換演算法是目前WLAN研究方向中的焦點問題,如IEEE、Wi-Fi聯盟等權威性的組織都有專門的專家組負責此方向的研究,已經有一些草案正制定中(如快速切換檢測演算法,L2 Triggered),但目前尚未有標準協議制定完成。因此,這一問題在短期內尚難得到完美的解決。

隨著802.11e協議的推出,QoS作為WLAN設備的標準配置只是時間上的問題,但如何在實際環境中部署仍懸而未決。回顧VoIP的發展歷史不難發現,網路設立之初,有關於如何在現有網路上透過QoS方法實現電信級語音服務的討論非常激烈,隨著業務不斷發展,廠商最終發現,隨著設備成本的不斷下降,使用專用的傳輸網路以及犧牲頻寬的利用率來換取可靠的服務品質反而成為了最為經濟有效的方案。

為了在現有條件下盡可能提高切換過程中的認證速度,我們在VoWLAN實驗網中採用了‘預認證窗’的方案。簡言之,該方案就是在終端接取新的AP時,AP在短暫的預認證時間窗口內(約為1~10秒,用戶可以配置)將該終端視為已經通過認證,此時終端原有的業務可以繼續進行。行動終端必須在預認證窗口中完成認證流程,超時仍未通過認證的終端將被視為非法,系統可以採取相關的控制措施,如阻斷二層傳輸通路等。

3. 網路層(IP)

IP層負責VoWLAN的尋址(路由)功能,並為上層協議提供了針對連接(TCP)和無連接(UDP)的傳輸業務。目前廣泛使用的IPv4在行動語音環境中至少有以下問題尚未得到妥善的解決:

a. IP地址空間不足

目前中國獲得的IP地址僅為數千萬,其中絕大部份已經分配完成,而對於電信級的VoWLAN網路框架,設計容量中容納的用戶數可達上億,如果採用每台用戶的終端均分配唯一的IP地址,現有的IP地址資源顯然難以支撐這樣大的網路容量。IPv6的確可以解決這一問題,但遺憾的是數年內還不會有廠商搭建這樣大規模的IPv6網路。

b. IP協議的行動性不能滿足需要圖1:VoWLAN網路組成結構示意圖。

與在上文中對MAC層的分析相同,為了保證語音的連續性,IP層必須保證數據傳輸在終端產生切換時保持連續。在現有IP網路的框架中,傳輸網路總是被劃分為一個個獨立的‘子網’,每個子網擁有自己的地址段(地址和遮罩)。終端在網路中漫遊時,可能產生跨越子網的情況。為了敘述方便,我們把MAC層處理的終端在AP之間的切換稱為微切換(Micro handoff),而IP層處理的跨越子網的切換稱為巨集切換(Macro handoff)。

對於微切換而言,現有的二層網路設備(交換機)一般都提供線速地址自學習的功能,因此終端產生切換後,二層的數據傳輸幾乎會立即恢復。相較之下,巨集切換的情況就沒有這麼幸運了。如果終端在跨越IP子網時保持自身IP地址不變,就要求IP網路能夠及時修改傳輸路徑上相關的路由,以便重新設立數據的傳輸通路。考慮到現有IP網路的規模,再考慮到目前路由演算法的實現方式,每一次巨集切換引發的路由處理運算量都將是天文數字。

考慮到目前IP網路的現狀,終端IP地址再使用可能是唯一的選擇。在目前的WLAN營運網路中,普遍採用動態主機配置協議(DHCP)協議來完成這一再使用,即終端在焦點之間切換(巨集切換)時透過發起DHCP過程來獲取在新焦點中可用的IP地址。同時,由於終端地址總是與其所在子網保持一致,也就避免了上文中提到的路由更新問題。

但與此同時,終端IP地址的變化引發了許多新的問題:

首先,IP地址的變更將導致原有業務的中斷。IP層面相連接的傳輸協定,如TCP,在底層IP產生變更後完全無法保持原有連接,這將導致使用TCP應用程式(如FTP、HTTP)無法自動恢復;而無連接的協議,如UDP,雖然不存在此類問題,但高層協議無法獲得地址的變更資訊,同樣會導致業務的中斷(設想採用SIP協議,如果通話對端的IP地址產生變化,發往原有地址的語音報文就無法到達目的)。

其次,如何判斷切換的屬性是巨集切換還是微切換尚沒有可參照的標準。如上文所述,由於巨集切換實際產生在IP層,終端在檢測到微切換後必須判斷是否同時產生了巨集切換。由於語音通訊的即時性要求,對這一過程的完成時限有著嚴格的要求(一般不能大於50毫秒)。

此外,由於DHCP協議自身的限制,IP地址分配的過程在理想的情況下長達數百毫秒,在產生IP分配衝突的情況下可能長達數十秒,顯然難以滿足苛刻的切換時延標準。

c. 解決方法

如果要滿足VoWLAN大規模營運的需要,上述問題必須得到充分的解決。在網通VoWLAN試驗網中,我們採用如下方法解決這些問題(核心內容已經申請專利):

考慮到IP地址數量的限制和網路規模擴充的需要,我們採用終端地址動態分配的方案,即終端產生巨集切換時,獲取並使用目前IP子網的IP地址;

為了實現語音業務的無縫切換,我們在每個IP子網中放置一台語音接取伺服器,該設備能夠提供以下功能:

a. 快速地址分配:DHCP協議對IP地址衝突檢測的流程導致了地址分配速度的下降。我們將其改為由DHCP伺服器定期檢測的方式,在IP地址動態分配的過程中,終端無需進行地址衝突檢測,使得這一過程的周期縮減到10毫秒以內。

c. SIP信號代理和流媒體代理:為了保證語音業務的連續性,產生巨集切換時終端會要求新的子網中的接取伺服器(簡稱為新代理)為其轉接原有的業務(包括信號和流媒體)。新代理將會向原有子網中的接取伺服器(簡稱為原代理)請求業務轉接並完成相應的鑒權/認證過程,如果成功,則新代理負責在終端和原代理之間設立信號和流媒體的轉發隧道,因而完成無縫切換功能。就試驗網中我們對該功能的測試結果來看,效果相當好,該協議流程引發的切換時延的最大值可以控制在50毫秒以內,一般情況下只需10毫秒左右。

d. 切換檢測:參考GSM等系統的實現方式,我們採用在IP廣播地址的專用埠上發送‘信標’的方式,即快速廣播具有子網標識(可以是IP地址段加上隨機ID)的短小協議報文。實際實現時發送周期為20毫秒,協議包長度為20位元組,在空中介面上佔用的流量約為8kbps。終端保存原有的信標並和接收到的信標比較,就可以判斷出巨集切換的情況。

e.為了能夠追蹤終端漫遊引起的位置變更,我們還提供了位置伺服器,該設備實際上是一台SIP註冊伺服器,終端產生巨集切換後,將在該伺服器上更新註冊資訊,因而實現漫遊的功能。

作者: 陳嶺


無線網路事業部經理


Email:doggiechen@vip.sina.com


清華大學電子工程系華錄資訊技術研究所





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