用单流802.11n实现的VoWiFi

基于IEEE802.11无线局域网标准家族，无线网络的发展可以说是近几年技术界最成功的故事。先不说这些标准自身，WLAN在全球的普遍应用则是受到了Wi-Fi联盟互操作性测试和认证的协助及加速──以至于Wi-Fi这个术语已经普遍代替了“WLAN”。 在无线局域网（WLAN）的增长初期，它的主要角色是为有线局域网连接提供一个兼容的无线数据网络替代品。然而，随着它的能力不断增强── 其标准也不断增强，可以提供更高数据率、更好的服务质量以及诸如省电等特殊模式──它快速地成为了大量电子设备的一个组成部分，包括电话、游戏机、音乐播放器、传感器以及其他消费电子产品。在这些应用中，增长最迅速的应用之一要算是在无线网络上传输语音的应用──这还要部分地感谢多种商用VoIP服务的普及效应。 Wi-Fi联盟已经认识到Wi-Fi上的语音（VoWiFi）的巨大潜力，所以发布了一个认证项目，称为Voice-Personal，可以在家庭或小办公室环境下，确保Wi-Fi设备满足实现VoWiFi的需求。同以往Wi-Fi联盟的认证关注协议符合程度及互操作性不同，这个Wi-Fi 认证的Voice-Personal有了一定的扩展，转而关注特定的应用，并且基于性能测试进行。这一项目于2008年7月发布，Redpine Signals的Lite-Fi是首批支持该认证的产品之一。 在本文中，我们通过逐一讲解影响用户体验满意度的参数，让大家对VoWiFi性能的背景知识有一个了解。我们还会对这些要求中的一些进行详细阐释，并讲解如何在VoWiFi设备中实现他们。 VoWiFi的要求 传统上，语音总是在固定延迟、面向连接、低差错率的传输介质上进行传输的。对于基于WLAN的网络来说，这些特性都是需要特别提供的。从用户的角度来看，如果特定的需要都能满足，跑在WLAN上的语音理应同在其他专为语音设计的网络上是相似的。这些要求包括： 延迟：一个双路、交互的通讯，如语音通讯要求介质的包延迟是有限的。其连接必须能够应付如同面对面谈话一样的说话频率。通常在VoWiFi中可以接受的延迟的极限是50ms。 抖动：这是包到达时间的变化。尽管在接收端已经有抖动缓冲器来处理这个问题，但是也需要网络尽量避免它。 丢包：用来传递语音包的协议并没有提供重新传递丢失包的机制。事实上，即使它有这种机制，也很难有效，因为重新传递一个包就很难满足对有效延迟的要求。当然WLAN协议在MAC层提供了对丢包进行重试的方法，这种机制有助于处理偶尔出现的包错误，这种错误即使在频道条件良好时也会出现。在良好到一般的频道条件下，VoWiFi设备预期可以把包损失限制到几个百分点以内。 节能：无线设备事实上只在一天的部分时间内进行通讯──如手机，典型的使用时间只是一天1个或2个小时。然而，人们希望这个设备随时处于 “开机”状态──准备好随时接受电话呼入，并且能随时响应用户打入的电话。原始的802.11标准可以让一个客户端处于休眠状态，并可以在检测到待处理的数据包时醒过来，但这种节能标准对语音通话来说并没有太大帮助，因为这时每隔20到30ms才会来一个包。802.11e标准和WMM-PS的Wi-Fi 认证提供了一种节能状态，同时还能保持语音通话所需的其他规格。本文将详细阐述这一点。 工作范围：语音通讯所需要的带宽只是Wi-Fi网络上可能的数据速率的一小部分，但它要求的可靠性是位置无关的。因此，在物理层上实现的无线客户端就必须要处理多通道和多接口的使用情景，这在办公室或家庭中的角落及其他较远的位置上经常发生。 漫游：在一个大办公室里，用户在打电话时很可能来回走动并超出他的接入点的范围。尽管在企业内总是部署有足够多的的接入点，能够提供足够的连接，但从一个接入点（AP）切换到另一个──也就是漫游──也必须进行得足够快，这样才能不打断用户的通话。本文后续部分将更详细地说明漫游所使用的机制。 标准中提供的QoS（服务质量）机制也有助于满足这些性能要求。Wi-Fi联盟的WMM认证可以保证这些机制得到正确实现，并且能同其他通过认证的客户端及接入点产品互操作。802.11n标准可以提供更高的数据流量，同时还有更大的工作范围。其中范围上的提升是通过诸如STBC和波束形成等技术实现的，它对VoWiFi设备极有益处。更重要的是，如果一个企业安装了11n设备，在手持设备上统一使用801.11n对企业也更有好处，这是因为它可以保证802.11n的数据流量优势得以保存。 在下面各节中，我们将主要阐述VoWiFi客户端设备的低功耗工作及其在企业内的漫游。 节能 VoWiFi电话可能是独立的电话，也可能同其他电话机集成在一些，比如手机或是无绳电话。但在所有这些情况下，电话机总是用电池的，因而对能耗总是敏感的。从能耗的角度来看，这些产品中有两种功能模式。第一种是电话机处于“开机”状态并等待呼入。这种模式下的功耗决定着电话的待机时间。第二种模式是正在通话──这种模式的能耗决定着电话的通话时间。本节我们将审视802.11标准所提供的各种节能技术，以及它们对VoWiFi的作用。 旧的节能模式 802.11标准允许设备进入节能模式而后定期醒来，来监听接入点的信号。在接收设备处于节能状态时，接入点会缓存信息包，并能在信号帧中指出有要处理的包。设备恢复后，就能接收并处理发来的信号，然后去检查待处理的包，之后如果没有要处理的包，它就再进入睡眠状态，也就是节能模式。而如果信号指出有需要处理的包，设备就会继续保持在工作状态，并发出一个PS-POLL帧来接收所有缓存的包。一直到它接收到的数据中或管理包中“更多数据”的标志被清除后，它才再次进入睡眠状态。接入点同样也会在设备睡眠时缓存发给设备的广播包，并会在DTIM信号之后再发送这些包。因此，这些设备必须在接收到 DTIM信号之后醒来并接收广播包。图1显示了节能状态下两个设备的唤醒情况。 在待机情况下VoWiFi可以使用这种模式。但是，一旦通话开始，设备就不能再停留在这种模式下，这是因为包的延迟不能超过100ms，对于信号间隔就是100ms的系统来说，这对VoWiFi是不能接受的。 APSD APSD，即自动电能节省发送，在802.11e中出现。它定义了U-APSD，即非定期APSD，还有S-APSD，即定期APSD。 APSD定义了一种更有效的从接入点提取它缓存的包的方法。在S-APSD方法中，所有缓存的包都按TSF预先设定好的时间发送到设备。该设备则必须在此动作之前醒来并做好接收这些包的准备。而在U-APSD方法中，设备必须向接入点发送一个触发帧，然后接入点会把相应的可以发送的包发出来。这里可以使用任何待处理数据包作为触发帧，如果没有待处理包则可以使用一个空包。设备则持续接收这些包，直到它收到一个带有EOSP标志的帧。图2显示了在一个U- APSD服务期内的帧交换。Wi-Fi WMM-PS认证包含了U-APSD操作。VoWiFi设备可以在通话时使用APSD模式。启动周期可以根据编码解码器的数据率进行调整。顶级的WLAN 模块，包括Redpine的Lite-Fi，通过在VoWiFi通话期间使用这些节能技术消耗的电能小于20mW。 PSMP U-APSD这种基于冲突的方案只适用于网络上VoWiFi客户端很少的情况。当VoWiFi客户端数量增加时，包的冲突就会上升而且反过来就会影响到VoWiFi所需要的服务品质（QoS）。同时，一个设备必须准备好并且依次等待接入点来为它服务，这样就在这个时间内就会消耗电能。节电多轮询（Power Save Multi Poll），即PSMP，针对这些问题，在802.11n标准中出现了。在这种机制中，接入点会发出一个PSMP帧，在其中它同每个客户端设备沟通上行和下行的时间槽。图3显示了PSMP的帧交换。MTBA，即Multi-TID Block Ack，多标识块确认，也是802.11n标准引入的一种可以和PSMP结合使用的技术。有了MTBA，一个单独的块确认帧就能包含不同标识的块确认信号。一个设备可以根据PSMP信号醒过来，然后根据对它的时间槽的通知，也可以再加到睡眠状态，只到它的上行或下行时间槽到来。但是一般地，进入睡眠状态并醒过来都会有一个固定的开销，因此如果时间间隔较短就不太值得进入睡眠模式。所以我们可以看到，PSMP的主要优势只有在同时有多个VoWiFi客户端时才能体现出来。 漫游 漫游或换手（Handoff）是VoWiFi的一项关键需求，它极大地影响着支持VoWiFi的网络的设计。在一个移动STA（站适配器）移动出一个接入点的BSS（基站子系统）时，或者当前所用的工作频道条件变差时，它就需要从这个接入点漫游到另一个。从一个接入点向另一个切换时，最坏的情况，应用可能会被切断──这就要求在换手完成后重新启动这一应用；其他情况下，应用可能会经历一个短暂的中断，或者如果情况较好，就只会发生包传输上的一小段时间的延迟。语音应用是不能容忍中断或过程切断的，即使是排队包的延迟也必须降低到最小程度──理想情况下是大约50ms或更短，这样移动用户就不会注意到通话质量的短暂下降。为了保持应用的持续性，而且不损害连接的关键特点，诸如安全性和节电功能，VoWiFi移动设备就应该使用智能漫游机制。 为了理解漫游遇到的挑战，理解802.11漫游的过程就非常重要。典型的情况显示在图4中。 如图4所示，一个移动用户在A点连接到了AP-1，这也是他所在的区域内的唯一接入点。然后他向C点移动，中间经过B点。在B点上，AP- 1的连接质量相对来讲不如AP-2。在这个点上，配有Wi-Fi的移动设备应该探测到AP-2，并且在不切断用户语音通话的情况下无缝地从AP-1切换到 AP-2。这一切换中有几个任务要由移动STA来完成： l 发现附近可用的接入点 l 从当前使用的接入点上断开 l 同新的接入点建立连接 通常，在正常的流量情况下，802.11的断开过程可以在不到1ms的时间内完成。但发现邻近地方的接入点，并且在企业的安全设置条件下，同新的接入点建立连接则需要更长的时间──甚至会超过1秒。当然语音应用是不能容忍这种延迟的，它对包的延迟非常敏感。在实际情况中，客户端会综合应用一些基于标准的和一些专有的技术来将发现接入点和建立连接的时间延迟降低到最小，这些技术通常包括预先完成漫游过程的绝大部分任务。 IEEE标准定义了两种发现接入点的方法，一种是被动扫描，一种是主动扫描。但它并不确定一旦在STA和AP间已经存在活动连接的情况下怎样去发现接入点。如图5所示，客户端使用专有的背景扫描技术来发现不同频道上可用的网络，同时保持同当前AP的连接。 第1步：客户端向当前的AP发送一个带有PS位的空帧，说明自己将要进入节电模式。 第2步：客户端转向其他频道。 第3步：它发出一个广播探测请求，在该频道上的适当范围内的AP都可以接收到这个信号。 第4步：客户端根据一个或多个反应信号或该频道上AP发出的信标来收集BSS列表。 第5步：客户端返回原来的工作频道。 第6步：它向AP发出一个空帧，其中的PS位置空，通知AP它将从节电模式中退出，并且恢复数据传输。 在VoIP通话期间，客户端在包之间只有大约20ms的时间来进行这种背景扫描。因此，它可能必须不断这个过程，以便在一次机会不能扫描所有频道的情况下完成任务。 在建立起一个AP列表之后，客户端就可以需要时漫游了。漫游的决定是由客户端作出的。客户端设计师都有一些专有的机制来作出漫游的决定。在决定漫游时，收到信号强度指标（RSSI）、信噪比、包重发的频率等参数是需要进行考虑的。有时如果这些变量中的某一个达到了一个限定值还需要进行全新的背景扫描。 漫游期间另一个重要的任务是同新的AP建立连接。依该AP的安全设定，有可能会用到802.1x/扩展认证协议（EAP）机制。 802.1x/EAP是一个耗时的过程，依EAP类型不同而有所变化。最简单的802.1x认证使用轻量EAP（LEAP）方法，用时根据网络条件不同，最短100ms，最长可能到1.2s。带有VoWiFi功能的移动STA应该将这段时间缩短到大约50ms以下，以满足语音应用的要求。 在开放系统模式下，是不需要802.1x/EAP认证的。这时，通过主动加入机制，客户端通常能够在少于20ms的时间内完成漫游过程。 在WPA/WPA2预共享钥匙（PSK）安全模式下，重新连接的过程需要一个额外的4路握手过程，但它不是802.1x/EAP。这种握手过程需要花费额外的时间，但通常也能够在VoWiFi的限制内完成。 高级的WPA/WPA2企业安全模式需要使用最耗时的802.1x/EAP认证，同时还要在重新连接时加入4路握手机制。正如前面提到的那样，这个过程用时可能要超过1s，这就超过了VoWiFi所要求的延迟。为了满足这个要求，IEEE的标准提出了一个预先认证的技术，使客户端可以在它决定漫游到这个AP之前通过分布系统就完成802.1x/EAP认证过程。这样一来，在换手时客户端就只需使用4路握手机制从新的AP那里获取PTK即可。通过这种方法，客户端漫游时所需的时间就同PSK方式下一样了。 未来的漫游可能还会用到即将到来的802.11k及11r标准所定义的方法。11k在当前BSS及其周边BSS之间定义了一个可计量的尺寸，因此移动STA就可以在从一人上BSS漫游到另一个时作出更明确的决定；而11r则提供了一种标准化的方法，使移动STA可以快速地进行BSS转换，以便将漫游时间减到最少。目前也有一些专有的方法可以在企业安全模式下加速漫游过程。 认证 除去Voice-Personal，Wi-Fi联盟还有其他几种与VoWiFi相关的认证项目。经过认证的产品在能力上有清晰的边界，可以在多种场景下为用户提供一致的使用体验。VoWiFi的服务品质要求由WMM认证，它覆盖了流量分类及分配给各自的优先权。WMM-PS则能在语音或多媒体应用正在工作时节省电能，延长电池寿命。WPS，即Wi-Fi保持设定可以通过一个个人识别码（PIN）或者Wi-Fi设备上的一个按键来对安全进行简单的设定。Voice-Personal，如前所述可以确保在家庭条件下Wi-Fi网络上的声音服务品质，而即将出现的Voice-Enterprise 认证则可以保证在企业应用条件下的同样性能，它还对测试套件加入了对漫游和企业安全的要求，以便在办公室及公共场所的条件下提供完全的VoWiFi体验。