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處理器/DSP  

設計一套成功的無線網路語音系統

上網時間: 2005年11月25日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:多系統經營者  MSO  無線網路語音  VoWLAN 

無線網路的爆炸性成長讓VoIP整合變的簡單,但將它導入設計可沒那麼容易。隨著無線資料網路在全球家用和企業領域不斷成長,無線網路語音(VoWLAN)技術也搭著順風車搶佔市場。從主要電信公司和多系統經營者(MSO)日益重視VoIP的事實,可以看出無線網路語音設備製造商的前景確實相當被看好。

無線網路語音起源於十多年前的健康醫療、製造、零售和倉儲等垂直市場。然而當時並沒有標準可以規範網路連線品質(QoS)和安全性的問題,再加上設備製造商和加值經銷商又只關心這些少數垂直市場,無線網路語音的成長因而受到極大限制。

今天,無線技術的成熟以及VoIP網路的蓬勃發展使得企業比較願意採納新的業務經營方式。許多公司在尋求新技術讓他們降低企業網路成本的同時,也增強網路擴充性。企業發現無線網路語音可以讓他們將語音和資料網路匯聚成容易維護、低成本、擴充性良好又能同時支援語音和資料的單一網路;更棒的是,無線網路語音的行動性還能為他們帶來更高的生產力和應用彈性。

無線網路語音首先會透過大型企業進入水平市場,然而隨著Wi-Fi產品日益普遍,小型企業和消費者也將開始採用這項技術。企業想利用無線網路語音統一他們的企業網路,小型企業和消費者則是因為這項技術可以提供行動性以及撥打低成本的長途和國際電話。

結合無線網路語音與雙模通訊能力的行動電話正迅速成為市場主流,它們的興起將成為無線網路語音市場的另一股動力。產業分析師預測這種雙功能手機將自2006年起獲得企業和家庭廣泛採用。

圖1:OSI七層架構都必須支援QoS才能確保整體通話品質。

為了讓無線網路語音的龐大市場潛力化為事實,設備製造商和電信業者正積極制定和實作各種新標準幫助這項技術進入水平市場。這些標準和協定專門解決Session Initiation Protocol (SIP)等網路電話訊號要求、QoS、操作互通性和安全性等問題,無線網路需要它們支援才能成為傳送語音流量的合適環境。而且,如果無線網路語音產品製造商想要創造真正的大眾市場,還必須解決行動性和無線漫遊、電池壽命、系統成本和產品體積等問題。

語音和服務品質

QoS標準和程序可以確保無線網路語音的品質和操作互通性。傳統的QoS主要是為OSI網路架構的第二層(媒體存取控制層)和第三層(網路層)協定提供頻寬、延遲時間和排程保證,但這並不足以涵蓋最終使用者對於音質的全面感受。完整的QoS應解決第一層到第七層協定的所有音質相關問題(圖1)。

無線網路語音在實體層中(第一層)可藉由802.11h動態頻率選擇(DFS)來避免干擾。到了媒體存取控制層(第二層),語音的主要問題不在於頻寬,而是延遲時間,這與資料或視訊的要求完全不同。多數客戶應用的單向語音延遲時間應在0到150毫秒範圍內,國際電話甚至能接受150到400毫秒的延遲時間-只要系統管理員瞭解這個延遲時間和它對於客戶應用品質的影響。

Wi-Fi Multimedia

Wi-Fi Multimedia (WMM)是第一個以802.11標準為基礎和通過Wi-Fi聯盟認證的QoS協定,Wi-Fi聯盟已採用這種優先權式的QoS方法做為QoS功能基準,這功能基準是802.11e所定義最新QoS功能的子集。WMM透過增強型分散式協議功能(EDCF)、許可控制、爆發模式傳輸確認以及執行4個優先權式QoS佇列的能力來提供QoS服務。WMM基準功能很適合負載較小的環境;EDCF是以機率為基礎,在統計上來說,對於高優先權流量較為有利。雖然EDCF無法完全保証QoS(尤其在高負載環境下),但這些功能對於無線網路語音應用在低負載卻有用處。EDCF是以增強型協調通道存取(EDCA)做為通道存取機制。

IEEE 802.11e共指定了EDCA和混合協調通道存取(HCCA)兩種通道存取機制。Wi-Fi多媒體方案存取(WMM-SA)規格除了EDCA外,還支援以HCCA為基礎的集中式排程機制。HCCA包含更多QoS功能,能提供參數化QoS以及更精確的QoS參數控制,像是延遲時間、排程和頻寬保證。EDCA主要是在傳輸媒體使用權的競爭階段工作,但是QoS接取點(QAP)有權在競爭階段控制傳輸媒體,然後以輪詢方式決定使用權。

參數化QoS會用到流量規範(TSPEC),QoS Station (QSTA)用TSPEC對QAP發出QoS要求。QAP接取點可以接受或拒絕TSPEC要求。HCCA還增加了一項功能,就是無需確認的傳輸方式,這對於語音和串流媒體等即時應用極有幫助,因為即時應用對於延遲時間和延遲時間變動(jitter)的要求極為嚴苛,所以無法容忍重傳封包所造成的時間延誤,因為重新傳送的封包也會因為太晚抵達而變得毫無用處。

未提供Wi-Fi QoS功能的典型802.11b網路約能同時支援5通VoIP電話,採用WMM-SA HCCA的802.11a/g則能支援20通以上電話,這是因為802.11a/g頻寬的提升,及HCCA會利用TDMA集中式輪詢機制減少VoIP裝置爭奪控制權的情形。

在OSI第二層加入QoS功能的最終目的是支援802.11e標準,這套標準包含WMM以及WMM-SA兩種方法,其中還有許多其它功能對於串流應用也很有幫助,像是直接鏈路設定(DLS)、區塊確認和省電功能。DLS可將覆蓋率提高一倍以上,因此對於視訊應用極為重要,尤其是經常利用同一個無線網路傳送視訊和聲音的家庭環境。

乙太網路流量在OSI第二層的資料鏈結子層中有802.1D和802.1P所提供的QoS功能支援。乙太網路QoS採用優先權機制,它不是一種保證式QoS,不會為語音或串流媒體提供延遲時間或頻寬保證。優先權式QoS在低負載量的表現相當良好。

致力推動無線網路語音市場的廠商都很支持WMM和WMM-SA。部份無線網路語音解決方案還採用特別的硬體設計,讓製造商和電信業者在802.11e標準定案後能透過軟體更新將他們的設備升級。

第三層

網路存取層(第三層)的QoS是由兩種標準提供,第一種是包含資源保留協定(RSVP)在內的整合服務協定(Intserv),另一種則是差別服務(Diffserv)協定。第三層QoS主要支援核心網路的路由功能。

Intserv提供負載控制型和保證型等兩種類型服務。負載控制服務對於網路延遲時間的管理使用類似的QoS並非保證的QoS,應用若要求網路為特定類型的串流提供負載控制服務,就表示它期望網路是在低負載情形下傳送這些串流。

保證服務則會同時要求頻寬和最大延遲時間,它使用數學可證明的規範,保證端對端延遲時間和頻寬。RSVP既是專為Intserv模型所設計的一種資源保留協定,也是一種連結導向技術,它要求網路節點儲存網路所有連線的狀態資訊。這種技術的擴充性較差,不容易隨著網路連線增加而擴大規模。

Diffserv則是將QoS控制局部化,其擴充性優於RSVP。此協定將QoS作業定義於核心IP網路邊界,而不是網路內部。它不像RSVP一樣提供許可控制,故網路上仍可能出現過多的高優先權流量。Diffserv使用IP標頭的IP優先等級位元和服務類型位元來支援QoS。

圖2:第二層漫遊定義(延伸服務區內)同一個IP子網域的漫遊環境。

第四層到第七層

如前所述,核心網路各層都必須為無線網路語音流量提供QoS服務。第5層到第7層就是利用即時控制協定(RTCP)實作即時傳輸協定(RTP)和QoS回授機制以支援QoS監測和壅塞控制應用。RTP本身並非QoS保證協定,它無法保證頻寬,延遲時間和延遲時間變動等TSpec參數,也不能保證封包內容或依序傳送。但若將RTP搭配RTCP,應用就能調整現有QoS以支援監測和壅塞控制。

RTP標頭包含承載資料類型、封包時間戳記和封包順序等欄位,接收器可以利用這些欄位執行內容識別、時序同步╱重建以及封包遺失和封包亂序的偵測。延遲時間變動的復原則是透過封包緩衝和封包排序功能來完成。

第七層(應用層)所使用的其它音質相關技術包括錯誤隱藏和迴音消除。錯誤隱藏對於音質非常重要,未採用Inteserv或DiffServ的公共IP網路會把語音當成資料處理,當網路必須丟棄封包時,語音封包和資料封包被丟棄的機率就完全相同。易受干擾影響的無線網路環境也會造成封包遺失。

傳送封包有任何遺失時,我們也可將最後收到的封包當成遺失封包再使用一次,這種方法稱為最後封包重送機制。另一種類似的機制是利用內插法產生遺失的封包。

語音封包在IP網路的全程延遲時間幾乎都超過50毫秒,所以回音消除技術的使用就變得不可或缺。ITU G.165/G.168標準定義了回音消除器的效能需求。回音消除器會比較網路傳送或接收的語音封包,然後將回音資料消除。

安全性

802.11原有的安全機制WEP已證明太過脆弱,無法保護對安全性要求嚴格的企業環境。WEP很容易遭到重送攻擊、資料偽造、來源和目的地偽造等攻擊,金鑰也很容易被竊取。

多數企業使用虛擬專用網路(VPN)來彌補WEP不足,但虛擬專用網路支援VoIP時卻會遇到下列問題:大部份虛擬專用網路都採用IPsec ESP通道模式,它會將包含IP優先等級位元和服務類型等QoS資訊的原始IP標頭加密和封裝;由於原始IP標頭被加密,核心IP網路將無法分辨那些是高優先權的語音封包,那些是低優先權的資料。

WiFi保護存取(WPA)的出現就是為了克服WEP的缺點,其重點在於提供金鑰管理和更安全的金鑰、為封包加上序號以避免重送攻擊,並利用訊息完整性編碼確保資料和標頭的完整性。WPA是IEEE 802.11i (WPA2)版本的子集,所有產品都必須支援這項功能才能通過Wi-Fi聯盟認證。

WPA支援動態和靜態金鑰管理機制以滿足不同的市場需求。802.1x動態金鑰管理的安全性更高,所以很適合企業應用;另一方面,由於它要使用Radius伺服器執行身份驗證,因此建置成本也較高。無線網路語音的安全和身份驗證不僅對企業應用很重要,消費產品和網路也需要這些功能。WPA的預分享密鑰(PSK)靜態金鑰管理功能很適合無法負擔或不需要Radius伺服器的小型企業和家庭用戶。

WPA2除了保留802.1x身份驗證功能和WPA的PSK之外,還支援暫存密鑰完整性協定(TKIP)和RC4加密,以及採用AES先進加密技術的AES-CCMP加密機制。

行動性

漫遊能力是為無線網路語音使用者提供行動力的重要關鍵,企業環境和無線上網熱點對於這項功能尤其重視(圖2)。橫跨多個延伸服務區(ESS domain)的漫遊環境是由第三層漫遊標準所定義,交接延遲時間則是實現漫遊功能的最大挑戰,這個延遲時間應控制在50毫秒範圍內,否則會導致語音連線中斷或通話品質大幅下降。

第二層漫遊功能的延遲時間會受三大因素影響:掃描、重新連結和重新驗證身份。交接延遲時間包括無線網路裝置掃描‘可用基地台’的所需時間、重新連結時間以及重新驗證身份的所需時間。網路系統必須利用特殊技術減少每個階段的所需時間,才能將交接延遲時間控制在50毫秒以內。

通道掃描方式可分為主動掃描和被動掃描兩大類,無線網路語音大都採用主動掃描。每個通道的主動掃描時間平均約為10到25毫秒,這表示802.11b/g網路約需20到300毫秒才能完成整個2.4到2.483GHz頻帶的主動掃描,這個時間顯然長到令人無法接受。

預先掃描以及通道圖是用來解決掃描時間太長的兩種常見方法。採用預先掃描技術的無線裝置會在連結至現有基地台的同時預先掃描附近可用的其它基地台,這種做法的缺點是它在掃描時就不能傳送或接收資料封包,因此可能造成封包遺失。解決這個問題的方法之一是利用802.11標準的自動省電模式,但不要讓裝置進入省電模式,而是讓它執行預先掃描。基地台會將正在執行掃描動作的裝置看成處於省電模式,並將傳送至該裝置的封包暫時保存。自動省電模式的問題在於其省電間隔時間通常會隨著信標間隔時間的不同而超過100毫秒,但語音封包可能每隔20毫秒或更短時間會抵達,這方式將使得語音封包延遲時間變的更加嚴重。

使用通道圖時,無線裝置只會掃描通道圖所列出的通道,而不是所有通道,這能大幅減少掃描和探測過程所需時間。通道圖清單可以透過網路學習的方式動態更新,或是由網路管理員預先設定。

重新連結和重新驗證身份

當使用者從一個基地台漫遊至另一基地台時,無線裝置必須中斷現有線路並切斷與原有基地台的連結,然後再連到下一個基地台,否則該裝置就會同時連結兩個網路。一般而言,採用IEEE 802.11f IAPP的無線裝置大約需要20到80毫秒才能連結到新的基地台,這是因為IAPP在漫遊時需要很長時間傳送裝置的作業資訊。如果裝置能在提出重新連結要求時先將其安全性資訊送到下一批可能連結的基地台,IAPP的延遲時間就會大幅縮短。

同時隨著Radius伺服器工作量的不同,可能需要數秒或更久時間才能完成802.1x Radius驗證程序,設計人員可利用預先驗證等技術縮短重新驗證身份的所需時間。採用預先驗證方式的無線裝置從基地台A漫遊到基地台B時不必重新驗證身份,因為Radius伺服器已預先完成身份驗證,無線裝置只需與基地台B執行後續的四次商議金鑰管理協定來取得PTK和GTK以便保護單播和廣播封包。

第三層漫遊是第二層漫遊的超集合,無線裝置須先執行包含基地台掃描和探測在內的第二層漫遊,才能開始第三層漫遊。為讓裝置建立第三層連結,行動IP通訊協定會設定本地代理和外地代理,本地代理會建立通道並將流量轉送到外地代理,這些外地代理可能位於無線上網熱點或是其它地方。尋找外地代理、Mobile IP註冊本地代理和外地代理以及通道建立過程都可能增加第三層漫遊的延遲時間。

Mobile IP仍在發展中,它只針對裝置與基地台的連結提供解決方案,並沒有解決延遲時間等問題。許多組織都在努力發展解決方案,希望將延遲時間縮短到50毫秒以內;除此之外,新的IEEE 802.11工作小組802.11r(快速漫遊)已於2004年成立,其主要任務是發展無線網路語音漫遊標準來解決這些問題。

製造商為掌上型裝置增加無線網路語音功能時會面臨三大障礙:1. 不能造成系統體積變大;2. 不能造成電池壽命大幅縮短;3. 不能對行動電話、GPS和藍芽等現有無線功能產生干擾。無線功能整合度的增加有可能導致射頻干擾加劇,因此把多種行動通訊功能或是行動通訊與802.11、GPS和藍芽等功能整合至手機時,設計人員必須考慮它們可能造成前所未有的干擾現象。

許多技術可以防止時間或頻率碰撞以避免裝置內的多種無線功能彼此造成射頻干擾。但有時無線裝置確實需要同時使用多種射頻功能,而且它們的操作頻帶都很接近。

多種射頻功能同時操作時,設計人員必須考慮某個射頻子系統的功率頻譜可能會溢出到另一個射頻子系統。例如802.11b標準就規定第二個旁波瓣導通頻帶不能超過-50dBr,對於12dB/MHz傳送功率頻譜而言,這表示第二個旁波瓣的功率頻譜必須是-38dBm,遠超過其它射頻裝置所要求的-94dBm雜訊基準,因此802.11裝置必須提供頻帶外功率遮罩以確保旁波瓣訊號功率不會干擾其它射頻子系統。

為協助避免時間或頻率碰撞,802.15.2 IEEE工作小組已於2003年6月公佈一份無線共存建議。無線共存機制目前可分為協作型和非協作型兩大類,多射頻功能裝置可在媒體存取控制層提供協作型共存機制以避免藍芽和802.11在2.4GHz頻帶出現時間碰撞。如果是藍芽射頻和802.11射頻個別存在不同的兩部無線裝置中,其中的藍芽功能就應該使用非協作型機制,這樣才能透過適應性跳頻技術避免造成頻率碰撞。

省電能力

通話時間和待機時間是與手機電池壽命有關的兩項重要因素。降低待機耗電量是延長待機時間的關鍵,這對提供無線網路語音功能的手機尤為明顯,因為這類手機多數時間都處於待機狀態。只要手機沒有使用無線網路語音功能,待機耗電量很小的無線網路子系統就不太會影響行動電話的待機時間和通話時間。

可攜式裝置平均有95%的時間處於待機模式,因此降低待機模式耗電量並以最高速率傳送資料就能將電池所受影響減至最少。待機模式通常是影響電池壽命的最大因素,製造商可利用低耗電量待機模式讓整個系統的待機耗電量減少10倍。低耗電量待機模式是將無線網路語音功能整合至數位相機、GPS、數位媒體轉接器和行動電話等裝置的真正關鍵。

作者:Joseph Chou


技術行銷總監


串流媒體


DSP部門


德州儀器公司




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