关键词：WiFi、VoWlan、SIP、RSSI、DTMF，CAC

摘  要：本文档介绍了WiFi语音解决方案的相关技术，并对H3C WiFi语音解决方案的典型组网和应用场景做了说明。

缩略语清单：

第1章  WiFi语音背景介绍

目前的IT产业领域中，WLAN和VoIP是人们关注的热点，因此使用WLAN提供语音服务（WiFi语音）的终端设备也就应运而生。 WiFi语音终端设备利用现有的WLAN网络实现无线的VoIP语音通话，用户可以通过WiFi语音终端设备在WLAN网络的覆盖范围内随时进行语音通话。这既发挥了IP网络成本低的特点，又使得用户获得WLAN带来的方便性。

WiFi语音的优势：

l         大大降低通话费用。

    VoIP能够得到推广最大的优点就是他可以节省企业的高额电话费，特别是长途话费。当企业建立了WiFi语音网络后也继承了VoIP的优点，所有长途通讯或者本地通讯都是通过网络解决，公司只需要支付网络使用费即可。而企业内部的语音通讯也完全可以通过网络实现。通过企业内部部署WiFi语音，让员工进入WiFi语音办公区域后，不知不觉中自动节省话费。

l         使用方便，让员工彻底摆脱对办公桌的依赖。

   使用方便则是对VoIP功能的提升。WiFi语音是基于WLAN的，也就是说所有语音通讯都可以实现无线，语音通讯设备也从传统的类似与固定电话的VoIP电话机转变为类似于手机的VoIP手机。用户就可以实现拿着WiFi语音手机在企业内部任何一个地方随意通话。这点是以前有线网络中VoIP无法实现的。

l         WiFi语音基于SIP的通讯协议架构可灵活支持视频电话、短信等增值业务。

   在WLAN网络部署完毕后，只需叠加相应的语音业务系统，WiFi语音就可平滑支持，从而充分利用已有的网络资源。并可以依托WiFi语音终端挖掘无线定位、对讲、短信、视频电话等增值业务。

1.1  WiFi语音的现状：

Cisco、Symbol和Spectralink公司从90年代晚期开始提供专用的WiFi语音解决方案。最近，摩托罗拉、Proxim、Avaya、NEC、诺基亚、Senao及其它一些公司已经开始为下一代WiFi/蜂窝融合型网络提供产品和服务。Nokia的E系列和N系列智能手机都已经标配支持WiFi功能，并随机附赠了SIP客户端软件。

按照统计，WiFi手机终端的出货量在快速增长，WiFi语音正在成为运营商、大企业的关注热点。研究机构InfoneticsResearch的数据显示，2006年全球WiFi手机销售额达到5.35亿美元，比2005年增长327%，销售量则增长489%。随着成本的降低，预计在2007年到2010年的4年间，WiFi手机销量将增长近1300%。

图1 全球WiFi功能手机的年出货量预测（资料来源：In-Stat）

Aruba，Cisco等无线设备厂商也积极投入WiFi语音的拓展，Aruba专门针对WiFi语音业务开发了语音流识别、移动FMC和会话统计等特性，在日本、韩国得到成功应用。国内Aruba也拓展了中芯国际、北京大学等WiFi语音项目。

1.2  WiFi语音推广的难点：

l         标准迟迟没建立：

要保证WiFi语音能够正常建立需要对环境进行严格的测试，让各个厂商有一个真正的标准，这样才能保证WiFi语音产品的大批量研发与生产。FMCA（Fixed-Mobile Convergence Alliance）组织测试过一些WiFi语音终端款型，也在推动制定相应的规范，但目前还没有相关的标准草案正式推出。

l         语音信号衰减与延迟问题：

由于无线信号不如有线那样稳定，各个地方存在着没有信号和信号弱的问题。这时通过WiFi语音设备就无法正常通讯了。所以WiFi语音推广组织一直在研究信号覆盖强度，除了信号衰减外通话的延迟也是一个需要考虑的问题。现代WiFi网络的AP密度很高，每个AP覆盖的范围很有限。按正常速度行走，每几秒钟就可能发生一次漫游。为降低由漫游引起的突发丢包的影响，必须尽可能缩短漫游时间。IEEE和WiFi联盟正在讨论是否应把漫游时间限制在50ms之内。

l         垄断政策影响：

如果WiFi语音技术得到了推广，在移动通讯领域电信部门受到的冲击是巨大的。目前已经有很多手机自带WiFi功能，但是国家信息产业部明文规定不允许带WiFi功能的手机在国内上市，因此在国内上市的手机都不带WiFi功能。很多相同的机型在国内不能使用此功能，但在国外就可以应用（如Nokia支持WiFi功能的手机）。

第2章  WiFi语音相关技术介绍

虽然基于WLAN的VoIP技术与有线网络类似，但是由于无线网络固有的特性，在支持上层的实时业务时与有线网络有很大差异，导致无线网络传输的语音质量有可能比有线网络要差很多，因此必须采取特殊的措施来保障一定的业务质量。WiFi语音的关键技术主要包括信令技术、实时传输技术以及QoS保证、漫游技术、射频覆盖技术、无线安全技术等。

2.1  信令技术

    WiFi语音系统中，信令技术保证呼叫的顺利实现和语音质量。目前被广泛接受的信令体系包括ITU-T的H.323系列和IETF的会话初始协议SIP。  

    与H.323不同，SIP是一种比较简单的会话初始化协议。它不像H.323那样提供所有的通信协议，而是只提供会话或呼叫的建立与控制功能，且既支持单点发送（Unicast）也支持多点发送，会话参加者可以随时加入一个已经存在的会议。

    SIP是一种应用层协议，可以用UDP或TCP作为其传输协议。SIP是一种基于文本的协议，用SIP规则资源定位（SIPUniformResourceLocations）语言描述，这样易于实现和调试，更重要的是灵活性和扩展性好。由于SIP仅用于初始化呼叫，而不传输媒体数据，因而造成的附加传输代价也不大。SIP的URL甚至可以嵌入到Web页或其它超文本链路中，用户只需点击鼠标就可以发出呼叫。与H.323相比，SIP还有建立呼叫快，支持传送号码的特点。目前，WiFi语音技术基本都是通过SIP实现的。

2.2  语音通话质量问题

传统的IP网络主要是用来传输数据业务,采用的是Best-Effort、无连接的技术，存在失序到达和时延抖动甚至分组丢失等情况。数据业务对实时性要求不高,但话音属于实时业务，对时序、时延等有严格的要求。

语音质量传统上是采用主观方法来衡量的。它主要采用ITU 建议的P.800中的MOS（mean opinion score）指标。ITU P.800标准解释了在不同的时延和数据丢失的情况下人对通话的反应。现在，在建立语音测量客观标准方面已经取得了显著的进步。ITU 推荐标准G.107采用E-MODEL 来测量语音质量。E-MODEL认为有两个主要因素会影响数字语音在WLAN上的传输：时延和数据丢失，失序到达问题可以采用RTP和RTCP技术加以解决，下面分别加以介绍。

1．时延的影响

语音通话时，如果时延过大就会失真，严重的还会使通话无法进行。WiFi语音中单向时延有四部分组成。

（1） 传播时延

信号传播时间由通话距离决定。因为无线电传播速度很快，所以传播时延没有那么显著，短距离通信时可以忽略不计。

（2） 打包时延

编解码器把摸拟信号转化为数字信号要花费时间。高码流编解码器例如G.711的IP打包速度比较快，大约1ms。低码流编解码器要用更多的时间，因为它们要采用压缩技术来减少包的尺寸。例如编解码器G.711把模拟信号转化为数字信号有20ms的时延。因而使用高压缩率的解码器可以减少WiFi语音上的流量，相应的时延也会增加。也就是说一旦编解码器的算法选定，时延便固定了。

    语音压缩编码技术是WiFi语音技术的一个重要组成部分。目前主要的编码技术有ITU-T定义的G.729、G.711等。其中，G.729可将经过采样的64kbit/s语音以几乎不失真的质量压缩至8kbit/s。由于在分组交换网络中，业务质量不能得到很好保证，因而需要语音编码具有一定的灵活性，即编码速率、编码尺度的可变可适应性。G.729原来是8kbit/s现在的工作范围扩展至6.4kbit/s～11.8kbit/s，语音质量也在此范围内有一定的变化。G.711的通话效果好，但占用带宽较大。

    此外还需要注意的一个问题是，语音编码的带宽和实际所占用的带宽是不同的，语音编码的带宽是实际语音包的带宽，而语音包在网络上传输时，还需要增加各种报头，如RTP包头、UDP包头和IP包头。由于语音包本身很小，所以这些额外的带宽都是很可观的。表1中列出了各种编码方式下和打包时长所对应的实际带宽。

表1 编码格式和实际带宽

    由表1可以很明显的看出，打包时间越长，所占用的实际带宽越小，但时延越大。一般WiFi语音终端都支持G.729和G.711编码格式，具体的编码格式由通话时协商完成。

通常情况下，建议采用G.711格式编码，可确保较好的通话质量和较小的时延。

（3） 缓冲器时延

    缓冲器在接收机上主要用来消除当VoIP包失序到达时产生的语音回声。把VoIP包直接转化为模拟信号前，进来的包会预先保存在缓冲存储器中。编解码器然后从缓冲器中取出下一个包并转化为模拟信号，也就是说VoIP包在进入编解码器前要先经过缓冲器。当时延过多时，取出动作就会停止直到新包的到来，这样就会导致通话的中断。所以设计WiFi语音系统时应该仔细考虑接收机缓冲器的大小。如果缓冲器处理太多的包可能会产生显而易见的延时进而恶化语音质量。但是，如果缓冲器只能处理太少的包，通话会产生瞬间的中断。

    不同品牌WiFi手机的缓冲器大小不同，启基科技RRPB-81为300ms。

（4） 传输时延

对于WLAN来讲传输时延是由通信数据速率决定的。在802.11b网络中，如果传输速率是1Mbit/s，时延则要比11Mbit/s的高出11倍。

虽然以上四种时延都会影响语音质量，但是前三种是不受控的，能提高的余地很小；而传输时延可以通过优化网络结构加以改善。

2．数据丢失的影响

因为VoIP包传输具有时实性的特点，所以就没有时间重新发送丢失的包。这些丢失的包会使语音通信产生间断，进而产生静音，如果丢失发生的频繁则会使通话变得好无意义。

无线网络中有两个主要的原因会导致包的丢失：CSMA域中流量过大，有冲突的包就会被丢弃；或者时延变化过大，因为包到达缓冲器过晚或过早而被丢弃。

WLAN中有三种方法可以用来改善语音质量。

（1） 减少每个方向上总的单向时延。WLAN中语音和数据均以最大速率进行传输可以解决这个问题。

（2） 减少时延的差异。减少每个CSMA域中客户的数量可以解决这个问题。

（3） 减少包丢失，特别是脉冲丢失。即使包丢失可以有802.11协议的重传机制来减轻，AP的拥塞控制机制也必须要保证语音包丢失的最少。如果每个AP在发射信号之前能确保语音业务的优先级，就可以减少包的丢失。

2.3  实时传输技术

    WiFi语音系统中也用到了实时传输技术，主要是采用实时传输协议RTP。RTP是提供端到端的包括音频在内的实时数据传送的协议。RTP包括数据和控制两部分，后者叫RTCP。RTP提供了时间标签和控制不同数据流同步特性的机制，可以让接收端重组发送端的数据包。

    此外，静音检测技术和回波消除技术也是十分关键的技术。静音检测技术可有效剔除微弱信号，从而使语音信号的占用带宽进一步降低到3.5kbit/s左右；回波消除技术主要利用数字滤波器技术来消除对通话质量影响很大的回波干扰，保证通话质量，这点在时延相对较大的WiFi语音系统尤为重要。

2.4  带宽占用

WLAN中VoIP呼叫占用的带宽要比解码器的数据速率大的多。低码流解码器例如G.729，数据最大速率是8kbps。但是，实际的带宽要大的多。当以30ms的间隔发送时，每个数据包的大小是30字节。另外，包头有额外的RTP字头和802.11字头。所以，单向总带宽要多于25kbit/s。双向通话要求高于50kbit/s的带宽。更高码流的解码器G.711，一个语音呼叫会占用160kbit/s的带宽（VoIP报文长度，不包含无线传输部分开销）。

在802.11b模式下每个AP最大能同时有7个呼叫。这个数字是基于11Mbit/s的情况。如果部分或者全部WiFi语音终端的数据速率低于11Mbit/s，这个数字要降低。为了避免每个AP的最大呼叫数过量，对WiFi语音终端和AP覆盖范围内的呼叫数量进行评估是必不可少的。需要特别指出的是，在AP标准范围内才可能有更高的数据传输。当WiFi语音终端在RF覆盖的边缘时，它们的传输速率会降到最低且占用更多的带宽。例如，一个WiFi语音应用在数据传输为11Mbit/s时需要7%的带宽，2Mbit/s时大约需要10%的带宽，1Mbit/s时大约需要15%的带宽。

有四种技术可以用来优化WLAN的带宽占用：报头压缩，静音抑制，帧打包，呼叫接入控制。

（1） 有报头压缩的情况下，如果采用低速编码器可以节省一半的带宽。不利的方面是它会增加等待和单向时延中的传输时延。

（2） 静音抑制可以通过减少有效载荷进而节省带宽。在大多数的电话通话中，总会有几次一方或双方是静音的。静音时，没必要发完整的包，只需要发稍小一点的即可。通话双方的静音抑制可以压缩50%的有效载荷。

（3） 帧打包技术通过把多个音频包合为一个来节省带宽。这就意味着排列后的包只需要一个包头，而不是一个音频包一个包头。因为较大的包要等较小的包合并后才能有发射机发出，所以会产生时延。另外，单个包传输的丢失意味着多个包的丢失，这样会进一步损害呼叫质量。

（4） 最后，采用呼叫接入控制可以避免WLAN中有过多的同时发生的VoIP通话。呼叫管理软件可以限制同时发生的通话的数量到预先设定的值，从而避免AP的过载。

尽管这四项技术可以提高WIFI语音的性能，如果想挖掘WLAN的最大的潜能，你需要知道WLAN全部可用的容量。只有采用全部非重叠802.11信道持续通过设备才能获得。另外，网络中较少的抖动可以减少传输时延的积累。通过把AP放在距网络边缘较近的地方，可以减少VoIP包的抖动，进而改善通话质量。

2.5  漫游支持

当用户从一个AP漫游到另一个AP时，传统的WLAN鉴权会产生数据流的中断。漫游中断时间是指在漫游前的AP收到的最后一个RTP报文，到下一个AP收到的第一个RTP报文之间的中断时间，这要依赖网络的拓扑结构和认证鉴权方式的选取。

WiFi语音用户会经常移动，会在AP间频繁切换。采用传统的鉴权，即使是最好的情况下，终端移动时通话双方都能听到瞬间的中断。因此，绝大多数VoWALN终端的解决方案都要求具有专有的预共享密钥漫游算法来改善语音质量并且当用户移动时在AP覆盖范围内切换时带宽最大化。

实际影响漫游切换的因素，不只是网络原因，网络设备主要完成终端漫游切换后的关联、认证、表项刷新等，通过预共享密钥和用户权限同步等技术，已经可以限制漫游时网络切换时间为100ms以内。但WiFi语音通话实际测试漫游切换时间都在1秒以上，原因在哪里呢？

WiFi手机终端对漫游时机的选取直接决定漫游的行为，不同手机漫游特性也有很大差异。手机终端根据信号测量的结果，判断何时漫游。由于人体在行走中各种因素的影响，手机获取的信号强度值随时变化，导致漫游切换的时机很难把握。最不理想的情况是手机在一个信号很强的AP附近，但通话有明显的丢包和终端。这是因为手机认为没有达到漫游门限，仍然连接到远处的AP所致。

很多单模的WiFi手机可以设置漫游切换门限和漫游切换的阀值来优化漫游特性，业界已有手机可以设置漫游切换时扫描的信道，只扫描固定的信道，如1,6,11，降低扫描全部信道花费的时间。合理的配置终端和优化无线网络，能明显提高漫游切换的性能。

漫游分为二层漫游和三层漫游，二层漫游为在同一个子网内的AP间漫游；三层漫游是在不同子网内的AP间漫游，FAT AP架构无法支持。

                                                                  图2二层漫游和三层漫游

2.6  射频环境部署

WiFi语音部署时，对无线网络的要求和数据业务有很大不同。由于WiFi语音终端一般在贴近人体时使用，需要考虑人体对无线点播的吸收，因此WiFi语音部署时对无线网络的要求强于数据业务的要求，信号强度一般要高于-65dbm。同时，由于WiFi手机通话过程中会随处移动，任何盲区的存在都会导致通话终端和掉线，因此要尽量做到WLAN网络100%全覆盖。

实时的语音流要求无线网络可靠，丢包率低。当AP覆盖的区域内仅有一个终端，且为理想传播环境时，最大的接入速率时丢包率要求为在丢包率小于1.0×10-4。

语音部署时，要尽量避免同频干扰带来的影响。WLAN网络建议采用蜂窝状的信道部署，可以有效降低同频干扰。同时要远离微波炉、无绳电话、蓝牙设备等干扰源。

2.7  无线QoS保证技术

    WiFi语音系统中，由于无线链路引入的串扰和多径传播将导致衰落和色散，从而引起系统的附加时延和抖动。而语音业务对于时延和抖动非常敏感，因此在WiFi语音系统中提供一种QoS保证技术就显得非常重要。

    IEEE802.11标准定义了两种不同的信道访问机制：一种是点协调机制（PCF），基于CSMA/CA方式；另一种是分布式协同机制（DCF），基于轮询方式。但是这两种都没有划分优先级，因此随着用户数的增多，MAC不能保证为实时语音业务提供可靠的分组传输且传输时延和抖动在规定范围内。为此，IEEE802.11工作组的媒体访问控制（MAC）改进任务组（即E任务组）对802.11的MAC层协议进行改进，使其可以支持具有QoS要求的应用，即IEEE802.11e标准。

    IEEE802.11e中，MAC接入采用混合协同功能（HCF）控制机制。HCF与PCF和DCF直接兼容，而且可以支持优先级和参数化的媒体访问服务。HCF结合了竞争和轮询两种机制，其中，基于竞争的访问机制称为增强式点协同功能（EPCF），而无竞争的访问机制称为增强式分布系统功能（EDCF）。EDCF对业务先进行分级，为不同的优先级数据提供不同的服务输出队列，每个服务队列采用EDCF方法来竞争传输资源。主要表现在不同优先级队列拥有的最小闲散时间（DIFS）和竞争窗口不一样，可利用参数来改变竞争窗口大小，从而可以获得不同的重发等待时间，保证了实时业务有更高的服务优先级。

    EPCF信道访问方法采用QoS相关的点协同功能，称为混合协同器（HC）。HC利用点协同功能把优先级信道分配给无线终端，用于传输有QoS需求的数据，来满足预定义的传输优先级、服务速率、延时和抖动。有QoS需求的移动终端可以给HC发送预留请求（RR）。移动终端可以在EDCF模式或者EPCF模式下发送RR，也可以在受控竞争间隔（CGI）内发送。

    由上可见，随着对QoS研究的不断深入，IEEE802.11e协议也在逐步完善，一方面在原有的框架内修改了分布式和集中式的协调机制，并保持了对传统协议的兼容；另一方面也提出了一些独特的解决方案，如批应答和准入控制。根据国外做出的研究和仿真报告，IEEE802.11e可以实现很好的QoS性能。

我司WLAN设备全部支持基于EDCF的WMM(WiFi Mulitimedia)特性，业界当前也有很多WiFi语音终端已经支持WMM特性（如Nokia WiFi手机，启基科技手机和Spectralink等），可以有效保证语音业务在无线多业务环境下的优先传输。

2.8  WiFi语音安全

    对无线网络安全性的担心是很多企业拒绝使用802.11网络的主要原因，而这种安全问题对于VoIP来说，风险性并不比其它通过无线网络传输数据的应用程序低。由于无线VoIP是通过无线电波传送的，因此很容易在传输过程中被入侵者或黑客截获。如果对WiFi语音系统中不增强对安全的鉴权和对数据的保密，将会对系统造成很大的威胁，WiFi语音潜在的威胁和存在的攻击的方式主要有：窃听（Eavesdropping）和嗅探（Sniffing）VoIP呼叫，中间人（Man in the Middle）攻击，拒绝服务（Denial of Service）攻击，呼叫中断（Call Interruption）和建立错误呼叫等。

    802.11i协议本身提供了强大的安全措施。但在语音部署上，由于漫游切换效率考虑以及WiFi手机本身支持的能力有限，只能考虑较为简单的接入认证和加密方式，配合网络层和应用层的安全措施，保障语音终端的合法接入及语音数据的安全传输。

    WiFi语音一般可支持如下几种认证组合：

    WEP加密认证

    WPA认证(包含EAPOL-Key密钥协商)；

    WPA-PSK认证（包含EAPOL-Key密钥协商）

    MAC认证+PSK认证（包含EAPOL-Key密钥协商）

    WEP和WPA-PSK认证应用简单，目前大多数WiFi手机终端都已经支持，是较常用的鉴权方案。

    另外，SIP协议本身也提供了鉴权机制，防止非法终端接入并注册到语音网络。SIP注册时可以要求用户鉴权，用来确定用户身份的合法性。

2.9  WiFi手机

    目前，主流厂商支持WiFi功能的手机已经很普遍，如下表所示：

    早期的WiFi语音终端只支持802.11b模式，随着技术的发展，目前主流的WiFi手机都支持802.11b/g兼容模式，部分WiFi手机可以支持802.11a模式（如Spectrlink 8000系列）。WiFi手机分为2种，一种是单模手机，即只支持WiFi功能，另一种是双模手机，同时支持GSM/CDMA功能和WiFi功能。WiFi手机一般内置语音客户端软件，绝大多数是基于SIP协议的。

    尽管很多终端都已经支持WiFi功能，但很多只支持WiFi接口，不支持内置SIP客户端软件，如HP，多普达，BlackBerry和Apple等，需要下载第三方的SIP软件才能通过WiFi通话，协议兼容性和后期维护很难保证。日本NEC的双模产品3G接口在国内不支持。因此双模手机选型在国内主要以Nokia，派瑞天科为主，选择余地较小，而单模手机相对来说更成熟些，选择范围更大，在国内也有过一些商用的案例。

2.10  WiFi手机的电池寿命问题

    阻碍WiFi手机迅速普及的一个重要因素可能是电池寿命。许多第一代设备的待机时间比大多数便携式电话的通话时间还要短。显然，要使WiFi手机为消费者所广泛采用，这些设备的电池寿命必须能够比得上目前的便携式、无绳或DECT电话的电池寿命。更复杂的问题是，用户已习惯便携式电话的小体积，这就在设备可使用的�