WLAN與WPAN的QoS機(jī)制對比分析

　　三、IEEE802.15.3 MAC協(xié)議及其QoS機(jī)制

　　在IEEE802.11 WLAN迅速發(fā)展的同時，另一種針對小型個域網(wǎng)絡(luò)、家庭數(shù)字媒體網(wǎng)絡(luò)的無線技術(shù)正在不斷地引起研究者和產(chǎn)業(yè)界的注意，那就是IEEE802.15 WPAN任務(wù)組針對數(shù)字視頻、圖像等多媒體應(yīng)用而制定的高速率WPAN標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.3。除了高速率外，802.15.3將為便攜式數(shù)字多媒體應(yīng)用提供低功耗、低成本的解決方案。同時，IEEE802.15.3任務(wù)組（TG3）還成立了802.15.3a研究組（SG3a）來尋找更高速率的物理層替代方案，目前研究領(lǐng)域方興未艾的超寬帶（UWB）無線通信技術(shù)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。802.15.3a研究組有望在今年被批準(zhǔn)為任務(wù)組（TG），從而可以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的推進(jìn)工作。802.15.3a研究組所尋找的物理層替代方案需要要實現(xiàn)下述目標(biāo)： ?(1)支持DV、高清晰DVD、高清晰度打印機(jī)、掃描儀，MP3播放器快速下載、數(shù)碼相機(jī)靜態(tài)圖像傳遞等；

　　(2)在10 m的距離提供110 Mbit/s的傳輸速率，小于10 m的近距離時速度可達(dá)到500 Mbit/s，以替代當(dāng)前廣泛使用的IEEE1394a（400Mbit/s），USB2.0（480 Mbit/s）基于線纜的數(shù)據(jù)傳輸。

　　802.15.3網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基于中央控制的面向連接的自組網(wǎng)（Ad Hoc）。網(wǎng)絡(luò)初始化時，由任一個節(jié)點（DEV）來擔(dān)任WPAN的協(xié)調(diào)器/調(diào)度器（PNC）。除了提供基本的網(wǎng)絡(luò)同步之外，PNC還要根據(jù)預(yù)先定義的QoS策略以及當(dāng)前剩余的信道時隙數(shù)量（CT,即Channel Time）完成接納控制、分配網(wǎng)絡(luò)資源、管理節(jié)能請求等功能。

　　802.15.3基于時隙的超幀結(jié)構(gòu)由3部分組成：信標(biāo)（Beacon）、信道競爭訪問周期（CAP,即Contention Access Period）和信道無競爭周期（CFP,即Contention Free Period）組成，如圖5所示。?

　　信標(biāo)在每一超幀的開始發(fā)送，載有網(wǎng)絡(luò)的控制參數(shù)（網(wǎng)絡(luò)同步、最大傳輸功率等）、信道時隙分配、超幀中傳輸?shù)尼槍γ恳粋€業(yè)務(wù)流的指示信息等。CAP周期預(yù)留來傳送無QoS的數(shù)據(jù)幀，如網(wǎng)內(nèi)設(shè)備發(fā)出的認(rèn)證、關(guān)聯(lián)命令的請求和應(yīng)答以及一些短的異步數(shù)據(jù)。

　　在CAP周期內(nèi)，各設(shè)備采取載波偵聽多路訪問/沖突避免的訪問控制機(jī)制來爭用信道。超幀的其余時間（CFP周期）用來傳輸有特定QoS的數(shù)據(jù)，如高清晰度視頻/音頻流、大容量圖像、音樂文檔等，這些數(shù)據(jù)根據(jù)各自所需的帶寬、時延要求被分別封裝到不同的GTS中。各GTS的分配以及CAP和GTS之間的邊界是動態(tài)可調(diào)的。

　　每個CFP周期分為管理時隙（STAS,即Management Time Slot）和確保服務(wù)的同步時隙（GTS,即Guaranteed Time Slot），GTS用于傳輸同步媒體業(yè)務(wù)流和異步數(shù)據(jù)，如圖6所示。在CFP周期內(nèi)所有的傳輸機(jī)會都開始于預(yù)先設(shè)定好的時隙，時隙的設(shè)定通過PNC與各DEV交互信標(biāo)幀中流量映射信息單元（Traffic Mapping Information Element）來完成。在DEV分配到的GTS時隙中，DEV可以在滿足傳輸時間不超過規(guī)定時長的條件下自行決定傳輸數(shù)據(jù)的長度。所有的GTS時隙的長度都是不固定的。有些GTS是動態(tài)改變的，即這些時隙在不同超幀中的位置是隨時改變的。有些GTS的位置在一段時間內(nèi)是基本固定的，即PNC雖然可以修正這些GTS時隙的位置，但是需要得到利用該時隙收發(fā)數(shù)據(jù)的DEV的同意方可,這樣的時隙可以用來支持CBR業(yè)務(wù)。對于MTS時隙，可以用來在CAP周期中傳輸認(rèn)證、關(guān)聯(lián)命令等。?

　　在802.15.3網(wǎng)絡(luò)中，QoS可以通過對每一個業(yè)務(wù)流的預(yù)約來簡單地實現(xiàn)。DEV先向PNC詢問自己的QoS請求能否被信道時間管理器（CT Manager）滿足，如果這些QoS請求得到PNC的許可，就會在鏈路層和IP層之間為此業(yè)務(wù)流建立專門的流標(biāo)識。這種PNC與DEV之間相對獨立的請求-應(yīng)答機(jī)制很有效地降低了協(xié)議的復(fù)雜度，即在低層（鏈路層）并不需要實現(xiàn)太多復(fù)雜的功能。同時，由于在網(wǎng)絡(luò)層的QoS研究已經(jīng)建立起一套關(guān)于資源預(yù)約、分配調(diào)度的機(jī)制，從而可以使鏈路層與當(dāng)前主流網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議密切配合。避免了網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)帶來的層與層之間的獨立和冗余而導(dǎo)致的協(xié)議效率低下。資源預(yù)約的方式使得網(wǎng)絡(luò)資源的達(dá)到最佳的利用，從而可以更好、更高效地規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)的使用，提供可靠的QoS保障。但是，這種方式有時候也會帶來過多的開銷，如網(wǎng)絡(luò)必須傳輸信令消息以提供資源預(yù)約，因此各種應(yīng)用在數(shù)據(jù)收發(fā)之前會有一段延時。

　　802.15.3 MAC協(xié)議另外一個優(yōu)點是其網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的獨立性。目前很多鏈路層以上的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)如IP、 USB、IEEE1394等正在制訂服務(wù)匯聚子層（ SSCS,即Service Specific Convergence Sub-layers）來支持與IEEE802.15.3鏈路層的平滑過渡和整合，圖7給出了IEEE802網(wǎng)絡(luò)、IEEE1394、USB2.0等上層應(yīng)用基于802.15.3 MAC層的實現(xiàn)示意圖。?

　　四、IEEE802.11e與IEEE802.15.3的對比分析

　　上文討論了IEEE802.11e與IEEE802.15.3兩種MAC協(xié)議在提供QoS方面各自的特點。由于面向的對象和應(yīng)用的不同，兩種協(xié)議有著本質(zhì)的區(qū)別。?

　　1.媒體訪問機(jī)制

　　媒體訪問機(jī)制是IEEE802.11e與IEEE802.15.3最大的差別。802.11e采用隨機(jī)爭用和輪詢相結(jié)合的訪問控制，而802.15.3采用基于中心式的調(diào)度機(jī)制。兩種方式都有各自的優(yōu)點和缺點。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)大部分帶寬用來進(jìn)行對等進(jìn)程的通信（pere-to-pere）時適合于采用調(diào)度機(jī)制，例如多媒體家庭網(wǎng)絡(luò)中常見的業(yè)務(wù)，各設(shè)備之間以對等進(jìn)程的方式大量傳送多媒體數(shù)據(jù)流，相比于輪詢方式，調(diào)度機(jī)制可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)的效率。同時，IEEE802.l5.3基于時隙的超幀結(jié)構(gòu)也降低了每個節(jié)點的實現(xiàn)復(fù)雜度，進(jìn)而可以有效降低功耗，提高了電池壽命。進(jìn)一步講，由于每個DEV可以在預(yù)定的時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的收發(fā)，DEV可以在不影響當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)連接的情況下利用超幀中沒有分配的時隙進(jìn)行信道掃描，或者尋找信號強(qiáng)度更好、負(fù)載更小的其他微網(wǎng)。

　　IEEE802.11e HCF的輪詢方式在WLAN的骨干網(wǎng)的工作方式（Infrastructure Network）時可以提供很高的效率，此時大部分的網(wǎng)絡(luò)帶寬用于AP與STA之間的數(shù)據(jù)收發(fā)。由于CF-Poll信息已經(jīng)加載到數(shù)據(jù)幀中，TxOP的持續(xù)時間已經(jīng)寫入QoS控制域中，論詢方式對于AP與STA之間的數(shù)據(jù)收發(fā)不會引入額外的開銷。由于HC可以獲知網(wǎng)絡(luò)中所有的數(shù)據(jù)傳輸，并且HC可以根據(jù)QoS控制域中第8～15 bit的信息實時地了解每一個QSTA的業(yè)務(wù)隊列，從而可以跟有效地對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行分配。通過調(diào)整TxOP，HC能夠?qū)τ趲掝A(yù)約、臨時性網(wǎng)絡(luò)擁塞作出迅速響應(yīng)。這種迅速響應(yīng)機(jī)制對于優(yōu)化VBR業(yè)務(wù)中無線帶寬的分配是非常有利的。?

　　2.Ad Hoc工作模式下的QoS性能

　　802.11e在無QAP的情況下，只支持EDCF操作和基于優(yōu)先級的QoS機(jī)制，不支持參數(shù)化的QoS，采用固定的信道訪問參數(shù)，容易發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞；有QAP時，可以支持基于優(yōu)先級的QoS機(jī)制和參數(shù)化的QoS，但是AP切換時原有的安全和QoS無法保持。802.15.3則支持基于優(yōu)先級的QoS機(jī)制和參數(shù)化的QoS，并且在PNC切換時原有的安全和QoS繼續(xù)保持。?

　　3.解決“隱藏節(jié)點”問題

　　802.11e采用NAV與CCA聯(lián)合的載波偵聽方式，通過RTS/CTS來設(shè)定各接收數(shù)據(jù)STA的NAV參數(shù)來避開數(shù)據(jù)沖突。802.15.3由于采用了中心控制的方式，每個DEV的收發(fā)時隙由PNC來分配，因此有效地解決了隱藏節(jié)點問題。?