基于ZigBee网络的语音应急通信可行性研究
2009-09-15
作者：陈弘博， 封逸飞， 郭先臣
摘 要: 简要介绍ZigBee无线网络技术以及电信行业通话质量的评估标准。通过仿真模拟，对ZigBee无线信道上的VoIP和PTT两种语音通信的通话质量进行评估，并对ZigBee网络的语音应急通信的可行性进行了分析和研究。结果表明在节点间通信少于两跳及无线链路质量较好的情况下，ZigBee网络能够提供语音服务。
关键词: ZigBee; VoIP; PTT; 通话质量
应急通信是指借助有线/无线综合通信平台及数字集群调度通信技术建立的应对突发事件的专用通信系统。其特点是突发性和临时性，而且经常伴随复杂多变的恶劣环境。在一些无法部署固定线路的突发公共安全事件场合，例如煤矿安全、地震灾害、奥运安保等，需要通信系统有更高的可靠性、抗毁性、能够更加灵活快速地部署等特点。在经历了汶川地震和北京奥运会之后，应急通信作为对原有通信系统必要的保障和补充，已经受到越来越多的关注。
ZigBee技术包含了一整套专门为无线网络传感器和控制器制定的规范，是专门为低成本、低性能的传感器和控制器节点设计的无线网络[1]。ZigBee网络原本不是用来进行语音传输的，但是由于ZigBee网络的自组网能力以及其高可靠性等优点，使得已经部署在某一区域内的ZigBee网络节点正好为突发事件的应急语音通信提供了很有价值的通信基础设施。
针对以上特点，对基于ZigBee网络的语音应急通信可行性进行了研究。本文首先简要介绍ZigBee技术和通话质量评估标准，进而对以下问题进行研究：
(1)线性ZigBee拓扑网络对全双工VoIP和半双工PTT（Push-To-Talk）语音通话支持的可行性和承载数量。
(2)使用R因子、端到端延迟、抖动以及丢包率等指标对语音通信质量进行评估。
研究过程中通过仿真模拟实验，对以上几个指标进行计算分析。最后对所得出的结果进行解释评价。
1 语音应急通信与ZigBee
语音应急通信需要通信设备具有高可靠性、高抗毁性、随需而设、即设即用等特点，尤其需要在无法部署固定线路的突发公共安全事件场合进行语音应急通信。有些特殊场合，如矿井、隧道等，架设专门的语音应急通信线路存在一定的困难，代价较高，使用过后不便于回收利用，而且在情况多变的恶劣环境下，靠外接电源供电的语音应急通信系统非常容易受到干扰或摧毁。
ZigBee作为一种基于低速无线个人局域网络(LR-WPAN)的双向无线通信技术标准[2]，其较强的自组网能力很好地迎合了语音应急通信随需而设、即设即用的要求;同时，ZigBee作为电池供电的无线传感器网络,其可靠性和抗摧毁性也都符合语音应急通信的关键需求;另外，由于遥感监测、现场控制等应用，已经部署在这些场合的ZigBee网络恰好为语音应急通信提供了现成的基础设施。
ZigBee网络在868 MHz、915 MHz、2.4 GHz这3个免认证的ISM(工业、科研和医疗)频段上分别具有20 kb/s、40 kb/s、250 kb/s 3种不同的峰值数据速率。完整的ZigBee协议栈由高层应用规范、应用支持层、网络层、介质访问控制层、物理层和安全性服务组成，如图1所示。
ZigBee网络中的单个节点有3种逻辑设备类型：端设备（End device）、路由器（Router）、协调器（Coordinator）。IEEE 802.15.4标准定义了全功能设备（FFD）和简化功能设备（RFD）2种物理设备类型[3]。ZigBee技术支持具有数据安全特性和互操作应用界面的星形（Star）、簇树形（Cluster Tree）、网状（Mesh）3种网络拓扑结构。
2 通话质量评估标准及影响因素
2.1 通话质量
主观评级：传统上，电信行业通过让消费者打分来衡量通话质量的好坏，评分标准为5分制。计算所有得分的算术平均数，称为平均意见得分(MOS)。电话行业的建议最低标准为3.0分，高于4.0则被认为是长话级音质(TQ)。
ITU-T E-model(R因子)：国际电信联盟远程通信标准化组的G.107标准提出的E模型(E-model)是一个被广泛使用的评估通话质量的方法。E模型将语音信号本身的特性与网络特性相结合，综合考虑各种损伤因素(丢包、延迟、抖动、噪音、回声、编码方式等)，归结出一个全面的衡量语音通话质量的额定因数，称为R因子(R-factor)。R因子的定义如下：
其中，Is是信号噪音损伤； Id是从嘴到耳(mouth-to-ear)的传输延迟损伤；Ief是由设备因素引起的损伤，包括由于编码方案和传输丢包等因素导致的数据丢失；A是期望因素。以G.729语音压缩编码方案为例，假定随机丢包，式(1)可表示为：
显然，R因子的值越大，意味着d和e的值越小，得出的MOS值也就越大。
2.2 影响通话质量的因素
可能影响ZigBee语音通信传输能力的技术因素有：第一，ZigBee网络的带宽有限，最高仅为250 kb/s，导致可支持的最多会话数量受到限制；第二，ZigBee网络中的信道访问冲突遵循CSMA/CA协议进行处理，这就不可避免地引入了额外的发送等待时间，减少了有效带宽、增加了延迟，从而导致语音通信通话质量的降低。此外，为了保证低成本的优势，ZigBee节点通常采用低增益天线设计，有限的计算能力和缓存大小，这些也都是影响通话质量的因素。
3 仿真实验及分析讨论
仿真过程中使用NS2网络模拟器[5]构建常规ZigBee网络，通过对实验数据的计算和评估，得出全双工VoIP和半双工PTT两种语音通信对应的结果。实验中使用具有N个节点的线性拓扑网络，工作频率为2.4 GHz，传输过程可以达到峰值速率(250 kb/s)，相邻节点间的距离为D，仅考虑两个端节点之间的语音通信。传输距离TXR(一次发送可以被成功接收的最大距离)为15 m，载波侦听距离CSR(一次发送可以被检测到的最大距离)为15～30 m。
3.1 VoIP的性能
每个全双工连接由两个方向相反的固定码率(CBR)数据流进行模拟。数据流采用G.729a压缩算法进行编码：每20 s的数据为20 B。再加上RTP、UDP及IPv4协议的报头，一个VoIP数据包的大小为60 B。若对IPv4/UDP/RTP报头进行压缩(IETF RFC 3095[6])，40 B的IPv4/UDP/RTP报头可以压缩为只占1 B。这里对使用报头压缩(W/HC)和不使用报头压缩(W/O HC)两种情况都进行了研究。距离D设为8 m。每个节点的缓冲区大小为50个包的先进先出(FIFO)队列，采用尾丢弃(tail-drop)的队列管理机制。
使用R因子来度量VoIP的通话质量。为了计算R因子，应用了一个6个包大小的去抖动缓冲区。表1列出了在不同情况下R因子的计算结果。从这些结果中可以看出：
(1)在2个直连的节点之间，采用G.729a压缩编码，同时可以支持2个中等通话质量的VoIP通话(如果使用报头压缩，则可以支持到3个)。
(2)对于需要两跳才能完成通信的节点，若能够避免终端隐藏问题，即假定CSR大于等于TXR的两倍，则可以支持一个VoIP通话。
(3)当2个节点之间的通信需要3跳以上时，无法实现采用G.729a压缩编码的VoIP通话。
3.2 PTT的性能
因为PTT是半双工的语音通信，所以其延迟和抖动比VoIP更加容易被接受。每一个PTT会话包含一连串的脉冲信号，其长度相当于某一个用户讲话的持续时间。假定每一段模拟语音的持续时间一样长，语音脉冲信号采用5.15 kb/s的自适应多速率(AMR)方式编码，每一帧语音数据(20 s)转化为一个13 B的AMR帧，使用单路固定码率(CBR)进行传输。假设每个IP语音数据包中含有Namr(=5)个语音数据帧。
(1)平均每个PTT会话包含4个脉冲信号，每个脉冲信号的持续时间为7 s。
(2)会话的到达依据泊松过程（Poisson Process）的平均到达率λ。
为了研究PTT会话数的最大值，假定有Ns个活动会话，也就是说，设λ=Ns/(4×7)。节点间的距离D=8 m，CSR=2×TXR=30 m。缓冲区大小分两种情况，分别为50个包和200个包的先进先出（FIFO）队列，同样采用尾丢弃的队列管理机制。
为了评估PTT传输的性能，对端到端（E2E）IP包的网络传输延迟Td、抖动Tj以及丢包率Rloss进行了测量。由于每个IP包所包含的AMR语音数据帧的数量Namr相等，所以实际的语音数据帧的丢包率与测得的IP包的丢包率相等。额外延迟包括编解码延迟、信号协议延迟、CPU处理延迟等，与传输延迟相比，额外延迟占据了端到端延迟的绝大部分。
图2给出了平均丢包率、平均端到端IP包传输延迟，以及平均端到端传输抖动。仿真实验的计算结果表明，当端到端传输需要1跳时最多可以支持17个PTT会话，需要2跳时最多可以支持3个PTT会话。当端到端传输需要3跳以上时，由于丢包率Rloss超标导致无法支持PTT通话。
3.3 结果分析与讨论
经过研究得出结论:ZigBee网络能够支持语音通信，但是语音会话的数量和设备间通信所需的跳数都受到限制。随着跳数和语音连接数量的增加，传输延迟和丢包率迅速增大,正如在仿真实验中得出的结论所示，若设备间通信超过两跳，则无法实现语音传输。
现在所面临的问题是如何改善通话质量并提高ZigBee网络支持语音通话的能力。如前所述，丢包率和延迟是决定通话质量的主要因素。首先，为了降低丢包率，同时考虑到ZigBee节点的内存容量有限，必须为ZigBee网络设计和实现通话允许控制。对于多次反射ZigBee网络，必须严格设计通话允许控制，以便利用空间重用和并发传输等优点。其次，为了降低传输延迟，必须通过减少竞争来增加有效带宽。可以引入资源预留机制以适应节点间的时间槽调度，并且在CSMA的基础上实现更高级别的TDMA。因此，为了避免冲突、提高吞吐量，需要让商用量产硬件只支持无时间槽的CSMA/CA。这些问题将在今后的工作中进一步研究。
本文没有对星形拓扑结构进行模拟，这是因为考虑到在网络中只进行语音通信的情况下，星形结构和线性结构没有区别。由于ZigBee本身就是一种低数据量、高性能的网络，所以在语音通话时出现并发数据传输的可能性很低。另外，正如本文所研究的，当节点间通信超过2跳时，线性结构就无法进行语音通信了，因此，星形拓扑结构可以被视为线性拓扑的一个变种。
本文对ZigBee技术进行了概述，研究了基于简单拓扑结构ZigBee网络的全双工VoIP和半双工PTT语音通信的可行性，对R因子、端到端延迟、抖动以及丢包率进行了讨论。仿真实验的研究结果表明，2个直连的ZigBee节点之间最多可以支持3个VoIP或17个PTT会话，线性结构的网络最多只能在少于2跳的节点之间进行VoIP或PTT通信，超过2跳则无法进行语音通信，在煤矿安全、智能大厦防灾等需要应急通信的环境中，有一定的实际意义。
参考文献
[1] 翟雷, 刘盛德, 胡咸斌. ZigBee技术及应用. 北京：北京航空航天大学出版社, 2007.
[2] ZigBee Alliance. ZigBee Specification (Revision dated Q4/2007). http://www.zigbee.org/en/spec_download/.
[3] IEEE Std. 802.15.4- 2003. IEEE Standard for Load and Metropolitan Area Networks part 15.4: Wireless medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs) [S]. 2003.
[4] COLE R G, ROSENBLUTH J H. Voice over IP performance monitoring, ACM Comp. Commun. Rev., 2001.
[5] Network Simulator (NS2). http://www.isi.edu/nsnam/ns.
[6] BORMANN C. Robust header compression: Framework and four profiles: RTP, UDP, ESP and Uncompressed. IETF RFC 3095, Jul. 2001.