摘??要: 簡(jiǎn)要介紹ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及電信行業(yè)通話質(zhì)量的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)仿真模擬，對(duì)ZigBee無(wú)線信道上的VoIP和PTT兩種語(yǔ)音通信的通話質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的語(yǔ)音應(yīng)急通信的可行性進(jìn)行了分析和研究。結(jié)果表明在節(jié)點(diǎn)間通信少于兩跳及無(wú)線鏈路質(zhì)量較好的情況下，ZigBee網(wǎng)絡(luò)能夠提供語(yǔ)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(wú)線綜合通信平臺(tái)及數(shù)字集群調(diào)度通信技術(shù)建立的應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的專用通信系統(tǒng)。其特點(diǎn)是突發(fā)性和臨時(shí)性，而且經(jīng)常伴隨復(fù)雜多變的惡劣環(huán)境。在一些無(wú)法部署固定線路的突發(fā)公共安全事件場(chǎng)合，例如煤礦安全、地震災(zāi)害、奧運(yùn)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(diǎn)。在經(jīng)歷了汶川地震和北京奧運(yùn)會(huì)之后，應(yīng)急通信作為對(duì)原有通信系統(tǒng)必要的保障和補(bǔ)充，已經(jīng)受到越來(lái)越多的關(guān)注。
ZigBee技術(shù)包含了一整套專門為無(wú)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(diǎn)設(shè)計(jì)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[1]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)原本不是用來(lái)進(jìn)行語(yǔ)音傳輸?shù)模怯捎赯igBee網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)能力以及其高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，使得已經(jīng)部署在某一區(qū)域內(nèi)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)正好為突發(fā)事件的應(yīng)急語(yǔ)音通信提供了很有價(jià)值的通信基礎(chǔ)設(shè)施。
針對(duì)以上特點(diǎn)，對(duì)基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的語(yǔ)音應(yīng)急通信可行性進(jìn)行了研究。本文首先簡(jiǎn)要介紹ZigBee技術(shù)和通話質(zhì)量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而對(duì)以下問(wèn)題進(jìn)行研究：
(1)線性ZigBee拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)對(duì)全雙工VoIP和半雙工PTT（Push-To-Talk）語(yǔ)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(dòng)以及丟包率等指標(biāo)對(duì)語(yǔ)音通信質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。
研究過(guò)程中通過(guò)仿真模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)以上幾個(gè)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算分析。最后對(duì)所得出的結(jié)果進(jìn)行解釋評(píng)價(jià)。
1 語(yǔ)音應(yīng)急通信與ZigBee
語(yǔ)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(diǎn)，尤其需要在無(wú)法部署固定線路的突發(fā)公共安全事件場(chǎng)合進(jìn)行語(yǔ)音應(yīng)急通信。有些特殊場(chǎng)合，如礦井、隧道等，架設(shè)專門的語(yǔ)音應(yīng)急通信線路存在一定的困難，代價(jià)較高，使用過(guò)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(yǔ)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(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)(LR-WPAN)的雙向無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[2]，其較強(qiáng)的自組網(wǎng)能力很好地迎合了語(yǔ)音應(yīng)急通信隨需而設(shè)、即設(shè)即用的要求;同時(shí)，ZigBee作為電池供電的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),其可靠性和抗摧毀性也都符合語(yǔ)音應(yīng)急通信的關(guān)鍵需求;另外，由于遙感監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)控制等應(yīng)用，已經(jīng)部署在這些場(chǎng)合的ZigBee網(wǎng)絡(luò)恰好為語(yǔ)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(gè)免認(rèn)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(wèn)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)定義了全功能設(shè)備（FFD）和簡(jiǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
2 通話質(zhì)量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)及影響因素
2.1 通話質(zhì)量
主觀評(píng)級(jí)：傳統(tǒng)上，電信行業(yè)通過(guò)讓消費(fèi)者打分來(lái)衡量通話質(zhì)量的好壞，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為5分制。計(jì)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(biāo)準(zhǔn)為3.0分，高于4.0則被認(rèn)為是長(zhǎng)話級(jí)音質(zhì)(TQ)。
ITU-T E-model(R因子)：國(guó)際電信聯(lián)盟遠(yuǎn)程通信標(biāo)準(zhǔn)化組的G.107標(biāo)準(zhǔn)提出的E模型(E-model)是一個(gè)被廣泛使用的評(píng)估通話質(zhì)量的方法。E模型將語(yǔ)音信號(hào)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(dòng)、噪音、回聲、編碼方式等)，歸結(jié)出一個(gè)全面的衡量語(yǔ)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(hào)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(yǔ)音壓縮編碼方案為例，假定隨機(jī)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(yǔ)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(huì)話數(shù)量受到限制；第二，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的信道訪問(wèn)沖突遵循CSMA/CA協(xié)議進(jìn)行處理，這就不可避免地引入了額外的發(fā)送等待時(shí)間，減少了有效帶寬、增加了延遲，從而導(dǎo)致語(yǔ)音通信通話質(zhì)量的降低。此外，為了保證低成本的優(yōu)勢(shì)，ZigBee節(jié)點(diǎn)通常采用低增益天線設(shè)計(jì)，有限的計(jì)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(shí)驗(yàn)及分析討論
仿真過(guò)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(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算和評(píng)估，得出全雙工VoIP和半雙工PTT兩種語(yǔ)音通信對(duì)應(yīng)的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中使用具有N個(gè)節(jié)點(diǎn)的線性拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，工作頻率為2.4 GHz，傳輸過(guò)程可以達(dá)到峰值速率(250 kb/s)，相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離為D，僅考慮兩個(gè)端節(jié)點(diǎn)之間的語(yǔ)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(cè)到的最大距離)為15～30 m。
3.1 VoIP的性能
每個(gè)全雙工連接由兩個(gè)方向相反的固定碼率(CBR)數(shù)據(jù)流進(jìn)行模擬。數(shù)據(jù)流采用G.729a壓縮算法進(jìn)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(bào)頭，一個(gè)VoIP數(shù)據(jù)包的大小為60 B。若對(duì)IPv4/UDP/RTP報(bào)頭進(jìn)行壓縮(IETF RFC 3095[6])，40 B的IPv4/UDP/RTP報(bào)頭可以壓縮為只占1 B。這里對(duì)使用報(bào)頭壓縮(W/HC)和不使用報(bào)頭壓縮(W/O HC)兩種情況都進(jìn)行了研究。距離D設(shè)為8 m。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的緩沖區(qū)大小為50個(gè)包的先進(jìn)先出(FIFO)隊(duì)列，采用尾丟棄(tail-drop)的隊(duì)列管理機(jī)制。
使用R因子來(lái)度量VoIP的通話質(zhì)量。為了計(jì)算R因子，應(yīng)用了一個(gè)6個(gè)包大小的去抖動(dòng)緩沖區(qū)。表1列出了在不同情況下R因子的計(jì)算結(jié)果。從這些結(jié)果中可以看出：
(1)在2個(gè)直連的節(jié)點(diǎn)之間，采用G.729a壓縮編碼，同時(shí)可以支持2個(gè)中等通話質(zhì)量的VoIP通話(如果使用報(bào)頭壓縮，則可以支持到3個(gè))。
(2)對(duì)于需要兩跳才能完成通信的節(jié)點(diǎn)，若能夠避免終端隱藏問(wèn)題，即假定CSR大于等于TXR的兩倍，則可以支持一個(gè)VoIP通話。
(3)當(dāng)2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信需要3跳以上時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)采用G.729a壓縮編碼的VoIP通話。
3.2 PTT的性能
因?yàn)镻TT是半雙工的語(yǔ)音通信，所以其延遲和抖動(dòng)比VoIP更加容易被接受。每一個(gè)PTT會(huì)話包含一連串的脈沖信號(hào)，其長(zhǎng)度相當(dāng)于某一個(gè)用戶講話的持續(xù)時(shí)間。假定每一段模擬語(yǔ)音的持續(xù)時(shí)間一樣長(zhǎng)，語(yǔ)音脈沖信號(hào)采用5.15 kb/s的自適應(yīng)多速率(AMR)方式編碼，每一幀語(yǔ)音數(shù)據(jù)(20 s)轉(zhuǎn)化為一個(gè)13 B的AMR幀，使用單路固定碼率(CBR)進(jìn)行傳輸。假設(shè)每個(gè)IP語(yǔ)音數(shù)據(jù)包中含有Namr(=5)個(gè)語(yǔ)音數(shù)據(jù)幀。
(1)平均每個(gè)PTT會(huì)話包含4個(gè)脈沖信號(hào)，每個(gè)脈沖信號(hào)的持續(xù)時(shí)間為7 s。
(2)會(huì)話的到達(dá)依據(jù)泊松過(guò)程（Poisson Process）的平均到達(dá)率λ。
為了研究PTT會(huì)話數(shù)的最大值，假定有Ns個(gè)活動(dòng)會(huì)話，也就是說(shuō)，設(shè)λ=Ns/(4×7)。節(jié)點(diǎn)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(gè)包和200個(gè)包的先進(jìn)先出（FIFO）隊(duì)列，同樣采用尾丟棄的隊(duì)列管理機(jī)制。
為了評(píng)估PTT傳輸?shù)男阅?，?duì)端到端（E2E）IP包的網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲Td、抖動(dòng)Tj以及丟包率Rloss進(jìn)行了測(cè)量。由于每個(gè)IP包所包含的AMR語(yǔ)音數(shù)據(jù)幀的數(shù)量Namr相等，所以實(shí)際的語(yǔ)音數(shù)據(jù)幀的丟包率與測(cè)得的IP包的丟包率相等。額外延遲包括編解碼延遲、信號(hào)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(dòng)。仿真實(shí)驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)端到端傳輸需要1跳時(shí)最多可以支持17個(gè)PTT會(huì)話，需要2跳時(shí)最多可以支持3個(gè)PTT會(huì)話。當(dāng)端到端傳輸需要3跳以上時(shí)，由于丟包率Rloss超標(biāo)導(dǎo)致無(wú)法支持PTT通話。
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3.3 結(jié)果分析與討論
經(jīng)過(guò)研究得出結(jié)論:ZigBee網(wǎng)絡(luò)能夠支持語(yǔ)音通信，但是語(yǔ)音會(huì)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(yǔ)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(shí)驗(yàn)中得出的結(jié)論所示，若設(shè)備間通信超過(guò)兩跳，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音傳輸。
現(xiàn)在所面臨的問(wèn)題是如何改善通話質(zhì)量并提高ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持語(yǔ)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(shí)考慮到ZigBee節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存容量有限，必須為ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)通話允許控制。對(duì)于多次反射ZigBee網(wǎng)絡(luò)，必須嚴(yán)格設(shè)計(jì)通話允許控制，以便利用空間重用和并發(fā)傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。其次，為了降低傳輸延遲，必須通過(guò)減少競(jìng)爭(zhēng)來(lái)增加有效帶寬?？梢砸胭Y源預(yù)留機(jī)制以適應(yīng)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間槽調(diào)度，并且在CSMA的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更高級(jí)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(wú)時(shí)間槽的CSMA/CA。這些問(wèn)題將在今后的工作中進(jìn)一步研究。
本文沒(méi)有對(duì)星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，這是因?yàn)榭紤]到在網(wǎng)絡(luò)中只進(jìn)行語(yǔ)音通信的情況下，星形結(jié)構(gòu)和線性結(jié)構(gòu)沒(méi)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(yǔ)音通話時(shí)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(diǎn)間通信超過(guò)2跳時(shí)，線性結(jié)構(gòu)就無(wú)法進(jìn)行語(yǔ)音通信了，因此，星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以被視為線性拓?fù)涞囊粋€(gè)變種。
本文對(duì)ZigBee技術(shù)進(jìn)行了概述，研究了基于簡(jiǎn)單拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的全雙工VoIP和半雙工PTT語(yǔ)音通信的可行性，對(duì)R因子、端到端延遲、抖動(dòng)以及丟包率進(jìn)行了討論。仿真實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果表明，2個(gè)直連的ZigBee節(jié)點(diǎn)之間最多可以支持3個(gè)VoIP或17個(gè)PTT會(huì)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(diǎn)之間進(jìn)行VoIP或PTT通信，超過(guò)2跳則無(wú)法進(jìn)行語(yǔ)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(shí)際意義。
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