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VoWLAN中輪詢(xún)方法的探討

2007/03/07

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)VoIP介紹

　　隨著WiFi標(biāo)準(zhǔn)的改善、802.11芯片體積不斷減小而功能不斷擴(kuò)充，無(wú)線(xiàn)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音（VoWLAN）電話(huà)系統(tǒng)的可行性也逐漸提升。

　　雙頻移動(dòng)電話(huà)可使用WLAN連線(xiàn)提供可靠的屋內(nèi)話(huà)音服務(wù)，而寬帶電話(huà)服務(wù)則通過(guò)WLAN連結(jié)筆記電腦。另一方面，架構(gòu)于WLAN的網(wǎng)絡(luò)電話(huà)手機(jī)，由于只需一臺(tái)WLAN基地站便能輕易支持多個(gè)手機(jī)，與具備低成本優(yōu)勢(shì)的傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)電話(huà)機(jī)相比毫不遜色。

　　802.11標(biāo)準(zhǔn)建立了提供可靠、高性能的WiFi網(wǎng)絡(luò)電話(huà)系統(tǒng)所需之基本機(jī)制。其中顯著的例子為安全性（802.11i/WPA）與QoS （802.11e/Wi-Fi多媒體）。此外，諸如Atheros開(kāi)放程序碼的JumpStart for Wireless這類(lèi)單鍵安全設(shè)定法，可讓所有使用者即使在手機(jī)無(wú)法顯示英文字母與數(shù)字的狀況下，仍能快速設(shè)定WLAN網(wǎng)絡(luò)電話(huà)手機(jī)的組態(tài)。

　　WLAN網(wǎng)絡(luò)電話(huà)系統(tǒng)中其中一項(xiàng)尚未標(biāo)準(zhǔn)化的項(xiàng)目為輪詢(xún)方法（polling method）。因此本文就現(xiàn)有的兩種輪詢(xún)方法，分別討論其不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并且特別著墨于移動(dòng)裝置中最關(guān)鍵的要素──耗電量。

　　所有降低耗電量的方法，均必須盡可能讓用戶(hù)裝置使用低功耗的睡眠模式，而802.11芯片必需以睡眠模式中最低的耗電量以支持此作法802.11芯片必須以睡眠模式的最低可能耗電量支持此種作法。例如，Atheros 的AR6000移動(dòng)型射頻單芯片（radio-on-a-chip mobile；ROCm）裝置，實(shí)現(xiàn)了極低耗能量的睡眠模式，以及自動(dòng)省電模式（Automatic Power-Save Delivery；APSD）技術(shù)。ROCm同時(shí)提供絕佳的性能，能啟用高速傳輸以縮短發(fā)送/接收的時(shí)間，而芯片上的嵌入式處理器之自給式驅(qū)動(dòng)程序，可分?jǐn)偺幚碇鳈C(jī)處理器上的經(jīng)常性的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)操作。通過(guò)以上的做法與其他省電策略，ROCm芯片能改善WLAN操作的耗電效率，效果可比傳統(tǒng)WLAN芯片的高達(dá)六倍，因此能改善電池壽命�，F(xiàn)時(shí)可實(shí)現(xiàn)各種VoIP應(yīng)用的新一代802.11裝置，就包含這類(lèi)的芯片。

將語(yǔ)音導(dǎo)入WLAN

　　802.11 WLAN可利用高性能的元件以提供可靠的整體性能，然而，此媒體的特性在處理語(yǔ)音流量時(shí)，仍面對(duì)相當(dāng)嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。由于WLAN使用免執(zhí)照頻譜，因此必須容忍來(lái)自不同外部裝置與其他WLAN的大量干擾。此外，如同其他IP網(wǎng)絡(luò)，WLAN并不支持同步操作（synchronous operation）。因此，通常無(wú)法在微秒級(jí)下做預(yù)測(cè)。由于VoIP是以固定時(shí)間間隔產(chǎn)生VoIP封包（即訊框）的固定數(shù)碼速率（CBR）應(yīng)用，因此 WLAN的CSMA競(jìng)爭(zhēng)法明顯缺乏中央同步時(shí)序（centralized synchronous timing）。

　　此現(xiàn)象與移動(dòng)電話(huà)系統(tǒng)所實(shí)作的標(biāo)準(zhǔn)電話(huà)機(jī)制形成更大的對(duì)比。移動(dòng)電話(huà)系統(tǒng)使用授權(quán)頻譜與小心規(guī)劃的基地站部署，務(wù)求將無(wú)線(xiàn)電干擾減至最低。移動(dòng)電話(huà)系統(tǒng)從電話(huà)到骨干線(xiàn)路都保持同步，于是能掌握微秒層級(jí)的時(shí)序而且永不偏離，也因此能預(yù)知容量的大小，且容量提供給單一類(lèi)別服務(wù)設(shè)計(jì)應(yīng)用：語(yǔ)音。

　　這些移動(dòng)電話(huà)系統(tǒng)的特性令它能輕易符合ITU-T建議的G.114標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)指定端點(diǎn)對(duì)端點(diǎn)延遲預(yù)算不得大于150微秒。由于移動(dòng)電話(huà)系統(tǒng)整體的架構(gòu)采用可決定的方式應(yīng)用時(shí)脈語(yǔ)音封包，因此不需因?yàn)橐_保低延遲，而對(duì)語(yǔ)音封包以特殊的服務(wù)品質(zhì)（QoS）機(jī)制排定優(yōu)先順序。移動(dòng)電話(huà)系統(tǒng)利用現(xiàn)有時(shí)槽、多工與語(yǔ)音服務(wù)管理加入資料服務(wù)。

　　WLAN則剛好相反，語(yǔ)音服務(wù)必須借助于原本針對(duì)資料而設(shè)計(jì)的功能。WLAN僅能用到端點(diǎn)對(duì)端點(diǎn)延遲預(yù)算150微秒的一部份，如果兩端都使用WLAN進(jìn)行對(duì)話(huà)，那么延遲預(yù)算還要更進(jìn)一步縮限。此外，若語(yǔ)音封包必須跨越網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)或忙碌的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，那么封包將無(wú)法避免延遲抵達(dá)，有時(shí)甚至無(wú)法抵達(dá)。遲到的封包可能成群抵達(dá)。

　　只要使用過(guò)舊式轉(zhuǎn)碼器在網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)或通用 WLAN中以語(yǔ)音通信的人，都會(huì)熟悉這些問(wèn)題。建立高品質(zhì)VoWLAN的作法之一是改變WLAN以符合傳統(tǒng)編碼器的需要。事實(shí)上，無(wú)論是全時(shí)或分時(shí)，專(zhuān)屬實(shí)作均顯示802.11 MAC可改變?yōu)槭褂猛健r(shí)槽式的TDMA作法；此作法能有效解決以WLAN傳輸話(huà)音問(wèn)題，不過(guò)這類(lèi)系統(tǒng)通常與現(xiàn)有的WiFi裝置與網(wǎng)絡(luò)不相容。

　　雖然完全同步的網(wǎng)絡(luò)頗具吸引力，但缺乏嚴(yán)格同步卻也正是802.11的主要強(qiáng)項(xiàng)。這些年來(lái)，我們可在以太網(wǎng)絡(luò)和ATM網(wǎng)絡(luò)之間的競(jìng)爭(zhēng)中看到這類(lèi)IP 網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)可靠而具適應(yīng)式（夠好）之通道存取對(duì)上嚴(yán)格時(shí)（完美）序式作法時(shí)，夠令人滿(mǎn)意的作法通常因更具多樣性而比受歡迎。

　　在設(shè)計(jì)VoWLAN系統(tǒng)時(shí)避免使用同步作法的另一個(gè)原因，是這些系統(tǒng)并非在封閉環(huán)境下運(yùn)作。使用WLAN傳輸語(yǔ)音的主要賣(mài)點(diǎn)，是讓雙模移動(dòng)電話(huà)與其他語(yǔ)音裝置能利用現(xiàn)有的WLAN基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

低攻耗、高性能

　　為了提供我們的客戶(hù)更良好的服務(wù)，所有的華碩技術(shù)支援工程師都接受過(guò)嚴(yán)格的技術(shù)訓(xùn)練與客戶(hù)服務(wù)訓(xùn)練，以提供您更迅速可靠的服務(wù)。

　　只要是華碩筆記本電腦的用戶(hù)，對(duì)於產(chǎn)品有任何的問(wèn)題，都能夠利用該客服專(zhuān)線(xiàn)與華碩客服人員聯(lián)系，享受最優(yōu)質(zhì)、最　　改善現(xiàn)有802.11基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的方法之一，是利用針對(duì)網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的比新語(yǔ)音解碼器。這些解碼器大幅簡(jiǎn)化VoWLAN的設(shè)計(jì)。效率不彰的網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)電話(huà)環(huán)境，促成解碼器的開(kāi)發(fā)，能以極低位的速度達(dá)到良好的語(yǔ)音品質(zhì)。

　　例如：廣受歡迎的Skype網(wǎng)絡(luò)電話(huà)系統(tǒng)核心之iLBC解碼器，能提供相當(dāng)于高端ITU G.729解碼器的特性；ITU解碼器只以8kbps，能提供公用電話(huà)般的語(yǔ)音品質(zhì)；而來(lái)自Global IP Sound的iLBC解碼器，所需的位速率稍高-13.3kbps.Global IP Sound稱(chēng)他們的編碼器語(yǔ)音品質(zhì)優(yōu)于PSTN，而且能忍受高達(dá)30%的封包損失。網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)工程研究團(tuán)隊(duì)（Internet Engineering Task Force；IETF）已對(duì)此解碼器制定標(biāo)準(zhǔn)。CAbleLabs應(yīng)用于多媒體終端配接器與媒體閘道的PacketCable影音解碼器規(guī)格以被指定其為必要的解碼器。

　　有了此類(lèi)解碼器，必要的VoWLAN語(yǔ)音品質(zhì)就更易于實(shí)現(xiàn)，而且也能解決網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)所造成的延遲與抖動(dòng)現(xiàn)象，故此特別適合如802.11這種非同步開(kāi)放系統(tǒng)使用。既然解碼器如此靈活，為何還要發(fā)展復(fù)雜的時(shí)序與同步方法呢？

挑戰(zhàn)耗電量

　　盡管現(xiàn)今的解碼器如此靈活，時(shí)序仍然是十分重要的，因?yàn)樗鼘?duì)耗電量影響重大。移動(dòng)電話(huà)系統(tǒng)的同步特性，使它能輕易而直接地實(shí)現(xiàn)手機(jī)睡眠/喚醒排程。手機(jī)能在封包之間知道能安全地進(jìn)入睡眠模式。然而，802.11的裝置就永遠(yuǎn)不知道何時(shí)可能接收突發(fā)的流量，或因其他理由而必須回應(yīng)存取點(diǎn)。

　　雖然移動(dòng)電話(huà)與VoWLAN系統(tǒng)之間有此差異，后者還是必須讓它的電池壽命能媲美移動(dòng)電話(huà)手機(jī)。雙模移動(dòng)電話(huà)手機(jī)的兩種類(lèi)型功能都使用同一顆電池，因此勢(shì)必會(huì)互相比比。

　　說(shuō)到這里，我們不禁又會(huì)想令WLAN同步操作。若存取點(diǎn)知道手機(jī)于何時(shí)進(jìn)入睡眠模式，只在它準(zhǔn)備好時(shí)進(jìn)行傳輸，此時(shí)手機(jī)就可類(lèi)似移動(dòng)電話(huà)，定期進(jìn)入睡眠模式。存取點(diǎn)不必在VoIP訊框抵達(dá)時(shí)立刻傳輸至手機(jī)，必要時(shí)可先將這些訊框置于緩沖區(qū)。

　　目前有兩種操作模式，能以足夠的同步在802.11 WLAN中實(shí)作良好的省電時(shí)序技術(shù)，因此不需完全同步操作。這些模式包括以‘混合控制功能(Hybrid Control Function;HCF)’控制的通道存取(HCF Controlled Channel Access;HCCA)以及增強(qiáng)分散式通道存取(Enhanced Distributed Channel Access;EDCA)。此兩種模式都是IEEE 802.11e標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，服務(wù)品質(zhì)(QoS)規(guī)定的一環(huán)，而兩者皆可用于發(fā)展中的省電傳訊方法，于存取點(diǎn)和站臺(tái)之間以同步固定數(shù)碼速率傳輸，而不需對(duì)整個(gè) WLAN進(jìn)行同步。

以HCCA進(jìn)行同步

　　HCCA模式就如同N-body同步機(jī)制，由存取點(diǎn)為N個(gè)站臺(tái)設(shè)定CBR輪詢(xún)排程。盡管典型的802.11系統(tǒng)無(wú)規(guī)律性，站臺(tái)還是盡可能地按排程同步。將這樣的配置描述為N-body系統(tǒng)是相當(dāng)合理的，因?yàn)閷?duì)輪詢(xún)排程上任一站的時(shí)序干擾，都會(huì)影響到其他N-1個(gè)站的時(shí)序。

　　當(dāng)AP通過(guò)流量規(guī)格(TSPEC)接收到來(lái)自站臺(tái)的CBR要求時(shí)，HCCA機(jī)制便發(fā)揮作用，然后AP與該站進(jìn)行CBR排程的通信。一旦AP接受站臺(tái)作為輪詢(xún)的用戶(hù)，此站臺(tái)通常會(huì)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直到來(lái)自 AP預(yù)期的下行輪詢(xún)或輪詢(xún)加VoIP訊框抵達(dá)為止(圖一)。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)(架構(gòu)于OFDM的802.11a/g為9μs，802.11b則會(huì)更久)，站臺(tái)以上行VoIP資料(或QoS-NULL)訊框回應(yīng)。若站臺(tái)發(fā)送上行資料，AP就以ACK回應(yīng)。

　　要知道此機(jī)制的耗電效率，讓我們先考慮站臺(tái)需保持喚醒狀態(tài)的時(shí)間比例。HCCA機(jī)制如需正確運(yùn)作，在AP的下行輪詢(xún)前，站臺(tái)必須從睡眠模式中喚醒。根據(jù)硬件設(shè)計(jì)而定，喚醒的程序約需0.1到1.0微秒。然后站臺(tái)必須等到下行輪詢(xún)抵達(dá)，而輪詢(xún)可能在站臺(tái)預(yù)期的抵達(dá)時(shí)間到時(shí)仍未抵達(dá)。不同的原因如干擾、通道上長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的訊框、AP中內(nèi)部排程沖突(輪詢(xún)其他站臺(tái))、更高優(yōu)先順序的操作(AP必須傳輸一Beacon)、前一訊框超出預(yù)期的交換時(shí)間或是AP與站臺(tái)之間的相對(duì)時(shí)脈偏移，均會(huì)造成延遲。不過(guò)一旦下行輪詢(xún)抵達(dá)，排程就會(huì)變得可預(yù)測(cè)。根據(jù)所選的解碼器與PHY速率，上行/下行訊框交換應(yīng)在不到1微秒的時(shí)間內(nèi)發(fā)生。

HCCA的固定位率排程

　　在HCCA機(jī)制中，時(shí)序的不確定性主要來(lái)自CBR輪詢(xún)排程的延遲、失敗后可能的重試以及使用可變PHY速率時(shí)，造成傳輸時(shí)間的變化。根據(jù)這些不確定性，站臺(tái)喚醒時(shí)間的約為2～5微秒。以20微秒的解碼器周期，此喚醒睡眠比所達(dá)成之效率比值為75%以上。

　　存取站可實(shí)作802.11e標(biāo)準(zhǔn)中指定的HCCA操作模式，提供可預(yù)測(cè)時(shí)間的VoIP輪詢(xún)排程，以在WLAN站臺(tái)能以睡眠模式減少耗電量時(shí)進(jìn)行管理。

　　假設(shè)平均通話(huà)時(shí)間約為100秒(以移動(dòng)電話(huà)系統(tǒng)平均而言)而AP同時(shí)提供20通電話(huà)應(yīng)用，WLAN可能每5秒就必須執(zhí)行通話(huà)設(shè)定/解除。即使在各站臺(tái)經(jīng)常進(jìn)入與離開(kāi)輪詢(xún)清單的狀況下，AP仍必須與每個(gè)站臺(tái)維持已發(fā)布的CBR排程。因此，AP也必須維持固定時(shí)槽的排程。

　　這里所說(shuō)的時(shí)槽，為針對(duì)特定站臺(tái)之輪詢(xún)訊框交換序列而指定的通道時(shí)段。除非所有訊框都使用相同的PHY速率，使每次交換都占用相同的通道時(shí)間量，否則時(shí)槽的持續(xù)時(shí)間也會(huì)隨之變化。在時(shí)槽持續(xù)時(shí)間變化的情況下，無(wú)法達(dá)成效率佳的省電同步。

　　可選擇的方法之一，是讓所有站臺(tái)都以固定的PHY速度(6Mbps)操作，一次性避免不同持續(xù)時(shí)間造成的問(wèn)題。盡管此選項(xiàng)會(huì)浪費(fèi)許多潛在的網(wǎng)絡(luò)容量，但覆蓋范圍卻極佳而且容量良好，能容納約15個(gè)站臺(tái)。

　　若希望在使用不同PHY速率時(shí)也能降低耗電量，AP設(shè)計(jì)師可選擇另外兩種方法。其中一個(gè)方法是變更排程，令A(yù)P能可靠地與每個(gè)相關(guān)站臺(tái)通信。此作法會(huì)導(dǎo)致額外的負(fù)擔(dān)與可靠性的問(wèn)題。至于另一個(gè)方法，則是讓AP利用每個(gè)時(shí)槽中未使用的時(shí)間中傳輸，如此非輪詢(xún)站臺(tái)就不會(huì)以Wi-Fi封包填入空置的空中。此作法可維持同步排程。

　　輪詢(xún)排程面臨更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，是它必須支持使用不同解碼器間隔時(shí)間的各種手機(jī)。在此狀況下，通常所建立的輪詢(xún)排程，經(jīng)常發(fā)生CBR用戶(hù)間的時(shí)序沖突。先前所估算的75%最低效率，并未將這種排程沖突列入考慮，這也會(huì)消耗部份站臺(tái)睡眠時(shí)間預(yù)算。

　　理想的HCCA排程，也會(huì)因偶爾需發(fā)送多份下行VoIP訊框至站臺(tái)而受到干擾。當(dāng)封包因網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)或路由佇列行為而成群抵達(dá)AP時(shí)，就需要多份訊框。除非所有概念時(shí)槽都有足夠的額外時(shí)間預(yù)算，否則多份下行訊框會(huì)延遲CBR排程。若需上行重新傳輸時(shí)，也會(huì)發(fā)生此類(lèi)排程延遲。為所有站臺(tái)在每個(gè)時(shí)槽都保留額外的時(shí)槽時(shí)間是一種浪費(fèi)通道時(shí)間的作法，因此排程延遲通常會(huì)以延長(zhǎng)所有受影響的下行站臺(tái)之開(kāi)機(jī)時(shí)間加以解決。

　　通常工程師會(huì)把AP組態(tài)設(shè)定為避免長(zhǎng)期猝發(fā)或其他可能增加CBR排程延遲的情況發(fā)生。此組態(tài)對(duì)HCCA與EDCA同樣適用。

HCCA的簡(jiǎn)單、便利性能

　　HCCA 輪詢(xún)的時(shí)序相互依賴(lài)性與另一種802.11e操作模式EDCA所應(yīng)用的省電法時(shí)序獨(dú)立形成對(duì)比。在HCCA中，AP管理所有時(shí)序并解決所有排程沖突。而在 EDCA中，所有站臺(tái)自行管理其時(shí)序(因此時(shí)序管理為分散式)，排程沖突則在空中以通道存取協(xié)定解決。

　　因此，EDCA站臺(tái)不像HCCA的站臺(tái)必須卑微地配合AP之輪詢(xún)排程，EDCA站臺(tái)可使用非排程APSD(Unscheduled APSD;UPSD)的特殊省電模式操作。此模式以站臺(tái)和AP之間的信號(hào)交握開(kāi)始，因此AP知道站臺(tái)將進(jìn)入睡眠模式，直到站臺(tái)準(zhǔn)備好傳輸VoIP訊框?yàn)橹?(圖二)。

　　站臺(tái)的喚醒程序可在無(wú)排程延遲、輪詢(xún)等待或因其他站臺(tái)或沖突排程而造成的時(shí)序效應(yīng)下發(fā)生。站臺(tái)喚醒并以可使用的最高優(yōu)先順序參數(shù)傳輸VoIP訊框。上行訊框通常在小于2微秒的耗電量延遲下啟動(dòng)。然后AP以ACK回應(yīng)上行訊框。若有必要，站臺(tái)可重新傳輸并且保持在喚醒狀態(tài)，直到AP發(fā)送一VoIP訊框或null指示(表示無(wú)可用VoIP封包可傳送)。傳統(tǒng)的AP硬件之AP回應(yīng)時(shí)間小于100?s，而改良后還可能縮短回應(yīng)時(shí)間。

　　由于一次性為一站臺(tái)管理時(shí)序，遠(yuǎn)比解決HCCA的N-body同步問(wèn)題簡(jiǎn)單得多，因此在現(xiàn)成的AP上新增EDCA功能，也相對(duì)容易許多。此外，EDCA如同HCCA機(jī)制，在20-ms CBR的狀況下，可達(dá)到大致相同的75%省電效率。使用30-ms CBR間隔時(shí)間則可改善效率約83%。

　　802.11技術(shù)的改良勢(shì)必將網(wǎng)絡(luò)電話(huà)、網(wǎng)絡(luò)電話(huà)加資料、視頻加資料、網(wǎng)絡(luò)電話(huà)加視頻加資料等應(yīng)用帶入主流。盡管802.11標(biāo)準(zhǔn)并未涵蓋所有網(wǎng)絡(luò)電話(huà)服務(wù)的各個(gè)層面，但仍有相當(dāng)重要的標(biāo)準(zhǔn)。特別是HCCA與EDCA都能提供在相同無(wú)線(xiàn)通道中支持語(yǔ)音加資料的方法，同時(shí)能優(yōu)化手機(jī)電池壽命。



　　HCCA之外的選擇為EDCA操作模式，同樣也在802.11e中制定。EDCA可使用非排程自動(dòng)省電模式(Unscheduled Automatic Power-Save Delivery;UPSD)機(jī)制，由站臺(tái)管理省電輪詢(xún)排程而不是由存取點(diǎn)(AP)管理。

C114網(wǎng)


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