Передача голоса по сети Wi-Fi с помощью технологии Single Stream 802.11n


PDF версия

В последнее время происходит бурное развитие беспроводных сетей, работающих на основе семейства стандартов IEEE 802.11 Wireless LAN. Глобальному распространению беспроводных сетей способствовали возможность их тестирования на функциональную совместимость и сертификация со стороны альянса Wi-Fi Alliance, благодаря чему термин Wi-Fi стал во многом взаимозаменяемым и равнозначным термину WLAN. Стандарт 802.11n обеспечивает повышенную пропускную способность сети и расширение рабочего диапазона устройств передачи голоса по сетям Wi-Fi. В статье подробно рассматриваются преимущества этого стандарта, а также вопросы реализации мобильных устройств на его основе. Статья представляет собой сокращенный перевод [1].

По мере роста возможностей беспроводных сетей — увеличения скорости передачи данных, совершенствования качества обслуживания (QoS) и появления режимов энергосбережения, WLAN стали неотъемлемой частью таких электронных устройств как мобильные телефоны, игровые устройства, музыкальные плееры, датчики и другие приборы бытовой техники. Одним из наиболее быстрорастущих приложений стала передача голоса по беспроводной сети Voice-over-Wi-Fi (VoWiFi).

Альянс Wi-Fi Alliance, признавая значительный потенциал услуги VoWiFi, подготовил программу аттестации Voice-Personal, которая обеспечивает соблюдение основных требований технологии VoWiFi для беспроводных устройств в домашних сетях и в небольших офисах. Сертифицированная программа Voice-Personal, основанная на проверке рабочих характеристик сети, не только обеспечивает строгое соблюдение требований протокола и возможности функционального взаимодействия, но и учитывает потребности конкретного приложения. Эта программа появилась в июле 2008 г., и одним из первых продуктов, поддерживающих эту программу сертификации, стало Wi-Fi-решение компании Redpine Signals — Lite-Fi.

В данной статье рассматриваются характеристики VoWiFi, влияющие на качество пользования этой услугой, обсуждаются требования к VoWiFi и описывается их реализация в VoWiFi-устройствах.

Требования к VoWiFi

Традиционно речь передавалась по среде с установлением соединения с заданным временем ожидания и низкой интенсивностью ошибок. В сети WLAN к этим параметрам предъявляются особенные требования. С точки зрения пользователя, речевой вызов по WLAN должен быть подобен вызову по какой-либо альтернативной сети передачи голоса при соблюдении определенных требований. К их числу относятся следующие.

Задержка. Для двустронней интерактивной голосовой связи требуется среда передачи, обеспечивающая ограниченное время задержки пакетов. Темп связи должен быть таким же, как и в разговоре двух собеседников. Типичное значение времени задержки в VoWiFi-сети составляет 50 мс.

Джиттер. Это разброс во времени получения пакетов. Несмотря на то, что на приемном конце находится буфер джиттера, требуется ограничение этого параметра.
Потери пакетов. Протоколы, используемые для передачи голосовых пакетов, не обеспечивают механизма повторной передачи при их потере. Даже при его наличии этот механизм не был бы эффективным, поскольку нарушались бы требования к задержке времени повторно переданных пакетов. Конечно, WLAN-протокол обеспечивает попытку повторной передачи на MAC-уровне, и этот механизм позволяет предотвратить случайные ошибки, которые могут происходить даже в условиях хорошего качества каналов передачи. Ожидается, что VoWiFi-устройства позволят снизить потерю пакетов до нескольких процентов при среднем или хорошем состоянии каналов связи.

Экономия энергии. На практике беспроводное устройство работает в режиме связи только часть времени. Например, обычно беспроводной телефон используется один-два часа в течение суток. Однако это устройство должно быть в постоянной готовности принять вызов и обеспечить возможность позвонить. Исходная спецификация 802.11 предусматривает спящий режим клиентского устройства и его периодическое пробуждение для проверки наличия пакетов, ожидающих приема, но она не годится для голосовых вызовов, когда пакеты приходят каждые 20…30 мс. Стандарт 802.11e и Wi-Fi-сертификация стандарта WMM-PS предусматривают практическое использование энергосберегающих режимов, отвечая в то же время специфичным для голосовых вызовов требованиям, которые подробно описаны в данной статье.

Рабочий диапазон. Для передачи голоса требуется ширина полосы, составляющая лишь малую долю частоты передачи данных в Wi-Fi-сети, однако это требование должно быть надежно обеспечено независимо от местонахождения абонентов. Таким образом, при реализации беспроводных клиентов на физическом уровне требуется обеспечить управление в условиях многоканальной связи и различных помех в достаточно удаленных сетях домов и офисов.

Роуминг. Пользователь услуги VoWiFi, находящийся в большом офисе и ожидающий поступления вызова, может перемещаться в пределах действия своей точки доступа (ТД). Несмотря на то, что предприятия оснащены требуемым количеством ТД для обеспечения Wi-Fi-связи во всех его помещениях, переключение с одной точки на другую (роуминг) должно выполняться достаточно быстро, чтобы не нарушилось соединение. Ниже подробно описываются механизмы обеспечения роуминга.

Качество обслуживания (QoS), предусмотренное рассматриваемыми стандартами, позволяет удовлетворить перечисленным требованиям к характеристикам системы. Сертификация по требованиям WMM Альянса Wi-Fi Alliance подтверждает правильность реализации этих механизмов и дает возможность взаимодействия с другими сертифицированными клиентскими продуктами и точками доступа. Стандарт 802.11n способствует повышению пропускной способности, а также расширению диапазона. Расширение диапазона с помощью таких методов как пространственно-временное блочное кодирование (STBC) и формирование диаграммы направленности обеспечивает преимущества VoWiFi-устройств. Более важным обстоятельством является то, что единообразное использование 802.11n даже переносными устройствами приносит предприятию, на котором установлено оборудование этого стандарта, большую пользу, т.к. сохраняется его преимущество по пропускной способности.
В следующих разделах мы подробно остановимся на вопросах функционирования клиентских VoWiFi-устройств в режиме малого потребления энергии и в условиях роуминга в пределах всего предприятия.

Режимы энергосбережения

Телефоны VoWiFi могут быть автономными или интегрироваться в другие устройства, например в сотовые или беспроводные телефоны. Во всех случаях эти устройства работают от аккумулятора, и продолжительность их работы зависит от уровня потребления энергии. Эти приборы могут функционировать в двух режимах, которые определяются уровнем энергопотребления. Первый используется в состоянии, когда телефон включен и находится в ожидании вызова. Потребляемая в этом режиме мощность определяет время, в течение которого это устройство находится в режиме ожидания. Второй режим используется во время активного звонка и определяет возможное время разговора. В этом разделе мы рассмотрим методы энергосбережения, предлагаемые стандартом 802.11, и их применимость в технологии VoWiFi.

Обычный режим энергосбережения

Стандарт 802.11 позволяет станциям находиться в режиме энергосбережения и периодически пробуждаться для получения сигналов радиомаяка от точки доступа. ТД помещает в буфер пакеты станции, если последняя находится в режиме энергосбережения, и указывает на доступность ожидающих приема пакетов в кадре маяка. Станция после пробуждения получает и проверяет полученное сообщение от маяка на наличие ожидающих пакетов и возвращается в спящее состояние (режим энергосбережения), если эти пакеты не были обнаружены. В случае их обнаружения станция продолжает оставаться в активном состоянии и отправляет кадр PS-POLL для того, чтобы извлечь из буфера все пакеты. Она переходит в спящий режим после получениия данных о том, что буфер пуст. Кроме того, ТД помещает в буфер шировещательные пакеты для станций в спящем режиме и передает их вслед за сообщениями маяка DTIM (Delivery Traffic Indication Message — сообщение с указанием о доставке трафика). Таким образом, станции должны выйти из спящего режима, чтобы получить эти сообщения и широковещательные пакеты. На рисунке 1 показаны профили активного состояния двух станций в режиме энергосбережения.

 

++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Рис. 1. Обычный режим энергосбережения

VoWiFi-станция может переходить в этот режим в состоянии ожидания. Однако она выходит из данного режима с началом вызова, иначе пакеты будут доставляться с задержкой, например, в 100 мс при таком же интервале маяка, что неприемлемо для VoWiFi.

Метод APSD

APSD (Automatic Power Save Delivery) — метод автоматического отключения мощности, появившийся в стандарте 802.11e. Он определяет процедуры U-APSD (un-scheduled APSD — незапланированное автоматическое отключение мощности) и S-APSD (scheduled APSD — запланированное автоматическое отключение мощности). APSD обеспечивает более эффективный способ извлечения буферизованных пакетов из ТД. Благодаря S-APSD все буферизованные пакеты доставляются на станцию в заранее объявленное время с учетом показателя телефонного обслуживания (TSF). Станция должна выйти из спящего режима и подготовиться к получению пакетов. В процедуре U-APSD станция должна отправить запускающий кадр, а точка доступа — передать соответствующие разрешенные для приема кадры. В качестве запускающих кадров могут использоваться любые ожидающие пакеты или пустой пакет. Станция продолжает получать пакеты до тех пор, пока не получит кадр с установленным флагом EOSP. На рисунке 2 показан обмен кадрами в служебной процедуре U-APSD. Сертификация Wi-Fi WMM-PS включает и процедуру U-APSD. Станции VoWiFi могут использовать режим APSD во время вызова. Активное состояние настраивается исходя из скорости работы кодека. Современные модули WLAN, в т.ч. Lite-Fi компании Redpine, потребляют менее 20 мВт во время VoWiFi-вызова благодаря этим методам энергосбережения.

 

Рис. 2. Обмен кадрами в служебной процедуре U-APSD
Режим PSMP

Когда в сети несколько клиентов VoWiFi, применяется только процедура U-APSD, основанная на возникновении конфликтов в среде. По мере увеличения числа клиентов VoWiFi коллизии пакетов увеличиваются, что неблагоприятно действует на требования QoS. Кроме того, станции приходится выходить из спящего режима и ожидать своей очереди обслуживания точкой доступа, что повышает энергопотребление. Режим PSMP (Power Save Multi Poll — энергосберегающий множественный опрос), появившийся в предварительном варианте стандарта 802.11n, позволяет обойти эти трудности. В этом режиме ТД отправляет кадр PSMP, в котором сообщает временные интервалы в том и ином направлении для каждой станции. На рисунке 3 показан пример обмена кадрами в режиме PSMP.

 

Рис. 3. Обмен кадрами в режиме PSMP

Метод MTBA (Multi-TID Block Ack), также представленный в стандарте 802.11n, используется вместе с режимом PSMP. В этом методе прием множества кадров с различными идентификаторами TID подтверждается одним кадром. Станция переходит в режим PSMP и, обладая информацией о временных интервалах, может вернуться в спящий режим, пока не поступят данные о временных интервалах в прямом и обратном направлениях. Следует заметить, что существуют некоторые издержки перехода в спящий режим и выхода из него, и не всегда оправдан переход в спящий режим на короткое время. Таким образом, основное преимущество режима PSMP проявляется, когда одновременно активны несколько клиентов VoWiFi.

Роуминг

Роуминг, или передача обслуживания, является ключевым требованием, которое во многом определяет проектирование сетей, поддерживающих технологию VoWiFi. Мобильная станция нуждается в передаче обслуживания от одной точки доступа к другой при выходе из зоны покрытия базовой станции или при ухудшении текущих условий передачи данных. При переключении от одной ТД к другой работа приложения в самом худшем случае может прекратиться, что потребует его перезапуска после завершения этого переключения. В других случаях может нарушиться радиосвязь или возникнуть небольшая задержка в передаче пакетов. Приложения по передаче голоса рассчитаны на непрерывную работу, и даже задержка ожидающих очереди пакетов должна быть сведена к минимуму — в идеальном случае до 50 мс и менее, чтобы мобильный абонент не заметил кратковременного ухудшения связи. Для поддержания непрерывной работы приложения при строгом соблюдении требований к таким основным параметрам связи как безопасность и энергосбережение необходимо предусмотреть механизм интеллектуального роуминга для мобильной станции VoWiFi.
Рассмотрим проблемы передачи обслуживания на типичном сценарии роуминга стандарта 802.11, проиллюстрированном на рисунке 4.

 

Рис. 4. Сценарий роуминга при перемещении абонента из А в С

Как показано на рисунке, пользователь мобильного устройства перемещается из точки А и подключается к ТД-1, т.к. это единственная точка внутри зоны покрытия. Затем он перемещается в точку С через В. Качество сигнала ТД-1 в В плохое по сравнению с ТД-2. В этой точке мобильное Wi-Fi-устройство должно обнаружить ТД-2 и плавно переключиться с ТД-1 на ТД-2, чтобы не прекратилась связь. Это переключение запускает следующие этапы, выполняемые мобильной станцией:
– обнаружение ближайших ТД;
– отключение связи с текущей ТД;
– установление связи с новой ТД.
Как правило, в нормальных условиях прохождения трафика процесс отключения в стандарте 802.11 выполняется менее чем за 1 мс. Однако на обнаружение ближайших точек доступа и установление связи с новой ТД, например в безопасном режиме, может потребоваться более 1 с. Эта задержка, разумеется, неприемлема для речевых приложений. На практике клиенты минимизируют время обнаружения и установления связи с ТД с помощью комбинации стандартных и фирменных методов, которые в т.ч. позволяют заблаговременно завершить большую часть задач роуминга.
Стандарт IEEE определяет два метода обнаружения ТД: пассивное и активное сканирование. Однако он не описывает, как мобильная станция обнаруживает ТД в случае активной связи между ней и станцией.

 

Рис. 5. Механизм фонового сканирования++++++++++++++++++

На рисунке 5 показано, что клиенты используют частные методы фонового сканирования для обнаружения доступных сетей по различным каналам, поддерживая при этом связь с текущей ТД.
Этап 1. Клиент указывает текущей ТД, что собирается перейти в режим пониженного энергопотребления, отправляя пустой кадр с установленным битом PS.
Этап 2. Он переходит на другой канал.
Этап 3. Он отправляет широковещательное тестовое сообщение, которое прочтут все ТД в диапазоне этого канала.
Этап 4. Клиент составляет список базовых станций на основе одного или нескольких ответов на тестовое сообщение либо сообщений маяков, полученных от ТД в данном канале.
Этап 5. Клиент переходит на прежний рабочий канал.
Этап 6. Он извещает ТД о выходе из режима пониженного энергопотребления, отправляя пустой кадр с нулевым битом PS, и возобновляет передачу данных.
Во время вызова VoIP у клиента имеется около 20 мс на выполнение фонового сканирования между передачей пакетов. Следовательно, если не все каналы были просканированы за указанное время, эту операцию потребуется повторить.

Составив список ТД, клиент готов к роумингу. Решение об этом является прерогативой клиента. Разработчики клиентских устройств используют собственные запатентованные механизмы принятия решения о роуминге. При этом клиентские устройства среди прочих анализируют такие показатели как RSSI (Received Signal Strength Indicator — индикация уровня принимаемого сигнала), SNR (отношение сигнал/шум), частота повторных попыток передачи пакетов. Иногда проводится новое фоновое сканирование, если один из этих показателей принял критическое значение.
Следующей важной задачей организации роуминга является установление связи с новой ТД. В зависимости от параметров безопасности точки доступа может потребоваться использование механизма протокола 802.1x/EAP (Extensible Authentication Protocol — протокол расширенной проверки подлинности). Этот механизм требует больших затрат времени. Наиболее простая проверка подлинности в соответствии со стандартом 802.1x выполняется с помощью метода LEAP (Lightweight EAP — упрощенный EAP), применение которого занимает 100…1200 мс, в зависимости от состояния сети. Мобильная станция VoWiFi должна сократить это время до 50 мс и менее, чтобы удовлетворить требованиям голосового приложения.

В режиме открытой системы нет необходимости в проверке подлинности 802.1x/EAP. В результате в этом режиме клиент выполняет роуминг менее чем за 20 мс с помощью механизма активного подключения.

В режиме безопасности WPA/WPA2 Pre-Shared Key (Wi-Fi Protected Access — защищенный доступ Wi-Fi; Pre-Shared Key — предварительная установка разделяемых паролей на сетевые устройства) процесс повторного установления соединения требует дополнительного 4-стороннего квитирования, но не с помощью протокола 802.1x/EAP. На эти операции уходит дополнительное время, значение которого, как правило, укладывается в требования к VoWiFi.

Усовершенствованный режим безопасности предприятия WPA/WPA2 включает наиболее затратную по времени аутентификацию 802.1x/EAP совместно с механизмом подтверждения соединения во время повторного установления связи. Как ранее указывалось, этот процесс может занять более 1 с, что неприемлемо для VoWiFi. Чтобы удовлетворить существующим требованиям, в стандарте IEEE используется предварительная проверка подлинности, с помощью которой клиент выполняет процесс 802.1x/EAP в отношении новой ТД через распределенную систему, прежде чем примет решение подключиться к этой ТД. Следовательно, при передаче обслуживания клиенту требуется лишь использовать механизм подтверждения соединения, чтобы получить ключ PTK от новой ТД. В результате клиент затрачивает то же время на роуминг, что и в случае фазовой модуляции.

В перспективных методах роуминга станут использоваться механизмы готовящихся стандартов 802.11k и 11r. Стандарт 802.11k определяет количественные измерения текущей и соседних базовых станций таким образом, чтобы мобильная станция могла принять обоснованное решение перейти с одной базовой станции на другую, а 802.11r обеспечивает мобильную станцию стандартным методом быстрого перехода на базовую станцию, с тем, чтобы свести к минимуму время роуминга. Существуют и собственные механизмы компаний-разработчиков, способствующие ускорению этого процесса в режиме безопасности предприятия.

Сертификация

Помимо Voice-Personal существует еще несколько программ сертификации, предлагаемых альянсом Wi-Fi Alliance для устройств VoWiFi. Сертифицированные продукты имеют явное преимущество за счет унифицированного взаимодействия с пользователем при различных сценариях. Требования к качеству обслуживания VoWiFi обеспечиваются технологией WMM, охватывающей классы передаваемых данных и приоритеты, присваиваемые каждому из них. WMM-PS позволяет продлить время работы устройства от батарей в процессе использования голосового или мультимедийного приложения.
Механизм WPS (Wi-Fi Protected Setup — настройка защищенной беспроводной сети) облегчает настройку безопасности с помощью PIN-номера или кнопки на устройстве Wi-Fi. Как уже говорилось, программа Voice-Personal обеспечивает доставку голосовых данных хорошего качества по домашним Wi-Fi-сетям, тогда как готовящаяся к выпуску сертификация Voice Enterprise будет использоваться с той же целью для офисных сетей. В тестовый пакет добавлены требования к роумингу и к безопасности предприятия, что обеспечит полноценное пользование услугой VoWiFi в офисах и общественных местах.

Литература
1. Voice-over-Wi-Fi Implementation with Single Stream 802.11n. Narasimhan Venkatesh//www.portabledesign.com

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *