家庭网络中融合语音通信技术研究

2010-06-11马智勇韩建亭

电信科学 2010年2期

马智勇，韩建亭，万象，黄彦

（中国电信股份有限公司上海研究院上海 200122）

1 引言

伴随着城市光网时代的到来，传统固网架构不断升级，普通用户宽带接入速率将显著提升，面向家庭用户的终端呈现出多功能化、多媒体化、移动化发展特征。对于运营商而言，整合有线光网和无线接入资源，实现优势互补，向用户提供融合服务（FMC）是未来若干年必然的发展趋势。本文重点探讨如何在家庭环境下为各种无线宽带信息终端提供具有移动特征的有质量保证的融合型语音服务。

2 无绳语音方案的选择

2.1 VoWi-Fi方案

VoWi-Fi（基于Wi-Fi的VoIP）技术被提出已有数年，其基于802.11 WLAN协议，目前拥有众多的终端开发商。具有无线联网能力的家庭信息化终端普遍支持802.11协议，利用设备中现有的WLAN能力实现无绳语音似乎是顺理成章的事。但是，困扰VoWi-Fi多年的QoS和功耗问题仍未得到妥善解决，仍然是VoWi-Fi普及的主要障碍。

（1）设备移动性引入的QoS问题

在Wi-Fi信道内，语音数据与其他数据共享带宽。由于随机到达的数据应用流量很容易造成语音业务质量下降，因此有必要提供QoS保障机制确保语音数据高优先级传输，这正是802.11e试图解决的问题。但是，802.11e无法解决Wi-Fi所有的QoS问题，如VoWi-Fi终端移动性带来的QoS问题。

按照Wi-Fi规范，随着AP与Client之间距离、信道条件的变化，Wi-Fi设备会自动切换调制模式，如DSSS、CCK、DQPSK、DBPSK、OFDM。不同的工作模式对应不同的无线连接速率，以 802.11g为例，有 54 Mbit/s、11 Mbit/s、5.5 Mbit/s、2 Mbit/s、1 Mbit/s等呈阶梯分布的速率。最新的802.11n采用多入多出技术，允许设备在多条空间路径中选择最优路径，以提升系统性能。

当用户终端在家庭中移动时，信号遮挡、穿墙衰减、反射、多径衰落等会导致无线信道随时变化，系统在处理误码、重传、工作模式切换、搜索最优路径时所消耗的系统资源和信道带宽会累积成数据报文的时延和抖动，对于普通上网业务来说影响并不大，但对于语音业务来说是不可接受的，语音业务将出现噪音、声音不连贯、声音滞后甚至掉线等现象，因此Wi-Fi系统的算法优化是必不可少的。许多设备厂商提供了优化方案，但这些方案往往涉及AP和Client两侧，并且超出了Wi-Fi规范的定义，由此产生了不同厂商AP和Client设备之间的兼容问题。

（2）功耗问题

VoWi-Fi功耗问题由来已久，很多厂商尝试改进，但是始终未能得到彻底解决。到目前为止，市场上销售的VoWi-Fi手机的待机时间多数在30 h左右，较难超过50 h。

2.2 数字无绳电话方案

数字无绳电话是专门针对家庭无绳语音开发的技术应用。目前市场份额最大的DECT（数字增强无绳电话）标准源自欧洲，由ETSI定义，后被多个国家采用。其技术特点是：多频点跳频；频点宽度小于1 MHz；GFSK调制；32 kbit/s G.726语音编码；TDD双工模式；采用前向纠错技术，对错包不做重传处理。

为了与现有无线电管理规划相符，各国对数字无绳的要求略有不同。例如，欧洲DECT使用1 880～1 900 MHz，北美使用 1 920～1 930 MHz，我国使用 2 400 ～2 483.5 MHz。目前供应国内市场的数字无绳电话产品是在DECT基础上为2.4 GHz频段略作修改的一个版本，业界称为WDCT（国际数字无绳电话）。

根据笔者的开发经验，家庭环境中采用DECT可以获得与PSTN固定电话接近的语音质量。Wi-Fi技术和数字无绳电话技术相比，Wi-Fi技术更适合用来提供实时性要求不高的高速无线上网及数据传输业务，而数字无绳电话技术更适合用来提供QoS要求较高的无绳语音业务，两者可以互为补充。基于上述考虑，我们后续无绳语音融合业务工作主要在数字无绳电话技术基础上展开。

3 Wi-Fi与DECT集成方案分析

根据我国无线电管理规定，数字无绳电话和Wi-Fi都工作在2.4 GHz频段。将数字无绳电话技术集成到WLAN的家庭多媒体终端、家庭网关中，设备内部同频段两个射频系统会互相干扰，具体表现为：Wi-Fi的干扰使无绳通话噪音大、声音不连续、可懂度低、频繁掉线；无绳的干扰使Wi-Fi信道质量下降严重，无线数据通信中断。对于此问题，有以下3种解决方案。

方案1：频率避让

即Wi-Fi模块和数字无绳电话模块独立，数字无绳电话模块在跳频时发现并且避让Wi-Fi占用的信道。Wi-Fi在2.4 GHz频段占用20 MHz带宽，可以让数字无绳电话模块检测信道状况，跳频时避开Wi-Fi正在使用的信道。理论上，应用此方法能够很好地避免两者之间的干扰，但实际情况并非如此。造成这种现象的原因来自两方面：一方面，数字无绳电话模块在开放空间中检测信道，开放空间中存在各种背景噪声和随机干扰，最终选定的频点仍然有可能距离Wi-Fi信道较近，甚至有少数跳频点位于Wi-Fi信道内部；另一方面，系统滤波器的频率响应无法达到理想状态，板级布线上和天线上的高频信号会存在一定耦合，实际发射的信号总存在一定的杂散，表现为部分频谱延展对相邻频谱信号造成干扰，如图1和2所示。

数字无绳电话通过前向纠错机制监测并纠正传输中的误码，当干扰导致错误码字超出系统纠错能力时，接收端会听到咔咔声。Wi-Fi受到干扰并导致系统错包率升高时，系统会自动降低传输速率，直观上体现为系统吞吐量下降。

方案2：无绳优先，抑制Wi-Fi

即在Wi-Fi模块和数字无绳电话模块之间建立硬件和软件上的关联，按照无绳语音优先的原则，在数字无绳电话模块发送和接收数据时禁止Wi-Fi模块发送数据，如图3所示。在数字无绳电话模块发送和接收数据时禁止Wi-Fi模块发送数据，等同于默认数字无绳电话模块收发数据时信道被完全占用，也就是说干扰的减少是通过牺牲Wi-Fi一定的发送时间和系统吞吐量获得的。在方案1中，Wi-Fi和数字无绳系统之间具有竞争关系，Wi-Fi仍然会尝试发送数据，尽管存在互扰，Wi-Fi数据仍有很大可能性发送成功。对于Wi-Fi来说，来自无绳的干扰与外界的干扰可叠加起作用，仅在叠加干扰非常严重时，才会导致Wi-Fi尝试以更低的速率进行数据传输。

方案3：无绳优先，兼顾Wi-Fi

即数字无绳电话模块在跳频时发现并且避让Wi-Fi占用的信道，数字无绳电话模块在发送数据时允许Wi-Fi模块发送数据，数字无绳电话模块接收数据时禁止Wi-Fi模块发送数据，如图3所示。

应该注意，双射频系统集成在同一个设备内发生严重干扰包括3个方面：无绳发射对Wi-Fi接收的干扰；Wi-Fi发射对无绳接收的干扰；无绳发射与Wi-Fi发射的互扰。因为无法控制Wi-Fi的接收时序，所以无绳发射对Wi-Fi接收的干扰属于系统固有问题，较难避免。考虑到Wi-Fi发射机距离无绳语音模块较近，极易对数字无绳电话模块的接收造成干扰，出于无绳语音质量优先原则，在方案3中，无绳电话模块接收数据时禁止Wi-Fi模块发送数据，因此Wi-Fi发射对无绳接收的干扰可以采用此方案解决。相对于方案2数字无绳电话模块收发数据时完全禁止Wi-Fi模块发送数据的做法，方案3在数字无绳电话模块发送数据时允许Wi-Fi模块有成功发送数据的机会。经过分析，笔者更倾向推荐采用方案3进行系统集成。

4 测试验证

考虑到真实用户环境中经常存在邻居Wi-Fi设备，因此在测试方案中增加了 PC1、PC2、AP1作为固定干扰，模拟居家场景中距离最近的干扰源，测试场景如图4和5所示。

PC1和PC2分别以无线、有线连接AP1，安装IxChariot软件，AP1模拟 IPTV over Wi-Fi应用场景，PC1发送数据，PC2接收数据。PC3与PC4分别以无线、有线方式连接被测设备，PC3发送数据，PC4接收数据，模拟Wi-Fi正常使用场景。

图5所示的用户环境为90 m2两室一厅，其中M点为被测设备 AP2放置点，C为干扰源 AP1放置点，A、B、D、E、F、I为手机呼叫通话点。被测设备Wi-Fi 802.11g信道分设为常用的CH1、CH6、CH11，分别设置数字无绳电话模块为关闭、待机、通话状态，进行组合测试，在通话状态中选取B、D、M、I等测试点记录Wi-Fi吞吐量，在各测试点记录通话质量。

表1 通话质量与Wi-Fi吞吐量变化

测试中通话质量与Wi-Fi吞吐量变化情况见表1。在存在Wi-Fi干扰场景下，方案3的上行、下行无绳语音质量良好，优于方案1，与方案2的无绳语音质量相当。方案3中无绳电话引入的Wi-Fi吞吐量下降大于方案1，小于方案2。若综合考虑无绳语音质量和Wi-Fi性能两个因素，则上述3个方案中方案3表现最佳。

方案3的无绳电话状态与Wi-Fi吞吐量的关系如图6所示，可以看出，数字无绳电话模块处于待机状态对Wi-Fi吞吐量的影响比较小（约1～2 Mbit/s），数字无绳电话模块处于开始拨号和通话初期状态对Wi-Fi吞吐量影响较大（这是因为无绳语音模块此时在进行频点搜索，试图找到可避让Wi-Fi的工作频点），通话一段时间后吞吐量达到稳定。