WLAN與WPAN的QoS機制對比分析

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）是對目前無(wú)線(xiàn)接入系統的補充，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、機場(chǎng)等熱點(diǎn)地區向終端用戶(hù)提供高速數據傳輸。WPAN能在便攜式消費者電器和通信設備之間進(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)取?

　　IEEE WLAN工作組在1997年制訂了802.11協(xié)議標準，1999年8月增加了802.11b和802.11a標準［1］。IEEE802.11b可提供的數據速率為11 Mbps，而IEEE802.11a傳輸速率最高可達54 Mbps，雖然這樣的高速率可以滿(mǎn)足一般的網(wǎng)絡(luò )應用，但是對于發(fā)展迅速的家庭數字媒體應用，如實(shí)時(shí)視頻、HDTV來(lái)說(shuō)仍顯不足。為了解決數字攝像機、數字電視機、數字照相機、MP3播放機、打印機、投影儀和筆記本電腦等便攜式消費電器的高速互聯(lián)問(wèn)題，IEEE WPAN工作組發(fā)起了802.15.3高速率WPAN任務(wù)組，針對消費者圖像和多媒體應用，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標準；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標準，提供高達500 Mbps的超高傳輸速率。

　　隨著(zhù)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)現首先要精確區別每個(gè)網(wǎng)絡(luò )應用的類(lèi)型，其次要恰當地分配網(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(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)/資源預約（IntServ/RSVP）、區分服務(wù)（DiffServ）、多協(xié)議標簽交換(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機制并不能直接應用于無(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，串擾和多徑傳播將導致衰落和色散，因此無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )具有數據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)議標準一般只制訂MAC層和PHY層規范，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(zhù)無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)的發(fā)展，異質(zhì)網(wǎng)絡(luò )的應用將越來(lái)越普及，各種應用一般會(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，緊緊依靠傳統的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )QoS機制已經(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)的區分、優(yōu)先級控制、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)行整體規劃。

　　本文將研究?jì)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)機制，其次對比兩種協(xié)議在處理多種數據業(yè)務(wù)類(lèi)型、不同的網(wǎng)絡(luò )配置、解決“隱藏節點(diǎn)”問(wèn)題等方面的優(yōu)缺點(diǎn)，最后給出結論。

　　二、IEEE802.11e MAC協(xié)議及其QoS機制

　　IEEE802.11e的媒體訪(fǎng)問(wèn)控制策略從總體上說(shuō)是對802.11 MAC協(xié)議的改進(jìn)和增強。在介紹802.11e MAC協(xié)議之前，首先對802.11 MAC協(xié)議的基本機制作簡(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，在信道爭用期的分布式協(xié)調功能（DCF）與非信道爭用期的點(diǎn)協(xié)調功能（PCF）。其中，DCF是必備的功能，而PCF由各WLAN設備硬件廠(chǎng)家來(lái)決定是否實(shí)現。

　　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）。節點(diǎn)（STA）在發(fā)送數據前要先檢測信道是否空閑，如果信道空閑則準備發(fā)送MAC業(yè)務(wù)數據單元（MSDU）。如果2個(gè)STA同時(shí)檢測到信道空閑并開(kāi)始發(fā)送數據就會(huì )發(fā)生沖突，為此，802.11定義了沖突避免（CA）機制來(lái)降低發(fā)生沖突的概率。為解決CSMA方式引起的“隱藏節點(diǎn)”問(wèn)題，802.11定義了請求發(fā)送/清除發(fā)送（RTS/CTS）機制。在傳送數據幀以前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)數據幀的長(cháng)度信息。因此STA附近的其他STA及接收數據的STA附近的“隱藏節點(diǎn)”通過(guò)設置網(wǎng)絡(luò )分配向量（NAV）定時(shí)器，在NAV規定的時(shí)間內不發(fā)送數據以避免數據沖突。RTS/CTS和NAV機制可以有效保護長(cháng)數據幀免受“隱藏節點(diǎn)”的碰撞。

　　上述DCF操作中，由于各STA在發(fā)送數據前需要對信道進(jìn)行爭用，因此DCF無(wú)法對時(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)調功能（PCF）來(lái)保證STA以一定的優(yōu)先權接入到無(wú)線(xiàn)信道中，如圖2所示。STA的優(yōu)先權由點(diǎn)協(xié)調器（PC）來(lái)協(xié)調。PCF發(fā)起數據傳輸的等待時(shí)間間隔稱(chēng)為PIFS， PIFS介于SIFS和DIFS之間，因而PCF比DCF的優(yōu)先級高。PCF的傳輸時(shí)間被劃分為重復的周期，即交替出現的競爭周期（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機制接入無(wú)線(xiàn)信道，在CP階段則使用DCF機制傳輸數據。超幀由信標幀（Beacon）開(kāi)始。信標幀是一種管理幀，它維持STA內本地定時(shí)器的同步，并負責傳送協(xié)議相關(guān)的參數。PC周期性的產(chǎn)生信標幀，下一個(gè)信標幀到來(lái)的時(shí)間被稱(chēng)為目標信標幀傳輸時(shí)間（TBTT），每個(gè)信標幀中都攜帶該信息。每個(gè)STA被PC輪詢(xún)后發(fā)送數據，因而不會(huì )發(fā)生沖突。PC通過(guò)發(fā)送CF-Poll幀輪詢(xún)有數據要發(fā)送的STA，STA接收到輪詢(xún)幀以后給出確認。若PC在等待了一個(gè)PIFS的時(shí)間后沒(méi)有收到STA的響應，可以繼續輪詢(xún)其他的STA，一直到CFP的結束。PC通過(guò)發(fā)送一個(gè)特殊的控制幀CF-End來(lái)指示CFP的結束。?

　?。玻甀EEE802.11e基于EDCF、HCF的QoS機制

　　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)議的增強機制，也稱(chēng)為802.11e。它引入了增強的DCF（EDCF）和混合協(xié)調功能（HCF）兩種機制。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)調器（HC），HC通常由AP來(lái)?yè)?，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)調功能。

　　EDCF是HCF的基礎，它通過(guò)引入業(yè)務(wù)流分類(lèi)（TC）來(lái)實(shí)現QoS支持，圖3示意了802.11e EDCF機制與802.11的區別。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參數來(lái)確定。在CP階段，QSTA內的每個(gè)TC競爭一個(gè)發(fā)送機會(huì )（TxOP），并在檢測到信道空閑后獨立地進(jìn)行延時(shí)退避，檢測信道的時(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TC類(lèi)別設置不同的值。在等待一個(gè)AIFS后，每個(gè)STA設定一個(gè)［0, CW+1］的隨機計數器開(kāi)始延時(shí)退避，CW(競爭窗口函數)的最小值取決于TC。在傳統的DCF中，在計數器遞減到0之前如果檢測到信道忙，則只有再等待DIFS時(shí)間并檢測到信道空閑以后才繼續進(jìn)行遞減計數。EDCF中，在A(yíng)IFS期間檢測到信道空閑以后，在A(yíng)IFS周期結束前的最后一個(gè)時(shí)隙間隔的開(kāi)始時(shí)刻對退避計數器遞減計數，而DCF則在DIFS結束后的第一個(gè)時(shí)隙的開(kāi)始時(shí)刻遞減計數。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內可以采用虛擬隊列的形式來(lái)實(shí)現8種不同的TC，并賦予不同優(yōu)先級的QoS參數。QoS參數可以由HC來(lái)修改，并在信標幀中進(jìn)行周期性的廣播。如果同一個(gè)STA內的多個(gè)TC的退避計數器同時(shí)減到0，則會(huì )發(fā)生虛擬沖突，調度器為優(yōu)先權最高的TC分配TxOP來(lái)解決虛擬沖突問(wèn)題。還應該注意到，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標準［６］對于以太網(wǎng)業(yè)務(wù)區分的定義是相同的，這意味著(zhù)802.11e可以與以太網(wǎng)QoS完美地結合，這也有利于開(kāi)發(fā)符合802.11e標準的QSTA、QAP產(chǎn)品。

　　802.11e HCF擴展了EDCF的接入規則。在CP期間，使用EDCF規則檢測到可用信道或者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)送數據的時(shí)間段，包括開(kāi)始時(shí)間和最大持續時(shí)間。QoS CF-Poll輪詢(xún)幀在檢測到信道空閑一個(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。在CFP期間STA不能競爭接入無(wú)線(xiàn)信道，只能等待HC發(fā)送QoS CF-Poll來(lái)分配TxOP。CFP階段在信標幀中聲明的時(shí)間內結束，或者也可以由HC發(fā)送CF-End幀來(lái)顯式的結束。

　　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(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是否有數據發(fā)送來(lái)確定是否要對該STA輪詢(xún)，以及輪詢(xún)的開(kāi)始時(shí)間和持續時(shí)間。受控競爭機制允許STA通過(guò)發(fā)送資源請求來(lái)要求分配TxOP，而不用同其他的業(yè)務(wù)流競爭，HC根據當前資源狀況對接收到的資源請求幀予以確認。