Увеличение количества сетей Wi—Fi, все более широкое распространение мобильных клиентских устройств, а также появление новых механизмов приоритезации голосового и видеотрафика для обеспечения требуемого качества обслуживания (Quality of service – QoS), – все это в конечном итоге обусловило рождение технологии Wi-Fi Calling. Со временем функциональные возможности Wi—Fi Calling, известной и как VoWi—Fi (Voice over Wi-Fi), стали поддерживаться инфраструктурой беспроводных сетей Wi—Fi, мобильными устройствами и, наконец, провайдерами услуг, предоставляя с каждым последующим витком развития новые приложения и сервисы.
Концепция Wi—Fi Calling
Wi-Fi Calling, одно из наиболее часто упоминаемых в последнее время приложений Wi-Fi, еще более укрепило позиции данной технологии как основного метода сетевого доступа для широкого спектра сервисов домашнего, корпоративного и публичного использования. Практически всеобъемлющая поддержка как клиентскими устройствами, так и провайдерами услуг обусловила признание Wi-Fi в качестве подходящей технологии для осуществления голосовых вызовов.
Сама концепция Wi-Fi Calling не нова. Передача голосового трафика поверх сетей Wi-Fi практиковалась как мобильными, так и корпоративными и домашними пользователями на протяжении уже более десятка лет. Пионерами можно считать домашних пользователей с ноутбуками и приложениями типа VoIP over-the-top (ОТТ), например Skype. Почти одновременно с домашними пользователями беспроводную голосовую связь на основе Wi-Fi стали внедрять и корпоративные сети. Клиентскими устройствами были выбраны специально разработанные для этой цели Wi-Fi IP-телефоны, в частности Cisco 7920 и Spectralink 6020.
Использование только специализированных Wi-Fi-телефонов объяснялось отсутствием поддержки в смартфонах и планшетах того времени механизмов обеспечения качества обслуживания и быстрого роуминга. Рынок домашних сетей, на который в первую очередь ориентировались такие производители, как Apple, Samsung и другие, не требовал наличия этих функциональных возможностей, но накладывал ограничения на стоимость устройств. Однако всплеск интереса к концепции «Принеси свое собственное устройство» (Bring Your Own Device – BYOD) обусловил появление большого количества еще вчера исключительно «домашних» устройств в корпоративных сетях, а также желание их пользователей применять эти гаджеты для работы с корпоративными приложениями, включая телефонию. В результате все современные смартфоны научились работать в соответствии со стандартами IEEE 802.11е, 802.11k, 802.11v и 802.11r, а их владельцы получили возможность совершать звонки с использованием ОТТ-приложений вроде Viber и Whatsapp и пользоваться услугами корпоративной аудио/видеосвязи на базе Cisco Jabber или Microsoft Skype for Business.
В настоящее время под VoWi-Fi обычно понимают сервис традиционных мобильных операторов услуг по передаче голоса LTE-терминалов через Wi-Fi-сеть без использования LTE-радио (рис. 1).
Можно выделить несколько предпосылок для возникновения подобного рода услуги:
- недостаточное радиопокрытие LTE-сети внутри зданий;
- уменьшение нагрузки на макросоты LTE путем передачи части трафика через сети Wi-Fi;
- борьба традиционных операторов связи за рынок IP-телефонии с ОТТ-игроками;
- расширение охвата голосовым сервисом устройств, не имеющих SIM-карты.
Рассмотрим каждую из перечисленных предпосылок подробнее.
Недостаточное покрытие LTE-сети внутри зданий
Обеспечение качественной связи внутри зданий – давняя проблема макро GSM/3G/LTE-сетей, возникающая из-за избыточного затухания радиосигнала при прохождении через конструктивные элементы помещений. В отличие от макробазовых станций LTE точки доступа Wi-Fi изначально находятся внутри зданий, а их радиопокрытие проектируется с учетом существующих преград конкретного помещения.
Аналогичный подход (разворачивание беспроводной сети корпорации внутри зданий) путем внедрения распределенных антенных систем (DAS) или фемтосот LTE, во-первых, оказывается экономически менее предпочтительным, во-вторых, практически удваивает капиталовложения, добавляя к расходам на создание и построение офисной Wi-Fi-сети расходы на создание DAS/фемтосети LTE.
Конечно, здесь следует отметить, что далеко не всякая Wi-Fi-сеть способна эффективно передавать голосовой трафик, но этого вопроса мы коснемся ниже.
Уменьшение нагрузки на макросоты LTE путем передачи части трафика через сети Wi-Fi
В местах массового скопления людей (торгово-развлекательные комплексы, стадионы, выставочные и концертные залы) нередко наблюдается перегрузка базовых станций (БС) макросот из-за таких фундаментальных ограничений, как большой размер зоны покрытия, стоимость разворачивания БС и ограниченность лицензируемого частотного ресурса.
Решением этой проблемы может стать организация радиопокрытия на подобных объектах посредством множества небольших по размеру сот. В качестве технологии радиодоступа эффективнее всего использовать технологию Wi-Fi, работающую в нелицензируемом диапазоне радиоспектра с широкой полосой частот (83 МГц в диапазоне 2,4 ГГц и 400 МГц в диапазоне 5 ГГц) и сравнительно небольшой стоимостью одной БС (точки доступа).
Борьба традиционных операторов связи за рынок IP-телефонии с ОТТ-игроками
При использовании OTT VoIP-приложений типа Viber, Whatsapp или Skype голосовые вызовы уходят «мимо» классических операторов связи. Очевидно, что если операторам удастся избавить своих клиентов от недостатков подобных приложений, предложив им осуществлять и принимать голосовые вызовы через стандартный интерфейс телефона без необходимости запуска специального приложения и гарантировав им качество каждого вызова, они получат возможность взимать за такие звонки плату. Например, оператор может тарифицировать VoWi-Fi-звонки, выполненные в международном роуминге, по расценкам домашней сети.
Расширение охвата голосовым сервисом устройств, не имеющих SIM-карты
По прогнозам Cisco, уже в 2019 г. количество пользовательских устройств с Wi-Fi-интерфейсом превысит в 3,5 раза количество аналогичных устройств с интерфейсом сотовых сетей. Возможность предоставлять услугу голосовой или видеомобильной связи на подобных гаджетах, несомненно, позволит операторам увеличить свою прибыль.
Таким образом, можно сказать, что в настоящее время созданы все условия для массового внедрения VoWi-Fi как сервиса операторов связи:
- экономические предпосылки присутствуют;
- архитектура сервиса описана в стандарте 3GPP;
- поддержка в клиентских устройствах (смартфонах) реализована;
- передача голосового трафика в Wi-Fi-сетях отработана.
В свою очередь, это позволяет надеяться на скорое массовое внедрение подобной услуги на территории России. Если же говорить о текущем положении дел, то, к сожалению, на момент написания статьи только один из российских операторов связи предлагал подобный сервис на основе стандарта 3GPP и встроенного в смартфон клиента, и то лишь для двух моделей смартфонов одного производителя. В США (лидер в области внедрения сервиса VoWi-Fi) указанная технология поддерживается всеми основными операторами мобильной связи, такими как T-Mobile, Sprint, AT&T and Verizon, причем T-Mobile внедрил ее еще в 2014 г.
По оценкам компании Cisco, объем трафика VoWi-Fi в 2019 г. превысит объем трафика VoLTE, а в 2020 г. составит 53% всего мобильного голосового трафика в минутах (рис. 2).
Архитектура Wi—Fi Calling
Сервис VoWi-Fi (доступ к IMS), согласно 3GPP, может быть реализован в двух вариантах: доверенном (Trusted) и недоверенном (Untrusted). Выбор способа подключения осуществляется домашней сетью абонента и основан как на технологических особенностях сети доступа (настроек безопасности, например), так и на деловых отношениях компаний – владельцев данных сетей.
В случае недоверенной сети для доступа к ней не предъявляется никаких требований. Связь между абонентским терминалом (смартфоном, планшетом) с ядром сети LTE (Evolved Packet Core – EPC) осуществляется посредством IPSec-туннеля, автоматически устанавливаемого между терминалом и шлюзом пакетной сети (Evolved Packet data gateway – ePDG) (рис. 3). Несмотря на кажущуюся простоту такого подхода, он обладает существенными недостатками, касающимися обеспечения качества обслуживания для чувствительных к задержкам и потерям пакетов мультимедийных сервисов:
- недоверенная Wi-Fi-сеть может не обладать полным спектром возможностей для обеспечения QoS или не иметь их в принципе;
- недоверенная Wi-Fi-сеть может быть перегружена;
- IPSec-туннель прокладывается через Интернет, QoS в которой не гарантируется.
Очевидно, что перечисленные недостатки могут ухудшить качество голосовой/видеосвязи. И если в случае ОТТ-приложений пользователь морально к этому готов, то при использовании технологии Wi-Fi Calling, ничем, с его точки зрения, не отличающейся от вызова через LTE/3G/2G-сети, плохое качество телефонного звонка может вызвать недовольство услугами оператора. Решение этой проблемы в настоящее время отдано на откуп пользовательскому устройству: оно должно постоянно и интеллектуально анализировать характеристики канала связи, предоставляемого сетью Wi-Fi и в случае их падения ниже определенного уровня переключать вызовы в сеть LTE. На практике же это означает, что в процессе мониторинга клиентское устройство должно постоянно отслеживать несколько десятков параметров как самой Wi-Fi-сети: мощность принимаемого сигнала от ТД (RSSI), соотношение сигнал/шум (SNR), процент повторных передач (Retries), скорость подключения (Data rate); так и интернет-канала, используемого для связи с ePDG: задержка (Latency), вариация задержки (jitter), процент потерянных пакетов (losses) и т. д.
К сожалению, в настоящее время ряд представленных на рынке смартфонов такими возможностями не обладает, по сути дела, на удачу устанавливая голосовые вызовы через недоверенные сети Wi-Fi.
Архитектура доступа к IMS с использованием доверенной сети Wi-Fi представлена на рис. 4 и 5 (рис. 4 соответствует спецификации 3GPP). Указанный вариант обладает одним существенным недостатком: двойным прохождением некоторых видов трафика через Packet Data Network Gateway (PGW). Оптимальным является вариант с использованием Selective IP Traffic Offload (SIPTO), представленный на рис. 5.
Какие требования Wi—Fi Calling предъявляет к беспроводной сети?
Само понятие доверенной сети предполагает как безопасное подключение абонентов к ней с использованием современных методов аутентификации и шифрования трафика на основе IEEE 802.11i/u, так и наличие механизмов обеспечения качества обслуживания на всем пути трафика от клиентского устройства до Trusted WLAN Access Gateway (TWAG). И если с аутентификацией и шифрованием все ясно – эти механизмы используются давно и хорошо отработаны, то обеспечение качества обслуживания для мультимедийных приложений в сетях Wi-Fi до сих пор является очень сложной задачей, успешное решение которой зависит от адекватности радиопокрытия, расположения точек беспроводного доступа Wi-Fi, их функциональных возможностей, а также возможностей клиентского устройства.
Рассмотрим данную задачу подробнее.
В общем случае мультимедийный трафик предъявляет к сети следующие требования:
- доля потерянных пакетов – не выше 1%;
- задержка передачи пакетов/ее вариация (jitter) – не более 100 мс.
Теперь эти требования можно трансформировать в параметры Wi-Fi-сети:
- уровень принимаемого сигнала на границе соты (RSSI) – не менее –67 dBm;
- уровень шума – не более –92 dBm*;
- соотношение сигнал/шум (SNR) – не менее 25 dB;
- степень пересечения зон покрытия – от 20 до 30%;
- утилизация канала – не выше 40%;
- доля повторно переданных пакетов – не более 20%.
* В случае превышения шумом указанного порога нужно увеличивать RSSI для сохранения SNR = 25 dB.
Таким образом, задача передачи мультимедийного трафика реального времени (голосовые и видеозвонки) должна быть решена еще на этапе проектирования Wi-Fi-сетей, т. е. выбора мест и способа установки точек беспроводного доступа Wi-Fi. Если же в процессе планирования беспроводного покрытия эти требования учтены не будут, то вероятность плохого качества голосовой/видеосвязи окажется весьма высокой, даже в случае выбора качественного Wi-Fi оборудования.
Причем здесь важны даже такие «мелочи», как выбор места монтажа ТД (стена/потолок): дело в том, что само тело человека способно на порядок ослабить Wi-Fi-сигнал (рис. 6), поэтому рекомендуется располагать ТД таким образом, чтобы между их антеннами и клиентским устройством было «как можно меньше человека». Очевидно, что подобной данной соответствует только потолочный монтаж точек беспроводного доступа.
Но обеспечить стабильное и высокое качество связи для стационарного абонента – только полдела, поскольку пользователи услуг VoWi-Fi мобильны и склонны перемещаться в процессе осуществления звонка. Переключение абонента от одной точки беспроводного доступа к другой называется роумингом и является самым сложным сценарием обеспечения необходимого качества обслуживания: сам процесс не должен занимать значительное время, иначе не будет выполнено требование по задержке/джиттеру; во время роуминга не должны теряться пакеты; необходимо обеспечить «переезд» контекста абонента с предыдущей ТД на новую и т. д.
Следует отметить, что роуминг в Wi-Fi-сетях – дело исключительно абонентского/клиентского устройства, а Wi-Fi-инфраструктура может лишь «помогать» ему в меру своих и его (клиента) возможностей.
Роуминг в Wi—Fi-сетях
В первую очередь само клиентское устройство должно принять решение о роуминге. Механизм принятия этого решения отличается от устройства к устройству и в общем случае не раскрывается. Однако можно с уверенностью утверждать, что при этом могут анализироваться такие параметры, как RSSI, процент повторных передач пакетов, текущая скорость подключения (Modulation and Coding Scheme – MCS) и др. Современными клиентскими устройствами может быть использован и протокол 802.11v, с помощью которого инфраструктура может «посоветовать» клиентскому устройству переключиться на другую ТД.
Протокол управления беспроводной сетью (Wireless Network Management) 802.11v позволяет устройствам обмениваться информацией о качестве связи (quality of experience) в беспроводной сети. Следует отметить, что под устройствами здесь понимаются как абонентские устройства, так и устройства инфраструктуры. Это широкий протокол, позволяющий оптимизировать достаточно большой набор разных параметров, таких как, например, channel usage, переключение клиентов между базовыми станциями, передача multicast-трафика, QoS Traffic Capability, даже передача статистической информации о подключенных устройствах и др. Подробное описание протокола и его функций выходит за рамки статьи. Рассмотрим наиболее востребованные технологией Wi-Fi Calling функциональные возможности.
Управление роумингом между базовыми станциями (BSS Transition Management) может быть описано как получение клиентским устройством совета от сетевой инфраструктуры. В момент начала процесса роуминга клиентское устройство посылает специальный фрейм BSS TM Query. В запросе клиент может указать точки доступа, которые ему в настоящий момент доступны. Точка доступа, обработав запрос, сообщает клиенту, имеет ли смысл начинать роуминг (с помощью BSS TM Request). Опционально может предоставляться список потенциальных роуминг-партнеров. В том случае, если эта информация вообще не предоставляется, клиентское устройство использует для ее получения протокол 802.11k.
После принятия решения о роуминге клиентское устройство начинает поиск новой точки доступа с заданными характеристиками. При этом само устройство пользователя может совершать полное сканирование доступных ему радиоканалов либо использовать протокол 802.11k.
Протокол управления радиоресурсами 802.11k помогает клиентскому устройству сформировать список точек доступа, отсортированный по их предпочтительности в текущий момент времени (безусловно, с некоторыми оговорками, особенно в случае быстро перемещающегося клиентского устройства). Этот протокол служит для обмена информацией между текущей точкой доступа и абонентским устройством в целях определения того, какая именно из соседских беспроводных точек доступа будет являться предпочтительным «кандидатом» при роуминге. Передача данной информации может быть инициирована как точкой доступа, если клиентское устройство уходит из зоны покрытия, так и клиентским устройством. В последнем случае абонентское устройство запрашивает список ближайших к ней точек доступа, а точка доступа, в свою очередь, предоставляет специальным образом сформированный список. В число параметров, о которых точка доступа информирует клиентское устройство, посылая Neighbor Report, могут входить:
- BSSID – MAC-адрес точки доступа;
- BSSID Info (доступность данной точки, используемые протоколы безопасности, capabilities, mobility domain);
- Operating Class;
- Channel Number;
- PHY Type.
Таким образом, появляется возможность заранее определить предпочтительного кандидата для роуминга (абонентское устройство не тратит время на сканирование среды и выбор роуминг-партнера в момент, когда качество связи с текущей точкой доступа уже упало ниже заданного граничного значения). Кроме того, мы избегаем ситуации, когда к одной удачно расположенной точке доступа, имеющей высокий уровень сигнала, пытается подключиться большинство абонентов, вызывая исчерпание ее ресурсов, в то время как другие беспроводные точки с чуть более слабым уровнем сигнала остаются недогруженными.
Следует также отметить, что в случае использования 802.11k заметно снижается общая утилизация беспроводной среды, поскольку сам процесс активного сканирования более не используется (отсутствуют wildcard probes). Наконец, дополнительным плюсом является меньшее энергопотребление на клиентском устройстве (в этом случае не тратится энергия на сканирование всех рабочих каналов).
После того как найдена ТД с подходящими для дальнейшей работы характеристиками, клиентское устройство осуществляет к ней подключение, соответствующим образом информируя Wi-Fi-инфраструктуру о своем решении. Процесс переподключения может занять продолжительное время (до нескольких секунд) – в случае использования для защиты данного беспроводного соединения алгоритмов аутентификации абонентов и шифрования их трафика. Решить эту проблему призван протокол 802.11r.
Протокол быстрого перехода (Fast Transition) 802.11r необходим для быстрого перехода клиента на новую точку доступа. В современных защищенных сетях с использованием EAP переустановление подключения для клиента занимает определенное время. Задержка при роуминге появляется в этом случае не только (и не столько) вследствие ограниченности вычислительных возможностей самих устройств при генерации ключей, но и в связи с необходимостью обмена информацией с серверами аутентификации и может составлять несколько секунд.
Протокол быстрого перехода можно разделить на две составляющие: непосредственно сам протокол быстрого перехода (FT Protocol) и протокол запроса ресурсов для быстрого перехода (FT Resource Request Protocol). Очевидно, что второй протокол используется в том случае, если при роуминге мобильное устройство запрашивает предварительное резервирование ресурсов.
Обмен сообщениями при переходе клиентского устройства с одной точки доступа на другую может выполняться двумя способами – поверх беспроводной среды (рис. 7) или путем информационного обмена между точками доступа (рис. 8). Во втором случае фреймы FT Action инкапсулируются при передаче между клиентским устройством и текущей точкой доступа, а текущая точка доступа связывается с потенциальной новой точкой доступа.
По сути, протокол 802.11r обеспечивает аутентификацию клиента на новой точке доступа до непосредственно переключения, не проходя полный цикл повторной аутентификации в процессе роуминга. Это позволяет на порядок снизить время переключения и потери пакетов, что является критичным фактором при передаче голосового трафика.
Таким образом, задача обеспечения требуемых характеристик передачи трафика VoWi-Fi во время роуминга клиентского устройства может быть решена только при поддержке трех протоколов – 802.11k, r, v – как со стороны самого устройства, так и Wi-Fi-инфраструктуры, что накладывает существенные ограничения на список доступных для внедрения Wi-Fi Calling устройств и их производителей.
Как обеспечить Quality of Experience
Однако не следует забывать, что параметры, необходимые для качественной передачи голосового трафика, должны соблюдаться на протяжении всего абонентского вызова. Какие же средства для этого можно применять в такой неподходящей для этого среде, как беспроводные сети? Отметим, что для Wi-Fi-сетей мы не можем говорить о классическом качестве обслуживания (QoS) в связи с физическими данными среды и организацией доступа к ней. Поэтому обычно используется термин QoE (Quality of Experience). То есть в первую очередь нас здесь интересует обеспечение качества работы сервиса и его (сервиса) соответствие ожиданиям абонента.
Рассмотрим подробнее возможности приоритезации трафика. В беспроводной сети необходимо использовать Wi-Fi Multimedia (WMM) в сочетании с протоколом 802.11e. WMM определяет четыре категории доступа (AC), каждая из которых соответствует одному или более значениям пользовательского приоритета (UP) стандарта 802.11e. Голосовому трафику соответствует AC1 и UP6 (для DSCP – EF, expedite forwarding). Голосовой сигнализации соответствует UP4 (DSCP = 24), что необходимо учитывать в случае достаточно плотной загрузки сети. Возможна ситуация, при которой UP6 будет передаваться, а UP4 – сбрасываться как менее приоритетный. В таком случае управление вызовами будет невозможно до снижения нагрузки на сеть.
Безусловно, приоритезацию трафика необходимо соблюдать на всем его пути, а не только в беспроводной части соединения (что является здесь лишь верхушкой айсберга). Таким образом, приоритезация трафика в транзитной сети тоже является важным условием для организации качественного Wi-Fi Calling.
Качество коммерческого сервиса
Можно констатировать, что технология VoWi-Fi, пройдя за последние десять лет путь от домашних приложений для бесплатных голосовых и видеовызовов до коммерческого сервиса традиционных мобильных операторов, обладает всем необходимым для бурного роста в ближайшие несколько лет. Однако широкое внедрение этой технологии, особенно в trusted-варианте, невозможно без пересмотра концепции проектирования сетей Wi-Fi.
Чтобы обеспечить качество голоса, достойное коммерческого сервиса, Wi-Fi сети, участвующие в передаче трафика VoWi-Fi, должны будут проектироваться с учетом рекомендаций, изложенных выше, и использовать соответствующее оборудование с необходимыми функциональными возможностями. В противном случае нестабильное качество голоса или видео, обрывы связи или даже невозможность осуществления вызова приведут к негативным впечатлениям пользователей и, как следствие, к их отказу от такого сервиса.
