WLAN與WPAN的QoS機(jī)制對比分析

一、 引言

　　無線局域網(wǎng)（WLAN,即Wireless Local Area Network）和無線個域網(wǎng)（WPAN,即Wireless Personal Area Network）是對目前無線接入系統(tǒng)的補(bǔ)充，近年來得到了迅速的發(fā)展。WLAN可以使網(wǎng)絡(luò)用戶擺脫網(wǎng)線的束縛，在企業(yè)、家庭、酒店、機(jī)場等熱點地區(qū)向終端用戶提供高速數(shù)據(jù)傳輸。WPAN能在便攜式消費者電器和通信設(shè)備之間進(jìn)行短距離高速通信，覆蓋范圍比WLAN小，一般在10 m半徑以內(nèi)。

　　IEEE WLAN工作組在1997年制訂了802.11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，1999年8月增加了802.11b和802.11a標(biāo)準(zhǔn)［1］。IEEE802.11b可提供的數(shù)據(jù)速率為11 Mbps，而IEEE802.11a傳輸速率最高可達(dá)54 Mbps，雖然這樣的高速率可以滿足一般的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，但是對于發(fā)展迅速的家庭數(shù)字媒體應(yīng)用，如實時視頻、HDTV來說仍顯不足。為了解決數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、數(shù)字電視機(jī)、數(shù)字照相機(jī)、MP3播放機(jī)、打印機(jī)、投影儀和筆記本電腦等便攜式消費電器的高速互聯(lián)問題，IEEE WPAN工作組發(fā)起了802.15.3高速率WPAN任務(wù)組，針對消費者圖像和多媒體應(yīng)用，為低功率低成本的短距離通信制定速率為11～55　Mbps的802.15.3標(biāo)準(zhǔn)；還成立了802.15.3a研究組（SG3a），目的是尋求更高傳輸速率的物理層替代技術(shù)，目前研究領(lǐng)域方興未艾的超寬帶（UWB,即Ultra Wideband）技術(shù)［2］最有希望成為802.15.3a的PHY標(biāo)準(zhǔn)，提供高達(dá)500 Mbps的超高傳輸速率。

　　隨著無線網(wǎng)絡(luò)上流量的劇增，用戶在享受寬帶無線接入的同時，對于有效、魯棒的服務(wù)質(zhì)量（QoS）保障的需求也越來越突出。QoS的實現(xiàn)首先要精確區(qū)別每個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的類型，其次要恰當(dāng)?shù)胤峙渚W(wǎng)絡(luò)資源，如帶寬和相對優(yōu)先級等。早期的QoS研究主要針對有線網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)層以上提供服務(wù)質(zhì)量保障。如綜合服務(wù)/資源預(yù)約（IntServ/RSVP）、區(qū)分服務(wù)（DiffServ）、多協(xié)議標(biāo)簽交換(MPLS)、流量工程(Traffic Engineering)、約束路由(CBR)、子網(wǎng)帶寬管理(SBM)等［3］。但是上述的QoS機(jī)制并不能直接應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)中，主要有2個原因：首先，無線傳輸與有線傳輸截然不同，在無線傳輸中，串?dāng)_和多徑傳播將導(dǎo)致衰落和色散，因此無線網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)據(jù)傳輸率低而誤碼率高的特點；而WLAN和WPAN等為了保證靈活性和兼容性，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)一般只制訂MAC層和PHY層規(guī)范，從而造成網(wǎng)絡(luò)上層的QoS與無線鏈路層的分離，最終QoS無法得到充分發(fā)揮；其次，隨著無線接入技術(shù)的發(fā)展，異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用將越來越普及，各種應(yīng)用一般會經(jīng)過無線接入、有線骨干網(wǎng)傳輸、無線接入的傳輸途徑，在這種情況下，緊緊依靠傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)QoS機(jī)制已經(jīng)無法提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保障，迫切需要一種能夠針對無線信道的特點，在無線鏈路層媒體訪問控制（MAC）子層提供網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的區(qū)分、優(yōu)先級控制、資源分配等的QoS控制和保障，從而使無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)的QoS進(jìn)行整體規(guī)劃。

　　本文將研究兩種提供QoS保障的無線網(wǎng)絡(luò)媒體訪問控制協(xié)議——2002年5月公布的IEEE802.11e D3（草案）［4］和2003年2月公布的IEEE802.15.3 D16（草案）［5］，首先分析兩種MAC協(xié)議的媒體訪問機(jī)制，其次對比兩種協(xié)議在處理多種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類型、不同的網(wǎng)絡(luò)配置、解決“隱藏節(jié)點”問題等方面的優(yōu)缺點，最后給出結(jié)論。

　　二、IEEE802.11e MAC協(xié)議及其QoS機(jī)制

　　IEEE802.11e的媒體訪問控制策略從總體上說是對802.11 MAC協(xié)議的改進(jìn)和增強(qiáng)。在介紹802.11e MAC協(xié)議之前，首先對802.11 MAC協(xié)議的基本機(jī)制作簡要分析。

　　1.IEEE802.11 MAC協(xié)議的DCF、PCF訪問

　　控制策略IEEE802.11 MAC協(xié)議［1］定義了兩種操作，在信道爭用期的分布式協(xié)調(diào)功能（DCF）與非信道爭用期的點協(xié)調(diào)功能（PCF）。其中，DCF是必備的功能，而PCF由各WLAN設(shè)備硬件廠家來決定是否實現(xiàn)。

　　DCF采用載波偵聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA）的媒體訪問方式，可以形象地比喻為“先聽再說”（如圖1所示）。節(jié)點（STA）在發(fā)送數(shù)據(jù)前要先檢測信道是否空閑，如果信道空閑則準(zhǔn)備發(fā)送MAC業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元（MSDU）。如果2個STA同時檢測到信道空閑并開始發(fā)送數(shù)據(jù)就會發(fā)生沖突，為此，802.11定義了沖突避免（CA）機(jī)制來降低發(fā)生沖突的概率。為解決CSMA方式引起的“隱藏節(jié)點”問題，802.11定義了請求發(fā)送/清除發(fā)送（RTS/CTS）機(jī)制。在傳送數(shù)據(jù)幀以前STA先發(fā)送一個短RTS幀，接收方接收到RTS后立即發(fā)送一個CTS幀，RTS和CTS幀中都包含了下一個數(shù)據(jù)幀的長度信息。因此STA附近的其他STA及接收數(shù)據(jù)的STA附近的“隱藏節(jié)點”通過設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分配向量（NAV）定時器，在NAV規(guī)定的時間內(nèi)不發(fā)送數(shù)據(jù)以避免數(shù)據(jù)沖突。RTS/CTS和NAV機(jī)制可以有效保護(hù)長數(shù)據(jù)幀免受“隱藏節(jié)點”的碰撞。

　　上述DCF操作中，由于各STA在發(fā)送數(shù)據(jù)前需要對信道進(jìn)行爭用，因此DCF無法對時延敏感的業(yè)務(wù)提供QoS保障。因此，802.11協(xié)議定義了點協(xié)調(diào)功能（PCF）來保證STA以一定的優(yōu)先權(quán)接入到無線信道中，如圖2所示。STA的優(yōu)先權(quán)由點協(xié)調(diào)器（PC）來協(xié)調(diào)。PCF發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡却龝r間間隔稱為PIFS， PIFS介于SIFS和DIFS之間，因而PCF比DCF的優(yōu)先級高。PCF的傳輸時間被劃分為重復(fù)的周期，即交替出現(xiàn)的競爭周期（CP）和非競爭周期（CFP）。CP和隨后的CFP一起組成超幀。在CFP階段采用PCF機(jī)制接入無線信道，在CP階段則使用DCF機(jī)制傳輸數(shù)據(jù)。超幀由信標(biāo)幀（Beacon）開始。信標(biāo)幀是一種管理幀，它維持STA內(nèi)本地定時器的同步，并負(fù)責(zé)傳送協(xié)議相關(guān)的參數(shù)。PC周期性的產(chǎn)生信標(biāo)幀，下一個信標(biāo)幀到來的時間被稱為目標(biāo)信標(biāo)幀傳輸時間（TBTT），每個信標(biāo)幀中都攜帶該信息。每個STA被PC輪詢后發(fā)送數(shù)據(jù)，因而不會發(fā)生沖突。PC通過發(fā)送CF-Poll幀輪詢有數(shù)據(jù)要發(fā)送的STA，STA接收到輪詢幀以后給出確認(rèn)。若PC在等待了一個PIFS的時間后沒有收到STA的響應(yīng)，可以繼續(xù)輪詢其他的STA，一直到CFP的結(jié)束。PC通過發(fā)送一個特殊的控制幀CF-End來指示CFP的結(jié)束。?

　?。玻甀EEE802.11e基于EDCF、HCF的QoS機(jī)制

　　為了改善802.11協(xié)議對于QoS的支持，IEEE802.11工作組正在制訂802.11 MAC協(xié)議的增強(qiáng)機(jī)制，也稱為802.11e。它引入了增強(qiáng)的DCF（EDCF）和混合協(xié)調(diào)功能（HCF）兩種機(jī)制。具有IEEE802.11e QoS功能的STA被稱為QSTA（QoS-ca?pable STA），為其他STA提供集中控制的QSTA被稱為混合協(xié)調(diào)器（HC），HC通常由AP來擔(dān)任，此AP也稱作QAP。802.11e兼容超幀中CP和CFP循環(huán)周期。EDCF只在CP階段使用，HCF在CP和CFP期間都可以使用，因而是一種混合協(xié)調(diào)功能。

　　EDCF是HCF的基礎(chǔ)，它通過引入業(yè)務(wù)流分類（TC）來實現(xiàn)QoS支持，圖3示意了802.11e EDCF機(jī)制與802.11的區(qū)別。MSDU通過多次退避延時后才能發(fā)送，每次退避的時間由TC參數(shù)來確定。在CP階段，QSTA內(nèi)的每個TC競爭一個發(fā)送機(jī)會（TxOP），并在檢測到信道空閑后獨立地進(jìn)行延時退避，檢測信道的時間被稱為仲裁幀間間隔（AIFS），參見圖4。AIFS不小于DIFS，并可以根據(jù)TC類別設(shè)置不同的值。在等待一個AIFS后，每個STA設(shè)定一個［0, CW+1］的隨機(jī)計數(shù)器開始延時退避，CW(競爭窗口函數(shù))的最小值取決于TC。在傳統(tǒng)的DCF中，在計數(shù)器遞減到0之前如果檢測到信道忙，則只有再等待DIFS時間并檢測到信道空閑以后才繼續(xù)進(jìn)行遞減計數(shù)。EDCF中，在AIFS期間檢測到信道空閑以后，在AIFS周期結(jié)束前的最后一個時隙間隔的開始時刻對退避計數(shù)器遞減計數(shù)，而DCF則在DIFS結(jié)束后的第一個時隙的開始時刻遞減計數(shù)。發(fā)生沖突后改變CW的策略也有所不同。DCF是將CW簡單地加倍，而EDCF中則根據(jù)PF因子來修正原先的CW，而且CW的取值不能超過某個上限值。 ?

　　每個STA內(nèi)可以采用虛擬隊列的形式來實現(xiàn)8種不同的TC，并賦予不同優(yōu)先級的QoS參數(shù)。QoS參數(shù)可以由HC來修改，并在信標(biāo)幀中進(jìn)行周期性的廣播。如果同一個STA內(nèi)的多個TC的退避計數(shù)器同時減到0，則會發(fā)生虛擬沖突，調(diào)度器為優(yōu)先權(quán)最高的TC分配TxOP來解決虛擬沖突問題。還應(yīng)該注意到，802.11e的8種TC所定義的業(yè)務(wù)優(yōu)先級與以太網(wǎng)中的IEEE802.1D/P/Q標(biāo)準(zhǔn)［６］對于以太網(wǎng)業(yè)務(wù)區(qū)分的定義是相同的，這意味著802.11e可以與以太網(wǎng)QoS完美地結(jié)合，這也有利于開發(fā)符合802.11e標(biāo)準(zhǔn)的QSTA、QAP產(chǎn)品。

　　802.11e HCF擴(kuò)展了EDCF的接入規(guī)則。在CP期間，使用EDCF規(guī)則檢測到可用信道或者STA從HC處接收到QoS CF-Poll輪詢幀后，則TxOP開始。TxOP是802.11e最重要的特性之一，TxOP定義了STA可以發(fā)送數(shù)據(jù)的時間段，包括開始時間和最大持續(xù)時間。QoS CF-Poll輪詢幀在檢測到信道空閑一個PIFS時間后不需延時就可以立即發(fā)送，因此HC在CP中具有較高的優(yōu)先權(quán)。在CFP期間STA不能競爭接入無線信道，只能等待HC發(fā)送QoS CF-Poll來分配TxOP。CFP階段在信標(biāo)幀中聲明的時間內(nèi)結(jié)束，或者也可以由HC發(fā)送CF-End幀來顯式的結(jié)束。

　　802.11e中還定義一種可以快速解決碰撞的受控式競爭協(xié)議。每個QSTA的狀態(tài)信息要及時更新，HC通過該狀態(tài)信息得知某個STA是否有數(shù)據(jù)發(fā)送來確定是否要對該STA輪詢，以及輪詢的開始時間和持續(xù)時間。受控競爭機(jī)制允許STA通過發(fā)送資源請求來要求分配TxOP，而不用同其他的業(yè)務(wù)流競爭，HC根據(jù)當(dāng)前資源狀況對接收到的資源請求幀予以確認(rèn)。