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VoWi-Fi的設計挑戰(zhàn)剖析

2008/10/29

　　隨著寬帶通信和Wi-Fi接入點的日益增多，以及VoIP的日益普及，兩種技術的融合近在咫尺。VoIP-over-Wi-Fi (VoWi-Fi)有希望成為進一步推動VoIP和寬帶普及的理想應用。Infonetics的調查報告顯示，2004年出售的VoWi-Fi手機大約為11.3萬臺，這種較高的應用比率將一直持續(xù)到2009年。

　　然而，為了使大眾能容易理解并采用VoWi-Fi，生產(chǎn)手機的OEM和ODM廠商還要克服許多技術障礙。例如，盡管新的標準(如802.11g)的傳輸速率已高達54 Mbits/s，然而目前許多已安裝Wi-Fi的熱點仍在運行舊的802.11b標準，其傳輸速率僅為11 Mbits/s。

　　根據(jù)無線網(wǎng)絡的共享特性，不同的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)率意味著必須考慮每個語音呼叫所需消耗的帶寬數(shù)量�？赡艽嬖诘膸捪拗谱詈檬峭ㄟ^選擇VoWi-Fi設備所支持的語音編解碼器來解決。此外，Wi-Fi網(wǎng)絡中的帶寬問題促使我們需要提高Wi-Fi網(wǎng)絡上及整個端對端網(wǎng)絡上的固有服務質量(QoS)水平。

　　許多人把VoWi-Fi手機視為當今無繩電話或歐洲數(shù)字無繩電信系統(tǒng)(DECT)電話的VoIP替代品。因此，用戶將期望有類似的待機、通話時間以及其他新功能。所以，電源管理和延長電池工作壽命的能力是任何VoWi-Fi設備的關鍵元素。

VoWi-Fi帶寬考慮/編解碼器選擇

　　當拿每個VoIP通道所需的典型帶寬與大多數(shù)Wi-Fi接入點的可用帶寬比較時，我們發(fā)現(xiàn)似乎沒有必要討論VoIP應用的帶寬可用性。畢竟，即使是舊的802.11b標準也有11Mbit/s的傳輸速率。因為G.711運行在相對來說微不足道的64kbit/s速率，Wi-Fi帶寬似乎遠遠超過VoIP編解碼器的最低要求。

　　然而，請想一想爭取Wi-Fi頻段的應用的巨大數(shù)量：家庭媒體服務器的流式MP3音頻、多玩家游戲、網(wǎng)上沖浪和其他設備到設備的數(shù)據(jù)傳輸，再想一想會迅速把連接速率從11 Mbits/s下降為5.5、2甚至1 Mbits/s的各種環(huán)境因素；這樣，你就不會再認為單次VoIP通話所需的帶寬與實際剩余帶寬之間的差異很巨大了。

　　VoIP設計為可在各種網(wǎng)絡環(huán)境(包括帶寬有限的網(wǎng)絡)中使用，因此業(yè)界已開發(fā)出的技術可把標準電話信號壓縮為更有效的比特流。傳統(tǒng)的電路交換普通老式電話業(yè)務(POTS)以64 kbits/s的數(shù)據(jù)傳輸速率捕獲語音通話。這種稱為G.711的編碼方案實施簡單，而且本身與電路交換網(wǎng)絡兼容，因此它仍然被廣泛應用于VoIP，以提供長話級話音。

　　為了更有效地利用網(wǎng)絡帶寬進行語音傳輸，業(yè)界已開發(fā)出多種備選語音編解碼器。這些編解碼器如G.729、G.723.1和iLBC使用多種復雜的處理技術來壓縮捕獲到的語音流，這意味著可大大減少傳輸相同電話聲道所需的網(wǎng)絡帶寬。然而，把電話聲道壓縮成較小比特流的結果會對音質造成或多或少的影響，并增加執(zhí)行編解碼器所需的處理能力。

　　利用當今的通信設備已有的處理能力，業(yè)界已開發(fā)出多種技術，以使VoIP通話比POTS網(wǎng)絡上的通話音效更好。其中，使用寬帶編解碼器的目的是為了提供比G.711保真度更高的語音復制。由于保真度較高，因此需要更多的帶寬來打包語音。在大多數(shù)情況下，寬帶編解碼器仍然比G.711消耗更少帶寬；然而，它們在DSP或CPU上執(zhí)行時所消耗的處理周期通常比G.711多很多。同樣地，需要平衡的因素包括可察覺的語音質量、網(wǎng)絡帶寬消耗和處理器性能。

　　表1比較了各種常見VoIP編解碼器及其通常的數(shù)據(jù)傳輸速率和代表性的平均鑒定分數(shù)(MOS)。MOS分數(shù)是一種主觀衡量，分為1至5分，分數(shù)越高，所察覺的業(yè)務質量越好。

　　由于VoIP連接的兩端必須使用相同的編解碼器，因此VoWi-Fi手機必須在設備限制范圍內(nèi)及其運行環(huán)境中提供種類盡可能多的編解碼器。當今大多數(shù)支持VoIP的端點都支持G.711和G.729，而且越來越多設備提供其他窄帶編解碼器(如G.723.1)以及用于功能更豐富的設備的寬帶編解碼器(如G.722.2)。

VoWi-Fi的服務質量

　　Wi-Fi網(wǎng)絡本身是一個共享介質，使用此網(wǎng)絡的所有用戶對可用帶寬具有相同的使用權。隨著支持Wi-Fi的設備繼續(xù)增多，越來越多的端點爭奪這種日益減少的資源。對于許多把Wi-Fi用作通信網(wǎng)絡的業(yè)務，接收或傳送數(shù)據(jù)中的周期性延遲不會導致可察覺的問題。然而，語音通信的實時性質，使擁擠的Wi-Fi網(wǎng)絡中發(fā)生的延遲或中斷更加不可接受。

　　最初的 802.11規(guī)范對服務質量沒有直接的規(guī)定；該協(xié)議設計為對訪問介質的所有設備具有公平、相等的接入權。然而，由于Wi-Fi已取得發(fā)展，應用范圍已擴大，因此提高固有服務質量水平的需要已變得很明顯。為滿足此需求，業(yè)界已開發(fā)出802.11e規(guī)范，其主要目標是為Wi-Fi網(wǎng)絡定義服務質量。802.11e規(guī)范設計的其中一個主要特點是，它對各種不同類型的通信流采用不同的“優(yōu)先級別”。

　　通過為特定類型的通信流指定較高的優(yōu)先級，網(wǎng)絡設備可以恰當?shù)嘏帕泻凸芾砹髁�，以在網(wǎng)絡擁擠的情況下傳送更高優(yōu)先級的通信流。802.11e標準定義了四種接入類別，語音相關的通信流被指定為最高優(yōu)先級，而為視頻數(shù)據(jù)、盡力傳送型數(shù)據(jù)和后臺數(shù)據(jù)按遞減順序指定剩余的級別。像所有優(yōu)先級方案一樣，流量分類的工作交由應用程序執(zhí)行，所有應用程序都必須“公平”地對待優(yōu)先級排序方案，以在網(wǎng)絡層上發(fā)揮作用。

　　此外，由于大多數(shù)VoIP通話不會在指定的當?shù)豔i-Fi網(wǎng)絡中開始和終止，因此必須把整個網(wǎng)絡設計為支持一致服務質量的方案。以太網(wǎng)能夠攜帶優(yōu)先級信息，作為802.1p擴展的一部分(現(xiàn)在包含在更新的802.1D規(guī)范中)。

　　此擴展定義了八個優(yōu)先級，使以太網(wǎng)交換設備上可以有許多截然不同的隊列。同樣地，通過使用DiffServ或IntServ協(xié)議，在網(wǎng)絡層中可以有服務質量保證。在設計可傳送VoIP話務的網(wǎng)絡時，必須考慮如何解決端對端業(yè)務質量的問題，以及在有線到無線網(wǎng)絡邊界如何轉換此服務質量信息。在支持802.11e的Wi-Fi接入點中，必須把802.11e映射到802.1p(或DiffServ)服務質量。
　　
　　802.11e規(guī)范在與VoWi-Fi手機配合使用時的另一個重要屬性是能夠定時傳送數(shù)據(jù)包到網(wǎng)絡上的端點。此特性使設備可以在某些定時間隔中協(xié)調一批數(shù)據(jù)包的接收。定義網(wǎng)絡流量何時到達的能力，使設備可以在需要傳輸話務或接收排定的輸入數(shù)據(jù)以外的時間關閉Wi-Fi子系統(tǒng)。這樣，系統(tǒng)設計員可進一步把設備的整體電量消耗減至最少。

VoWi-Fi的電池壽命問題

　　阻礙VoWi-Fi手機迅速普及的一個重要因素可能是電池壽命。許多第一代設備的待機時間比大多數(shù)便攜式電話的通話時間還要短。顯然，要使VoWi-Fi手機為消費者所廣泛采用，這些設備的電池壽命必須能夠比得上目前的便攜式、無繩或DECT電話的電池壽命。更復雜的問題是，用戶已習慣便攜式電話的小體積，這就在設備可使用的電池大小方面對OEM或ODM設置了限制。

　　設備中的Wi-Fi組件是VoWi-Fi手機中消耗最多電池電量的組件之一。雖然新一代Wi-Fi芯片的耗電量將大大減少，但VoWi-Fi手機中許多其他器件要共享有限的電量。例如，傳統(tǒng)的DSP設計需要多個處理器或系統(tǒng)級芯片器件來執(zhí)行所有的VoIP功能。

　　在這些設計中，一般的人機界面(MMI)以及VoIP通話控制功能使用傳統(tǒng)的應用處理器(ARM、MIPS等)，而DSP則用于語音到數(shù)據(jù)包到語音的轉換。此方法在便攜設備的設計中暴露出很多缺點。

　　最后，使用分立的應用處理器和DSP(不管是作為獨立組件還是作為系統(tǒng)級芯片的核心)會導致更大的物理封裝，從而減少了產(chǎn)品中較大電池的可用內(nèi)部面積。此外，整個系統(tǒng)中組件的增多會增加設備的整體電量消耗。

“無DSP”設計

　　有一種技術可改善VoWi-Fi設備電量消耗，即充分利用“無DSP”設計方法，在這種設計中，語音處理是在應用處理器中進行的。隨著用于便攜式用途的通用應用處理器的發(fā)展，它們已有足夠的處理能力執(zhí)行需進行大量計算的工作(如語音處理)以及其他的一般應用功能。在應用處理器上執(zhí)行語音處理功能以及去掉DSP，可直接實現(xiàn)節(jié)能和減少物理封裝體積。圖1顯示了無DSP的VoWi-Fi手機。

　　與VoWi-Fi設備電池供電、便攜特性有關的考慮因素也必須應用于整個軟件架構。為了在待機狀態(tài)下盡可能地省電，在不進行處理時，系統(tǒng)必須關閉外部硬件以及處理器的電源。

　　在不通話時，設備只應執(zhí)行非常少量的、不經(jīng)常進行的工作。內(nèi)嵌的操作系統(tǒng)和相關的應用程序應定期喚醒(時間間隔介于250 ms和500 ms之間)以檢查有沒有輸入事件，如收到要求開始VoIP通話的SIP通話控制數(shù)據(jù)包。可能提高系統(tǒng)處理層次的其他事件包括用戶按鍵盤上的按紐以啟動通話。在這種情況下，硬件應設計為允許中斷，以喚醒系統(tǒng)的適當部分并開始處理適當?shù)墓ぷ鳌?

　　允許對處理器時鐘頻率進行程序式控制的CPU子系統(tǒng)可被用來延長VoWi-Fi設備的電池壽命。通過讓處理器以較慢的時鐘頻率運行以進行正常的MMI交互作用，然后突然提高處理器速度，提供最大的性能以在VoIP通話過程中進行語音處理，系統(tǒng)可持續(xù)地設法從電池騰出額外的待機和通話時間。單處理器、無DSP架構實際上使應用程序開發(fā)員可以更容易地實施程序式的處理器速度控制，因為他們無需擔心系統(tǒng)中多個處理器之間可能發(fā)生的時鐘同步問題。

　　從VoIP軟件子系統(tǒng)的角度來看，必須小心不要假設系統(tǒng)中指定硬件資源的可用性，也不要鎖定某一指定的資源而使其無法在長時間不需要使用時斷電。VoIP軟件的設計必須以這種“外部”控制觀點為核心。

　　VoIP軟件應設計為應用程序可以控制VoIP軟件執(zhí)行的時間(及其可訪問的資源)，使系統(tǒng)在任何特定的時間不需要某些硬件資源時關閉或中斷它們。例如，當沒有正在進行的通話時關閉麥克風和喇叭接口，將有助于延長電池壽命。如果這是通過簡單的運行至完成模式來實現(xiàn)的，那么應用程序能夠按需要在通話間隔時間內(nèi)關閉系統(tǒng)的各個部件。

VoWi-Fi的前景

　　此處的設計考慮因素適用于單模、專用VoWi-Fi手機以及新興的結合便攜式和VoWi-Fi功能的“雙�！笔謾C。實際上，VoWi-Fi的增長預計將來自于承諾可在兩種網(wǎng)絡制式之間無縫切換的“雙模”手機。

　　雖然部署VoWi-Fi電話將面臨許多挑戰(zhàn)，但適當?shù)睾喜⒖紤]以下因素可輕易克服這些挑戰(zhàn)：選擇VoIP編解碼器以獲得適當?shù)膸挷崿F(xiàn)質量最優(yōu)化、使用支持802.11e的Wi-Fi網(wǎng)絡以確保語音話務的優(yōu)先級以及使用無DSP架構以延長VoWi-Fi手機的電池壽命。

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