摘??要: 簡要介紹ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及電信行業(yè)通話質(zhì)量的評估標準。通過仿真模擬，對ZigBee無線信道上的VoIP和PTT兩種語音通信的通話質(zhì)量進行評估，并對ZigBee網(wǎng)絡(luò)的語音應(yīng)急通信的可行性進行了分析和研究。結(jié)果表明在節(jié)點間通信少于兩跳及無線鏈路質(zhì)量較好的情況下，ZigBee網(wǎng)絡(luò)能夠提供語音服務(wù)。
關(guān)鍵詞: ZigBee; VoIP;? PTT; 通話質(zhì)量
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應(yīng)急通信是指借助有線/無線綜合通信平臺及數(shù)字集群調(diào)度通信技術(shù)建立的應(yīng)對突發(fā)事件的專用通信系統(tǒng)。其特點是突發(fā)性和臨時性，而且經(jīng)常伴隨復(fù)雜多變的惡劣環(huán)境。在一些無法部署固定線路的突發(fā)公共安全事件場合，例如煤礦安全、地震災(zāi)害、奧運安保等，需要通信系統(tǒng)有更高的可靠性、抗毀性、能夠更加靈活快速地部署等特點。在經(jīng)歷了汶川地震和北京奧運會之后，應(yīng)急通信作為對原有通信系統(tǒng)必要的保障和補充，已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。
ZigBee技術(shù)包含了一整套專門為無線網(wǎng)絡(luò)傳感器和控制器制定的規(guī)范，是專門為低成本、低性能的傳感器和控制器節(jié)點設(shè)計的無線網(wǎng)絡(luò)[1]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)原本不是用來進行語音傳輸?shù)?，但是由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)能力以及其高可靠性等優(yōu)點，使得已經(jīng)部署在某一區(qū)域內(nèi)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點正好為突發(fā)事件的應(yīng)急語音通信提供了很有價值的通信基礎(chǔ)設(shè)施。
針對以上特點，對基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的語音應(yīng)急通信可行性進行了研究。本文首先簡要介紹ZigBee技術(shù)和通話質(zhì)量評估標準，進而對以下問題進行研究：
(1)線性ZigBee拓撲網(wǎng)絡(luò)對全雙工VoIP和半雙工PTT（Push-To-Talk）語音通話支持的可行性和承載數(shù)量。
(2)使用R因子、端到端延遲、抖動以及丟包率等指標對語音通信質(zhì)量進行評估。
研究過程中通過仿真模擬實驗，對以上幾個指標進行計算分析。最后對所得出的結(jié)果進行解釋評價。
1 語音應(yīng)急通信與ZigBee
語音應(yīng)急通信需要通信設(shè)備具有高可靠性、高抗毀性、隨需而設(shè)、即設(shè)即用等特點，尤其需要在無法部署固定線路的突發(fā)公共安全事件場合進行語音應(yīng)急通信。有些特殊場合，如礦井、隧道等，架設(shè)專門的語音應(yīng)急通信線路存在一定的困難，代價較高，使用過后不便于回收利用，而且在情況多變的惡劣環(huán)境下，靠外接電源供電的語音應(yīng)急通信系統(tǒng)非常容易受到干擾或摧毀。
ZigBee作為一種基于低速無線個人局域網(wǎng)絡(luò)(LR-WPAN)的雙向無線通信技術(shù)標準[2]，其較強的自組網(wǎng)能力很好地迎合了語音應(yīng)急通信隨需而設(shè)、即設(shè)即用的要求;同時，ZigBee作為電池供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),其可靠性和抗摧毀性也都符合語音應(yīng)急通信的關(guān)鍵需求;另外，由于遙感監(jiān)測、現(xiàn)場控制等應(yīng)用，已經(jīng)部署在這些場合的ZigBee網(wǎng)絡(luò)恰好為語音應(yīng)急通信提供了現(xiàn)成的基礎(chǔ)設(shè)施。
ZigBee網(wǎng)絡(luò)在868 MHz、915 MHz、2.4 GHz這3個免認證的ISM(工業(yè)、科研和醫(yī)療)頻段上分別具有20 kb/s、40 kb/s、250 kb/s 3種不同的峰值數(shù)據(jù)速率。完整的ZigBee協(xié)議棧由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用支持層、網(wǎng)絡(luò)層、介質(zhì)訪問控制層、物理層和安全性服務(wù)組成，如圖1所示。
ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的單個節(jié)點有3種邏輯設(shè)備類型：端設(shè)備（End device）、路由器（Router）、協(xié)調(diào)器（Coordinator）。IEEE 802.15.4標準定義了全功能設(shè)備（FFD）和簡化功能設(shè)備（RFD）2種物理設(shè)備類型[3]。ZigBee技術(shù)支持具有數(shù)據(jù)安全特性和互操作應(yīng)用界面的星形（Star）、簇樹形（Cluster Tree）、網(wǎng)狀（Mesh）3種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。
2 通話質(zhì)量評估標準及影響因素
2.1 通話質(zhì)量
主觀評級：傳統(tǒng)上，電信行業(yè)通過讓消費者打分來衡量通話質(zhì)量的好壞，評分標準為5分制。計算所有得分的算術(shù)平均數(shù)，稱為平均意見得分(MOS)。電話行業(yè)的建議最低標準為3.0分，高于4.0則被認為是長話級音質(zhì)(TQ)。
ITU-T E-model(R因子)：國際電信聯(lián)盟遠程通信標準化組的G.107標準提出的E模型(E-model)是一個被廣泛使用的評估通話質(zhì)量的方法。E模型將語音信號本身的特性與網(wǎng)絡(luò)特性相結(jié)合，綜合考慮各種損傷因素(丟包、延遲、抖動、噪音、回聲、編碼方式等)，歸結(jié)出一個全面的衡量語音通話質(zhì)量的額定因數(shù)，稱為R因子(R-factor)。R因子的定義如下：
其中，Is是信號噪音損傷； Id是從嘴到耳(mouth-to-ear)的傳輸延遲損傷；Ief是由設(shè)備因素引起的損傷，包括由于編碼方案和傳輸丟包等因素導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失；A是期望因素。以G.729語音壓縮編碼方案為例，假定隨機丟包，式(1)可表示為：
顯然，R因子的值越大，意味著d和e的值越小，得出的MOS值也就越大。
2.2 影響通話質(zhì)量的因素
可能影響ZigBee語音通信傳輸能力的技術(shù)因素有：第一，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的帶寬有限，最高僅為250 kb/s，導(dǎo)致可支持的最多會話數(shù)量受到限制；第二，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的信道訪問沖突遵循CSMA/CA協(xié)議進行處理，這就不可避免地引入了額外的發(fā)送等待時間，減少了有效帶寬、增加了延遲，從而導(dǎo)致語音通信通話質(zhì)量的降低。此外，為了保證低成本的優(yōu)勢，ZigBee節(jié)點通常采用低增益天線設(shè)計，有限的計算能力和緩存大小，這些也都是影響通話質(zhì)量的因素。
3 仿真實驗及分析討論
仿真過程中使用NS2網(wǎng)絡(luò)模擬器[5]構(gòu)建常規(guī)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，通過對實驗數(shù)據(jù)的計算和評估，得出全雙工VoIP和半雙工PTT兩種語音通信對應(yīng)的結(jié)果。實驗中使用具有N個節(jié)點的線性拓撲網(wǎng)絡(luò)，工作頻率為2.4 GHz，傳輸過程可以達到峰值速率(250 kb/s)，相鄰節(jié)點間的距離為D，僅考慮兩個端節(jié)點之間的語音通信。傳輸距離TXR(一次發(fā)送可以被成功接收的最大距離)為15 m，載波偵聽距離CSR(一次發(fā)送可以被檢測到的最大距離)為15～30 m。
3.1 VoIP的性能
每個全雙工連接由兩個方向相反的固定碼率(CBR)數(shù)據(jù)流進行模擬。數(shù)據(jù)流采用G.729a壓縮算法進行編碼：每20 s的數(shù)據(jù)為20 B。再加上RTP、UDP及IPv4協(xié)議的報頭，一個VoIP數(shù)據(jù)包的大小為60 B。若對IPv4/UDP/RTP報頭進行壓縮(IETF RFC 3095[6])，40 B的IPv4/UDP/RTP報頭可以壓縮為只占1 B。這里對使用報頭壓縮(W/HC)和不使用報頭壓縮(W/O HC)兩種情況都進行了研究。距離D設(shè)為8 m。每個節(jié)點的緩沖區(qū)大小為50個包的先進先出(FIFO)隊列，采用尾丟棄(tail-drop)的隊列管理機制。
使用R因子來度量VoIP的通話質(zhì)量。為了計算R因子，應(yīng)用了一個6個包大小的去抖動緩沖區(qū)。表1列出了在不同情況下R因子的計算結(jié)果。從這些結(jié)果中可以看出：
(1)在2個直連的節(jié)點之間，采用G.729a壓縮編碼，同時可以支持2個中等通話質(zhì)量的VoIP通話(如果使用報頭壓縮，則可以支持到3個)。
(2)對于需要兩跳才能完成通信的節(jié)點，若能夠避免終端隱藏問題，即假定CSR大于等于TXR的兩倍，則可以支持一個VoIP通話。
(3)當(dāng)2個節(jié)點之間的通信需要3跳以上時，無法實現(xiàn)采用G.729a壓縮編碼的VoIP通話。
3.2 PTT的性能
因為PTT是半雙工的語音通信，所以其延遲和抖動比VoIP更加容易被接受。每一個PTT會話包含一連串的脈沖信號，其長度相當(dāng)于某一個用戶講話的持續(xù)時間。假定每一段模擬語音的持續(xù)時間一樣長，語音脈沖信號采用5.15 kb/s的自適應(yīng)多速率(AMR)方式編碼，每一幀語音數(shù)據(jù)(20 s)轉(zhuǎn)化為一個13 B的AMR幀，使用單路固定碼率(CBR)進行傳輸。假設(shè)每個IP語音數(shù)據(jù)包中含有Namr(=5)個語音數(shù)據(jù)幀。
(1)平均每個PTT會話包含4個脈沖信號，每個脈沖信號的持續(xù)時間為7 s。
(2)會話的到達依據(jù)泊松過程（Poisson Process）的平均到達率λ。
為了研究PTT會話數(shù)的最大值，假定有Ns個活動會話，也就是說，設(shè)λ=Ns/(4×7)。節(jié)點間的距離D=8 m，CSR=2×TXR=30 m。緩沖區(qū)大小分兩種情況，分別為50個包和200個包的先進先出（FIFO）隊列，同樣采用尾丟棄的隊列管理機制。
為了評估PTT傳輸?shù)男阅?，對端到端（E2E）IP包的網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲Td、抖動Tj以及丟包率Rloss進行了測量。由于每個IP包所包含的AMR語音數(shù)據(jù)幀的數(shù)量Namr相等，所以實際的語音數(shù)據(jù)幀的丟包率與測得的IP包的丟包率相等。額外延遲包括編解碼延遲、信號協(xié)議延遲、CPU處理延遲等，與傳輸延遲相比，額外延遲占據(jù)了端到端延遲的絕大部分。
圖2給出了平均丟包率、平均端到端IP包傳輸延遲，以及平均端到端傳輸抖動。仿真實驗的計算結(jié)果表明，當(dāng)端到端傳輸需要1跳時最多可以支持17個PTT會話，需要2跳時最多可以支持3個PTT會話。當(dāng)端到端傳輸需要3跳以上時，由于丟包率Rloss超標導(dǎo)致無法支持PTT通話。
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3.3 結(jié)果分析與討論
經(jīng)過研究得出結(jié)論:ZigBee網(wǎng)絡(luò)能夠支持語音通信，但是語音會話的數(shù)量和設(shè)備間通信所需的跳數(shù)都受到限制。隨著跳數(shù)和語音連接數(shù)量的增加，傳輸延遲和丟包率迅速增大,正如在仿真實驗中得出的結(jié)論所示，若設(shè)備間通信超過兩跳，則無法實現(xiàn)語音傳輸。
現(xiàn)在所面臨的問題是如何改善通話質(zhì)量并提高ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持語音通話的能力。如前所述，丟包率和延遲是決定通話質(zhì)量的主要因素。首先，為了降低丟包率，同時考慮到ZigBee節(jié)點的內(nèi)存容量有限，必須為ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和實現(xiàn)通話允許控制。對于多次反射ZigBee網(wǎng)絡(luò)，必須嚴格設(shè)計通話允許控制，以便利用空間重用和并發(fā)傳輸?shù)葍?yōu)點。其次，為了降低傳輸延遲，必須通過減少競爭來增加有效帶寬?？梢砸胭Y源預(yù)留機制以適應(yīng)節(jié)點間的時間槽調(diào)度，并且在CSMA的基礎(chǔ)上實現(xiàn)更高級別的TDMA。因此，為了避免沖突、提高吞吐量，需要讓商用量產(chǎn)硬件只支持無時間槽的CSMA/CA。這些問題將在今后的工作中進一步研究。
本文沒有對星形拓撲結(jié)構(gòu)進行模擬，這是因為考慮到在網(wǎng)絡(luò)中只進行語音通信的情況下，星形結(jié)構(gòu)和線性結(jié)構(gòu)沒有區(qū)別。由于ZigBee本身就是一種低數(shù)據(jù)量、高性能的網(wǎng)絡(luò)，所以在語音通話時出現(xiàn)并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目赡苄院艿?。另外，正如本文所研究的，?dāng)節(jié)點間通信超過2跳時，線性結(jié)構(gòu)就無法進行語音通信了，因此，星形拓撲結(jié)構(gòu)可以被視為線性拓撲的一個變種。
本文對ZigBee技術(shù)進行了概述，研究了基于簡單拓撲結(jié)構(gòu)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的全雙工VoIP和半雙工PTT語音通信的可行性，對R因子、端到端延遲、抖動以及丟包率進行了討論。仿真實驗的研究結(jié)果表明，2個直連的ZigBee節(jié)點之間最多可以支持3個VoIP或17個PTT會話，線性結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)最多只能在少于2跳的節(jié)點之間進行VoIP或PTT通信，超過2跳則無法進行語音通信，在煤礦安全、智能大廈防災(zāi)等需要應(yīng)急通信的環(huán)境中，有一定的實際意義。
參考文獻
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