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WLAN与WPAN的QoS机制对比分析

发布时间:2020-06-30 23:31:33 阅读: 来源:机械密封件厂家

一、 引言

本文引用地址: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11~55Mbps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。

EE802.11 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。

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