VoIP在无线局域网上的应用

 0、引言

随着Internet技术的发展和计算机的多媒体化，VoIP得到飞速发展。VoIP是利用基于路由器的IP分组交换网络实现话音通信的一项传输技术。该技术的最大优势在于IP电话采用了先进的语音编码技术，只需要8～12 kbit/s的带宽，可以在比传统电路交换网络的64 kbit/s小得多的带宽上传输。

1、VoIP基本原理与构架

VoIP是一种可以在IP网络上传输语音信号的技术。它借助一连串的转码、编码、压缩、打包等程序，使得语音数据在IP网络上传输到目的端，再经由相反的程序，还原成语音信号供接听者接收。VoIP模型的基本结构图如图1所示。

在IP网络上传输语音信号，要求一个基本的VoIP架构大致包含四个基本元素：媒体网关器(Media Gateway)、媒体网关控制器(Media Gateway Controller)、语音服务器、信号网关器(Signaling Cateway)。它们主要负责语音信号的IP封包，信号传输与转换，提供语音响应，进行相关交换控制以及增值服务等。

图1VoIP的模型结构

VoIP的传输过程可以大致分为五个阶段：

一是将模拟语音信号进行编码，通过对模拟语音信号进行8位或6位的量化使得语音信号得以在IP网络中传输，数字化的过程可以使用多种语音编码方案来实现;

二是将语音包以特定的帧长进行压缩编码，同时并添加寻址及控制信息，这样才能通过网络将数据转发到目的地;

三是IP包的传送，根据每个数据报文的目的地址，路由完成报文从源地址到目的地址的传送;

四是IP包的数据处理，到了目的地址，由目的地的VoIP 设备接收这个IP数据并开始处理，去掉寻址和控制信息，保留原始的原数据，然后把这个原数据提供给解码器;

五是将数字语音重新还原为模拟语音，并通过特定的频率用扬声器播出。

2、VoIP在WLAN的应用

随着基于802.11的无线数据网络在全球日益普遍，终端用户正寻找更多的途径来扩展其应用模式，VoWLAN(Voice over WLAN)就是新兴应用之一。

与有线VoIP不同，VoWLAN是利用WLAN网络实现无线的VoIP通话能力。它能让使用者随时访问语音、电子邮件和其它已联网的资源，同时提高了网络效率并降低了每次呼叫的成本，从而降低总体IT费用。

(1)VoWLAN面临的挑战——QoS保证

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。IEEE 802.11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，IEEE 802.11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。IEEE 802.11e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(ED-CF)。

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，IEEE 802.11e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，IEEE 802.11e可以实现很好的QoS性能。

(2)VoIP在WLAN的应用——移动性

移动性也是很大的挑战。无线电话用户可能会更频繁地在接入点之间漫游，这就要求在接入点之间具有无缝的，低反应时间的转移。当VoIP结点的移动跨越不同的子网时，即移动到不同的IP网段，这时光靠上一节的链路层切换还不能解决问题。

目前对VoIP电话移动性支持包括网络层的Mobile IP协议和应用层信令协议SIP.SIP信令能够在VoIP结点的位置发生变化时，通话对方可以透明地拨打该VoIP电话，例如VoIP结点在甲地和乙地可以用同一个电话号码进行通话。

另外，当正在通话的用户从甲地移动到乙地时，采用Mobile IP技术可以保证通话的不间断。

目前使用Mobile IP技术最大的问题是三角路由问题，即当VoIP结点的位置发生变化时，通信对方发给VoIP结点的话音数据，仍然要先发给家乡代理，再由家乡代理向 VoIP结点转发。

双方之间不能直接进行通信，会增大双方的通话延迟时间。三角路由如图2所示。为了消除三角路由，可以采用路由优化技术，如Mobile IPv6等。

图2三角路由问题

另外，由于IEEE 802.11网络的覆盖范围有限，当VoIP结点移出WLAN时，通话就会中断。对于这个问题，目前的双模手机是一种很好的方法，如图3所 示。

当用户在 WLAN范围内时采用基于IEEE802.11的VoIP电话，若移出则采用GPRS等技术构成的VoIP电话。当然，若要使通话不间断，实现平滑切换，可以考虑使用Mobile IP技术。

图3双模手机应用模型

(3)VoIP在WLAN的应用——安全性

最后，安全性也是一个复杂的问题，但必须加以解决，以使用户能放心地进行语音或数据通讯。从安全角度来看，语音和数据通讯是完全一样的。安全算法解决方案，如目前的WPA和即将出台的IEEE 802.11i标准(TKIP)，都将增强WLAN网络的安全性。

WPA包括基于IEEE 802.1X的认证和TKIP.TKIP采用RCA加密算法与各种机制，如Michael信息完整性代码、每包密钥构建机制(per-packet key)和扩展初始化矢量(IV)等，来消除WEP协议中潜在的安全性漏洞。

IEEE 802.11i还将包含一个基于AES的加密/数据认证协议CCMP(CBC-MAC Protocol)。随着802.11i标准的制订和获得批准，VoWLAN安全性将提供最高级别的保护，使之可以得到广泛布署。

3、VoWLAN发展前景

VoWLAN在实现和运营方面存在很多障碍，但消费者对此项应用的需求非常强烈。在企业领域，特别是在医疗卫生等垂直行业，VoWLAN发展势头将会越来越强劲。

蜂窝-WLAN双模手机将会逐渐普及，而且一旦价格降到一定水平，WLAN将成为手机的通用功能，因此VoLAN在消费领域有着巨大的增长潜力。