VoWLAN的挑戰與發展

1、引言

隨著基于802.11的無線數據網絡在全球日益普及，終端用戶正尋找更多的途徑來擴展其應用模式，VoWLAN(Voice over WLAN)就是新興應用之一。

2、VoIP與VoWLAN

VoIP是Voice over Internet Protocol的縮寫，指的是將模擬的聲音信號經過壓縮與封包之后，以數據封包的形式在IP網絡的環境進行語音信號的傳輸。VoIP最大的優勢是能廣泛地采用Internet和全球IP互聯的環境，提供比傳統業務更多、更好的服務。

VoWLAN(Voice over WLAN)是對有線的VoIP系統的擴展，是傳統的模擬和數字語音通信的又一替代解決方案。它的優點是無線語音與數據應用以無線的形式匯聚，并且終端具有可移動性。VoWLAN系統有兩種工作方式。一種是把通過訪問點的語音信號傳輸到VoIP網關，該網關可以就是原來的有線VoIP網關，這樣語音數據在 IP網絡和PBX之間傳輸。這種方式使得傳統的有線辦公和住宅電話的功能都能在VoWLAN中實現。另一種VoWLAN方式是基于軟件的電話，就是 Softphone。這種方式直接在In

ternet上傳輸語音數據，用戶可通過PDA、移動電話和筆記本電腦在提供WLAN接入的區域免費使用這種軟件電話。

3、VoWLAN的實現面臨的挑戰

VoWLAN系統中，由于無線鏈路引入的串擾和多徑傳播將導致衰落和色散，從而引起系統的附加時延和抖動。而語音業務對于時延和抖動非常敏感，因此VoWLAN系統面臨著巨大的挑戰。

1.覆蓋與漫游

AP漫游是802.11協議的一個功能，這能使VoWLAN電話能夠自動在不同AP之間進行切換和移動。這種切換的時間必須非常迅速，以便能夠實現平滑切換不掉線。AP通常可以很快的處理，但是與AP相連的有線傳輸系統往往會產生延遲，而這種延遲是超過VoWLAN系統限度的。當用戶從一個AP 漫游到另一個AP時，傳統的WLAN鑒權協議會產生數據流的中斷。中斷一般會持續0.25～0.5s，這要依賴網絡的拓撲結構和鑒權服務器的位置。 VoWLAN用戶會經常移動，會在AP間頻繁切換，采用傳統的鑒權，終端移動時通話雙方都可能聽到瞬間的中斷。因此，絕大多數VoWALN終端的解決方案都要求具有專有的預占優先漫游算法來改善語音質量并且當用戶移動時在AP覆蓋范圍內切換時帶寬最大化。

2.移動性

移動性是很大的挑戰。當VoIP結點的移動跨越不同的子網時，即移動到不同的IP網段，這時候光靠鏈路層切換是不能解決問題的，目前對VoIP 電話移動性支持包括網絡層的Mobile IP協議和應用層信令協議SIP。SIP信令能夠在VoIP結點的位置發生變化時，通話對方可以透明地撥打該VoIP電話，例如VoIP結點在甲地和乙地可以用同一個電話號碼進行通話。

由于IEEE 802.11網絡的覆蓋范圍有限，當VoIP結點移出WLAN時，通話就會中斷。對于這個問題，目前的雙模手機是一種很好的方法，如圖1所示。當用戶在 WLAN范圍內時采用基于IEEE 802.11的VoIP電話，若移出則采用GPRS等技術構成的VoIP電話。當然，若要使通話不間斷，實現平滑切換，可以考慮使用Mobile IP技術。另外，可以在手機上裝上GPS，這樣可以更好地定位切換。

圖1　雙模手機應用模型

3.安全性

從安全角度來看，VoWLAN存在著很大的危機，所有沒有加密的數據都可能被篡改。VoWLAN用于安全系統的最大問題是它對拒絕服務攻擊，即 DoS(Denial of Service)。最基本的DoS攻擊就是利用合理的服務請求來占用過多的服務資源，從而使合法用戶無法得到服務的響應)的防御不夠。很容易人為地干擾 VoWLAN的信號，使語音通信中斷。目前的WPA和即將出臺的IEEE 802.11i標準(TKIP)都可以增強WLAN網絡的安全性。WPA包括基于IEEE 802.1X的認證和TKIP。TKIP采用RC4加密算法與各種機制，如Michael信息完整性代碼、每包密鑰構建機制(per-packet key)和擴展初始化矢量(IV)等，來消除WEP協議中潛在的安全性漏洞。IEEE 802.11i還將包含一個基于AES的加密/數據認證協議CCMP(CBC-MAC Protocol)。隨著802.11i標準的制訂和獲得批準，VoWLAN安全性將提供最高級別的保護，從而可以放心地使用VoWLAN。

4.QoS保證

IEEE 802.11標準定義了兩種不同的信道訪問機制：一種是點協調機制(PCF);另一種是分布式協同機制(DCF)。這兩種訪問機制都沒有劃分優先級，隨著用戶數的增多，MAC不能保證為實時語音業務提供可靠的分組傳輸且 傳輸時延和抖動在規定范圍內，也就是不能保證語音業務的QoS。為此， IEEE802.11改進任務組對802.11的MAC層協議進行改進，使其可以支持具有QoS要求的應用，即IEEE802.11e標準。IEEE 802.11e中，MAC接入采用混合協同功能(HCF)控制機制。HCF可以支持優先級和參數化的媒體訪問服務，并且結合了競爭和輪詢兩種機制，其中，基于競爭的訪問機制稱為增強式點協同功能(EPCF)，而無競爭的訪問機制稱為增強式分布系統功能(EDCF)。為了區別不同的業務類型，EDCF對不同業務劃分了優先級，但是它只提供了統計上的優先劃分，很難滿足每個語音包的時延要求。因此，EDCF也無法完全保證QoS，尤其是在高負載的環境下。

文獻[1]針對這個情況提出了提高語音業務在無限局域網中的容量來提高VoWLAN的QoS的方法。作者指出，無限局域網中語音業務的容量受到限制，主要原因是巨大的開銷和IEEE 802.11 MAC協議的效率不高。為了提高語音業務在無限局域網中的容量，文章引用了幾種方法，循環移位和站點移除選擇機制就是其中一種，這是采用了語音數據包的復用。另外，減少語音數據

包的開銷也可以提高VoIP的容量，譬如可以壓縮VoIP數據包的RTP/UDP/IP頭部來減少開銷。還有一些研究通過采用一種新的MAC層協議來提高容量。

參考文獻[1]采用了語音業務復用，確定性的語音優先權接入控制和減少開銷3個機制提高QoS性能來滿足語音業務的時延要求和數據業務的QoS 保證，同時它也提高了帶寬利用率。作者通過改進IEEE 802.11e HCF業務的時隙結構來達到較高的資源利用率，根據是否是語音業務來分配站點資源。上文已經提到，EDCF的統計上的優先接入可能會引起性能的不穩定，文獻[1]中的方案采取確定策略給語音業務一個較高的優先權，在減少開銷方面，文獻[1]是把傳送給某個站點的所有物理層和MAC層的開銷聚集起來然后通過 MAC層的一個幀來傳送，就大大減少了物理層和MAC的開銷。這樣，文獻[1]的方案就保證了VoWLAN的QoS。

4、VoWLAN發展現狀和前景

隨著寬帶服務提供商推出與寬帶連接捆綁在一起的VoIP業務和無線網關，VoWLAN在消費領域有著巨大的增長潛力。醫院、工廠、機場和零售商場等環境都是VoWLAN鎖定的主要市場。使用者可以加入電話會議，甚至運用攝像頭進行視頻會議，實現真正的移動辦公。

VoWLAN技術的最大潛在市場在于把其整合到手機中。通過VoWLAN手持電話可以無縫地接入現有的寬帶數據網絡和IP電話網絡，使之成為語音和數據的綜合數字終端。如今NOKIA、Samsung、Motorola等手機制造商已經推出WI-FI/GSM雙模手機。可以預見，蜂窩/WLAN 雙模手機將會逐漸普及，而且WLAN將成為手機的通用功能。

當然，和有線VoIP一樣，WLAN(VOWLAN)無線語音服務很大程度影響了無線網絡基礎設施建設。雖然數據網點覆蓋足夠，但VOWLAN 要求一種更密的訪問點布局。聲音也涉及服務質量和快速漫游的問題，不只在應用層次需要解決這些問題。在更基礎的WLAN架構和產品層次也需要根本的改變。 WLAN設備供應商開始在最近的產品改良中解決許多與VoIP相關的問題。

總之，VoWLAN并不僅僅是VoIP和WLAN的簡單疊加，還需要基于WLAN基礎設施解決諸多問題。而一旦擁有標準化的QoS、增強的安全性，可靠的及易操作的網絡，VoWLAN的應用將會非常繁榮，與蜂窩系統形成有益的競爭和互補。

參考文獻

[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