WLAN與WPAN的QoS機制對比分析

　　三、IEEE802.15.3 MAC協(xié)議及其QoS機制

　　在IEEE802.11 WLAN迅速發(fā)展的同時(shí)，另一種針對小型個(gè)域網(wǎng)絡(luò )、家庭數字媒體網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)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)組針對數字視頻、圖像等多媒體應用而制定的高速率WPAN標準IEEE802.15.3。除了高速率外，802.15.3將為便攜式數字多媒體應用提供低功耗、低成本的解決方案。同時(shí)，IEEE802.15.3任務(wù)組（TG3）還成立了802.15.3a研究組（SG3a）來(lái)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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)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。802.15.3a研究組有望在今年被批準為任務(wù)組（TG），從而可以進(jìn)行標準化的推進(jìn)工作。802.15.3a研究組所尋找的物理層替代方案需要要實(shí)現下述目標： ?(1)支持DV、高清晰DVD、高清晰度打印機、掃描儀，MP3播放器快速下載、數碼相機靜態(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(shí)速度可達到500 Mbit/s，以替代當前廣泛使用的IEEE1394a（400Mbit/s），USB2.0（480 Mbit/s）基于線(xiàn)纜的數據傳輸。

　　802.15.3網(wǎng)絡(luò )拓撲結構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(shí)，由任一個(gè)節點(diǎn)（DEV）來(lái)?yè)?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/WPAN">WPAN的協(xié)調器/調度器（PNC）。除了提供基本的網(wǎng)絡(luò )同步之外，PNC還要根據預先定義的QoS策略以及當前剩余的信道時(shí)隙數量（CT,即Channel Time）完成接納控制、分配網(wǎng)絡(luò )資源、管理節能請求等功能。

　　802.15.3基于時(shí)隙的超幀結構由3部分組成：信標（Beacon）、信道競爭訪(fǎng)問(wèn)周期（CAP,即Contention Access Period）和信道無(wú)競爭周期（CFP,即Contention Free Period）組成，如圖5所示。?

　　信標在每一超幀的開(kāi)始發(fā)送，載有網(wǎng)絡(luò )的控制參數（網(wǎng)絡(luò )同步、最大傳輸功率等）、信道時(shí)隙分配、超幀中傳輸的針對每一個(gè)業(yè)務(wù)流的指示信息等。CAP周期預留來(lái)傳送無(wú)QoS的數據幀，如網(wǎng)內設備發(fā)出的認證、關(guān)聯(lián)命令的請求和應答以及一些短的異步數據。

　　在CAP周期內，各設備采取載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突避免的訪(fǎng)問(wèn)控制機制來(lái)爭用信道。超幀的其余時(shí)間（CFP周期）用來(lái)傳輸有特定QoS的數據，如高清晰度視頻/音頻流、大容量圖像、音樂(lè )文檔等，這些數據根據各自所需的帶寬、時(shí)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(dòng)態(tài)可調的。

　　每個(gè)CFP周期分為管理時(shí)隙（STAS,即Management Time Slot）和確保服務(wù)的同步時(shí)隙（GTS,即Guaranteed Time Slot），GTS用于傳輸同步媒體業(yè)務(wù)流和異步數據，如圖6所示。在CFP周期內所有的傳輸機會(huì )都開(kāi)始于預先設定好的時(shí)隙，時(shí)隙的設定通過(guò)PNC與各DEV交互信標幀中流量映射信息單元（Traffic Mapping Information Element）來(lái)完成。在DEV分配到的GTS時(shí)隙中，DEV可以在滿(mǎn)足傳輸時(shí)間不超過(guò)規定時(shí)長(cháng)的條件下自行決定傳輸數據的長(cháng)度。所有的GTS時(shí)隙的長(cháng)度都是不固定的。有些GTS是動(dòng)態(tài)改變的，即這些時(shí)隙在不同超幀中的位置是隨時(shí)改變的。有些GTS的位置在一段時(shí)間內是基本固定的，即PNC雖然可以修正這些GTS時(shí)隙的位置，但是需要得到利用該時(shí)隙收發(fā)數據的DEV的同意方可,這樣的時(shí)隙可以用來(lái)支持CBR業(yè)務(wù)。對于MTS時(shí)隙，可以用來(lái)在CAP周期中傳輸認證、關(guān)聯(lián)命令等。?

　　在802.15.3網(wǎng)絡(luò )中，QoS可以通過(guò)對每一個(gè)業(yè)務(wù)流的預約來(lái)簡(jiǎn)單地實(shí)現。DEV先向PNC詢(xún)問(wèn)自己的QoS請求能否被信道時(shí)間管理器（CT Manager）滿(mǎn)足，如果這些QoS請求得到PNC的許可，就會(huì )在鏈路層和IP層之間為此業(yè)務(wù)流建立專(zhuān)門(mén)的流標識。這種PNC與DEV之間相對獨立的請求-應答機制很有效地降低了協(xié)議的復雜度，即在低層（鏈路層）并不需要實(shí)現太多復雜的功能。同時(shí)，由于在網(wǎng)絡(luò )層的QoS研究已經(jīng)建立起一套關(guān)于資源預約、分配調度的機制，從而可以使鏈路層與當前主流網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議密切配合。避免了網(wǎng)絡(luò )分層結構帶來(lái)的層與層之間的獨立和冗余而導致的協(xié)議效率低下。資源預約的方式使得網(wǎng)絡(luò )資源的達到最佳的利用，從而可以更好、更高效地規劃網(wǎng)絡(luò )的使用，提供可靠的QoS保障。但是，這種方式有時(shí)候也會(huì )帶來(lái)過(guò)多的開(kāi)銷(xiāo)，如網(wǎng)絡(luò )必須傳輸信令消息以提供資源預約，因此各種應用在數據收發(fā)之前會(huì )有一段延時(shí)。

　　802.15.3 MAC協(xié)議另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其網(wǎng)絡(luò )和應用的獨立性。目前很多鏈路層以上的協(xié)議標準如IP、 USB、IEEE1394等正在制訂服務(wù)匯聚子層（ SSCS,即Service Specific Convergence Sub-layers）來(lái)支持與IEEE802.15.3鏈路層的平滑過(guò)渡和整合，圖7給出了IEEE802網(wǎng)絡(luò )、IEEE1394、USB2.0等上層應用基于802.15.3 MAC層的實(shí)現示意圖。?

　　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(diǎn)。由于面向的對象和應用的不同，兩種協(xié)議有著(zhù)本質(zhì)的區別。?

　　1.媒體訪(fǎng)問(wèn)機制

　　媒體訪(fǎng)問(wèn)機制是IEEE802.11e與IEEE802.15.3最大的差別。802.11e采用隨機爭用和輪詢(xún)相結合的訪(fǎng)問(wèn)控制，而802.15.3采用基于中心式的調度機制。兩種方式都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。當網(wǎng)絡(luò )大部分帶寬用來(lái)進(jìn)行對等進(jìn)程的通信（pere-to-pere）時(shí)適合于采用調度機制，例如多媒體家庭網(wǎng)絡(luò )中常見(jiàn)的業(yè)務(wù)，各設備之間以對等進(jìn)程的方式大量傳送多媒體數據流，相比于輪詢(xún)方式，調度機制可以有效地提高網(wǎng)絡(luò )的效率。同時(shí)，IEEE802.l5.3基于時(shí)隙的超幀結構也降低了每個(gè)節點(diǎn)的實(shí)現復雜度，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(gè)DEV可以在預定的時(shí)間內完成數據的收發(fā)，DEV可以在不影響當前網(wǎng)絡(luò )連接的情況下利用超幀中沒(méi)有分配的時(shí)隙進(jìn)行信道掃描，或者尋找信號強度更好、負載更小的其他微網(wǎng)。

　　IEEE802.11e HCF的輪詢(xún)方式在WLAN的骨干網(wǎng)的工作方式（Infrastructure Network）時(shí)可以提供很高的效率，此時(shí)大部分的網(wǎng)絡(luò )帶寬用于A(yíng)P與STA之間的數據收發(fā)。由于CF-Poll信息已經(jīng)加載到數據幀中，TxOP的持續時(shí)間已經(jīng)寫(xiě)入QoS控制域中，論詢(xún)方式對于A(yíng)P與STA之間的數據收發(fā)不會(huì )引入額外的開(kāi)銷(xiāo)。由于HC可以獲知網(wǎng)絡(luò )中所有的數據傳輸，并且HC可以根據QoS控制域中第8～15 bit的信息實(shí)時(shí)地了解每一個(gè)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(guò)調整TxOP，HC能夠對于帶寬預約、臨時(shí)性網(wǎng)絡(luò )擁塞作出迅速響應。這種迅速響應機制對于優(yōu)化VBR業(yè)務(wù)中無(wú)線(xiàn)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(wú)QAP的情況下，只支持EDCF操作和基于優(yōu)先級的QoS機制，不支持參數化的QoS，采用固定的信道訪(fǎng)問(wèn)參數，容易發(fā)生網(wǎng)絡(luò )擁塞；有QAP時(shí)，可以支持基于優(yōu)先級的QoS機制和參數化的QoS，但是AP切換時(shí)原有的安全和QoS無(wú)法保持。802.15.3則支持基于優(yōu)先級的QoS機制和參數化的QoS，并且在PNC切換時(shí)原有的安全和QoS繼續保持。?

　　3.解決“隱藏節點(diǎn)”問(wèn)題

　　802.11e采用NAV與CCA聯(lián)合的載波偵聽(tīng)方式，通過(guò)RTS/CTS來(lái)設定各接收數據STA的NAV參數來(lái)避開(kāi)數據沖突。802.15.3由于采用了中心控制的方式，每個(gè)DEV的收發(fā)時(shí)隙由PNC來(lái)分配，因此有效地解決了隱藏節點(diǎn)問(wèn)題。?