VoWLAN中轮询方法的探讨

    无线网络标准VoIP介绍

    随着WiFi标准的改善、802.11芯片体积不断减小而功能不断扩充,无线区域网络语音(VoWLAN)电话系统的可行性也逐渐提升。双频移动电话可使用WLAN连线提供可靠的屋内话音服务,而宽带电话服务则通过WLAN连结笔记电脑。另一方面,架构于WLAN的网络电话手机,由于只需一台WLAN基地站便能轻易支持多个手机,与具备低成本优势的传统无线电话机相比毫不逊色。

    802.11标准建立了提供可靠、高性能的WiFi网络电话系统所需之基本机制。其中显着的例子为安全性(802.11i/WPA)与QoS (802.11e/Wi-Fi多媒体)。此外,诸如Atheros开放程序码的JumpStart for Wireless这类单键安全设定法,可让所有使用者即使在手机无法显示英文字母与数字的状况下,仍能快速设定WLAN网络电话手机的组态。

    WLAN网络电话系统中其中一项尚未标准化的项目为轮询方法(polling method)。因此本文就现有的两种轮询方法,分别讨论其不同的优点和缺点,并且特别着墨于移动装置中最关键的要素──耗电量。

    所有降低耗电量的方法,均必须尽可能让用户装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电量以支持此作法802.11芯片必须以睡眠模式的最低可能耗电量支持此种作法。例如,Atheros 的AR6000移动型射频单芯片(radio-on-a-chip mobile;ROCm)装置,实现了极低耗能量的睡眠模式,以及自动省电模式(Automatic Power-Save Delivery;APSD)技术。ROCm同时提供绝佳的性能,能启用高速传输以缩短发送/接收的时间,而芯片上的嵌入式处理器之自给式驱动程序,可分摊处理主机处理器上的经常性的网络维护操作。通过以上的做法与其他省电策略,ROCm芯片能改善WLAN操作的耗电效率,效果可比传统WLAN芯片的高达六倍,因此能改善电池寿命。现时可实现各种VoIP应用的新一代802.11装置,就包含这类的芯片。

    将语音导入WLAN

    802.11 WLAN可利用高性能的元件以提供可靠的整体性能,然而,此媒体的特性在处理语音流量时,仍面对相当严苛的挑战。由于WLAN使用免执照频谱,因此必须容忍来自不同外部装置与其他WLAN的大量干扰。此外,如同其他IP网络,WLAN并不支持同步操作(synchronous operation)。因此,通常无法在微秒级下做预测。由于VoIP是以固定时间间隔产生VoIP封包(即讯框)的固定数码速率(CBR)应用,因此 WLAN的CSMA竞争法明显缺乏中央同步时序(centralized synchronous timing)。

    此现象与移动电话系统所实作的标准电话机制形成更大的对比。移动电话系统使用授权频谱与小心规划的基地站部署,务求将无线电干扰减至最低。移动电话系统从电话到骨干线路都保持同步,于是能掌握微秒层级的时序而且永不偏离,也因此能预知容量的大小,且容量提供给单一类别服务设计应用:语音。

    这些移动电话系统的特性令它能轻易符合ITU-T建议的G.114标准,此标准指定端点对端点延迟预算不得大于150微秒。由于移动电话系统整体的架构采用可决定的方式应用时脉语音封包,因此不需因为要确保低延迟,而对语音封包以特殊的服务品质(QoS)机制排定优先顺序。移动电话系统利用现有时槽、多工与语音服务管理加入资料服务。

    WLAN则刚好相反,语音服务必须借助于原本针对资料而设计的功能。WLAN仅能用到端点对端点延迟预算150微秒的一部份,如果两端都使用WLAN进行对话,那么延迟预算还要更进一步缩限。此外,若语音封包必须跨越网际网络或忙碌的企业网络,那么封包将无法避免延迟抵达,有时甚至无法抵达。迟到的封包可能成群抵达。

    只要使用过旧式转码器在网际网络或通用 WLAN中以语音通信的人,都会熟悉这些问题。建立高品质VoWLAN的作法之一是改变WLAN以符合传统编码器的需要。事实上,无论是全时或分时,专属实作均显示802.11 MAC可改变为使用同步、时槽式的TDMA作法;此作法能有效解决以WLAN传输话音问题,不过这类系统通常与现有的WiFi装置与网络不相容。

    虽然完全同步的网络颇具吸引力,但缺乏严格同步却也正是802.11的主要强项。这些年来,我们可在以太网络和ATM网络之间的竞争中看到这类IP 网络的优点。当可靠而具适应式(够好)之通道存取对上严格时(完美)序式作法时,够令人满意的作法通常因更具多样性而比受欢迎。

    在设计VoWLAN系统时避免使用同步作法的另一个原因,是这些系统并非在封闭环境下运作。使用WLAN传输语音的主要卖点,是让双模移动电话与其他语音装置能利用现有的WLAN基础结构。

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    例如:广受欢迎的Skype网络电话系统核心之iLBC解码器,能提供相当于高端ITU G.729解码器的特性;ITU解码器只以8kbps,能提供公用电话般的语音品质;而来自Global IP Sound的iLBC解码器,所需的位速率稍高-13.3kbps.Global IP Sound称他们的编码器语音品质优于PSTN,而且能忍受高达30%的封包损失。网际网络工程研究团队(Internet Engineering Task Force;IETF)已对此解码器制定标准。CableLabs应用于多媒体终端配接器与媒体闸道的PacketCable影音解码器规格以被指定其为必要的解码器。

    有了此类解码器,必要的VoWLAN语音品质就更易于实现,而且也能解决网际网络所造成的延迟与抖动现象,故此特别适合如802.11这种非同步开放系统使用。既然解码器如此灵活,为何还要发展复杂的时序与同步方法呢?

 
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挑战耗电量

  尽管现今的解码器如此灵活,时序仍然是十分重要的,因为它对耗电量影响重大。移动电话系统的同步特性,使它能轻易而直接地实现手机睡眠/唤醒排程。手机能在封包之间知道能安全地进入睡眠模式。然而,802.11的装置就永远不知道何时可能接收突发的流量,或因其他理由而必须回应存取点。

  虽然移动电话与VoWLAN系统之间有此差异,后者还是必须让它的电池寿命能媲美移动电话手机。双模移动电话手机的两种类型功能都使用同一颗电池,因此势必会互相比比。

  说到这里,我们不禁又会想令WLAN同步操作。若存取点知道手机于何时进入睡眠模式,只在它准备好时进行传输,此时手机就可类似移动电话,定期进入睡眠模式。存取点不必在VoIP讯框抵达时立刻传输至手机,必要时可先将这些讯框置于缓冲区。

  目前有两种操作模式,能以足够的同步在802.11 WLAN中实作良好的省电时序技术,因此不需完全同步操作。这些模式包括以‘混合控制功能(Hybrid Control Function;HCF)’控制的通道存取(HCF Controlled Channel Access;HCCA)以及增强分散式通道存取(Enhanced Distributed Channel Access;EDCA)。此两种模式都是IEEE 802.11e标准当中,服务品质(QoS)规定的一环,而两者皆可用于发展中的省电传讯方法,于存取点和站台之间以同步固定数码速率传输,而不需对整个 WLAN进行同步。

  以HCCA进行同步

  HCCA模式就如同N-body同步机制,由存取点为N个站台设定CBR轮询排程。尽管典型的802.11系统无规律性,站台还是尽可能地按排程同步。将这样的配置描述为N-body系统是相当合理的,因为对轮询排程上任一站的时序干扰,都会影响到其他N-1个站的时序。

  当AP通过流量规格(TSPEC)接收到来自站台的CBR要求时,HCCA机制便发挥作用,然后AP与该站进行CBR排程的通信。一旦AP接受站台作为轮询的用户,此站台通常会进入睡眠状态,直到来自 AP预期的下行轮询或轮询加VoIP讯框抵达为止(图一)。在规定的时间内(架构于OFDM的802.11a/g为9μs,802.11b则会更久),站台以上行VoIP资料(或QoS-NULL)讯框回应。若站台发送上行资料,AP就以ACK回应。

  要知道此机制的耗电效率,让我们先考虑站台需保持唤醒状态的时间比例。HCCA机制如需正确运作,在AP的下行轮询前,站台必须从睡眠模式中唤醒。根据硬件设计而定,唤醒的程序约需0.1到1.0微秒。然后站台必须等到下行轮询抵达,而轮询可能在站台预期的抵达时间到时仍未抵达。不同的原因如干扰、通道上长持续时间的讯框、AP中内部排程冲突(轮询其他站台)、更高优先顺序的操作(AP必须传输一Beacon)、前一讯框超出预期的交换时间或是AP与站台之间的相对时脉偏移,均会造成延迟。不过一旦下行轮询抵达,排程就会变得可预测。根据所选的解码器与PHY速率,上行/下行讯框交换应在不到1微秒的时间内发生。

  HCCA的固定位率排程

  在HCCA机制中,时序的不确定性主要来自CBR轮询排程的延迟、失败后可能的重试以及使用可变PHY速率时,造成传输时间的变化。根据这些不确定性,站台唤醒时间的约为2~5微秒。以20微秒的解码器周期,此唤醒睡眠比所达成之效率比值为75%以上。

  存取站可实作802.11e标准中指定的HCCA操作模式,提供可预测时间的VoIP轮询排程,以在WLAN站台能以睡眠模式减少耗电量时进行管理。

  假设平均通话时间约为100秒(以移动电话系统平均而言)而AP同时提供20通电话应用,WLAN可能每5秒就必须执行通话设定/解除。即使在各站台经常进入与离开轮询清单的状况下,AP仍必须与每个站台维持已发布的CBR排程。因此,AP也必须维持固定时槽的排程。

  这里所说的时槽,为针对特定站台之轮询讯框交换序列而指定的通道时段。除非所有讯框都使用相同的PHY速率,使每次交换都占用相同的通道时间量,否则时槽的持续时间也会随之变化。在时槽持续时间变化的情况下,无法达成效率佳的省电同步。

  可选择的方法之一,是让所有站台都以固定的PHY速度(6Mbps)操作,一次性避免不同持续时间造成的问题。尽管此选项会浪费许多潜在的网络容量,但覆盖范围却极佳而且容量良好,能容纳约15个站台。

  若希望在使用不同PHY速率时也能降低耗电量,AP设计师可选择另外两种方法。其中一个方法是变更排程,令AP能可靠地与每个相关站台通信。此作法会导致额外的负担与可靠性的问题。至于另一个方法,则是让AP利用每个时槽中未使用的时间中传输,如此非轮询站台就不会以Wi-Fi封包填入空置的空中。此作法可维持同步排程。

  轮询排程面临更严峻的挑战,是它必须支持使用不同解码器间隔时间的各种手机。在此状况下,通常所建立的轮询排程,经常发生CBR用户间的时序冲突。先前所估算的75%最低效率,并未将这种排程冲突列入考虑,这也会消耗部份站台睡眠时间预算。

  理想的HCCA排程,也会因偶尔需发送多份下行VoIP讯框至站台而受到干扰。当封包因网际网络或路由伫列行为而成群抵达AP时,就需要多份讯框。除非所有概念时槽都有足够的额外时间预算,否则多份下行讯框会延迟CBR排程。若需上行重新传输时,也会发生此类排程延迟。为所有站台在每个时槽都保留额外的时槽时间是一种浪费通道时间的作法,因此排程延迟通常会以延长所有受影响的下行站台之开机时间加以解决。

  通常工程师会把AP组态设定为避免长期猝发或其他可能增加CBR排程延迟的情况发生。此组态对HCCA与EDCA同样适用。

 

 

  HCCA的简单、便利性能

  HCCA 轮询的时序相互依赖性与另一种802.11e操作模式EDCA所应用的省电法时序独立形成对比。在HCCA中,AP管理所有时序并解决所有排程冲突。而在 EDCA中,所有站台自行管理其时序(因此时序管理为分散式),排程冲突则在空中以通道存取协定解决。

  因此,EDCA站台不像HCCA的站台必须卑微地配合AP之轮询排程,EDCA站台可使用非排程APSD(Unscheduled APSD;UPSD)的特殊省电模式操作。此模式以站台和AP之间的信号交握开始,因此AP知道站台将进入睡眠模式,直到站台准备好传输VoIP讯框为止 (图二)。

  站台的唤醒程序可在无排程延迟、轮询等待或因其他站台或冲突排程而造成的时序效应下发生。站台唤醒并以可使用的最高优先顺序参数传输VoIP讯框。上行讯框通常在小于2微秒的耗电量延迟下启动。然后AP以ACK回应上行讯框。若有必要,站台可重新传输并且保持在唤醒状态,直到AP发送一VoIP讯框或null指示(表示无可用VoIP封包可传送)。传统的AP硬件之AP回应时间小于100?s,而改良后还可能缩短回应时间。

  由于一次性为一站台管理时序,远比解决HCCA的N-body同步问题简单得多,因此在现成的AP上新增EDCA功能,也相对容易许多。此外,EDCA如同HCCA机制,在20-ms CBR的状况下,可达到大致相同的75%省电效率。使用30-ms CBR间隔时间则可改善效率约83%。

  802.11技术的改良势必将网络电话、网络电话加资料、视频加资料、网络电话加视频加资料等应用带入主流。尽管802.11标准并未涵盖所有网络电话服务的各个层面,但仍有相当重要的标准。特别是HCCA与EDCA都能提供在相同无线通道中支持语音加资料的方法,同时能优化手机电池寿命。

  HCCA之外的选择为EDCA操作模式,同样也在802.11e中制定。EDCA可使用非排程自动省电模式(Unscheduled Automatic Power-Save Delivery;UPSD)机制,由站台管理省电轮询排程而不是由存取点(AP)管理。