摘??要: 簡要介紹ZigBee無線網絡技術以及電信行業通話質量的評估標準。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量進行評估，并對ZigBee網絡的語音應急通信的可行性進行了分析和研究。結果表明在節點間通信少于兩跳及無線鏈路質量較好的情況下，ZigBee網絡能夠提供語音服務。
關鍵詞: ZigBee; VoIP;? PTT; 通話質量
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應急通信是指借助有線/無線綜合通信平臺及數字集群調度通信技術建立的應對突發事件的專用通信系統。其特點是突發性和臨時性，而且經常伴隨復雜多變的惡劣環境。在一些無法部署固定線路的突發公共安全事件場合，例如煤礦安全、地震災害、奧運安保等，需要通信系統有更高的可靠性、抗毀性、能夠更加靈活快速地部署等特點。在經歷了汶川地震和北京奧運會之后，應急通信作為對原有通信系統必要的保障和補充，已經受到越來越多的關注。
ZigBee技術包含了一整套專門為無線網絡傳感器和控制器制定的規范，是專門為低成本、低性能的傳感器和控制器節點設計的無線網絡[1]。ZigBee網絡原本不是用來進行語音傳輸的，但是由于ZigBee網絡的自組網能力以及其高可靠性等優點，使得已經部署在某一區域內的ZigBee網絡節點正好為突發事件的應急語音通信提供了很有價值的通信基礎設施。
針對以上特點，對基于ZigBee網絡的語音應急通信可行性進行了研究。本文首先簡要介紹ZigBee技術和通話質量評估標準，進而對以下問題進行研究：
(1)線性ZigBee拓撲網絡對全雙工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。最后對所得出的結果進行解釋評價。
1 語音應急通信與ZigBee
語音應急通信需要通信設備具有高可靠性、高抗毀性、隨需而設、即設即用等特點，尤其需要在無法部署固定線路的突發公共安全事件場合進行語音應急通信。有些特殊場合，如礦井、隧道等，架設專門的語音應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境下，靠外接電源供電的語音應急通信系統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絡(LR-WPAN)的雙向無線通信技術標準[2]，其較強的自組網能力很好地迎合了語音應急通信隨需而設、即設即用的要求;同時，ZigBee作為電池供電的無線傳感器網絡,其可靠性和抗摧毀性也都符合語音應急通信的關鍵需求;另外，由于遙感監測、現場控制等應用，已經部署在這些場合的ZigBee網絡恰好為語音應急通信提供了現成的基礎設施。
ZigBee網絡在868 MHz、915 MHz、2.4 GHz這3個免認證的ISM(工業、科研和醫療)頻段上分別具有20 kb/s、40 kb/s、250 kb/s 3種不同的峰值數據速率。完整的ZigBee協議棧由高層應用規范、應用支持層、網絡層、介質訪問控制層、物理層和安全性服務組成，如圖1所示。
ZigBee網絡中的單個節點有3種邏輯設備類型：端設備（End device）、路由器（Router）、協調器（Coordinator）。IEEE 802.15.4標準定義了全功能設備（FFD）和簡化功能設備（RFD）2種物理設備類型[3]。ZigBee技術支持具有數據安全特性和互操作應用界面的星形（Star）、簇樹形（Cluster Tree）、網狀（Mesh）3種網絡拓撲結構。
2 通話質量評估標準及影響因素
2.1 通話質量
主觀評級：傳統上，電信行業通過讓消費者打分來衡量通話質量的好壞，評分標準為5分制。計算所有得分的算術平均數，稱為平均意見得分(MOS)。電話行業的建議最低標準為3.0分，高于4.0則被認為是長話級音質(TQ)。
ITU-T E-model(R因子)：國際電信聯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量的方法。E模型將語音信號本身的特性與網絡特性相結合，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)，歸結出一個全面的衡量語音通話質量的額定因數，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致的數據丟失；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 影響通話質量的因素
可能影響ZigBee語音通信傳輸能力的技術因素有：第一，ZigBee網絡的帶寬有限，最高僅為250 kb/s，導致可支持的最多會話數量受到限制；第二，ZigBee網絡中的信道訪問沖突遵循CSMA/CA協議進行處理，這就不可避免地引入了額外的發送等待時間，減少了有效帶寬、增加了延遲，從而導致語音通信通話質量的降低。此外，為了保證低成本的優勢，ZigBee節點通常采用低增益天線設計，有限的計算能力和緩存大小，這些也都是影響通話質量的因素。
3 仿真實驗及分析討論
仿真過程中使用NS2網絡模擬器[5]構建常規ZigBee網絡，通過對實驗數據的計算和評估，得出全雙工VoIP和半雙工PTT兩種語音通信對應的結果。實驗中使用具有N個節點的線性拓撲網絡，工作頻率為2.4 GHz，傳輸過程可以達到峰值速率(250 kb/s)，相鄰節點間的距離為D，僅考慮兩個端節點之間的語音通信。傳輸距離TXR(一次發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)數據流進行模擬。數據流采用G.729a壓縮算法進行編碼：每20 s的數據為20 B。再加上RTP、UDP及IPv4協議的報頭，一個VoIP數據包的大小為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設為8 m。每個節點的緩沖區大小為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的通話質量。為了計算R因子，應用了一個6個包大小的去抖動緩沖區。表1列出了在不同情況下R因子的計算結果。從這些結果中可以看出：
(1)在2個直連的節點之間，采用G.729a壓縮編碼，同時可以支持2個中等通話質量的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2個節點之間的通信需要3跳以上時，無法實現采用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，其長度相當于某一個用戶講話的持續時間。假定每一段模擬語音的持續時間一樣長，語音脈沖信號采用5.15 kb/s的自適應多速率(AMR)方式編碼，每一幀語音數據(20 s)轉化為一個13 B的AMR幀，使用單路固定碼率(CBR)進行傳輸。假設每個IP語音數據包中含有Namr(=5)個語音數據幀。
(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時間為7 s。
(2)會話的到達依據泊松過程（Poisson Process）的平均到達率λ。
為了研究PTT會話數的最大值，假定有Ns個活動會話，也就是說，設λ=Ns/(4×7)。節點間的距離D=8 m，CSR=2×TXR=30 m。緩沖區大小分兩種情況，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傳輸的性能，對端到端（E2E）IP包的網絡傳輸延遲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語音數據幀的數量Namr相等，所以實際的語音數據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、信號協議延遲、CPU處理延遲等，與傳輸延遲相比，額外延遲占據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。仿真實驗的計算結果表明，當端到端傳輸需要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。當端到端傳輸需要3跳以上時，由于丟包率Rloss超標導致無法支持PTT通話。
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3.3 結果分析與討論
經過研究得出結論:ZigBee網絡能夠支持語音通信，但是語音會話的數量和設備間通信所需的跳數都受到限制。隨著跳數和語音連接數量的增加，傳輸延遲和丟包率迅速增大,正如在仿真實驗中得出的結論所示，若設備間通信超過兩跳，則無法實現語音傳輸。
現在所面臨的問題是如何改善通話質量并提高ZigBee網絡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量的主要因素。首先，為了降低丟包率，同時考慮到ZigBee節點的內存容量有限，必須為ZigBee網絡設計和實現通話允許控制。對于多次反射ZigBee網絡，必須嚴格設計通話允許控制，以便利用空間重用和并發傳輸等優點。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源預留機制以適應節點間的時間槽調度，并且在CSMA的基礎上實現更高級別的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構進行模擬，這是因為考慮到在網絡中只進行語音通信的情況下，星形結構和線性結構沒有區別。由于ZigBee本身就是一種低數據量、高性能的網絡，所以在語音通話時出現并發數據傳輸的可能性很低。另外，正如本文所研究的，當節點間通信超過2跳時，線性結構就無法進行語音通信了，因此，星形拓撲結構可以被視為線性拓撲的一個變種。
本文對ZigBee技術進行了概述，研究了基于簡單拓撲結構ZigBee網絡的全雙工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。仿真實驗的研究結果表明，2個直連的ZigBee節點之間最多可以支持3個VoIP或17個PTT會話，線性結構的網絡最多只能在少于2跳的節點之間進行VoIP或PTT通信，超過2跳則無法進行語音通信，在煤礦安全、智能大廈防災等需要應急通信的環境中，有一定的實際意義。
參考文獻
[1] ?翟雷, 劉盛德, 胡咸斌. ZigBee技術及應用. 北京：北京航空航天大學出版社, 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.