有人曾戲謔說:「我們已經有一大堆標準了,再多一個應該沒差別吧!」但挑戰在於如何將數種標準合成為一個標準,譬如把WiFi和行動通訊整合至手機就能讓我們的生活更簡單,屆時只需一種標準、一套網路和一部裝置就能隨時隨地享受語音和資料服務...
有人曾戲謔說:「我們已經有一大堆標準了,再多一個應該沒差別吧!」但挑戰在於如何將數種標準合成為一個標準,譬如把WiFi和行動通訊整合至手機就能讓我們的生活更簡單,屆時只需一種標準、一套網路和一部裝置就能隨時隨地享受語音和資料服務。
全球手機製造商包含諾基亞(Nokia)和摩托羅拉(Motorola)在內,已推出支援行動通訊和WiFi介面的雙模手機。未授權行動連結(Unlicensed Mobile Access, UMA)是目前主要的語音和資料通訊整合標準,可以規範無線裝置在行動電話和WiFi網路上的操作方式,讓無線裝置能在通訊過程中自動選擇最好的網路(圖1)。
WiFi基礎設施原本是為資料傳輸而設計,它能否支援全世界在WiFi熱點附近漫遊的4億支手機?新手機是否已為複雜的WiFi協定做好準備?值得深入探討。
傳輸封包語音時,系統必須透過WiFi網路以資料封包的形式傳送封包語音訊號,將接收語音訊號的失真減至最少,且語音資料封包必須在一定時間內抵達目的地(通常是20毫秒),因此網路基礎設施必須將封包遺失率、延遲時間和時基誤差(Jitter)控制在要求範圍內(圖2)。
當語音訊號通過接取點、乙太網路交換器、路由器和閘道器等WiFi基礎設施時,遺失的封包會越來越多,延遲時間和時基誤差也會不斷累積造成訊號品質下降,這種現象在網路流量壅塞時特別嚴重(圖3)。
下列方法可將延遲時間、時基誤差和封包遺失率控制在一定範圍內:
‧利用QoS協定安排語音流量的轉送優先順序(符合802.11e標準)。
‧利用許可控制協定(Admission Control Protocol)將同一時間的通話數量控制在有效管理範圍內(802.11e)。
‧利用快速漫遊協定,將手機切換接取點時所出現的整串封包遺失減至最少(符合802.11r標準)。
‧利用預先驗證(Pre-authentication)等智慧型安全協定,讓手機在漫遊前先向附近的接取點完成身份驗證程序,以減少漫遊時間(符合802.11i標準)。
‧利用無線電資源管理協定(Radio Resource Management Protocol)讓手機預先找出附近所有接取點、它們的距離和通話容量,使手機能夠更快做出漫遊決定。
VoWiFi測試必須確認WiFi手機和基礎設施的協定行為合於要求,同時以一種能夠控制和重複的方法測量這些產品的延遲時間、時基誤差和封包遺失率。
針對封包通過接取點、交換器和路由器等網際網路基礎設施所可能出現的延遲時間和封包遺失率,ITU-T G.107標準規定其上限為:
‧延遲時間:500毫秒
‧封包遺失率:20%
單接取點網路通常能接受的上限為:
‧延遲時間<50毫秒
‧時基誤差<5毫秒
‧漫遊時間<50毫秒
‧封包遺失率<1%
無線網路子系統的功耗是VoWiFi手機使用性的另一項關鍵因素,無線網路子系統在所有操作模式下的功耗都必須盡量減少,否則手機電池壽命將短到令人無法接受。語音流量本來就會忽大忽小,手機為了隨時接聽電話又必須與無線網路保持連線狀態,因此必須在各種省電模式之間快速切換,這使得無線網路手機的功耗最佳化特別困難。
VoWiFi測試內容可分類如下:
基礎設施測試(接取點、交換器和路由器等)
‧有背景負載時的通話容量,這些背景負載包括計算語音串流的MOS(Mean Opinion Score,ITU-P.800定義的一種話質評分指標)
‧封包遺失
‧延遲時間
‧時基誤差
‧協定符合性(Protocol Confor-mance)
‧標準相容性(WiFi Alliance)
手機測試
‧漫遊效能
‧收訊距離與MOS的關係
‧協定符合性
‧標準相容性
‧功耗
系統測試
‧多接取點系統在一定背景流量和多支手機漫遊情形下的行為和效能
要認證WiFi手機和基礎設施,我們需要一種特別方法以克服戶外測量所構成的挑戰,因為在戶外測量不斷移動的WiFi手機不僅困難耗時,而且常會得到錯誤的結果。
產品開發商、服務供應商和測試實驗室所用的一種WiFi測試方法是使用專為手機和接取點設計的小型隔離箱。測試人員把接受測試的無線裝置放進隔離箱,再將它連接到射頻可程式衰減器、結合器和交換器所組成的電路,裝置會自動並精確地模擬受測裝置與系統內,其他用戶和接取點之間的相對位置和移動。由於受測裝置的「移動」或「位置」都能由軟體精確控制,測試人員可以設定各種移動方式、流量和通道狀況,以便測試這些裝置對於快速漫遊(802.11r)、無線電資源測量(802.11k)、預先驗證(802.11i)、QoS(802.11e)或其他新語音協定的支援程度。
如圖4所示,先將受測裝置放入隔離密閉箱,並透過纜線將它連接到測試電路。為了符合802.11對於無線電的最大動態範圍要求,纜線連接的射頻環境至少要為受測裝置提供110dB隔離能力,同時提供乙太網路、串列和射頻連線等測試接頭與受測裝置連接,這些接頭都必須附有完整的濾波功能。
基礎設施測試應該測量接取點、交換器和其他基礎設施裝置在有背景資料流量情形下的語音流量轉送和優先順序安排能力。
基礎設施測試包括測量通話負荷量和網路背景流量對於話質所造成的影響,這項測試會使用兩個WiFi用戶模擬器(圖5),由其模擬多部WiFi電腦或手機產生的網路流量。用戶模擬器必須支援IEEE802.11 QoS協定,確保話務流量的優先權高於網路背景流量。
在傳送流量的同時,用戶模擬器還能測量基礎設施的轉送率、封包遺失率、延遲時間和時基誤差。
通話負荷量的測量方法如下:第一個模擬器模擬多位語音用戶,每位用戶都會產生語音封包流量,第二個模擬器則會模擬傳統電腦用戶和其他手機產生的背景流量。
漫遊效能是VoWiFi很重要的問題,因為現代WiFi網路的接取點密度很高,用戶走動時幾乎每隔數秒就要切換接取點。WiFi手機在漫遊時會切斷它與原接取點的通訊,然後與新接取點建立連線,這個過程會導致整串封包遺失,使得話質大幅下降,IEEE和WiFi聯盟(WiFi Alliance)正在討論將漫遊時間限制在50毫秒以內。
漫遊測試必須測量漫遊時間並分析手機的漫遊行為,如圖6所示,首先將一組衰減器設成最小值,使手機能夠收到第一組接取點(AP1)送來的清晰訊號並建立連線;另一組衰減器則設為最大值,讓第二組接取點(AP2)落在手機收訊距離之外,接著逐漸加大AP1和手機之間的衰減器,直到手機無法收到AP1訊號,在此同時又逐漸減少手機與AP2之間的衰減器,讓AP2逐漸「進入」手機的有效連線範圍,迫使手機開始漫遊手機透過可程式衰減器連接到兩個接取點,測試人員接著調整衰減器迫使手機切換接取點,然後蒐集來源通道和目標通道的資料。
如圖7所示,當模擬軟體模擬手機移動時,我們首先會看到手機資料隨著手機與AP1之間的線路惡化而逐漸下降(tTRANSITION),這將迫使手機開始尋找另一部基地台(tSCAN),我們接著測量手機與AP2建立連線所需時間(tASSOCIATE)和恢復資料傳輸所需時間(tDATA)。我們將漫遊時間(tROAM)定義為從漫遊前最後一次資料傳輸到漫遊後第一次資料傳輸的所需時間。
測量WiFi手機的收訊範圍時,手機必須被置於受控環境下,然後逐漸改變手機和接取點之間的衰減幅度。手機收訊範圍測試架構(圖8)是漫遊測試架構的一部份,進行收訊範圍測試時,測試工程師會讓手機與接取點之間的衰減器在手機的動態範圍內改變,然後讓手機接收語音串流。資料監測器會蒐集封包遺失率、延遲時間和時基誤差等統計資料,根據ITU-T G.107標準計算R-Factor,最後將R-Factor轉換成MOS並繪製它與路徑損耗的關係圖。
WiFi資料網路對於語音的支援程度會影響WiFi與行動電話能否成功整合,由於WiFi語音應用對於QoS、快速漫遊和功耗最佳化等方面的要求非常嚴格,IEEE已開始制定多種最新的802.11協定。一般而言,VoWiFi等複雜技術的初期實作結果通常都不如預期,精明的IT經理和服務供應商在新服務尚未通過全面測試前絕不會貿然採用,因此透過測試來驗證VoWiFi等新技術的可靠性是確保它們成功的唯一方法。