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IP電話邁向無線

沈建苗 編譯 2005/11/15

　　這幾乎就是不可抗拒的聯姻：IP語音傳輸（VoIP）提供了以低成本在網上打電話的方案，而Wi-Fi扔掉了連線。如果兩者相結合(現在這對組合已被稱為VoFi)，就可以通過任何能夠訪問的Wi-Fi連接，以低成本撥打無線電話。

　　VoIP和Wi-Fi的聯姻是天作之合。目前許多大公司已積極采用VoFi，明顯降低了長途電話費，即便音質并不總是能夠與普通老式電話（POTS）的音質相媲美，但至少不是相差甚遠。

　　但如今VoFi正在進入運行環(huán)境有些不太穩(wěn)定的消費者領域。VoIP的開拓者Vonage公司已在今年夏季開始銷售一款便攜式Wi-Fi電話，這款電話必須在標準的802.11網絡上使用，而不能在經過改動和調整從而滿足實時語音需求的特殊的企業(yè)網絡上使用。VoFi在這種環(huán)境下音質如何仍需拭目以待。

　　就連VoIP也要克服一些惡劣環(huán)境，才能在因特網上提供聲音自然的語音，VoFi就更不用說了。根本性難度就在于，分組網絡如LAN、Wi-Fi和因特網本來就不是為語音通信而設計的。為了讓通話聲音自然，語音信號在通話方之間傳送時必須沒有明顯的延遲。然而在分組網絡上，卻無法保證含有語音數據的數據包能夠及時到達，或者能夠到達。Wi-Fi是一項無線技術，加上原本就不如LAN可靠，所以確保傳送及時、音質良好就更不可能了。面向消費者的Wi-Fi往往工作在不太理想的環(huán)境下，因而這種情形更加讓人擔憂。

　　幸運的是，在有線VoIP中，處理數據包傳送不穩(wěn)定現象的技術已經解決了諸多音質問題。之所以會出現音質問題，往往是因為因特網遇到異常問題，或者大量數據流量造成局域網擁塞，所以無法優(yōu)先處理VoIP應用。

無線面臨的難題

　　不過，無線VoIP更為復雜。數據包傳送以及音質會受到實際墻壁、微弱信號、電子干擾甚至無意中暫時成為射頻防護屏的行人的影響。雖然有線和無線VoIP系統(tǒng)處理數據包傳送問題的方式實際上一模一樣，但無線系統(tǒng)遇到的問題更頻繁、更嚴重。

　　與有線VoIP一樣，VoFi音質方面的問題主要集中在時延、抖動和數據包丟失這三個方面。數據包到達目的地需要時間（時延），這個時間是個變量（抖動），有些數據包永遠也無法到達目的地（數據包丟失）。Wi-Fi上的時延、抖動和數據包丟失都比有線LAN上來得嚴重，因而帶來了更難以處理的音質問題。

　　當然，任何VoIP或者VoFi應用都存在一定的時延。譬如說，因特網ping測試可能會顯示波士頓和達拉斯之間來回一趟的時延為67毫秒；波士頓和瑞士日內瓦之間來回一趟的時延為133毫秒；波士頓和澳大利亞阿德萊德之間來回一趟的時延為262毫秒。國際電信聯盟（ITU）在G.114標準中推薦：想獲得良好的通話質量，單向時延要低于150 毫秒。照這個音質標準來衡量，所有上述時間都是可以接受的。

　　但如果時延變長（見圖2），就會出現問題。因特網時延變化極大，很難預測，有時會突然增加。LAN上的數據擁塞也會導致時延很長，通常的VoIP處理（譬如語音編碼和解碼）也會增加時延。如果單向時延超過大約200 毫秒，語音流就會受到干擾：參與方往往會中斷對方的說話，并在同一時間通話。長時延還會引起回聲。


　　最經常遇到的VoIP問題就是抖動，即語音數據包以沒有規(guī)律的時間間隔到達目的地（見圖3）。抖動明顯（超過大約50毫秒）的后果就是聲音斷斷續(xù)續(xù)。嚴重的抖動其實會導致語音數據包不按順序到達目的地，從而導致聲音混亂無序。


　　抖動現象在無線LAN中特別普遍，因而對VoFi來說是個嚴重問題。據Global IP Sound公司負責技術的副總裁Jan Linden聲稱，802.11b 網絡上的抖動出現50到200毫秒的標準偏差并非罕見。相比之下，企業(yè)LAN卻很少出現超過幾毫秒的抖動。

　　不過，最嚴重的音質問題不是由于抖動，而是由于數據包丟失。只要有一個語音數據包未到達目的地，至少會丟失20或者30毫秒的通話——具體時間取決于采用哪種語音編解碼器。在有些情況下，哪怕丟失1%的數據包，也會導致語音質量嚴重下降。

　　而遺憾的是，Wi-Fi網絡往往會丟失許多數據包，原因是Wi-Fi用戶和Wi-Fi接入點間的連接質量經常不好。如果數據包沒有從發(fā)送方傳到接收方，網絡當然可以重新發(fā)送，但重新發(fā)送語音包只會導致時延和抖動問題更嚴重。而且，如果重新發(fā)送數據包導致時延過長，VoFi系統(tǒng)就會干脆把它丟棄。

VoFi的解決之道

　　確實有一些辦法可以解決VoFi的許多問題。諸多技術不僅可以處理時延、抖動和數據包丟失，還可以處理回聲及傳統(tǒng)電話的其他常見問題。VoFi還有眾多語音編解碼器可以使用，它們能壓縮語音、減小帶寬需求，同時仍提供良好的音質。

　　為了盡量減小抖動產生的影響，VoIP系統(tǒng)采用了抖動緩沖器。抖動緩沖器接收進來的語音包，語音包可能以沒有規(guī)律的時間間隔到達，但經抖動緩沖器處理后，可以按有規(guī)律的間隔重新發(fā)送，從而讓優(yōu)先處理的語音數據聲音自然。

　　然而，抖動緩沖器是把雙刃劍。雖然抖動緩沖器可以消除進入數據包的抖動，不過它是以增加整體時延為代價的。小容量緩沖器帶來的時延低于大容量緩沖器，但一旦抖動明顯，就會發(fā)生溢出、丟失語音數據包等現象，從而導致音質下降。另一方面，大容量緩沖器雖然丟失的數據包較少，但會導致時延讓人無法接受。

　　動態(tài)抖動緩沖器可以解決緩沖器大小問題。動態(tài)抖動緩沖器用軟件實現，檢測到變化的網絡條件后，就會相應調整緩沖器大小。通�？梢詫討B(tài)抖動緩沖器進行配置，規(guī)定最多允許丟失多少比例的數據包。其實，動態(tài)抖動緩沖器會在抖動和數據包丟失之間進行折衷處理，以便盡量提高音質。

　　數據包丟失會對音質產生大小不一的影響，這要看數據包是如何丟失的。據一些人士聲稱，丟失多達10%的語音數據包照樣能獲得可以接受的音質。不過另一些人士認為，哪怕丟失1%的數據包也會導致音質極差。顯然，出現這種不一致是因為數據包丟失有的呈隨機性，有的呈突發(fā)性。有時，一個VoIP系統(tǒng)會在幾秒鐘時間內丟失20%至30%的數據包，這種情況就會導致非常明顯的音質問題。

　　為了處理數據包丟失問題，VoIP和VoFi系統(tǒng)采用了名為數據包丟失隱藏（packet loss concealment）的一種技術。這種技術并不找回丟失的數據包，只是把丟失數據包對語音產生的不利影響掩蓋起來。讓人驚訝的是，這種方法的效果非常好：在某些情況下最多允許可以丟失30%的數據包


　　Global IP Sound公司的Jan Linden認為，實際上，數據包丟失隱藏技術就是為每個傳送的語音包添加了來自前一個語音包的一些信息。然后，如果某語音包沒有成功到達接收端，接收端就會等到接到下一個語音包，然后使用該語音包中的信息來描述前一個語音包。

　　最常用的數據包丟失隱藏方法僅僅是用整個前一個語音包取代丟失的數據包。因為語音內容前后有所關聯，所以你能得到與以前內容類似的內容。不過，這有個缺點——由于轉換效應，音質不是非常好。

　　一種更有效的隱藏數據包丟失問題的方法就是，把一系列語音數據分成兩部分，然后按單獨的數據包連續(xù)發(fā)送。通過適當的數據采樣，每個數據包中含有大致相同的聲音序列。如果兩個數據包同時到達，接收端就可以使用這兩個數據包，完美再現聲音序列。如果有一個數據包丟失，系統(tǒng)就會使用另一個數據包再現同樣的聲音，只是音質稍差罷了，不過仍可以接受。

802.11e確保QoS

　　VoIP 和VoFi還可以借助即將予以批準的802.11e標準，從而在提高音質方面得到一些改進。802.11e規(guī)定了服務質量（QoS）方面的要求。802.11本身不會對流量類型區(qū)別對待，所以不會為實時語音數據提供高于其他數據（如電子表格文件）的優(yōu)先級。不過，802.11e提供了不同的流量類別和優(yōu)先級別，從而使高優(yōu)先級的語音數據遇到的延遲比較低（因而抖動和數據包丟失現象比較少）。

　　然而，802.11e不能保證語音數據總是盡可能快速、有規(guī)律地到達目的地，不過它確實增加了這種可能性。另外，要獲得非常好的效果，使用802.11e的網絡必須從源地發(fā)送到目的地的過程中一路傳達QoS需求，這種傳達依賴符合802.11e的所有網絡部件。

　　對VoIP 和VoFi應用而言，擁有足夠的帶寬也很重要，即便帶寬通常不是主要的約束條件。畢竟，連802.11b網絡也能達到11Mbps，而 802.11a和802.11g更是可以提供54Mbps。往往連接速度最慢的居民寬帶因特網連接提供的速度通常至少也有1Mbps。

　　不過，帶寬仍是個因素，因為無線LAN根本提供不了規(guī)定的數據速率。譬如，不盡如人意的條件很可能把802.11b的數據速率降到2Mbps甚至1Mbps。如果再加上一些繁重的網絡流量，帶寬就可能限制音質。

　　各種語音編解碼器可以降低VoIP和VoFi對帶寬的需求，不過在使用時一定要小心。在傳統(tǒng)電話中，符合ITU G.711標準的編解碼器可以把語音編碼成64kbps的數據流。在VoIP當中，G.729編解碼器只需要8kbps，卻能獲得幾乎完全相同的音質。不過，壓縮率越高，數據包丟失現象就越明顯，因為每個數據包含有更多的語音數據。

未來漫游

　　好像嫌所有這些難題還不夠嚴重，VoFi將來從一個Wi-Fi接入點漫游到另一個接入點，甚至在Wi-Fi網絡和蜂窩網絡之間進行漫游時，還面臨其他一些問題。在企業(yè)VoFi系統(tǒng)中，Wi-Fi漫游已經實現，但這些系統(tǒng)都針對VoFi進行了認真配置，而面向消費者的網絡卻不是這樣。在蜂窩網絡市場，幾個無線運營商目前正在對可以與VoFi-蜂窩雙模電話協同工作的系統(tǒng)進行評估。

　　漫游會影響音質，原因是VoFi連接不會在瞬間從一個接入點切換至另一個接入點。切換過程需要一定的時間，而如果切換不夠快，通話質量就會受到影響。

　　當然，蜂窩網絡從來就沒有提供過良好的音質，但大多數用戶為了獲得移動性這一好處，甘愿忍受稍差的音質。Wi-Fi和蜂窩技術的聯姻也會帶來移動功能，但VoFi本身不只是與蜂窩網絡相競爭，還會與音質幾乎總是非常好的傳統(tǒng)固定電話相競爭。

　　恐怕唯有時間才能表明用戶會不會重視成本和便利、輕視音質；或者換一種說法，VoFi的音質會不會逐漸趕上傳統(tǒng)電話。不管怎樣，未來人撥打的許多電話將會在網上進行。

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