VoWLAN通信系统设计中的技术挑战与解决思路分析

由于无线局域网语音(VoWLAN)通信系统的设计在世界上还处于起步阶段，有些关键技术尚未有标准的解决方案。本文作者基于中国网通VoWLAN系统项目中获得的第一手经验，从下至上地介绍了系统设计时在物理层、媒体接入层和IP层遇到的关键问题，并就其中的部分问题提出了自己的解决方案(已在项目中得到验证)，对尚未解决的遗留问题提出了解决思路。

VoWLAN无疑是目前WLAN热点服务中最吸引人的业务之一。从2003年初开始，中国网通就已经启动了VoWLAN商用试验网络系统的预研和产品测试工作，包括CISCO、朗讯、华为在内的多家著名厂商参与了相关产品的评测。隶属于清华大学电子工程系的华录信息技术研究所也推出自行开发的VoWLAN系统参与评测。本文将以该系统为参照对象，介绍VoWLAN系统实现过程中面临的诸多问题和挑战，以及在该系统中的解决方案。

评测系统组网方案

在评测系统中，我们提供了包括移动终端、接入服务器、位置服务器在内的所有关键设备，网络结构如图所示。

在试验网中，我们搭建了3个独立的无线局域子网(A、B、C区)，每个子网由数台(3～5个)接入点(AP)和相应的二层网络连接组成，用于虚拟独立的“热点”。由于是室内覆盖，每个子网的覆盖半径约为150米，每个无线子网之间约有数十米的重叠覆盖区间。用户使用的无线终端硬件系统为带有SD扩展槽的PDA(联想天玑XP210)，加配SD WLAN扩展卡，软件系统采用Pocket PC 2002操作系统并加上我们开发的移动终端软件构成。

每个子网中都使用了一台语音接入服务器，该服务器完成接入控制、子网内位置登记、流媒体转发和SIP呼叫代理等多种功能。子网中的语音接入服务器均通过城域网与位置登记服务器连接。位置登记服务器完成全网位置登记、终端移动性管理等功能。

无线局域子网和位置登记服务器均通过城域网与中国网通的软交换试验网连接。图中的信令网关和软交换系统均使用已有的软交换试验网设备(中兴通讯公司提供)。

网通测试的主要内容除基本的SIP呼叫业务以外，重点测试了用户终端在无线子网之间切换时引发的移动性问题。

VoWLAN面临的挑战

VoWLAN系统的实施牵涉到包括物理层(空中接口)、媒体接入控制层(MAC)、传输层(IP)、业务层(SIP)在内的多种层次，系统结构十分庞大。就目前测试的情况来看，上述各个层次中仍然存在着诸多尚未完全解决的问题，下面将参照我们在项目实施过程中遇到的难点来分析这些问题对系统的影响，并提出一些解决思路。

1. 物理层存在的问题

物理层主要涉及WLAN的空中接口部分，该层定义了WLAN使用的频段、频段的划分方式(如在802.11b中，宽度为83MHz的频段被划分成了14个重叠覆盖子频段)、无线传输采用的编码调制方式(802.11b在10Mbps速率下采用QPSK，直接序列扩频DSSS)、发射功率、接收灵敏度等关键无线参数。在VoWLAN试验网的组网过程中，我们发现以下几方面的问题：

a. 室内环境中，AP的覆盖范围十分有限

由于试验使用的AP均采用802.11b协议，工作在2.4G频段，室内环境中的障碍物(如普通的墙壁、门窗、隔断等)对AP的覆盖范围影响非常大。据实测经验，普通AP的覆盖半径在视距范围内一般可达数十米到上百米，但对于非视距传播的情况(如AP放置在室内，在邻近的走廊上测试)，信号衰减的速度非常快，极端情况下甚至在十几米的范围内就会出现信号覆盖的“盲点”。

b. 无线频段资源缺乏

802.11b使用的每个子频段带宽约为22M，在2.402G到2.483G的允许频段上只能有3个完全不重叠的子频段。VoWLAN试验网与中国网通原有的WLAN办公网搭建在同一物理区域内，原有的WLAN办公网为了充分利用频段资源，采用频段交叉覆盖的方式，因此原有频段资源利用率已经接近饱和。在正常办公时间内，由于两个网络之间的相互干扰，极端情况下可能导致无线通道上的数据传输质量明显下降。

c. 缺少有效的频谱管理

无论是11Mbps的802.11b还是54Mbps的802.11a/g，使用的频段均为开放频段，至少在室内环境中，私人或企业购买并使用符合相关协议的设备完全合法。这也就意味着，在运营商铺设的热点中(如在写字楼中)，个人使用的WLAN设备可以合法地抢占这一频段的资源。符合802.11a/b/g协议的设备(AP、网卡、网桥等)随处可以买到，价格低廉而且发射功率强大，更为重要的是，国家对这些设备的使用目前还没有任何实质性的约束。

无线覆盖的问题可以通过细致的工程实施过程解决。目前新的射频方案也层出不穷，如智能天线、直放站等，信道处理的芯片和算法也在持续的改进中，可以预见未来的无线信道通信质量会有很大的改善。

无线频段资源管理在很大程度上不是技术问题，而是国家政策与法律的问题。随着WLAN应用的日益广泛，企业和家庭使用的WLAN产品数量正在爆炸性的增加，加上蓝牙、微波设备(如微波炉)、无绳电话等无线设备的加入，2.4G频段资源日益紧张。可运营的VoWLAN究竟是使用新的频段，还是在现有频段中通过强制法规的方式获取，需要国家的相关管理部门尽快完成相关的研究工作并提早制定法规。

2.媒体接入层

媒体接入层是802.11b协议的主要内容，该层将载波侦听多点接入/冲突检测(CSMA/CA)方式定义为802.11b的标准接入控制方案，并且为该方案规定了相关的帧格式和标准的操作规程。对于VoWLAN这种特殊的应用环境而言，现有的协议还存在不足之处：

a. 切换方式不统一

为了保证语音通话的连续性，移动终端在AP之间切换时，数据的传输必须保持连续。令人遗憾的是，802.11b没有定义任何切换算法，结果导致目前各个厂家提供的产品切换的效果相差很大(参考“An Empirical Analysis of the IEEE 802.11 MAC Layer Handoff Process”)，切换引发的时延从50ms到800ms不等。

b. 尚未支持QoS标准

就WLAN标准的制定过程来看，802.11e协议已经基本制定完成，少数厂家已经开始生产支持该协议的芯片，但目前市场上暂时还无法买到相应的产品。VoWLAN设计的初衷就是同时为用户提供数据和实时语音业务，如果不能提供有效的QoS，语音的质量将无法保证。

c. 没有有效的接入控制方案

目前WLAN接入控制的方案有很多，最简单如限定BSSID(basic service set ID)和限定接入主机的MAC地址等，较为复杂的如802.1x、PPPoE(基于以太网的点对点协议)和VPN等。在实际应用中上述方案都存在下面的问题：由于BSSID会在网上广播，因此限定BSSID的方案实际没有任何安全性可言；每台移动终端的MAC地址均不相同，在移动环境中，AP几乎无法判定合法MAC的范围，因此限定MAC的方案也很难应用。

802.11x似乎是目前比较流行的WLAN接入控制方式，但在实际应用中仍存在许多问题。除去安全性漏洞以外，802.1x认证的速度问题在移动语音环境中暴露的更为明显：802.1x实际使用的认证流程与RADIUS协议相同，由于涉及协议报文的传输与处理，以及大量的数据库查询操作，一般系统能够提供的认证时延均在1秒以上。而在终端移动速度较高(如时速60公里)或小区覆盖半径较小(如50米)的情况下，可能每隔数秒就会发生一次切换，这将使得因认证引发的时延变得不可接受。

PPPOE和VPN属于IP层的接入方案，因此控制的实现方式均为阻断或开放IP层的传输，无法实现对MAC层的接入控制。例如，没有通过PPPoE认证的非法用户虽然无法获取IP地址，不能连接到任何网络资源，但作为二层设备的AP并不能“意识”到这一点，仍然照常处理非法用户收发的报文。

移动终端在AP之间的快速切换算法是目前WLAN研究方向中的热点问题，如IEEE、Wi-Fi联盟等权威性的组织都有专门的专家组负责此方向的研究，已经有一些草案正在制定中(如快速切换检测算法，L2 Triggered)，但目前尚未有标准协议制定完成。因此，这一问题在短期内尚难得到完美的解决。

随着802.11e协议的出台，QoS作为WLAN设备的标准配置只是时间上的问题，但如何在实际环境中部署仍悬而未决。回顾VoIP的发展历史不难发现，网络建立之初，有关于如何在现有网络上通过QoS方法实现电信级语音服务的讨论非常激烈，随着业务不断发展，运营商最终发现，随着设备成本的不断下降，使用专用的传输网络以及牺牲带宽的利用率来换取可靠的服务质量反而成为了最为经济有效的方案。

为了在现有条件下尽可能提高切换过程中的认证速度，我们在VoWLAN实验网中采用了“预认证窗”的方案。简言之，该方案就是在终端接入新的AP时，AP在短暂的预认证时间窗口内(约为1~10秒，用户可以配置)将该终端视为已经通过认证，此时终端原有的业务可以继续进行。移动终端必须在预认证窗口中完成认证流程，超时仍未通过认证的终端将被视为非法，系统可以采取相关的控制措施，如阻断二层传输通路等。

3. 网络层(IP)

IP层负责VoWLAN的寻址(路由)功能，并为上层协议提供了面向连接(TCP)和无连接(UDP)的传输业务。目前广泛使用的IPv4在移动语音环境中至少有以下问题尚未得到妥善的解决：

a. IP地址空间不足HSPACE=12 ALT="图：VoWLAN网络组成结构示意图。">

目前中国获得的IP地址仅为数千万，其中绝大部分已经分配完成，而对于电信级的VoWLAN网络框架，设计容量中容纳的用户数可达上亿，如果采用每台用户的终端均分配唯一的IP地址，现有的IP地址资源显然难以支撑这样大的网络容量。IPv6的确可以解决这一问题，但遗憾的是数年内还不会有运营商搭建这样大规模的IPv6网络。

b. IP协议的移动性不能满足需要

与在上文中对MAC层的分析相同，为了保证语音的连续性，IP层必须保证数据传输在终端发生切换时保持连续。在现有IP网络的框架中，传输网络总是被划分为一个个独立的“子网”，每个子网拥有自己的地址段(地址和掩码)。终端在网络中漫游时，可能发生跨越子网的情况。为了叙述方便，我们把MAC层处理的终端在AP之间的切换称为微切换(Micro handoff)，而IP层处理的跨越子网的切换称为宏切换(Macro handoff)。

对于微切换而言，现有的二层网络设备(交换机)一般都提供线速地址自学习的功能，因此终端发生切换后，二层的数据传输几乎会立即恢复。相比之下，宏切换的情况就没有这么幸运了。如果终端在跨越IP子网时保持自身IP地址不变，就要求IP网络能够及时修改传输路径上相关的路由，以便重新建立数据的传输通路。考虑到现有IP网络的规模，再考虑到目前路由算法的实现方式，每一次宏切换引发的路由处理运算量都将是天文数字。

考虑到目前IP网络的现状，终端IP地址复用可能是唯一的选择。在目前的WLAN运营网络中，普遍采用动态主机配置协议(DHCP)协议来完成这一复用，即终端在热点之间切换(宏切换)时通过发起DHCP过程来获取在新热点中可用的IP地址。同时，由于终端地址总是与其所在子网保持一致，也就避免了上文中提到的路由更新问题。

但与此同时，终端IP地址的变化引发了许多新的问题：

首先，IP地址的变更将导致原有业务的中断。IP层面相连接的传输协议，如TCP，在底层IP发生变更后完全无法保持原有连接，这将导致使用TCP应用程序(如FTP、HTTP)无法自动恢复；而无连接的协议，如UDP，虽然不存在此类问题，但高层协议无法获得地址的变更信息，同样会导致业务的中断(设想采用SIP协议，如果通话对端的IP地址发生变化，发往原有地址的语音报文就无法到达目的)。

其次，如何判断切换的属性是宏切换还是微切换尚没有可参照的标准。如上文所述，由于宏切换实际发生在IP层，终端在检测到微切换后必须判断是否同时发生了宏切换。由于语音通信的实时性要求，对这一过程的完成时限有着严格的要求(一般不能大于50毫秒)。

此外，由于DHCP协议自身的限制，IP地址分配的过程在理想的情况下长达数百毫秒，在发生IP分配冲突的情况下可能长达数十秒，显然难以满足苛刻的切换时延标准。

c. 解决思路

如果要满足VoWLAN大规模运营的需要，上述问题必须得到充分的解决。在网通VoWLAN试验网中，我们采用如下方法解决这些问题(核心内容已经申请专利)：

考虑到IP地址数量的限制和网络规模扩充的需要，我们采用终端地址动态分配的方案，即终端发生宏切换时，获取并使用当前IP子网的IP地址；

为了实现语音业务的无缝切换，我们在每个IP子网中放置一台语音接入服务器，该设备能够提供以下功能：

a. 快速地址分配。DHCP协议对IP地址冲突检测的流程导致了地址分配速度的下降。我们将其改为由DHCP服务器定期检测的方式，在IP地址动态分配的过程中，终端无需进行地址冲突检测，使得这一过程的周期缩减到10毫秒以内。

c. SIP信令代理和流媒体代理。为了保证语音业务的连续性，发生宏切换时终端会要求新的子网中的接入服务器(简称为新代理)为其转接原有的业务(包括信令和流媒体)。新代理将会向原有子网中的接入服务器(简称为原代理)请求业务转接并完成相应的鉴权/认证过程，如果成功，则新代理负责在终端和原代理之间建立信令和流媒体的转发隧道，从而完成无缝切换功能。就试验网中我们对该功能的测试结果来看，效果相当好，该协议流程引发的切换时延的最大值可以控制在50毫秒以内，一般情况下只需10毫秒左右。

d. 切换检测。参考GSM等系统的实现方式，我们采用在IP广播地址的专用端口上发送“信标”的方式，即快速广播带有子网标识(可以是IP地址段加上随机ID)的短小协议报文。实际实现时发送周期为20毫秒，协议包长度为20字节，在空中接口上占用的流量约为8kbps。终端保存原有的信标并和接收到的信标比较，就可以判断出宏切换的情况。

e.为了能够跟踪终端漫游引起的位置变更，我们还提供了位置服务器，该设备实际上是一台SIP注册服务器，终端发生宏切换后，将在该服务器上更新注册信息，从而实现漫游的功能。

作者：陈岭

无线网络事业部经理

Email：doggiechen@vip.sina.com

清华大学电子工程系华录信息技术研究所