家庭網絡中融合語音通信技術研究

馬智勇，韓建亭，萬 象，黃 彥

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122）

1 引言

伴隨著城市光網時代的到來，傳統固網架構不斷升級，普通用戶寬帶接入速率將顯著提升，面向家庭用戶的終端呈現出多功能化、多媒體化、移動化發展特征。對于運營商而言，整合有線光網和無線接入資源，實現優勢互補，向用戶提供融合服務（FMC）是未來若干年必然的發展趨勢。本文重點探討如何在家庭環境下為各種無線寬帶信息終端提供具有移動特征的有質量保證的融合型語音服務。

2 無繩語音方案的選擇

2.1 VoWi-Fi方案

VoWi-Fi（基于Wi-Fi的VoIP）技術被提出已有數年，其基于802.11 WLAN協議，目前擁有眾多的終端開發商。具有無線聯網能力的家庭信息化終端普遍支持802.11協議，利用設備中現有的WLAN能力實現無繩語音似乎是順理成章的事。但是，困擾VoWi-Fi多年的QoS和功耗問題仍未得到妥善解決，仍然是VoWi-Fi普及的主要障礙。

（1）設備移動性引入的QoS問題

在Wi-Fi信道內，語音數據與其他數據共享帶寬。由于隨機到達的數據應用流量很容易造成語音業務質量下降，因此有必要提供QoS保障機制確保語音數據高優先級傳輸，這正是802.11e試圖解決的問題。但是，802.11e無法解決Wi-Fi所有的QoS問題，如VoWi-Fi終端移動性帶來的QoS問題。

按照Wi-Fi規范，隨著AP與Client之間距離、信道條件的變化，Wi-Fi設備會自動切換調制模式，如DSSS、CCK、DQPSK、DBPSK、OFDM。不同的工作模式對應不同的無線連接速率，以 802.11g為例，有 54 Mbit/s、11 Mbit/s、5.5 Mbit/s、2 Mbit/s、1 Mbit/s等呈階梯分布的速率。最新的802.11n采用多入多出技術，允許設備在多條空間路徑中選擇最優路徑，以提升系統性能。

當用戶終端在家庭中移動時，信號遮擋、穿墻衰減、反射、多徑衰落等會導致無線信道隨時變化，系統在處理誤碼、重傳、工作模式切換、搜索最優路徑時所消耗的系統資源和信道帶寬會累積成數據報文的時延和抖動，對于普通上網業務來說影響并不大，但對于語音業務來說是不可接受的，語音業務將出現噪音、聲音不連貫、聲音滯后甚至掉線等現象，因此Wi-Fi系統的算法優化是必不可少的。許多設備廠商提供了優化方案，但這些方案往往涉及AP和Client兩側，并且超出了Wi-Fi規范的定義，由此產生了不同廠商AP和Client設備之間的兼容問題。

（2）功耗問題

VoWi-Fi功耗問題由來已久，很多廠商嘗試改進，但是始終未能得到徹底解決。到目前為止，市場上銷售的VoWi-Fi手機的待機時間多數在30 h左右，較難超過50 h。

2.2 數字無繩電話方案

數字無繩電話是專門針對家庭無繩語音開發的技術應用。目前市場份額最大的DECT（數字增強無繩電話）標準源自歐洲，由ETSI定義，后被多個國家采用。其技術特點是：多頻點跳頻；頻點寬度小于1 MHz；GFSK調制；32 kbit/s G.726語音編碼；TDD雙工模式；采用前向糾錯技術，對錯包不做重傳處理。

為了與現有無線電管理規劃相符，各國對數字無繩的要求略有不同。例如，歐洲DECT使用1 880～1 900 MHz，北美使用 1 920～1 930 MHz，我國使用 2 400 ～2 483.5 MHz。目前供應國內市場的數字無繩電話產品是在DECT基礎上為2.4 GHz頻段略作修改的一個版本，業界稱為WDCT（國際數字無繩電話）。

根據筆者的開發經驗，家庭環境中采用DECT可以獲得與PSTN固定電話接近的語音質量。Wi-Fi技術和數字無繩電話技術相比，Wi-Fi技術更適合用來提供實時性要求不高的高速無線上網及數據傳輸業務，而數字無繩電話技術更適合用來提供QoS要求較高的無繩語音業務，兩者可以互為補充?；谏鲜隹紤]，我們后續無繩語音融合業務工作主要在數字無繩電話技術基礎上展開。

3 Wi-Fi與DECT集成方案分析

根據我國無線電管理規定，數字無繩電話和Wi-Fi都工作在2.4 GHz頻段。將數字無繩電話技術集成到WLAN的家庭多媒體終端、家庭網關中，設備內部同頻段兩個射頻系統會互相干擾，具體表現為：Wi-Fi的干擾使無繩通話噪音大、聲音不連續、可懂度低、頻繁掉線；無繩的干擾使Wi-Fi信道質量下降嚴重，無線數據通信中斷。對于此問題，有以下3種解決方案。

方案1：頻率避讓

即Wi-Fi模塊和數字無繩電話模塊獨立，數字無繩電話模塊在跳頻時發現并且避讓Wi-Fi占用的信道。Wi-Fi在2.4 GHz頻段占用20 MHz帶寬，可以讓數字無繩電話模塊檢測信道狀況，跳頻時避開Wi-Fi正在使用的信道。理論上，應用此方法能夠很好地避免兩者之間的干擾，但實際情況并非如此。造成這種現象的原因來自兩方面：一方面，數字無繩電話模塊在開放空間中檢測信道，開放空間中存在各種背景噪聲和隨機干擾，最終選定的頻點仍然有可能距離Wi-Fi信道較近，甚至有少數跳頻點位于Wi-Fi信道內部；另一方面，系統濾波器的頻率響應無法達到理想狀態，板級布線上和天線上的高頻信號會存在一定耦合，實際發射的信號總存在一定的雜散，表現為部分頻譜延展對相鄰頻譜信號造成干擾，如圖1和2所示。

數字無繩電話通過前向糾錯機制監測并糾正傳輸中的誤碼，當干擾導致錯誤碼字超出系統糾錯能力時，接收端會聽到咔咔聲。Wi-Fi受到干擾并導致系統錯包率升高時，系統會自動降低傳輸速率，直觀上體現為系統吞吐量下降。

方案2：無繩優先，抑制Wi-Fi

即在Wi-Fi模塊和數字無繩電話模塊之間建立硬件和軟件上的關聯，按照無繩語音優先的原則，在數字無繩電話模塊發送和接收數據時禁止Wi-Fi模塊發送數據，如圖3所示。在數字無繩電話模塊發送和接收數據時禁止Wi-Fi模塊發送數據，等同于默認數字無繩電話模塊收發數據時信道被完全占用，也就是說干擾的減少是通過犧牲Wi-Fi一定的發送時間和系統吞吐量獲得的。在方案1中，Wi-Fi和數字無繩系統之間具有競爭關系，Wi-Fi仍然會嘗試發送數據，盡管存在互擾，Wi-Fi數據仍有很大可能性發送成功。對于Wi-Fi來說，來自無繩的干擾與外界的干擾可疊加起作用，僅在疊加干擾非常嚴重時，才會導致Wi-Fi嘗試以更低的速率進行數據傳輸。

方案3：無繩優先，兼顧Wi-Fi

即數字無繩電話模塊在跳頻時發現并且避讓Wi-Fi占用的信道，數字無繩電話模塊在發送數據時允許Wi-Fi模塊發送數據，數字無繩電話模塊接收數據時禁止Wi-Fi模塊發送數據，如圖3所示。

應該注意，雙射頻系統集成在同一個設備內發生嚴重干擾包括3個方面：無繩發射對Wi-Fi接收的干擾；Wi-Fi發射對無繩接收的干擾；無繩發射與Wi-Fi發射的互擾。因為無法控制Wi-Fi的接收時序，所以無繩發射對Wi-Fi接收的干擾屬于系統固有問題，較難避免。考慮到Wi-Fi發射機距離無繩語音模塊較近，極易對數字無繩電話模塊的接收造成干擾，出于無繩語音質量優先原則，在方案3中，無繩電話模塊接收數據時禁止Wi-Fi模塊發送數據，因此Wi-Fi發射對無繩接收的干擾可以采用此方案解決。相對于方案2數字無繩電話模塊收發數據時完全禁止Wi-Fi模塊發送數據的做法，方案3在數字無繩電話模塊發送數據時允許Wi-Fi模塊有成功發送數據的機會。經過分析，筆者更傾向推薦采用方案3進行系統集成。

4 測試驗證

考慮到真實用戶環境中經常存在鄰居Wi-Fi設備，因此在測試方案中增加了 PC1、PC2、AP1作為固定干擾，模擬居家場景中距離最近的干擾源，測試場景如圖4和5所示。

PC1和PC2分別以無線、有線連接AP1，安裝IxChariot軟件，AP1模擬 IPTV over Wi-Fi應用場景，PC1發送數據，PC2接收數據。PC3與PC4分別以無線、有線方式連接被測設備，PC3發送數據，PC4接收數據，模擬Wi-Fi正常使用場景。

圖5所示的用戶環境為90 m2兩室一廳，其中M點為被測設備 AP2放置點，C為干擾源 AP1放置點，A、B、D、E、F、I為手機呼叫通話點。被測設備Wi-Fi 802.11g信道分設為常用的CH1、CH6、CH11，分別設置數字無繩電話模塊為關閉、待機、通話狀態，進行組合測試，在通話狀態中選取B、D、M、I等測試點記錄Wi-Fi吞吐量，在各測試點記錄通話質量。

表1 通話質量與Wi-Fi吞吐量變化

測試中通話質量與Wi-Fi吞吐量變化情況見表1。在存在Wi-Fi干擾場景下，方案3的上行、下行無繩語音質量良好，優于方案1，與方案2的無繩語音質量相當。方案3中無繩電話引入的Wi-Fi吞吐量下降大于方案1，小于方案2。若綜合考慮無繩語音質量和Wi-Fi性能兩個因素，則上述3個方案中方案3表現最佳。

方案3的無繩電話狀態與Wi-Fi吞吐量的關系如圖6所示，可以看出，數字無繩電話模塊處于待機狀態對Wi-Fi吞吐量的影響比較小（約1～2 Mbit/s），數字無繩電話模塊處于開始撥號和通話初期狀態對Wi-Fi吞吐量影響較大（這是因為無繩語音模塊此時在進行頻點搜索，試圖找到可避讓Wi-Fi的工作頻點），通話一段時間后吞吐量達到穩定。

5 結束語

本文對數字無繩語音業務融合型家庭寬帶產品VoWi-Fi方案、數字無繩+Wi-Fi集成方案進行了比較和分析，實際測試表明，采用“無繩優先，兼顧Wi-Fi”方案無繩語音質量受Wi-Fi影響有限，無繩語音對Wi-Fi非實時數據上網的影響也有限。

1 韓建亭，馬智勇，胡冰松等.基于家庭網關的無繩語音FMC解決方案.電信科學，2009（2）