WLAN與WPAN的QoS機制對比分析

2019-11-05 02:18:38

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　　無線局域網（WLAN）和無線個域網（WPAN）技術的發展帶來的多媒體業務流量的劇增，使無線網絡的資源治理、服務質量（QoS）保障等問題日益突出。傳統的媒體訪問控制（MAC）協議需要重新設計才能對無線網絡的QoS問題進行有效地解決。文中研究了IEEE WLAN和WPAN工作組分別于2002年5月和2003年2月提出的IEEE802.11e D3.0 和IEEE802.15.3 D16兩種協議標準的工作機制并對兩者的性能作出了比較分析。
　　
　　要害詞：無線局域網;無線個域網;服務質量;媒體訪問控制;超寬帶技術
　　
　　一、引言
　　無線局域網（WLAN,即Wireless Local Area Network）和無線個域網（WPAN,即Wireless Personal Area Network）是對目前無線接入系統的補充，近年來得到了迅速的發展。WLAN可以使網絡用戶擺脫網線的束縛，在企業、家庭、酒店、機場等熱點地區向終端用戶提供高速數據傳輸。WPAN能在便攜式消費者電器和通信設備之間進行短距離高速通信，覆蓋范圍比WLAN小，一般在10 m半徑以內。
　　
　　IEEE WLAN工作組在1997年制訂了802.11協議標準，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足一般的網絡應用，但是對于發展迅速的家庭數字媒體應用，如實時視頻、HDTV來說仍顯不足。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問題，IEEE WPAN工作組發起了802.15.3高速率WPAN任務組，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，目前研究領域方興未艾的超寬帶（UWB,即Ultra Wideband）技術［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。
　　
　　隨著無線網絡上流量的劇增，用戶在享受寬帶無線接入的同時，對于有效、魯棒的服務質量（QoS）保障的需求也越來越突出。QoS的實現首先要精確區別每個網絡應用的類型，其次要恰當地分配網絡資源，如帶寬和相對優先級等。早期的QoS研究主要針對有線網絡，在網絡層以上提供服務質量保障。如綜合服務/資源預約（IntServ/RSVP）、區分服務（DiffServ）、多協議標簽交換(MPLS)、流量工程(Traffic Engineering)、約束路由(CBR)、子網帶寬治理(SBM)等［3］。但是上述的QoS機制并不能直接應用于無線網絡中，主要有2個原因：首先，無線傳輸與有線傳輸截然不同，在無線傳輸中，串擾和多徑傳播將導致衰落和色散，因此無線網絡具有數據傳輸率低而誤碼率高的特點；而WLAN和WPAN等為了保證靈活性和兼容性，協議標準一般只制訂MAC層和PHY層規范，從而造成網絡上層的QoS與無線鏈路層的分離，最終QoS無法得到充分發揮；其次，隨著無線接入技術的發展，異質網絡的應用將越來越普及，各種應用一般會經過無線接入、有線骨干網傳輸、無線接入的傳輸途徑，在這種情況下，緊緊依靠傳統的有線網絡QoS機制已經無法提供端到端的服務質量保障，迫切需要一種能夠針對無線信道的特點，在無線鏈路層媒體訪問控制（MAC）子層提供網絡業務的區分、優先級控制、資源分配等的QoS控制和保障，從而使無線網絡和有線網絡的QoS進行整體規劃。
　　
　　本文將研究兩種提供QoS保障的無線網絡媒體訪問控制協議——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協議的媒體訪問機制，其次對比兩種協議在處理多種數據業務類型、不同的網絡配置、解決“隱藏節點”問題等方面的優缺點，最后給出結論。
　　
　　二、IEEE802.11e MAC協議及其QoS機制
　　IEEE802.11e的媒體訪問控制策略從總體上說是對802.11 MAC協議的改進和增強。在介紹802.11e MAC協議之前，首先對802.11 MAC協議的基本機制作簡要分析。
　　
　　1.IEEE802.11 MAC協議的DCF、PCF訪問
　　
　　控制策略IEEE802.11 MAC協議［1］定義了兩種操作，在信道爭用期的分布式協調功能（DCF）與非信道爭用期的點協調功能（PCF）。其中，DCF是必備的功能，而PCF由各WLAN設備硬件廠家來決定是否實現。
　　
　　DCF采用載波偵聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA）的媒體訪問方式，可以形象地比喻為“先聽再說”（如圖1所示）。節點（STA）在發送數據前要先檢測信道是否空閑，假如信道空閑則預備發送MAC業務數據單元（MSDU）。假如2個STA同時檢測到信道空閑并開始發送數據就會發生沖突，為此，802.11定義了沖突避免（CA）機制來降低發生沖突的概率。為解決CSMA方式引起的“隱藏節點”問題，802.11定義了請求發送/清除發送（RTS/CTS）機制。在傳送數據幀以前STA先發送一個短RTS幀，接收方接收到RTS后立即發送一個CTS幀，RTS和CTS幀中都包含了下一個數據幀的長度信息。因此STA四周的其他STA及接收數據的STA四周的“隱藏節點”通過設置網絡分配向量（NAV）定時器，在NAV規定的時間內不發送數據以避免數據沖突。RTS/CTS和NAV機制可以有效保護長數據幀免受“隱藏節點”的碰撞。
　　　

　　上述DCF操作中，由于各STA在發送數據前需要對信道進行爭用，因此DCF無法對時延敏感的業務提供QoS保障。因此，802.11協議定義了點協調功能（PCF）來保證STA以一定的優先權接入到無線信道中，如圖2所示。STA的優先權由點協調器（PC）來協調。PCF發起數據傳輸的等待時間間隔稱為PIFS， PIFS介于SIFS和DIFS之間，因而PCF比DCF的優先級高。PCF的傳輸時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機制接入無線信道，在CP階段則使用DCF機制傳輸數據。超幀由信標幀（Beacon）開始。信標幀是一種治理幀，它維持STA內本地定時器的同步，并負責傳送協議相關的參數。PC周期性的產生信標幀，下一個信標幀到來的時間被稱為目標信標幀傳輸時間（TBTT），每個信標幀中都攜帶該信息。每個STA被PC輪詢后發送數據，因而不會發生沖突。PC通過發送CF-Poll幀輪詢有數據要發送的STA，STA接收到輪詢幀以后給出確認。若PC在等待了一個PIFS的時間后沒有收到STA的響應，可以繼續輪詢其他的STA，一直到CFP的結束。PC通過發送一個非凡的控制幀CF-End來指示CFP的結束。
　　　

　?。玻甀EEE802.11e基于EDCF、HCF的QoS機制
　　
　　為了改善802.11協議對于QoS的支持，IEEE802.11工作組正在制訂802.11 MAC協議的增強機制，也稱為802.11e。它引入了增強的DCF（EDCF）和混合協調功能（HCF）兩種機制。具有IEEE802.11e QoS功能的STA被稱為QSTA（QoS-capable STA），為其他STA提供集中控制的QSTA被稱為混合協調器（HC），HC通常由AP來擔任，此AP也稱作QAP。802.11e兼容超幀中CP和CFP循環周期。EDCF只在CP階段使用，HCF在CP和CFP期間都可以使用，因而是一種混合協調功能。
　　　

　　EDCF是HCF的基礎，它通過引入業務流分類（TC）來實現QoS支持，圖3示意了802.11e EDCF機制與802.11的區別。MSDU通過多次退避延時后才能發送，每次退避的時間由TC參數來確定。在CP階段，QSTA內的每個TC競爭一個發送機會（TxOP），并在檢測到信道空閑后獨立地進行延時退避，檢測信道的時間被稱為仲裁幀間間隔（AIFS），參見圖4。AIFS不小于DIFS，并可以根據TC類別設置不同的值。在等待一個AIFS后，每個STA設定一個［0, CW+1］的隨機計數器開始延時退避，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之前假如檢測到信道忙，則只有再等待DIFS時間并檢測到信道空閑以后才繼續進行遞減計數。EDCF中，在AIFS期間檢測到信道空閑以后，在AIFS周期結束前的最后一個時隙間隔的開始時刻對退避計數器遞減計數，而DCF則在DIFS結束后的第一個時隙的開始時刻遞減計數。發生沖突后改變CW的策略也有所不同。DCF是將CW簡單地加倍，而EDCF中則根據PF因子來修正原先的CW，而且CW的取值不能超過某個上限值。
　　　

　　每個STA內可以采用虛擬隊列的形式來實現8種不同的TC，并賦予不同優先級的QoS參數。QoS參數可以由HC來修改，并在信標幀中進行周期性的廣播。假如同一個STA內的多個TC的退避計數器同時減到0，則會發生虛擬沖突，調度器為優先權最高的TC分配TxOP來解決虛擬沖突問題。還應該注重到，802.11e的8種TC所定義的業務優先級與以太網中的IEEE802.1D/P/Q標準［６］對于以太網業務區分的定義是相同的，這意味著802.11e可以與以太網QoS完美地結合，這也有利于開發符合802.11e標準的QSTA、QAP產品。
　　
　　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輪詢幀后，則TxOP開始。TxOP是802.11e最重要的特性之一，TxOP定義了STA可以發送數據的時間段，包括開始時間和最大持續時間。QoS CF-Poll輪詢幀在檢測到信道空閑一個PIFS時間后不需延時就可以立即發送，因此HC在CP中具有較高的優先權。在CFP期間STA不能競爭接入無線信道，只能等待HC發送QoS CF-Poll來分配TxOP。CFP階段在信標幀中聲明的時間內結束，或者也可以由HC發送CF-End幀來顯式的結束。
　　
　　802.11e中還定義一種可以快速解決碰撞的受控式競爭協議。每個QSTA的狀態信息要及時更新，HC通過該狀態信息得知某個STA是否有數據發送來確定是否要對該STA輪詢，以及輪詢的開始時間和持續時間。受控競爭機制答應STA通過發送資源請求來要求分配TxOP，而不用同其他的業務流競爭，HC根據當前資源狀況對接收到的資源請求幀予以確認。
　　
　　三、IEEE802.15.3 MAC協議及其QoS機制
　　在IEEE802.11 WLAN迅速發展的同時，另一種針對小型個域網絡、家庭數字媒體網絡的無線技術正在不斷地引起研究者和產業界的注重，那就是IEEE802.15 WPAN任務組針對數字視頻、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，IEEE802.15.3任務組（TG3）還成立了802.15.3a研究組（SG3a）來尋找更高速率的物理層替代方案，目前研究領域方興未艾的超寬帶（UWB）無線通信技術最有希望成為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組（TG），從而可以進行標準化的推進工作。802.15.3a研究組所尋找的物理層替代方案需要要實現下述目標： (1)支持DV、高清楚DVD、高清楚度打印機、掃描儀，MP3播放器快速下載、數碼相機靜態圖像傳遞等；
　　
　　(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）基于線纜的數據傳輸。
　　
　　802.15.3網絡拓撲結構為基于中心控制的面向連接的自組網（Ad Hoc）。網絡初始化時，由任一個節點（DEV）來擔任WPAN的協調器/調度器（PNC）。除了提供基本的網絡同步之外，PNC還要根據預先定義的QoS策略以及當前剩余的信道時隙數量（CT,即Channel Time）完成接納控制、分配網絡資源、治理節能請求等功能。
　　
　　802.15.3基于時隙的超幀結構由3部分組成：信標（Beacon）、信道競爭訪問周期（CAP,即Contention access Period）和信道無競爭周期（CFP,即Contention Free Period）組成，如圖5所示。
　　　

　　信標在每一超幀的開始發送，載有網絡的控制參數（網絡同步、最大傳輸功率等）、信道時隙分配、超幀中傳輸的針對每一個業務流的指示信息等。CAP周期預留來傳送無QoS的數據幀，如網內設備發出的認證、關聯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多路訪問/沖突避免的訪問控制機制來爭用信道。超幀的其余時間（CFP周期）用來傳輸有特定QoS的數據，如高清楚度視頻/音頻流、大容量圖像、音樂文檔等，這些數據根據各自所需的帶寬、時延要求被分別封裝到不同的GTS中。各GTS的分配以及CAP和GTS之間的邊界是動態可調的。
　　
　　每個CFP周期分為治理時隙（STAS,即Management Time Slot）和確保服務的同步時隙（GTS,即Guaranteed Time Slot），GTS用于傳輸同步媒體業務流和異步數據，如圖6所示。在CFP周期內所有的傳輸機會都開始于預先設定好的時隙，時隙的設定通過PNC與各DEV交互信標幀中流量映射信息單元（Traffic Mapping Information Element）來完成。在DEV分配到的GTS時隙中，DEV可以在滿足傳輸時間不超過規定時長的條件下自行決定傳輸數據的長度。所有的GTS時隙的長度都是不固定的。有些GTS是動態改變的，即這些時隙在不同超幀中的位置是隨時改變的。有些GTS的位置在一段時間內是基本固定的，即PNC雖然可以修正這些GTS時隙的位置，但是需要得到利用該時隙收發數據的DEV的同意方可,這樣的時隙可以用來支持CBR業務。對于MTS時隙，可以用來在CAP周期中傳輸認證、關聯命令等。
　　　

　　在802.15.3網絡中，QoS可以通過對每一個業務流的預約來簡單地實現。DEV先向PNC詢問自己的QoS請求能否被信道時間治理器（CT Manager）滿足，假如這些QoS請求得到PNC的許可，就會在鏈路層和ip層之間為此業務流建立專門的流標識。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議的復雜度，即在低層（鏈路層）并不需要實現太多復雜的功能。同時，由于在網絡層的QoS研究已經建立起一套關于資源預約、分配調度的機制，從而可以使鏈路層與當前主流網絡層協議密切配合。避免了網絡分層結構帶來的層與層之間的獨立和冗余而導致的協議效率低下。資源預約的方式使得網絡資源的達到最佳的利用，從而可以更好、更高效地規劃網絡的使用，提供可靠的QoS保障。但是，這種方式有時候也會帶來過多的開銷，如網絡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之前會有一段延時。
　　
　　802.15.3 MAC協議另外一個優點是其網絡和應用的獨立性。目前很多鏈路層以上的協議標準如IP、 USB、IEEE1394等正在制訂服務匯聚子層（ SSCS,即Service Specific Convergence Sub-layers）來支持與IEEE802.15.3鏈路層的平滑過渡和整合，圖7給出了IEEE802網絡、IEEE1394、USB2.0等上層應用基于802.15.3 MAC層的實現示意圖。
　　

　　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協議在提供QoS方面各自的特點。由于面向的對象和應用的不同，兩種協議有著本質的區別。
　　
　　1.媒體訪問機制
　　
　　媒體訪問機制是IEEE802.11e與IEEE802.15.3最大的差別。802.11e采用隨機爭用和輪詢相結合的訪問控制，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點和缺點。當網絡大部分帶寬用來進行對等進程的通信（pere-to-pere）時適合于采用調度機制，例如多媒體家庭網絡中常見的業務，各設備之間以對等進程的方式大量傳送多媒體數據流，相比于輪詢方式，調度機制可以有效地提高網絡的效率。同時，IEEE802.l5.3基于時隙的超幀結構也降低了每個節點的實現復雜度，進而可以有效降低功耗，提高了電池壽命。進一步講，由于每個DEV可以在預定的時間內完成數據的收發，DEV可以在不影響當前網絡連接的情況下利用超幀中沒有分配的時隙進行信道掃描，或者尋找信號強度更好、負載更小的其他微網。
　　
　　IEEE802.11e HCF的輪詢方式在WLAN的骨干網的工作方式（InfrastrUCture Network）時可以提供很高的效率，此時大部分的網絡帶寬用于AP與STA之間的數據收發。由于CF-Poll信息已經加載到數據幀中，TxOP的持續時間已經寫入QoS控制域中，論詢方式對于AP與STA之間的數據收發不會引入額外的開銷。由于HC可以獲知網絡中所有的數據傳輸，并且HC可以根據QoS控制域中第8～15 bit的信息實時地了解每一個QSTA的業務隊列，從而可以跟有效地對網絡資源進行分配。通過調整TxOP，HC能夠對于帶寬預約、臨時性網絡擁塞作出迅速響應。這種迅速響應機制對于優化VBR業務中無線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QAP的情況下，只支持EDCF操作和基于優先級的QoS機制，不支持參數化的QoS，采用固定的信道訪問參數，輕易發生網絡擁塞；有QAP時，可以支持基于優先級的QoS機制和參數化的QoS，但是AP切換時原有的安全和QoS無法保持。802.15.3則支持基于優先級的QoS機制和參數化的QoS，并且在PNC切換時原有的安全和QoS繼續保持。
　　
　　3.解決“隱藏節點”問題
　　
　　802.11e采用NAV與CCA聯合的載波偵聽方式，通過RTS/CTS來設定各接收數據STA的NAV參數來避開數據沖突。802.15.3由于采用了中心控制的方式，每個DEV的收發時隙由PNC來分配，因此有效地解決了隱藏節點問題。
　　
　　4.VBR業務支持
　　
　　802.11e HC根據不同業務流的業務隊列狀況來動態分配TxOP，假如沒有數據發送，QSTA會發送QoS-null幀來結束TxOP，對于VBR業務的響應迅速而有效。802.15.3通過DEV與PNC之間帶寬請求-應答來完成對VBR業務的支持，但是響應時間相對802.11e較慢，但是802.15.3MAC協議對于低成本、低功耗的要求相比于響應時間是更重要的。
　　
　　5.業務流優先級的支持
　　
　　802.11e根據TC來提供8種業務流的優先級區分。802.15.3對于基于優先級的異步業務流，PNC可以向高等級的業務分配更多的GTS時隙；在CAP周期中同樣可以實現類似EDCF方式的業務優先級區分。
　　
　　6.參數化業務流的支持
　　
　　802.11e具有業務流參數標識，HC通過調整TxOP來控制業務流參數。802.15.3也具有業務流參數標識，PNC通過CT和CTR_request/modify來動態調整業務流參數。
　　
　　7.重負載下的穩定性
　　
　　802.11e在EDCF訪問機制下，HC無法控制QSTA的業務流發送，只能依靠調節CW和TxOP來限制業務流量；在輪詢訪問機制下屬于中心控制的拓撲結構，HC完成接納控制和業務調。802.15.3網絡本質上屬于中心控制的拓撲結構，PNC完成接納控制和業務調度。
　　
　　8.最大有效吞吐量
　　
　　802.11e由于受CSMA/CA方式、固定長度SIFS/DIFS的限制，DCF的理論吞吐量上限是75 Mbps，HCF/PCF則可以提高信道帶寬的利用率。802.15.3中心控制的調度方式可以提高吞吐量，對于802.15.3規定的2.4G物理層標準，其理論吞吐量上限可以達到325 Mbps，假如采用更高速的物理層技術如UWB等，吞吐量還可繼續提高［７］。
　　
　　9.實現復雜度
　　
　　802.11e假如將EDCF、HCF全部實現，則復雜度很高。從當前的802.11a/b商用產品來看，802.11的實現都比較復雜，不適用于嵌入式應用，而且一部分802.11的協議功能需要依靠插卡的主機系統來完成。802.15.3復雜度則低很多，適合于了低功耗、低成本的便攜設備。假如物理層結合新的UWB技術，則由于UWB基帶不需要復雜的調制解調技術以及簡單的射頻前端設計，功耗和復雜度還可以進一步降低。
　　
　　五、結論
　　IEEE802.11e和IEEE802.15.3兩種MAC協議對于如何在無線網絡MAC層提供QoS保障的問題做出了有益的嘗試并推動了標準化工作和相關產業的迅速發展。由于面向的對象和應用的差別，兩者在QoS性能上表現都還存在不足：802.11e假如能夠吸收802.15.3基于中心控制的方式所帶來的吞吐量、效率、實現復雜度等方面的優點，必將進一步促進無線局域網的發展，并為用戶提供更好的服務質量。同樣，802.15.3在處理VBR業務響應時間上的不足也可以參考802.11e根據每個QSTA的業務隊列的信息來分配網絡資源的做法，從而能夠對帶寬預約、臨時性網絡擁塞作出迅速響應。另外，802.15.3 MAC協議假如能采用UWB技術作為物理層實現，性能將會得到進一步提高，具有廣闊的發展前景。

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