WLAN與WPAN的QoS機(jī)制對(duì)比分析

一、 引言

　　無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN,即Wireless Local Area Network）和無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)（WPAN,即Wireless Personal Area Network）是對(duì)目前無(wú)線(xiàn)接入系統(tǒng)的補(bǔ)充，近年來(lái)得到了迅速的發(fā)展。WLAN可以使網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)擺脫網(wǎng)線(xiàn)的束縛，在企業(yè)、家庭、酒店、機(jī)場(chǎng)等熱點(diǎn)地區(qū)向終端用戶(hù)提供高速數(shù)據(jù)傳輸。WPAN能在便攜式消費(fèi)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?xún)?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(mǎn)足一般的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，但是對(duì)于發(fā)展迅速的家庭數(shù)字媒體應(yīng)用，如實(shí)時(shí)視頻、HDTV來(lái)說(shuō)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(fèi)電器的高速互聯(lián)問(wèn)題，IEEE WPAN工作組發(fā)起了802.15.3高速率WPAN任務(wù)組，針對(duì)消費(fèi)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上流量的劇增，用戶(hù)在享受寬帶無(wú)線(xiàn)接入的同時(shí)，對(duì)于有效、魯棒的服務(wù)質(zhì)量（QoS）保障的需求也越來(lái)越突出。QoS的實(shí)現(xiàn)首先要精確區(qū)別每個(gè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的類(lèi)型，其次要恰當(dāng)?shù)胤峙渚W(wǎng)絡(luò)資源，如帶寬和相對(duì)優(yōu)先級(jí)等。早期的QoS研究主要針對(duì)有線(xiàn)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，主要有2個(gè)原因：首先，無(wú)線(xiàn)傳輸與有線(xiàn)傳輸截然不同，在無(wú)線(xiàn)傳輸中，串?dāng)_和多徑傳播將導(dǎo)致衰落和色散，因此無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)據(jù)傳輸率低而誤碼率高的特點(diǎn)；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(wú)線(xiàn)鏈路層的分離，最終QoS無(wú)法得到充分發(fā)揮；其次，隨著無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)的發(fā)展，異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用將越來(lái)越普及，各種應(yīng)用一般會(huì)經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)接入、有線(xiàn)骨干網(wǎng)傳輸、無(wú)線(xiàn)接入的傳輸途徑，在這種情況下，緊緊依靠傳統(tǒng)的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)QoS機(jī)制已經(jīng)無(wú)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(duì)無(wú)線(xiàn)信道的特點(diǎn)，在無(wú)線(xiàn)鏈路層媒體訪(fǎng)問(wèn)控制（MAC）子層提供網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的區(qū)分、優(yōu)先級(jí)控制、資源分配等的QoS控制和保障，從而使無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的QoS進(jìn)行整體規(guī)劃。

　　本文將研究?jī)煞N提供QoS保障的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)媒體訪(fǎng)問(wèn)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(fǎng)問(wèn)機(jī)制，其次對(duì)比兩種協(xié)議在處理多種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類(lèi)型、不同的網(wǎng)絡(luò)配置、解決“隱藏節(jié)點(diǎn)”問(wèn)題等方面的優(yōu)缺點(diǎn)，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(fǎng)問(wèn)控制策略從總體上說(shuō)是對(duì)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(duì)802.11 MAC協(xié)議的基本機(jī)制作簡(jiǎn)要分析。

　　1.IEEE802.11 MAC協(xié)議的DCF、PCF訪(fǎng)問(wèn)

　　控制策略IEEE802.11 MAC協(xié)議［1］定義了兩種操作，在信道爭(zhēng)用期的分布式協(xié)調(diào)功能（DCF）與非信道爭(zhēng)用期的點(diǎn)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(chǎng)家來(lái)決定是否實(shí)現(xiàn)。

　　DCF采用載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突避免（CSMA/CA）的媒體訪(fǎng)問(wèn)方式，可以形象地比喻為“先聽(tīng)再說(shuō)”（如圖1所示）。節(jié)點(diǎn)（STA）在發(fā)送數(shù)據(jù)前要先檢測(cè)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(gè)STA同時(shí)檢測(cè)到信道空閑并開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)就會(huì)發(fā)生沖突，為此，802.11定義了沖突避免（CA）機(jī)制來(lái)降低發(fā)生沖突的概率。為解決CSMA方式引起的“隱藏節(jié)點(diǎn)”問(wèn)題，802.11定義了請(qǐng)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(gè)短RTS幀，接收方接收到RTS后立即發(fā)送一個(gè)CTS幀，RTS和CTS幀中都包含了下一個(gè)數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)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(diǎn)”通過(guò)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分配向量（NAV）定時(shí)器，在NAV規(guī)定的時(shí)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(zhǎng)數(shù)據(jù)幀免受“隱藏節(jié)點(diǎn)”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(duì)信道進(jìn)行爭(zhēng)用，因此DCF無(wú)法對(duì)時(shí)延敏感的業(yè)務(wù)提供QoS保障。因此，802.11協(xié)議定義了點(diǎn)協(xié)調(diào)功能（PCF）來(lái)保證STA以一定的優(yōu)先權(quán)接入到無(wú)線(xiàn)信道中，如圖2所示。STA的優(yōu)先權(quán)由點(diǎn)協(xié)調(diào)器（PC）來(lái)協(xié)調(diào)。PCF發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡却龝r(shí)間間隔稱(chēng)為PIFS， PIFS介于SIFS和DIFS之間，因而PCF比DCF的優(yōu)先級(jí)高。PCF的傳輸時(shí)間被劃分為重復(fù)的周期，即交替出現(xiàn)的競(jìng)爭(zhēng)周期（CP）和非競(jìng)爭(zhēng)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(wú)線(xiàn)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(kāi)始。信標(biāo)幀是一種管理幀，它維持STA內(nèi)本地定時(shí)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(gè)信標(biāo)幀到來(lái)的時(shí)間被稱(chēng)為目標(biāo)信標(biāo)幀傳輸時(shí)間（TBTT），每個(gè)信標(biāo)幀中都攜帶該信息。每個(gè)STA被PC輪詢(xún)后發(fā)送數(shù)據(jù)，因而不會(huì)發(fā)生沖突。PC通過(guò)發(fā)送CF-Poll幀輪詢(xún)有數(shù)據(jù)要發(fā)送的STA，STA接收到輪詢(xún)幀以后給出確認(rèn)。若PC在等待了一個(gè)PIFS的時(shí)間后沒(méi)有收到STA的響應(yīng)，可以繼續(xù)輪詢(xún)其他的STA，一直到CFP的結(jié)束。PC通過(guò)發(fā)送一個(gè)特殊的控制幀CF-End來(lái)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(duì)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(chēng)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(chēng)為QSTA（QoS-ca?pable STA），為其他STA提供集中控制的QSTA被稱(chēng)為混合協(xié)調(diào)器（HC），HC通常由AP來(lái)?yè)?dān)任，此AP也稱(chēng)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(guò)引入業(yè)務(wù)流分類(lèi)（TC）來(lái)實(shí)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(guò)多次退避延時(shí)后才能發(fā)送，每次退避的時(shí)間由TC參數(shù)來(lái)確定。在CP階段，QSTA內(nèi)的每個(gè)TC競(jìng)爭(zhēng)一個(gè)發(fā)送機(jī)會(huì)（TxOP），并在檢測(cè)到信道空閑后獨(dú)立地進(jìn)行延時(shí)退避，檢測(cè)信道的時(shí)間被稱(chēng)為仲裁幀間間隔（AIFS），參見(jiàn)圖4。AIFS不小于DIFS，并可以根據(jù)TC類(lèi)別設(shè)置不同的值。在等待一個(gè)AIFS后，每個(gè)STA設(shè)定一個(gè)［0, CW+1］的隨機(jī)計(jì)數(shù)器開(kāi)始延時(shí)退避，CW(競(jìng)爭(zhēng)窗口函數(shù))的最小值取決于TC。在傳統(tǒng)的DCF中，在計(jì)數(shù)器遞減到0之前如果檢測(cè)到信道忙，則只有再等待DIFS時(shí)間并檢測(cè)到信道空閑以后才繼續(xù)進(jìn)行遞減計(jì)數(shù)。EDCF中，在AIFS期間檢測(cè)到信道空閑以后，在AIFS周期結(jié)束前的最后一個(gè)時(shí)隙間隔的開(kāi)始時(shí)刻對(duì)退避計(jì)數(shù)器遞減計(jì)數(shù)，而DCF則在DIFS結(jié)束后的第一個(gè)時(shí)隙的開(kāi)始時(shí)刻遞減計(jì)數(shù)。發(fā)生沖突后改變CW的策略也有所不同。DCF是將CW簡(jiǎn)單地加倍，而EDCF中則根據(jù)PF因子來(lái)修正原先的CW，而且CW的取值不能超過(guò)某個(gè)上限值。 ?

　　每個(gè)STA內(nèi)可以采用虛擬隊(duì)列的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)8種不同的TC，并賦予不同優(yōu)先級(jí)的QoS參數(shù)。QoS參數(shù)可以由HC來(lái)修改，并在信標(biāo)幀中進(jìn)行周期性的廣播。如果同一個(gè)STA內(nèi)的多個(gè)TC的退避計(jì)數(shù)器同時(shí)減到0，則會(huì)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(lái)解決虛擬沖突問(wèn)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(jí)與以太網(wǎng)中的IEEE802.1D/P/Q標(biāo)準(zhǔn)［６］對(duì)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(kāi)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(cè)到可用信道或者STA從HC處接收到QoS CF-Poll輪詢(xún)幀后，則TxOP開(kāi)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(shí)間段，包括開(kāi)始時(shí)間和最大持續(xù)時(shí)間。QoS CF-Poll輪詢(xún)幀在檢測(cè)到信道空閑一個(gè)PIFS時(shí)間后不需延時(shí)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(jìng)爭(zhēng)接入無(wú)線(xiàn)信道，只能等待HC發(fā)送QoS CF-Poll來(lái)分配TxOP。CFP階段在信標(biāo)幀中聲明的時(shí)間內(nèi)結(jié)束，或者也可以由HC發(fā)送CF-End幀來(lái)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(jìng)爭(zhēng)協(xié)議。每個(gè)QSTA的狀態(tài)信息要及時(shí)更新，HC通過(guò)該狀態(tài)信息得知某個(gè)STA是否有數(shù)據(jù)發(fā)送來(lái)確定是否要對(duì)該STA輪詢(xún)，以及輪詢(xún)的開(kāi)始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間。受控競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制允許STA通過(guò)發(fā)送資源請(qǐng)求來(lái)要求分配TxOP，而不用同其他的業(yè)務(wù)流競(jìng)爭(zhēng)，HC根據(jù)當(dāng)前資源狀況對(duì)接收到的資源請(qǐng)求幀予以確認(rèn)。