WLAN与WPAN的QoS机制对比分析

一、 引言

　　无线局域网（WLAN,即Wireless Local Area Network）和无线个域网（WPAN,即Wireless Personal Area Network）是对目前无线接入系统的补充，近年来得到了迅速的发展。WLAN可以使网络用户摆脱网线的束缚，在企业、家庭、酒店、机场等热点地区向终端用户提供高速数据传输。WPAN能在便携式消费者电器和通信设备之间进行短距离高速通信，覆盖范围比WLAN小，一般在10 m半径以内。

　　IEEE WLAN工作组在1997年制订了802.11协议标准，1999年8月增加了802.11b和802.11a标准［1］。IEEE802.11b可提供的数据速率为11 Mbps，而IEEE802.11a传输速率最高可达54 Mbps，虽然这样的高速率可以满足一般的网络应用，但是对于发展迅速的家庭数字媒体应用，如实时视频、HDTV来说仍显不足。为了解决数字摄像机、数字电视机、数字照相机、MP3播放机、打印机、投影仪和笔记本电脑等便携式消费电器的高速互联问题，IEEE WPAN工作组发起了802.15.3高速率WPAN任务组，针对消费者图像和多媒体应用，为低功率低成本的短距离通信制定速率为11～55　Mbps的802.15.3标准；还成立了802.15.3a研究组（SG3a），目的是寻求更高传输速率的物理层替代技术，目前研究领域方兴未艾的超宽带（UWB,即Ultra Wideband）技术［2］最有希望成为802.15.3a的PHY标准，提供高达500 Mbps的超高传输速率。

　　随着无线网络上流量的剧增，用户在享受宽带无线接入的同时，对于有效、鲁棒的服务质量（QoS）保障的需求也越来越突出。QoS的实现首先要精确区别每个网络应用的类型，其次要恰当地分配网络资源，如带宽和相对优先级等。早期的QoS研究主要针对有线网络，在网络层以上提供服务质量保障。如综合服务/资源预约（IntServ/RSVP）、区分服务（DiffServ）、多协议标签交换(MPLS)、流量工程(Traffic Engineering)、约束路由(CBR)、子网带宽管理(SBM)等［3］。但是上述的QoS机制并不能直接应用于无线网络中，主要有2个原因：首先，无线传输与有线传输截然不同，在无线传输中，串扰和多径传播将导致衰落和色散，因此无线网络具有数据传输率低而误码率高的特点；而WLAN和WPAN等为了保证灵活性和兼容性，协议标准一般只制订MAC层和PHY层规范，从而造成网络上层的QoS与无线链路层的分离，最终QoS无法得到充分发挥；其次，随着无线接入技术的发展，异质网络的应用将越来越普及，各种应用一般会经过无线接入、有线骨干网传输、无线接入的传输途径，在这种情况下，紧紧依靠传统的有线网络QoS机制已经无法提供端到端的服务质量保障，迫切需要一种能够针对无线信道的特点，在无线链路层媒体访问控制（MAC）子层提供网络业务的区分、优先级控制、资源分配等的QoS控制和保障，从而使无线网络和有线网络的QoS进行整体规划。

　　本文将研究两种提供QoS保障的无线网络媒体访问控制协议——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］，首先分析两种MAC协议的媒体访问机制，其次对比两种协议在处理多种数据业务类型、不同的网络配置、解决“隐藏节点”问题等方面的优缺点，最后给出结论。

　　二、IEEE802.11e MAC协议及其QoS机制

　　IEEE802.11e的媒体访问控制策略从总体上说是对802.11 MAC协议的改进和增强。在介绍802.11e MAC协议之前，首先对802.11 MAC协议的基本机制作简要分析。

　　1.IEEE802.11 MAC协议的DCF、PCF访问

　　控制策略IEEE802.11 MAC协议［1］定义了两种操作，在信道争用期的分布式协调功能（DCF）与非信道争用期的点协调功能（PCF）。其中，DCF是必备的功能，而PCF由各WLAN设备硬件厂家来决定是否实现。

　　DCF采用载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）的媒体访问方式，可以形象地比喻为“先听再说”（如图1所示）。节点（STA）在发送数据前要先检测信道是否空闲，如果信道空闲则准备发送MAC业务数据单元（MSDU）。如果2个STA同时检测到信道空闲并开始发送数据就会发生冲突，为此，802.11定义了冲突避免（CA）机制来降低发生冲突的概率。为解决CSMA方式引起的“隐藏节点”问题，802.11定义了请求发送/清除发送（RTS/CTS）机制。在传送数据帧以前STA先发送一个短RTS帧，接收方接收到RTS后立即发送一个CTS帧，RTS和CTS帧中都包含了下一个数据帧的长度信息。因此STA附近的其他STA及接收数据的STA附近的“隐藏节点”通过设置网络分配向量（NAV）定时器，在NAV规定的时间内不发送数据以避免数据冲突。RTS/CTS和NAV机制可以有效保护长数据帧免受“隐藏节点”的碰撞。

　　上述DCF操作中，由于各STA在发送数据前需要对信道进行争用，因此DCF无法对时延敏感的业务提供QoS保障。因此，802.11协议定义了点协调功能（PCF）来保证STA以一定的优先权接入到无线信道中，如图2所示。STA的优先权由点协调器（PC）来协调。PCF发起数据传输的等待时间间隔称为PIFS， PIFS介于SIFS和DIFS之间，因而PCF比DCF的优先级高。PCF的传输时间被划分为重复的周期，即交替出现的竞争周期（CP）和非竞争周期（CFP）。CP和随后的CFP一起组成超帧。在CFP阶段采用PCF机制接入无线信道，在CP阶段则使用DCF机制传输数据。超帧由信标帧（Beacon）开始。信标帧是一种管理帧，它维持STA内本地定时器的同步，并负责传送协议相关的参数。PC周期性的产生信标帧，下一个信标帧到来的时间被称为目标信标帧传输时间（TBTT），每个信标帧中都携带该信息。每个STA被PC轮询后发送数据，因而不会发生冲突。PC通过发送CF-Poll帧轮询有数据要发送的STA，STA接收到轮询帧以后给出确认。若PC在等待了一个PIFS的时间后没有收到STA的响应，可以继续轮询其他的STA，一直到CFP的结束。PC通过发送一个特殊的控制帧CF-End来指示CFP的结束。?

　　２．IEEE802.11e基于EDCF、HCF的QoS机制

　　为了改善802.11协议对于QoS的支持，IEEE802.11工作组正在制订802.11 MAC协议的增强机制，也称为802.11e。它引入了增强的DCF（EDCF）和混合协调功能（HCF）两种机制。具有IEEE802.11e QoS功能的STA被称为QSTA（QoS-ca?pable STA），为其他STA提供集中控制的QSTA被称为混合协调器（HC），HC通常由AP来担任，此AP也称作QAP。802.11e兼容超帧中CP和CFP循环周期。EDCF只在CP阶段使用，HCF在CP和CFP期间都可以使用，因而是一种混合协调功能。

　　EDCF是HCF的基础，它通过引入业务流分类（TC）来实现QoS支持，图3示意了802.11e EDCF机制与802.11的区别。MSDU通过多次退避延时后才能发送，每次退避的时间由TC参数来确定。在CP阶段，QSTA内的每个TC竞争一个发送机会（TxOP），并在检测到信道空闲后独立地进行延时退避，检测信道的时间被称为仲裁帧间间隔（AIFS），参见图4。AIFS不小于DIFS，并可以根据TC类别设置不同的值。在等待一个AIFS后，每个STA设定一个［0, CW+1］的随机计数器开始延时退避，CW(竞争窗口函数)的最小值取决于TC。在传统的DCF中，在计数器递减到0之前如果检测到信道忙，则只有再等待DIFS时间并检测到信道空闲以后才继续进行递减计数。EDCF中，在AIFS期间检测到信道空闲以后，在AIFS周期结束前的最后一个时隙间隔的开始时刻对退避计数器递减计数，而DCF则在DIFS结束后的第一个时隙的开始时刻递减计数。发生冲突后改变CW的策略也有所不同。DCF是将CW简单地加倍，而EDCF中则根据PF因子来修正原先的CW，而且CW的取值不能超过某个上限值。 ?

　　每个STA内可以采用虚拟队列的形式来实现8种不同的TC，并赋予不同优先级的QoS参数。QoS参数可以由HC来修改，并在信标帧中进行周期性的广播。如果同一个STA内的多个TC的退避计数器同时减到0，则会发生虚拟冲突，调度器为优先权最高的TC分配TxOP来解决虚拟冲突问题。还应该注意到，802.11e的8种TC所定义的业务优先级与以太网中的IEEE802.1D/P/Q标准［６］对于以太网业务区分的定义是相同的，这意味着802.11e可以与以太网QoS完美地结合，这也有利于开发符合802.11e标准的QSTA、QAP产品。

　　802.11e HCF扩展了EDCF的接入规则。在CP期间，使用EDCF规则检测到可用信道或者STA从HC处接收到QoS CF-Poll轮询帧后，则TxOP开始。TxOP是802.11e最重要的特性之一，TxOP定义了STA可以发送数据的时间段，包括开始时间和最大持续时间。QoS CF-Poll轮询帧在检测到信道空闲一个PIFS时间后不需延时就可以立即发送，因此HC在CP中具有较高的优先权。在CFP期间STA不能竞争接入无线信道，只能等待HC发送QoS CF-Poll来分配TxOP。CFP阶段在信标帧中声明的时间内结束，或者也可以由HC发送CF-End帧来显式的结束。

　　802.11e中还定义一种可以快速解决碰撞的受控式竞争协议。每个QSTA的状态信息要及时更新，HC通过该状态信息得知某个STA是否有数据发送来确定是否要对该STA轮询，以及轮询的开始时间和持续时间。受控竞争机制允许STA通过发送资源请求来要求分配TxOP，而不用同其他的业务流竞争，HC根据当前资源状况对接收到的资源请求帧予以确认。