WLAN与WPAN的QoS机制对比分析

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更新时间：2005-12-07 22:49
关键词：WLAN
阅读提示：无线局域网（WLAN）和无线个域网（WPAN）技术的发展带来的多媒体业务流量的剧增，使无线网络的资源管理、服务质量（QoS）保障等问题日益突出。传统的媒体访问控制（MAC）协议需要重新设计才能对无线网络的QoS问题进行有效地解决。文中研究了IEEE WLAN和WPAN工作组分别于2002年5月和2003年2月提出的IEEE802.11e D3.0 和IEEE802.15.3 D16两种协议标准的工作机制并对两者的性能作出了比较分析。

无线局域网（WLAN）和无线个域网（WPAN）技术的发展带来的多媒体业务流量的剧增，使无线网络的资源管理、服务质量（QoS）保障等问题日益突出。传统的媒体访问控制（MAC）协议需要重新设计才能对无线网络的QoS问题进行有效地解决。文中研究了IEEE WLAN和WPAN工作组分别于2002年5月和2003年2月提出的IEEE802.11e D3.0 和IEEE802.15.3 D16两种协议标准的工作机制并对两者的性能作出了比较分析。
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。
三、IEEE802.15.3 MAC协议及其QoS机制
在IEEE802.11 WLAN迅速发展的同时，另一种针对小型个域网络、家庭数字媒体网络的无线技术正在不断地引起研究者和产业界的注意，那就是IEEE802.15 WPAN任务组针对数字视频、图像等多媒体应用而制定的高速率WPAN标准IEEE802.15.3。除了高速率外，802.15.3将为便携式数字多媒体应用提供低功耗、低成本的解决方案。同时，IEEE802.15.3任务组（TG3）还成立了802.15.3a研究组（SG3a）来寻找更高速率的物理层替代方案，目前研究领域方兴未艾的超宽带（UWB）无线通信技术最有希望成为802.15.3a的PHY标准，提供高达500 Mbps的超高传输速率。802.15.3a研究组有望在今年被批准为任务组（TG），从而可以进行标准化的推进工作。802.15.3a研究组所寻找的物理层替代方案需要要实现下述目标： (1)支持DV、高清晰DVD、高清晰度打印机、扫描仪，MP3播放器快速下载、数码相机静态图像传递等；
(2)在10 m的距离提供110 Mbit/s的传输速率，小于10 m的近距离时速度可达到500 Mbit/s，以替代当前广泛使用的IEEE1394a（400Mbit/s），USB2.0（480 Mbit/s）基于线缆的数据传输。
802.15.3网络拓扑结构为基于中央控制的面向连接的自组网（Ad Hoc）。网络初始化时，由任一个节点（DEV）来担任WPAN的协调器/调度器（PNC）。除了提供基本的网络同步之外，PNC还要根据预先定义的QoS策略以及当前剩余的信道时隙数量（CT,即Channel Time）完成接纳控制、分配网络资源、管理节能请求等功能。
802.15.3基于时隙的超帧结构由3部分组成：信标（Beacon）、信道竞争访问周期（CAP,即Contention Access Period）和信道无竞争周期（CFP,即Contention Free Period）组成，如图5所示。
　

信标在每一超帧的开始发送，载有网络的控制参数（网络同步、最大传输功率等）、信道时隙分配、超帧中传输的针对每一个业务流的指示信息等。CAP周期预留来传送无QoS的数据帧，如网内设备发出的认证、关联命令的请求和应答以及一些短的异步数据。
在CAP周期内，各设备采取载波侦听多路访问/冲突避免的访问控制机制来争用信道。超帧的其余时间（CFP周期）用来传输有特定QoS的数据，如高清晰度视频/音频流、大容量图像、音乐文档等，这些数据根据各自所需的带宽、时延要求被分别封装到不同的GTS中。各GTS的分配以及CAP和GTS之间的边界是动态可调的。
每个CFP周期分为管理时隙（STAS,即Management Time Slot）和确保服务的同步时隙（GTS,即Guaranteed Time Slot），GTS用于传输同步媒体业务流和异步数据，如图6所示。在CFP周期内所有的传输机会都开始于预先设定好的时隙，时隙的设定通过PNC与各DEV交互信标帧中流量映射信息单元（Traffic Mapping Information Element）来完成。在DEV分配到的GTS时隙中，DEV可以在满足传输时间不超过规定时长的条件下自行决定传输数据的长度。所有的GTS时隙的长度都是不固定的。有些GTS是动态改变的，即这些时隙在不同超帧中的位置是随时改变的。有些GTS的位置在一段时间内是基本固定的，即PNC虽然可以修正这些GTS时隙的位置，但是需要得到利用该时隙收发数据的DEV的同意方可,这样的时隙可以用来支持CBR业务。对于MTS时隙，可以用来在CAP周期中传输认证、关联命令等。
　

在802.15.3网络中，QoS可以通过对每一个业务流的预约来简单地实现。DEV先向PNC询问自己的QoS请求能否被信道时间管理器（CT Manager）满足，如果这些QoS请求得到PNC的许可，就会在链路层和IP层之间为此业务流建立专门的流标识。这种PNC与DEV之间相对独立的请求-应答机制很有效地降低了协议的复杂度，即在低层（链路层）并不需要实现太多复杂的功能。同时，由于在网络层的QoS研究已经建立起一套关于资源预约、分配调度的机制，从而可以使链路层与当前主流网络层协议密切配合。避免了网络分层结构带来的层与层之间的独立和冗余而导致的协议效率低下。资源预约的方式使得网络资源的达到最佳的利用，从而可以更好、更高效地规划网络的使用，提供可靠的QoS保障。但是，这种方式有时候也会带来过多的开销，如网络必须传输信令消息以提供资源预约，因此各种应用在数据收发之前会有一段延时。
802.15.3 MAC协议另外一个优点是其网络和应用的独立性。目前很多链路层以上的协议标准如IP、 USB、IEEE1394等正在制订服务汇聚子层（ SSCS,即Service Specific Convergence Sub-layers）来支持与IEEE802.15.3链路层的平滑过渡和整合，图7给出了IEEE802网络、IEEE1394、USB2.0等上层应用基于802.15.3 MAC层的实现示意图。

四、IEEE802.11e与IEEE802.15.3的对比分析
上文讨论了IEEE802.11e与IEEE802.15.3两种MAC协议在提供QoS方面各自的特点。由于面向的对象和应用的不同，两种协议有着本质的区别。
1.媒体访问机制
媒体访问机制是IEEE802.11e与IEEE802.15.3最大的差别。802.11e采用随机争用和轮询相结合的访问控制，而802.15.3采用基于中心式的调度机制。两种方式都有各自的优点和缺点。当网络大部分带宽用来进行对等进程的通信（pere-to-pere）时适合于采用调度机制，例如多媒体家庭网络中常见的业务，各设备之间以对等进程的方式大量传送多媒体数据流，相比于轮询方式，调度机制可以有效地提高网络的效率。同时，IEEE802.l5.3基于时隙的超帧结构也降低了每个节点的实现复杂度，进而可以有效降低功耗，提高了电池寿命。进一步讲，由于每个DEV可以在预定的时间内完成数据的收发，DEV可以在不影响当前网络连接的情况下利用超帧中没有分配的时隙进行信道扫描，或者寻找信号强度更好、负载更小的其他微网。
IEEE802.11e HCF的轮询方式在WLAN的骨干网的工作方式（Infrastructure Network）时可以提供很高的效率，此时大部分的网络带宽用于AP与STA之间的数据收发。由于CF-Poll信息已经加载到数据帧中，TxOP的持续时间已经写入QoS控制域中，论询方式对于AP与STA之间的数据收发不会引入额外的开销。由于HC可以获知网络中所有的数据传输，并且HC可以根据QoS控制域中第8～15 bit的信息实时地了解每一个QSTA的业务队列，从而可以跟有效地对网络资源进行分配。通过调整TxOP，HC能够对于带宽预约、临时性网络拥塞作出迅速响应。这种迅速响应机制对于优化VBR业务中无线带宽的分配是非常有利的。
2.Ad Hoc工作模式下的QoS性能
802.11e在无QAP的情况下，只支持EDCF操作和基于优先级的QoS机制，不支持参数化的QoS，采用固定的信道访问参数，容易发生网络拥塞；有QAP时，可以支持基于优先级的QoS机制和参数化的QoS，但是AP切换时原有的安全和QoS无法保持。802.15.3则支持基于优先级的QoS机制和参数化的QoS，并且在PNC切换时原有的安全和QoS继续保持。
3.解决“隐藏节点”问题
802.11e采用NAV与CCA联合的载波侦听方式，通过RTS/CTS来设定各接收数据STA的NAV参数来避开数据冲突。802.15.3由于采用了中心控制的方式，每个DEV的收发时隙由PNC来分配，因此有效地解决了隐藏节点问题。
4.VBR业务支持
802.11e HC根据不同业务流的业务队列状况来动态分配TxOP，如果没有数据发送，QSTA会发送QoS-null帧来结束TxOP，对于VBR业务的响应迅速而有效。802.15.3通过DEV与PNC之间带宽请求-应答来完成对VBR业务的支持，但是响应时间相对802.11e较慢，但是802.15.3MAC协议对于低成本、低功耗的要求相比于响应时间是更重要的。
5.业务流优先级的支持
802.11e根据TC来提供8种业务流的优先级区分。802.15.3对于基于优先级的异步业务流，PNC可以向高等级的业务分配更多的GTS时隙；在CAP周期中同样可以实现类似EDCF方式的业务优先级区分。
6.参数化业务流的支持
802.11e具有业务流参数标识，HC通过调整TxOP来控制业务流参数。802.15.3也具有业务流参数标识，PNC通过CT和CTR_request/modify来动态调整业务流参数。
7.重负载下的稳定性
802.11e在EDCF访问机制下，HC无法控制QSTA的业务流发送，只能依靠调节CW和TxOP来限制业务流量；在轮询访问机制下属于中心控制的拓扑结构，HC完成接纳控制和业务调。802.15.3网络本质上属于中心控制的拓扑结构，PNC完成接纳控制和业务调度。
8.最大有效吞吐量
802.11e由于受CSMA/CA方式、固定长度SIFS/DIFS的限制，DCF的理论吞吐量上限是75 Mbps，HCF/PCF则可以提高信道带宽的利用率。802.15.3中心控制的调度方式可以提高吞吐量，对于802.15.3规定的2.4G物理层标准，其理论吞吐量上限可以达到325 Mbps，如果采用更高速的物理层技术如UWB等，吞吐量还可继续提高［７］。
9.实现复杂度
802.11e如果将EDCF、HCF全部实现，则复杂度很高。从当前的802.11a/b商用产品来看，802.11的实现都比较复杂，不适用于嵌入式应用，而且一部分802.11的协议功能需要依靠插卡的主机系统来完成。802.15.3复杂度则低很多，适合于了低功耗、低成本的便携设备。如果物理层结合新的UWB技术，则由于UWB基带不需要复杂的调制解调技术以及简单的射频前端设计，功耗和复杂度还可以进一步降低。

五、结论
IEEE802.11e和IEEE802.15.3两种MAC协议对于如何在无线网络MAC层提供QoS保障的问题做出了有益的尝试并推动了标准化工作和相关产业的迅速发展。由于面向的对象和应用的差别，两者在QoS性能上表现都还存在不足：802.11e如果能够吸收802.15.3基于中心控制的方式所带来的吞吐量、效率、实现复杂度等方面的优点，必将进一步促进无线局域网的发展，并为用户提供更好的服务质量。同样，802.15.3在处理VBR业务响应时间上的不足也可以参考802.11e根据每个QSTA的业务队列的信息来分配网络资源的做法，从而能够对带宽预约、临时性网络拥塞作出迅速响应。另外，802.15.3 MAC协议如果能采用UWB技术作为物理层实现，性能将会得到进一步提高，具有广阔的发展前景。

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