家庭網(wǎng)絡(luò)中融合語音通信技術(shù)研究

馬智勇，韓建亭，萬 象，黃 彥

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122）

1 引言

伴隨著城市光網(wǎng)時代的到來，傳統(tǒng)固網(wǎng)架構(gòu)不斷升級，普通用戶寬帶接入速率將顯著提升，面向家庭用戶的終端呈現(xiàn)出多功能化、多媒體化、移動化發(fā)展特征。對于運營商而言，整合有線光網(wǎng)和無線接入資源，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，向用戶提供融合服務(wù)（FMC）是未來若干年必然的發(fā)展趨勢。本文重點探討如何在家庭環(huán)境下為各種無線寬帶信息終端提供具有移動特征的有質(zhì)量保證的融合型語音服務(wù)。

2 無繩語音方案的選擇

2.1 VoWi-Fi方案

VoWi-Fi（基于Wi-Fi的VoIP）技術(shù)被提出已有數(shù)年，其基于802.11 WLAN協(xié)議，目前擁有眾多的終端開發(fā)商。具有無線聯(lián)網(wǎng)能力的家庭信息化終端普遍支持802.11協(xié)議，利用設(shè)備中現(xiàn)有的WLAN能力實現(xiàn)無繩語音似乎是順理成章的事。但是，困擾VoWi-Fi多年的QoS和功耗問題仍未得到妥善解決，仍然是VoWi-Fi普及的主要障礙。

（1）設(shè)備移動性引入的QoS問題

在Wi-Fi信道內(nèi)，語音數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)共享帶寬。由于隨機到達的數(shù)據(jù)應(yīng)用流量很容易造成語音業(yè)務(wù)質(zhì)量下降，因此有必要提供QoS保障機制確保語音數(shù)據(jù)高優(yōu)先級傳輸，這正是802.11e試圖解決的問題。但是，802.11e無法解決Wi-Fi所有的QoS問題，如VoWi-Fi終端移動性帶來的QoS問題。

按照Wi-Fi規(guī)范，隨著AP與Client之間距離、信道條件的變化，Wi-Fi設(shè)備會自動切換調(diào)制模式，如DSSS、CCK、DQPSK、DBPSK、OFDM。不同的工作模式對應(yīng)不同的無線連接速率，以 802.11g為例，有 54 Mbit/s、11 Mbit/s、5.5 Mbit/s、2 Mbit/s、1 Mbit/s等呈階梯分布的速率。最新的802.11n采用多入多出技術(shù)，允許設(shè)備在多條空間路徑中選擇最優(yōu)路徑，以提升系統(tǒng)性能。

當(dāng)用戶終端在家庭中移動時，信號遮擋、穿墻衰減、反射、多徑衰落等會導(dǎo)致無線信道隨時變化，系統(tǒng)在處理誤碼、重傳、工作模式切換、搜索最優(yōu)路徑時所消耗的系統(tǒng)資源和信道帶寬會累積成數(shù)據(jù)報文的時延和抖動，對于普通上網(wǎng)業(yè)務(wù)來說影響并不大，但對于語音業(yè)務(wù)來說是不可接受的，語音業(yè)務(wù)將出現(xiàn)噪音、聲音不連貫、聲音滯后甚至掉線等現(xiàn)象，因此Wi-Fi系統(tǒng)的算法優(yōu)化是必不可少的。許多設(shè)備廠商提供了優(yōu)化方案，但這些方案往往涉及AP和Client兩側(cè)，并且超出了Wi-Fi規(guī)范的定義，由此產(chǎn)生了不同廠商AP和Client設(shè)備之間的兼容問題。

（2）功耗問題

VoWi-Fi功耗問題由來已久，很多廠商嘗試改進，但是始終未能得到徹底解決。到目前為止，市場上銷售的VoWi-Fi手機的待機時間多數(shù)在30 h左右，較難超過50 h。

2.2 數(shù)字無繩電話方案

數(shù)字無繩電話是專門針對家庭無繩語音開發(fā)的技術(shù)應(yīng)用。目前市場份額最大的DECT（數(shù)字增強無繩電話）標(biāo)準(zhǔn)源自歐洲，由ETSI定義，后被多個國家采用。其技術(shù)特點是：多頻點跳頻；頻點寬度小于1 MHz；GFSK調(diào)制；32 kbit/s G.726語音編碼；TDD雙工模式；采用前向糾錯技術(shù)，對錯包不做重傳處理。

為了與現(xiàn)有無線電管理規(guī)劃相符，各國對數(shù)字無繩的要求略有不同。例如，歐洲D(zhuǎn)ECT使用1 880～1 900 MHz，北美使用 1 920～1 930 MHz，我國使用 2 400 ～2 483.5 MHz。目前供應(yīng)國內(nèi)市場的數(shù)字無繩電話產(chǎn)品是在DECT基礎(chǔ)上為2.4 GHz頻段略作修改的一個版本，業(yè)界稱為WDCT（國際數(shù)字無繩電話）。

根據(jù)筆者的開發(fā)經(jīng)驗，家庭環(huán)境中采用DECT可以獲得與PSTN固定電話接近的語音質(zhì)量。Wi-Fi技術(shù)和數(shù)字無繩電話技術(shù)相比，Wi-Fi技術(shù)更適合用來提供實時性要求不高的高速無線上網(wǎng)及數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，而數(shù)字無繩電話技術(shù)更適合用來提供QoS要求較高的無繩語音業(yè)務(wù)，兩者可以互為補充?；谏鲜隹紤]，我們后續(xù)無繩語音融合業(yè)務(wù)工作主要在數(shù)字無繩電話技術(shù)基礎(chǔ)上展開。

3 Wi-Fi與DECT集成方案分析

根據(jù)我國無線電管理規(guī)定，數(shù)字無繩電話和Wi-Fi都工作在2.4 GHz頻段。將數(shù)字無繩電話技術(shù)集成到WLAN的家庭多媒體終端、家庭網(wǎng)關(guān)中，設(shè)備內(nèi)部同頻段兩個射頻系統(tǒng)會互相干擾，具體表現(xiàn)為：Wi-Fi的干擾使無繩通話噪音大、聲音不連續(xù)、可懂度低、頻繁掉線；無繩的干擾使Wi-Fi信道質(zhì)量下降嚴(yán)重，無線數(shù)據(jù)通信中斷。對于此問題，有以下3種解決方案。

方案1：頻率避讓

即Wi-Fi模塊和數(shù)字無繩電話模塊獨立，數(shù)字無繩電話模塊在跳頻時發(fā)現(xiàn)并且避讓W(xué)i-Fi占用的信道。Wi-Fi在2.4 GHz頻段占用20 MHz帶寬，可以讓數(shù)字無繩電話模塊檢測信道狀況，跳頻時避開Wi-Fi正在使用的信道。理論上，應(yīng)用此方法能夠很好地避免兩者之間的干擾，但實際情況并非如此。造成這種現(xiàn)象的原因來自兩方面：一方面，數(shù)字無繩電話模塊在開放空間中檢測信道，開放空間中存在各種背景噪聲和隨機干擾，最終選定的頻點仍然有可能距離Wi-Fi信道較近，甚至有少數(shù)跳頻點位于Wi-Fi信道內(nèi)部；另一方面，系統(tǒng)濾波器的頻率響應(yīng)無法達到理想狀態(tài)，板級布線上和天線上的高頻信號會存在一定耦合，實際發(fā)射的信號總存在一定的雜散，表現(xiàn)為部分頻譜延展對相鄰頻譜信號造成干擾，如圖1和2所示。

數(shù)字無繩電話通過前向糾錯機制監(jiān)測并糾正傳輸中的誤碼，當(dāng)干擾導(dǎo)致錯誤碼字超出系統(tǒng)糾錯能力時，接收端會聽到咔咔聲。Wi-Fi受到干擾并導(dǎo)致系統(tǒng)錯包率升高時，系統(tǒng)會自動降低傳輸速率，直觀上體現(xiàn)為系統(tǒng)吞吐量下降。

方案2：無繩優(yōu)先，抑制Wi-Fi

即在Wi-Fi模塊和數(shù)字無繩電話模塊之間建立硬件和軟件上的關(guān)聯(lián)，按照無繩語音優(yōu)先的原則，在數(shù)字無繩電話模塊發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時禁止Wi-Fi模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，如圖3所示。在數(shù)字無繩電話模塊發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時禁止Wi-Fi模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，等同于默認數(shù)字無繩電話模塊收發(fā)數(shù)據(jù)時信道被完全占用，也就是說干擾的減少是通過犧牲Wi-Fi一定的發(fā)送時間和系統(tǒng)吞吐量獲得的。在方案1中，Wi-Fi和數(shù)字無繩系統(tǒng)之間具有競爭關(guān)系，Wi-Fi仍然會嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)，盡管存在互擾，Wi-Fi數(shù)據(jù)仍有很大可能性發(fā)送成功。對于Wi-Fi來說，來自無繩的干擾與外界的干擾可疊加起作用，僅在疊加干擾非常嚴(yán)重時，才會導(dǎo)致Wi-Fi嘗試以更低的速率進行數(shù)據(jù)傳輸。

方案3：無繩優(yōu)先，兼顧Wi-Fi

即數(shù)字無繩電話模塊在跳頻時發(fā)現(xiàn)并且避讓W(xué)i-Fi占用的信道，數(shù)字無繩電話模塊在發(fā)送數(shù)據(jù)時允許Wi-Fi模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)字無繩電話模塊接收數(shù)據(jù)時禁止Wi-Fi模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，如圖3所示。

應(yīng)該注意，雙射頻系統(tǒng)集成在同一個設(shè)備內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重干擾包括3個方面：無繩發(fā)射對Wi-Fi接收的干擾；Wi-Fi發(fā)射對無繩接收的干擾；無繩發(fā)射與Wi-Fi發(fā)射的互擾。因為無法控制Wi-Fi的接收時序，所以無繩發(fā)射對Wi-Fi接收的干擾屬于系統(tǒng)固有問題，較難避免。考慮到Wi-Fi發(fā)射機距離無繩語音模塊較近，極易對數(shù)字無繩電話模塊的接收造成干擾，出于無繩語音質(zhì)量優(yōu)先原則，在方案3中，無繩電話模塊接收數(shù)據(jù)時禁止Wi-Fi模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，因此Wi-Fi發(fā)射對無繩接收的干擾可以采用此方案解決。相對于方案2數(shù)字無繩電話模塊收發(fā)數(shù)據(jù)時完全禁止Wi-Fi模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的做法，方案3在數(shù)字無繩電話模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時允許Wi-Fi模塊有成功發(fā)送數(shù)據(jù)的機會。經(jīng)過分析，筆者更傾向推薦采用方案3進行系統(tǒng)集成。

4 測試驗證

考慮到真實用戶環(huán)境中經(jīng)常存在鄰居Wi-Fi設(shè)備，因此在測試方案中增加了 PC1、PC2、AP1作為固定干擾，模擬居家場景中距離最近的干擾源，測試場景如圖4和5所示。

PC1和PC2分別以無線、有線連接AP1，安裝IxChariot軟件，AP1模擬 IPTV over Wi-Fi應(yīng)用場景，PC1發(fā)送數(shù)據(jù)，PC2接收數(shù)據(jù)。PC3與PC4分別以無線、有線方式連接被測設(shè)備，PC3發(fā)送數(shù)據(jù)，PC4接收數(shù)據(jù)，模擬Wi-Fi正常使用場景。

圖5所示的用戶環(huán)境為90 m2兩室一廳，其中M點為被測設(shè)備 AP2放置點，C為干擾源 AP1放置點，A、B、D、E、F、I為手機呼叫通話點。被測設(shè)備Wi-Fi 802.11g信道分設(shè)為常用的CH1、CH6、CH11，分別設(shè)置數(shù)字無繩電話模塊為關(guān)閉、待機、通話狀態(tài)，進行組合測試，在通話狀態(tài)中選取B、D、M、I等測試點記錄Wi-Fi吞吐量，在各測試點記錄通話質(zhì)量。

表1 通話質(zhì)量與Wi-Fi吞吐量變化

測試中通話質(zhì)量與Wi-Fi吞吐量變化情況見表1。在存在Wi-Fi干擾場景下，方案3的上行、下行無繩語音質(zhì)量良好，優(yōu)于方案1，與方案2的無繩語音質(zhì)量相當(dāng)。方案3中無繩電話引入的Wi-Fi吞吐量下降大于方案1，小于方案2。若綜合考慮無繩語音質(zhì)量和Wi-Fi性能兩個因素，則上述3個方案中方案3表現(xiàn)最佳。

方案3的無繩電話狀態(tài)與Wi-Fi吞吐量的關(guān)系如圖6所示，可以看出，數(shù)字無繩電話模塊處于待機狀態(tài)對Wi-Fi吞吐量的影響比較?。s1～2 Mbit/s），數(shù)字無繩電話模塊處于開始撥號和通話初期狀態(tài)對Wi-Fi吞吐量影響較大（這是因為無繩語音模塊此時在進行頻點搜索，試圖找到可避讓W(xué)i-Fi的工作頻點），通話一段時間后吞吐量達到穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

本文對數(shù)字無繩語音業(yè)務(wù)融合型家庭寬帶產(chǎn)品VoWi-Fi方案、數(shù)字無繩+Wi-Fi集成方案進行了比較和分析，實際測試表明，采用“無繩優(yōu)先，兼顧Wi-Fi”方案無繩語音質(zhì)量受Wi-Fi影響有限，無繩語音對Wi-Fi非實時數(shù)據(jù)上網(wǎng)的影響也有限。

1 韓建亭，馬智勇，胡冰松等.基于家庭網(wǎng)關(guān)的無繩語音FMC解決方案.電信科學(xué)，2009（2）