Nový směr ve VoIP: Lze to i bez drátů

Voice over Wi-Fi (VoWiFi) představuje mobilní variantu technologie VoIP, která využívá bezdrátových sítí pracujících ve standardu 802.11 a/b/g. Chce-li však uživatel tuto technologii ve své bezdrátové síti používat, je nutné, aby tento aspekt zohlednil již při jejím návrhu.

Kvalita přenosu hlasu po IP síti je velmi citlivá zejména na ztrátovost paketů, zpoždění paketů a především na kolísání zpoždění (jitter). Bezdrátové spoje však mají jiné charakteristiky než pevné spoje. Ovlivňuje je útlum šíření signálu, rušení a šum, které závisejí na prostředí a někdy i okamžiku vysílání. Následně pak dochází k chybám, které snižují kvalitu rádiového signálu, což je situace, která je v přenosu hlasu velmi zásadní.

Hlas totiž pro přenos v IP síti používá UDP protokol, který nemá na rozdíl od TCP opravný mechanismus. Při ztrátě paketů dochází nejprve k výpadkům v hovoru, a následně i k rozpadu celého hovoru. Maximální doporučená hodnota ztrátovosti se pohybuje pouze kolem jednoho procenta.

Další důležitou podmínkou při hlasovém provozu je nutnost zajistit konstantní šířku pásma. Ta závisí na kodeku, který se nasazuje pro vzorkování. V současné době se nejčastěji používá G.711 (80 kb/s včetně hlaviček druhé vrstvy), resp. G729 (24 kb/s). Významným faktorem je rovněž zpoždění, které znamená dobu mezi vysláním paketu od zdroje a jeho doručením příjemci. Maximální hodnota jednosměrného zpoždění by se měla pohybovat pod 150ms a maximální hodnota kolísání (jiter) pod 30 ms. Jak tedy vybudovat bezdrátovou síť vhodnou pro přenos hlasových paketů?

Roaming bezdrátového klienta

Roaming neboli asociace klienta k jinému přístupovému bodu je v bezdrátových sítích přenášejících hlas náročnější než u datových transportů, neboť musí být dostatečně rychlý a současně bezpečný. Standard zabývající se rychlým roamingem nese název 802.11r a měl by být schválen ještě letos. Hlavním problémem je v tomto případě zajištění rychlého ověření uživatele a výměny klíčů s novým přístupovým bodem.

Roaming může probíhat na druhé nebo třetí vrstvě síťové architektury. Roaming na druhé vrstvě znamená, že se uživatel přesunuje od jednoho přístupového bodu k druhému v rámci téže IP sítě - řeší se tedy především „fyzické“ předání uživatele mezi dvěma přístupovými body. Pokud se však uživatel přesouvá do jiné IP sítě, musí kromě vlastního předání mezi přístupovými body také dojít ke změně IP adresy. Centralizované řešení však tento problém dokáže vyřešit, a není potřeba IP adresu měnit. Uživatelská data vstupují do pevné sítě z kontroléru, na kterém se uživatel poprvé asocioval.

Roaming mezi dvěma sousedními přístupovými body může proběhnout zcela transparentně. Pokud se uživatel dostane do oblasti slabého signálu, začne si klient automaticky vyhledávat kvalitnější signál. Klient skenuje kanály 802.11 a sestaví si seznam vhodných přístupových bodů, z nichž jeden si následně vybere, opětovně se ověří a vymění klíče.

Aby byl roaming dostatečně rychlý, je třeba používat určitou cache (key-caching), která je v případě centralizovaného řešení prováděna kontrolérem. Ta zajistí, že po odpojení a opětovném připojení k přístupovému bodu nemusí uživatel znovu zadávat své údaje a kontaktovat RADIUS server. Caching klíčů podle údajů některých výrobců dokáže snížit zpoždění při předávání klienta mezi dvěma přístupovými body z 800 ms až na pouhých 25 ms, což je pro sítě přenášející hlas výrazný přínos.

Jinou možností je tzv. pre-authentication, kdy klient začne navazovat bezpečnostní relaci ještě před vlastním přidružením klienta k přístupovému bodu. Pokud si je uživatel vědom potřeby roamingu, může provést autentizaci u nového přístupového bodu, který hodlá použít v blízké budoucnosti - tím snižuje dobu, po kterou je od sítě při vlastním roamingu mezi přístupovými body odpojen.

Rozmístění AP má rovněž vliv na správnou funkci bezdrátového VoIP - na rozdíl od pouze datové bezdrátové sítě je nutné zajistit určité překrytí jednotlivých buněk; doporučuje se 20 % v pásmu 2,4 GHz, přičemž na hranici buňky by měla být úroveň -67dBm. Účelem je zajistit, aby si klient mohl včas zjistit sousední AP a připojit se k jinému, jakmile se vyskytne v blízkosti hranice buněk. To dovolí klientovi měnit AP s minimem přerušení při volání. Princip je naznačen v následujícím obrázku.

Kvalita služby ve WLAN

Standard podpory pro QoS v bezdrátových sítích nese označení 802.11e a slouží jako doplněk stávajících norem 802.11a/b/g, které definují přístup k médiu. Běžně se používá mechanismus DCF (Distributed Coordination Function), který ale nerozlišuje mezi typy provozu, takže pro podporu QoS je třeba definovat nějakou nadstavbu.

Režim DCF pro 802.11 je založen na metodě přístupu CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Stanice musí před vysíláním nejprve poslouchat, zda nevysílá někdo jiný. Jako obranu proti kolizím používá dvě techniky: vkládání mezery mezi vysílanými rámci (IFS, InterFrame Space) a tzv. backoff. Interval IFS odpovídá době povinného čekání po zjištění volného vysílacího kanálu, než stanice může začít sama vysílat. Pokud v této době začne vysílat jiná stanice, musí se vysílání odložit. Používá se interval 30us pro hlasové pakety a 50us pro datové pakety, takže při vysílání hlasu se čeká kratší dobu – pak je větší pravděpodobnost, že medium bude volné.

Backoff si každá stanice určuje náhodně z intervalu mezi nulou a tzv. CW, Contention Window. Stále však může dojít ke kolizi, protože o vysílací kanál se uchází více stanic. Velikost intervalu se proto při každé detekované kolizi zdvojnásobuje. Jakmile interval backoff vyprchá a médium je volné, může stanice začít vysílat.

Rozšíření režimu DCF představuje funkce pod označením EDCF (Enhanced Distribution Coordination Function). Jedná se o mechanismus pro alokaci šířky pásma na základě kategorií provozu. Každá stanice může mít až čtyři kategorie provozu na podporu osmi úrovní priority. Na základě priority se provádí mapování na kategorii přístupu do jedné ze čtyř vysílacích front. Každá stanice může vysílat, jakmile je médium volné, ovšem po intervalu čekání, který odpovídá dané kategorii provozu. Čím větší priorita, tím nižší AIFS - Arbitration Inter-Frame Space, takže stanice s vysokou prioritou provozu bude čekat kratší dobu, než stanice s daty příslušejícími provozu o nižší prioritě. Přístup k médiu se tak stává řízeně neférový, přičemž provoz s vyšší prioritou je upřednostněn na úkor provozu s prioritou nižší. Princip je naznačen na obrázku.

Je důležité si uvědomit, že tato funkcionalita musí být podporována jak na straně přístupového bodu, tak na straně klienta. Zejména podpora na straně klienta může někdy znamenat problém, který však může být řešitelný změnou firmwaru. Vysílání stanic, které nepodporují QoS, se totiž automaticky řadí do kategorie „best effort“.

Autor pracuje jako konzultant ve společnosti NextiraOne Czech.