VoWLAN技术研究与测试——数据与多媒体通信

　　目前的IT产业领域中，WLAN和VoIP是人们关注的热点，因此使用WLAN提供语音服务（VoWLAN）的终端设备也就应运而生。VoWLAN终端设备利用现有的WLAN网络实现无线的VoIP语音通话，用户可以通过VoWLAN终端设备在WLAN网络的覆盖范围内随时进行语音通话。这既发挥了IP网络成本低的特点，又使得用户获得WLAN带来的方便性。

　　一、VoWLAN应用方式

　　VoWLAN系统有两种应用方式，一种针对有线办公和住宅电话，也就是基于传统终端的解决方案，如图1所示。

　　对于传统的语音终端，为了实现VoIP，需要添加VoIP网关设备。网关的主要功能是信令处理、协议转换、语音编码和解码以及路由协议处理等，对外分别提供与PSTN网和IP网连接的接口。因此，基于WLAN的网关设备其实是无线接入点（AP）和VoIP网关设备相结合的产品。一方面用户端设备通过模拟语音接口接入VoIP网关；另一方面，该网关通过内置的WLAN功能将语音打包成IP分组包之后，通过无线链路传送至起中继作用的接收站无线网桥。这种应用方式类似于有线LAN的VoIP解决方案，只是利用了已经敷设的WLAN，解决了VoIP的布线问题，用户终端无需做大的改动，从而节省了用户费用。

图1基于传统终端的VoWLAN系统应用方式

　　另一种VoWLAN应用方式是针对支持WLAN的便携式语音终端，如图2所示，在PDA、移动电话、笔记本电脑等上使用通常所说的Softphone就可以实现。这种方式的基本特点是终端一般内置无线局域网模块，与无线接入点（AP）的通信采用802.11协议，内嵌的VoIP语音压缩技术使得模拟语音通过终端后被打包成IP数据包，然后通过WLAN无线链路，最终直接在Internet上传输语音数据。这种方式可以使得在Internet任何地方语音交流完全免费，且保证了终端的可移动性。

图2基于便携式终端的VoWLAN系统应用方式

　　二、VoWLAN关键技术

　　虽然基于WLAN的VoIP技术与有线网络类似，但是由于无线网络固有的特性，在支持上层的实时业务时与有线网络有很大差异，导致无线网络传输的语音质量有可能比有线网络要差很多，因此必须采取特殊的措施来保障一定的业务质量。VoWLAN的关键技术主要包括信令技术、编码技术、实时传输技术以及服务质量QoS保证技术等。

　　2.1信令技术

　　VoWLAN系统中，信令技术保证呼叫的顺利实现和语音质量。目前被广泛接受的信令体系包括ITU-T的H.323系列和IETF的会话初始协议SIP。

　　ITU的H.323系列建议定义了在无业务质量保证的因特网或其他分组网络上多媒体通信的协议及其规程。H.323标准是局域网、广域网和Internet上多媒体技术的基础保障，它是ITU-T有关多媒体通信的一个协议集，包括用于ISDN的H.320，用于B-ISDN的H.321和用于PSTN终端的H.324等建议。其编码机制，协议范围和基本操作类似于ISDN的Q.931信令协议的简化版本，并采用了比较传统电路交换方式。相关的协议包括用于控制的H.245，用于建立连接的H.255.0，用于大型会议的H.332，用于补充业务的H.450.1、H.450.2和H.450.3，有关安全的H.235，以及与电路交换业务互操作的H.246等。H.323提供设备之间、高层应用之间和提供商之间的互操作性，它不依赖于网络结构，独立于操作系统和硬件平台。同时，H.323还具备相当的灵活性，支持包含不同功能的节点之间的会议和不同网络之间的会议。

　　虽然H.323提供了窄带多媒体通信所需要的所有子协议，但H.323不支持多点发送（Multicast）协议，只能采用多点控制单元（MCU）构成多点会议，因而同时只能支持有限的多点用户。H.323也不支持呼叫转移，且建立呼叫的时间比较长。

　　与H.323不同，SIP是一种比较简单的会话初始化协议。它不像H.323那样提供所有的通信协议，而是只提供会话或呼叫的建立与控制功能，且既支持单点发送（Unicast）也支持多点发送，会话参加者可以随时加入一个已经存在的会议。

　　SIP是一种应用层协议，可以用UDP或TCP作为其传输协议。与H.323不同的是：SIP是一种基于文本的协议，用SIP规则资源定位（SIPUniformResourceLocations）语言描述，这样易于实现和调试，更重要的是灵活性和扩展性好。由于SIP仅用于初始化呼叫，而不传输媒体数据，因而造成的附加传输代价也不大。SIP的URL甚至可以嵌入到Web页或其他超文本链路中，用户只需点击鼠标就可以发出呼叫。与H.323相比，SIP还有建立呼叫快，支持传送号码的特点。

　　2.2编码技术

　　语音压缩编码技术是VoWLAN技术的一个重要组成部分。目前主要的编码技术有ITU-T定义的G.729、G.723、G.723.1等。其中，G.729可将经过采样的64kbit/s语音以几乎不失真的质量压缩至8kbit/s。由于在分组交换网络中，业务质量不能得到很好保证，因而需要语音编码具有一定的灵活性，即编码速率、编码尺度的可变可适应性。G.729原来是8kbit/s现在的工作范围扩展至6.4kbit/s～11.8kbit/s，语音质量也在此范围内有一定的变化。G.723.1采用5.3/6.3kbit/s双速率语音编码，其话音质量好，但是处理时延较大。表1是G.723.1、G.729和G.729A的部分性能比较。

[table]

编码方法

G.723.1

G.729

G.729A

比特率

5.3/6.3kbit/s

8kbit/s

8kbit/s

帧长度

30ms

10ms

10ms

处理时延

30ms

10ms

10ms

观看时延

7.5ms

5ms

5ms

帧字节数

20/24

10

10

DSP MIP

16

20

10.5

RAM

2200

3000

2000

[/table]

　　此外还需要注意的一个问题是，语音编码的带宽和实际所占用的带宽是不同的，语音编码的带宽是实际语音包的带宽，而语音包在网络上传输时，还需要增加各种报头，如RTP包头、UDP包头和IP包头。由于语音包本身很小，所以这些额外的带宽都是很可观的。表2中列出了各种编码方式下和打包时长所对应的实际带宽。

　　语音编解码打包时长语音数据带宽实际所占带宽

[table]

语音编解码

打包时长

语音数据带宽

实际所占带宽

G.723.1（5.3K）

30ms

5.3K

16.2K

G.723.1（5.3K）

60ms

5.3K

10.6K

G.723.1（6.3K）

30ms

6.3K

16.8K

G.723.1（6.3K）

60ms

6.3K

11.6K

G.729

20ms

8K

24K

G.729

60ms

8K

13.3K

[/table]

　　由表2可以很明显的看出，打包时间越长，所占用的实际带宽越小，但时延越大。

　　2.3服务质量QoS保证技术－802.11e

　　VoWLAN系统中，由于无线链路引入的串扰和多径传播将导致衰落和色散，从而引起系统的附加时延和抖动。而语音业务对于时延和抖动非常敏感，因此在VoWLAN系统中提供一种QoS保证技术就显得非常重要。

　　IEEE802.11标准定义了两种不同的信道访问机制：一种是点协调机制（PCF），基于CSMA/CA方式；另一种是分布式协同机制（DCF），基于轮询方式。但是这两种都没有划分优先级，因此随着用户数的增多，MAC不能保证为实时语音业务提供可靠的分组传输且传输时延和抖动在规定范围内。为此，IEEE802.11工作组的媒体访问控制（MAC）改进任务组（即E任务组）对802.11的MAC层协议进行改进，使其可以支持具有QoS要求的应用，即IEEE802.11e标准。

　　IEEE802.11e中，MAC接入采用混合协同功能（HCF）控制机制。HCF与PCF和DCF直接兼容，而且可以支持优先级和参数化的媒体访问服务。HCF结合了竞争和轮询两种机制，其中，基于竞争的访问机制称为增强式点协同功能（EPCF），而无竞争的访问机制称为增强式分布系统功能（EDCF）。

　　EDCF对业务先进行分级，为不同的优先级数据提供不同的服务输出队列，每个服务队列采用EDCF方法来竞争传输资源。主要表现在不同优先级队列拥有的最小闲散时间（DIFS）和竞争窗口不一样，可利用参数来改变竞争窗口大小，从而可以获得不同的重发等待时间，保证了实时业务有更高的服务优先级。

　　EPCF信道访问方法采用QoS相关的点协同功能，称为混合协同器（HC）。HC利用点协同功能把优先级信道分配给无线终端，用于传输有QoS需求的数据，来满足预定义的传输优先级、服务速率、延时和抖动。有QoS需求的移动终端可以给HC发送预留请求（RR）。移动终端可以在EDCF模式或者EPCF模式下发送RR，也可以在受控竞争间隔（CGI）内发送。

　　由上可见，随着对QoS研究的不断深入，IEEE802.11e协议也在逐步完善，一方面在原有的框架内修改了分布式和集中式的协调机制，并保持了对传统协议的兼容；另一方面也提出了一些独特的解决方案，如批应答和准入控制。根据国外做出的研究和仿真报告，IEEE802.11e可以实现很好的QoS性能。

　　2.4实时传输技术

　　VoWLAN系统中也用到了实时传输技术，主要是采用实时传输协议RTP。RTP是提供端到端的包括音频在内的实时数据传送的协议。RTP包括数据和控制两部分，后者叫RTCP。RTP提供了时间标签和控制不同数据流同步特性的机制，可以让接收端重组发送端的数据包，可以提供接收端到多点发送组的服务质量保证。

　　此外，静音检测技术和回波消除技术也是十分关键的技术。静音检测技术可有效剔除微弱信号，从而使语音信号的占用带宽进一步降低到3.5kbit/s左右；回波消除技术主要利用数字滤波器技术来消除对通话质量影响很大的回波干扰，保证通话质量，这点在时延相对较大的VoWLAN系统尤为重要。

　　三、VoWLAN系统测试

　　VoWLAN系统测试中，主要可划分为语音质量分析和传输性能分析两个方面。由于VoWLAN完全建立在分组交换基础上，而分组交换固有的时延、丢包等弱点使VoWLAN系统的通话质量得到不保证，因此在VoWLAN系统中，通话质量一直是人们最为关注的问题之一，语音质量的测试也就成了一项关键的指标。

　　影响VoWLAN系统通话质量的因素

　　由于本身的技术特定，影响VoWLAN系统通话质量的因素很多。从用户通话过程中的主观感受而言，主要有以下几个方面。

　　>带宽

　　当带宽不足时，语音质量会明显的下降；充足的带宽是保证语音质量的基础。

　　>时延

　　由于IP电话需要对语音包进行编码和解码，再加上传输的时延，这就使得IP电话的时延要比普通电话大的多。当时延大于400ms时，人就可以明显的感觉出来，当时延大于2s时，交流就会比较困难。IP电话的编码时延大约在120ms左右，传输时延是影响IP电话时延的主要因素。

　　>抖动

　　所谓抖动，就是每个语音包传输时间之间的差别：当抖动超过一个语音包的时长时，语音质量就会明显下降。通过提高打包时长，可以减少抖动对语音质量的影响。

　　>丢包

　　一般来说，丢包对语音质量影响不大，当丢包在10%以下时，不会有明显的感觉；但是当丢包大于20%时，就会影响语音的质量。

　　>静音检测

　　静音检测检测能够减少传送的语音包数量，减少所需的带宽。但同时静音检测可能会丢掉一些微弱的声音，在静音到非静音的转换过程中，会给用户不连贯的感觉。

　　>背景噪声生成

　　背景噪声主要解决当静音检测时静音和非静音转换时的问题，通过加入背景噪声，用户会觉得语音比较连贯，但背景噪声毕竟不是真实的，实际上也降低了语音质量。

　　>回波抵消

　　由于IP网络时延的不确定性，回波抵消本身就有可能导致语音的失真。

　　四、VoWLAN系统语音质量测试

　　4.1主观评价与客观评价

　　端到端语音质量的评价方法主要有两种：主观评价和客观评价。

　　主观评价方法的依据是ITU-TP.800（传输质量的主观评价方法），利用人本身的主观感觉给听到（或对话）的语音的满意度打分，打分的基本原则是可懂度。依此分数来评价端到端的语音质量。

　　主观评价试验是需要设计的。设计的内容主要包括物理条件，例如空间大小，噪声环境等；试验人员的选择，如是否有听力问题，是否第一次参与试验等；语音样本的选择以及测试数据的收集与整理方法等等。

　　同时，主观评价试验的结果是一个统计的结果，是对众多评价数据进行收集、统计，最后得到一个“平均意见得分”，也就是MOS分。特别需要说明的是，每一次主观评价试验的结果可能是不同。

　　由此看出，主观评价方法并不适用于实验室对某个特定连接进行语音质量的评定，它仅适用于在实验室环境下，对受控的连接和语音样本进行综合评价。

　　客观评价主要解决如何利用客观的方法评价语音质量。根据声学特性以及人的心理声学模型，归纳出客观评价指标。但是需要说明的是，任何客观评价方法都是以主观评价为基础的。也就是说，客观评价方法是否正确、合理，一定需要通过主观评价来评估。只有结果与主观评价取得一致的客观评价方法，才是正确的方法。

　　另外，语音质量的客观评价是可以重复的，即在相同测试条件下得到的客观评价分数是相同的（这一点与主观评价非常不同）。

　　从上述分析看出，作为实验室测试设备和系统应采用客观评价方法。但采用何种客观方法更合理、更准确，则需通过主观试验来验证。

　　4.2VoWLAN系统语音质量测试—客观评价

　　目前，客观评价语音质量的方法是在听觉模式下，在语音通道中（端到端地）传送语音样本信号；再将接收到的语音信号与（经适配后的）原始样本信号进行比较，以得到一个结果，然后根据ITU-TP.800.1建议的方法，计算出MOS分值。因此，VoWLAN系统语音质量测试客观评价方法如图3所示。

图3客观评定测试方法

　　需要注意的是，由于WLAN受空中电磁波影响很大，因此测试中应将待测设备与测试仪表的射频接口通过射频电缆相连，且置于屏蔽箱内，才能保证待测设备处于“干净”的环境内，得到的结果是可靠且可重复的。

　　此外，传输性能主要指设备的响度评定值、频率响应、噪声特性、失真特性、回声特性等，此外还有背景噪声传输和双向通话特性等等。这些指标全面地考察了VoWLAN系统在通话过程中的特性，由此能够分析设备的设计缺陷。

　　因此，传输性能的测试不仅可以完善语音质量的评价，还可以帮助提高设备的设计水平。

　　五、总结

　　VoWLAN设备在未来通信市场上的前景广阔，因此很多厂商都提供了相应的解决方案，市场上也出现了许多相关产品。但是VoWLAN移动终端并不仅仅是VoIP和WLAN的简单叠加，还需要基于WLAN基础设施解决QoS、无缝漫游、安全等诸多问题。而一旦拥有标准化的QoS、增强的安全性，可靠的及易操作的网络，VoiceoverWLAN的应用将会非常繁荣，与蜂窝系统形成有益的竞争和互补。

----《通信世界》

作者：信息产业部电信研究院泰尔实验室汪坤 刘晓红 张薇