突破無線VoIP瓶頸 正確硬體設計與語音技術雙管齊下

經過多年發展，網際網路語音(VoIP)市場終於開始起飛。特別是在企業專用交換機(PBX)市場中，絕大部分新安裝的系統都是基於VoIP技術。在電信服務市場，VoIP的使用者最近也有顯著成長；而且，隨著寬頻網際網路逐漸普及，許多消費者採用某些VoIP解決方案，以取代既有的公共交換電話網路(PSTN)服務，或同時使用兩者。  

VoIP的問世，是作為一種透過網際網路撥打語音電話的廉價方法，最初由於音質和連通性都極為有限，因此被大多數商業應用排斥，僅被一些家庭用戶接受。但今天，VoIP技術已經得到極佳的發展，相關標準也已開發出來，能夠實現可靠且高音質的IP通話。  

現在，VoIP已準備成為主流應用，主要原因之一則與成本有關。對一個企業或機構而言，購買和安裝PSTN PBX的費用，比採用VoIP技術的成本要高得多，而後者不僅具有電話功能，還可藉著把語音和數據整合在單一網路中來提高靈活性。  

此外，VoIP也使操作和管理成本得以降低，並為公司日後的通訊方式(例如視訊電話)打下基礎。此外，VoIP更具有易於整合即時通訊(Instant Messaging)、狀態資訊(Presence Information)、資訊檢索(Information Retrieval)與其他加值服務的優勢，因此能提供更大價值。  

近來，無線區域網路(WLAN)的發展，似乎較VoIP更迅速。現今市場對行動性和一直保持連線(Always-on Connectivity)的需求，已推動著基於IEEE802.11的WLAN之發展，其成長速度是幾年前預料不到的。VoIP和WLAN的結合無疑是一種完美的搭配，隨著消費者逐漸了解到，透過其可攜型設備連接到WLAN，可以實現「隨時隨地」存取網路提供環境，這種結合引起了市場相當大的興趣。  

然而，當VoIP進入無線世界時，由於有線網路和無線網路的特性不同，各種效能問題也隨之出現。其中最主要的問題是網路擁塞以及WLAN支援多媒體通訊的能力較差。  

本文將探討那些阻礙WLAN VoIP推行的最主要問題，並提出即使在惡劣的網路條件下也能獲得高品質VoIP的解決方案，尤其關注在無線設備本身的設計中應該考慮的一些問題。  

影響無線VoIP品質三大關鍵  

事實上，WLAN技術的存在已遠超過十年，不過其使用主要局限在如生產倉庫裏的條碼閱讀器(Bar-code Reader)等產業應用方面。但近來WLAN的推行愈來愈多，引發了在這類網路上實現VoIP的廣泛興趣。  

事實上，很多類型的無線網路都有潛力用於無線VoIP，例如藍芽、2.5G和3G。本文主要討論VoIP目前最流行的網路類型即基於IEEE802.11系列標準的無線網路。不過，文中大部分內容其實也直接適用於其他類型的無線數據網路。  

無線VoIP的典型應用包括企業用的無線電話、能連接到WLAN以便在需要時使用更高頻寬的雙模手機，以及具備VoIP功能的PDA。這些設備的共同點是外形都很小，對功率的耗用敏感，而且最初可能並非是為無線VoIP而設計的。  

與IP網路相關，且對VoIP可感語音品質(Perceived Speech Quality)有重大影響的三大因素是：延遲(Latency)、抖動和封包丟失。  

延遲可引起若干問題，其一是通話重疊(Talker Overlap)，即通話雙方很容易同時發話，故很難維持一種良好的雙向通話。回音的存在也對延遲的敏感程度有顯著影響。  

不過，只要這種延遲處於合理範圍內，回音消除演算法可以除去大部分的回音效應。國際電訊聯盟(ITU)的標準G.114建議，單向延遲應該低於150ms以確保通話品質可以接受。造成延遲的主要原因有演算法延遲、處理延遲、網路延遲和硬體介面引起的延遲。  

多種原因造成IP網路延遲  

IP網路的延遲是由傳輸線路上的實體(Physical)延遲、路由器中的緩衝器、抖動緩衝器等造成的，並隨時間而變化(圖1)。傳輸延遲分為兩部分：恆定的或變化緩慢的網路延遲，以及被稱作抖動(Jitter)的快速變化。封包網路中出現的抖動，使接收設備中的解碼過程變得複雜化，因為解碼器要求及時獲得封包。通常抖動緩衝器是用來確保在需要時能獲得封包，但這卻導致一個結果，就是隨著抖動幅度變大，延遲也隨之加長。  

在網路路由器掉包(Drop a Packet)或封包太遲到達，而無法被解碼器處理時，都會出現封包丟失現象。藉著在抖動緩衝器中允許長時間延遲，後一種的封包丟失情況基本上可以完全消除，但代價卻是增加了系統延遲。  

在WLAN上推行VoIP的挑戰，主要與存取點擁塞及各種影響鏈路品質的問題相關。最終的影響是，WLAN的延遲、網路抖動和封包丟失都較一般有線區域網路顯著增加。作為使用最廣泛的標準，802.11b/g的成功也暴露了它的局限性。當幾個用戶同時連接到同一存取點時，便很容易出現擁塞。結果是抖動非常明顯，特別是當多個大型封包被送入同一網路時更為嚴重。隨著用戶數目增加，系統效率便會急速下降。  

業界有一個非正規的測試，結果表明由於存取點的擁塞，VoIP的頻寬利用因數(Bandwidth Utilization Factor)可低至4%。相當有趣的是，使用壓縮率更高的語音編解碼器並不會增加可處理的通道數目。存取點是否擁塞，一般取決於存取點必須處理之封包數量，而非實際的頻寬。語音封包通常很小，而且發送極頻繁，這就解釋了語音封包的低吞吐量之原因所在。  

對擁塞的敏感程度僅僅是802.11網路的局限之一。多種原因可以導致鏈路品質下降導致可用頻寬減少。802.11b/g工作在非授權2.4GHz頻率範圍內，和其他無線技術如藍芽和無線電話共用該頻譜，彼此干擾，可能引起嚴重的效能下降。鏈路品質低劣的結果，是選擇低於最大值11/54Mbps的連接速度。  

此外，鏈路品質不良還會造成重新傳輸的情況增加，直接影響延遲和抖動。在覆蓋區域內漫遊時，鏈路品質會快速變化，而且非常不穩定。這是一個重大的缺點，因為使用WLAN的目的就是為了增加行動性，而無線VoIP用戶又往往需要在覆蓋區域內漫遊。因此，把VoIP導入到WLAN環境中，對網路規畫的要求較全數據(All-data)WLAN更高。  

由於存取點擁塞和鏈路品質不佳而引起的極高延遲，其最終結果是封包常常太遲到達而變得沒用。所以，對於WLAN，抖動緩衝器之後的有效封包丟失率一般較有線區域網路高得多。  

實施服務品質(QoS)機制，是提高WLAN VoIP效能的一種有效方案。其目的是在現行已經考慮了常規資料流程量和時間敏感語音流量的不同要求之標準以外引入新準則。現有標準的開發一直相當緩慢，而且還需要很長時間才可望看到WLAN VoIP大規模推行。事實上，即使執行QoS機制，WLAN顯然仍會不斷產生比一般有線區域網路更多的挑戰。因此，QoS必須和其他技術相結合，才能獲得可接受的語音品質。  

元件設計應考慮WLAN特性  

由此可知，使WLAN的環境較有線區域網路惡劣的原因很多，例如，在802.11b/g網路中，抖動標準偏差達50～100ms是很常見的，而在企業有線區域網路裏卻極少有超過幾毫秒的抖動。因此，在設計用於WLAN的可攜型VoIP設備時，最重要的是必須考慮WLAN的特性。要獲得最佳整體品質，還需要正確考慮軟體和硬體問題。  

在WLAN環境中，抖動緩衝器對延遲的影響，比任何終端接點(End-point)語音處理功能都要大。為了儘量減少延遲，抖動緩衝器演算法必須能迅速適應不斷變化的網路條件。因此，目前最常用的是能夠進行動態大小分配的抖動緩衝器，即所謂的自適應抖動緩衝器(Adaptive Jitter Buffer)。實現此一適應性的方法，是把封包插進緩衝器中以增加延遲，以及丟棄封包來減少延遲。  

封包插入通常就是重複之前的封包，但這會導致聽得見的失真。因此在改變延遲時，自適應抖動緩衝器演算法的使用是非常謹慎的。這種傳統封包緩衝器方案的適應粒度(Adaptation Granularity)一般受封包大小所限制。  

業界出現一種將先進的自適應抖動緩衝器控制和錯誤隱蔽(Error Concealment)結合在一起的解決方案(圖2～3)。這種獨特的演算法，是把自適應抖動緩衝器控制和封包丟失隱蔽整合在一個單元裏，能夠在毫秒之內改變緩衝器的大小。該方案能夠迅速適應不斷變化的網路條件，並確保具有最短延遲的最佳語音品質。實驗顯示，在典型的802.11b/g環境中，採用這種方案可使單向延遲減小約30～80ms。  

如前所述，WLAN中封包丟失的數量一般遠比有線區域網路多，因此WLAN也需要更佳的封包丟失處理能力。當封包丟失時，必須採用一些機制來填補失去的語音訊號。這種解決方案一般被稱為封包丟失隱蔽(Packet Loss Concealment)演算法。一些簡單的方法如重複以前的封包，並不能為無線應用提供足夠好的品質。  

另一方面，一種複雜的演算法可以處理10%的封包丟失而不會引起明顯的效能降低。處理封包丟失的另一種方案，是推行一種專門為封包丟失處理而設計的語音編碼技術，但目前尚沒有任何一種語音編碼標準(如ITU編解碼器)採用這種方法設計，因此它們均對封包丟失很敏感。不過，在傳統的語音編碼標準機構之外，一些功能強大的新編解碼器正逐漸獲得採納。例如網際網路工程工作小組(Internet Engineering Task Force, IETF) 已經把iLBC語音編解碼器納入標準之內。  

可攜式設備之語音處理挑戰多  

另一項主要挑戰，是在無線設備的硬體介面中完成對語音的正確處理。這些設備往往體積很小，或原本是為其他應用(如PDA)而設計，因此要獲得良好的語音品質和低延遲，必須克服許多困難，如在實施過程的每一個元件中把延遲減至最小，這一點即非常重要。  

可攜式設備設計的許多因素，均對語音品質造成影響。話筒、揚聲器和類比/數位轉換器都是很明顯的例子。語音編解碼器、濾波和回音消除等多種訊號處理元件，也對品質有重大影響。這些問題都非常類似無線電話設備設計中眾所周知的挑戰。  

還有一個與設備相關，且可能嚴重影響延遲和語音品質的問題，是時鐘偏移(Clock Drift)的處理。傳統的解決方法是在接收器推行一個時鐘同步裝置，把接收到的RTP封包的時間標籤(Time Stamp)和本地時鐘進行比較，來校正時鐘偏移。這些解決方案的問題與傳統封包緩衝器的類似：它們都基於不頻繁的大幅度調節，因此每一次調節都非常明顯。  

此外，由於封包速率低而且存在抖動，所以在VoIP中難以進行可靠的時鐘偏移估計。前述的結合抖動緩衝器控制和錯誤隱蔽技術，就可提供解決方案，因為它能自動校正時鐘偏移，卻不會引入任何可聽雜訊或額外的延遲。  

要讓PDA或其他原本不是專為執行即時語音而設計的設備能夠進行語音操作，存在很多新的挑戰，包括在一個非即時作業系統中如何和其他應用共用資源。為節約成本，這些設備常常配備低品質的音效卡，結果可能使數位訊號的品質很差，而且為了避免採樣失真，不得不採用數位重採樣濾波器。  

在可見的未來，筆記型電腦可能是最多使用VoIP的可攜式設備。一般的VoIP用戶端軟體可如在桌上型電腦一般，很容易使用於連上WLAN的筆記型電腦上。然而，必須考慮到無線網路的不完美性，而且在以電池供電時，限制功率耗用是最重要的。因此，筆記型電腦的挑戰非常類似PDA。不過，鑑於筆記型電腦常常使用交流電源，因此讓訊號處理軟體隨著功率狀態而變化其複雜性－即CPU的使用，是很合理的。例如，可使用具有較高位元率(Bit-rate)但複雜度較低的語音編解碼器，也可利用一個簡單的聲音開關來代替全雙工回音消除器。  

基於802.11技術的無線電話已問世多年，但仍未獲得大規模採用。傳統上，這類電話借用了手機設計的許多概念，語音處理技術則源自有線VoIP。結果是這種手持式裝置對話的語音品質是可以接受，但處理WLAN環境中封包丟失和抖動的能力卻有限。  

隨著VoIP向無線方向發展，由於有線和無線網路的特性不同，效能問題變得越發重要。特別是延遲、網路抖動、封包丟失以及對小型無線設備的特殊要求，都使無線VoIP設備的設計面臨種種挑戰。不過，透過正確的硬體設計，以及採用先進的語音處理技術，在WLAN VoIP的實現過程中所遇到的大部分困難，都是能夠克服的，將有助推動這項技術更容易和更快速地廣泛使用。  

(本文作者為Global IP Sound亞太區客戶工程總監)  

(詳細圖表請見新通訊62期4月號)