802.11e 无线网络的QoS标准

近年来，WLAN技术的不断进步和无线设备的日益普及给人们的生活带来了极大方便。人们希望WLAN能够提供像有线LAN一样的服务，可自由地在网上冲浪。在以往的有线以太网中，由于丰富的带宽资源和高效的信息传输，人们对网络的服务质量(QoS)没有太多的关注。而在无线网络中，有限的带宽资源与复杂多变的信道特性导致的高误码率，限制了那些对带宽、时延有较高要求的视频、语音等多媒体实时业务在WLAN中的应用。在无线网络日益普及的今天，提高服务质量(QoS)，支持多业务，是直接影响其进一步发展的关键而又紧迫的问题。本文将对传统的IEEE802.11标准和新近正式发布的IEEE802.11e标准中所涉及的无线信道接入机制作分析，并加以对比，这些新技术对在WLAN中传输视音频等多媒体实时业务提供了重要的理论基础与理论依据。
    一、传统的IEEE802.11标准及其MAC层接入机制分析
    正如我们所知，IEEE802.11MAC层的功能是为用户在不可靠的媒介上提供可靠的数据传输。由于无线设备不能同时发射和接收，当有多个无线设备共存时，就可能会因同时访问共享媒介而产生碰撞。在传统的802.11标准中，MAC层通过使用碰撞回避策略实现公平控制对共享媒介的访问。该功能通过两种信道访问机制实现：基本访问机制，也称分布式协调功能(DistributedCoordination Function，DCF)和集中控制访问机制，也称集中协调功能(Point Coordination Function，PCF)。DCF使用载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)来实现无线工作站点(Station，下简称STA)和无线接入点(AP)之间的媒介共享。而PCF是作为IEEE 802.11 MAC协议中一种可选的信道访问机制，开始引入无竞争服务来试着对实时业务提供QoS支持，但不能区分业务类型和业务源，因此它不知道哪个站点有长的实时业务队列，哪个站点只是非实时业务队列，而且其实现起来效率过低且过于复杂，故在实际产品中一般不被使用。
    二、最新的IEEE802.11e标准与 基于业务类型的QoS机制分析
    由于传统的基于IEEE802.11标准的WLAN只能提供“尽力而为”(Best-effort)的服务，对服务质量(QoS)没有保障，特别是在网络业务多样化的今天，不能很好地支持诸如视频、语音等多媒体实时业务。提高服务质量(QoS)，支持多业务是WLAN能否进一步发展的关键所在。表1展示了不同业务类型对带宽、时延以及丢包率的不同容忍程度，正是这些不同业务类型的不同需求，使得基于类的QoS优先级机制有了存在的必要性。针对此问题，国际标准化组织(ISO)在对一系列的草案进行修订后于不久前正式推出了IEEE802.11e协议，以支持不同业务类型的QoS。

    IEEE802.11e标准是对原来IEEE802.11标准的MAC层增强协议，它提出了两种新的MAC层接入机制——增强型分布式协调访问EDCA和混和协调功能控制信道访问HCCA，引入了业务等级的概念，增加了一些新的QoS参数和帧结构，增强了WLAN的QoS性能。下面将分析这两种新的信道访问机制以及一些关键的新特性参数。
    1.增强型分布式协调访问机制(Enhanced Distribution Coordinate Access，EDCA)
    增强型分布式协调访问机制(EDCA)是对原802.11标准中分布式协调功能DCF的扩展，也是基于竞争的方式来访问信道。它定义了四种基于IEEE802.1D的访问类型(AccessCategory，AC)，使用8种用户优先级(Priority)来接入无线媒体，为不同的业务类型提供不同的业务等级，使得那些实时业务有较高的优先级接入信道，见表2。

    表2为IEEE802.11e标准提供的四种不同的访问类型(背景流、语音、视频、尽力而为的数据)及其所对应的八个优先级。在每一个支持QoS的无线站点(QSTA)内同时有8个发送队列，对应的有八个随机退避的状态机，将这一对发送队列和与之对应的随机退避状态机称为一个虚拟内部站点，这样，每个QSTA内有8个虚拟内部站点，通过设置EDCA参数来竞争获得发送机会(TransmissionOpportunity，TXOP)。
    一个QSTA通过载波检测功能来判断信道是否空闲，共有5个不同的IFS来反映无线信道的不同优先权水平，除了802.11标准中用到的SIFS、PIFS、DIFS、EIFS外，在新的IEEE802.11e标准中又增加了一种帧间隔，即仲裁帧间间隔(ArbitrationIFS，AIFS)。AIFS是工作于EDCA模式的QSTA要获得传输机会时，必须等待的信道空闲时间。不同的帧间隔长度关系如图3所示。
    由图1可看到，新增的仲裁帧间间隔AIFS不像DCF中定义的DIFS那样不变，它的值是不唯一的，不同的业务类型有着不同的AIFS值，这个值由支持QoS的无线接入点(QAP)来分配。低优先级业务(如背景流，一般数据)的AIFS值要大于高优先级业务(如视频，语音)的AIFS值，即他们等待信道空闲的时间要长，延迟接入信道。小的AIFS值意味着视频、语音等实时业务能够比不太敏感的一般数据通信更快地接入网络，从而进行实时通信。基于类的QoS的实现，除了与仲裁帧间间隔AIFS有密切关系外，还与以下几个重要参数有关：
    ◆CWmin：最小竞争窗口，越小的CWmin其优先级越高；
    ◆CWmax：最大竞争窗口，越小的CWmax其优先级越高；
    ◆TXOPLimit：TXOP的最大持续时间值。TXOP对于QoS的实现至关重要，它是QSTA有权在无线媒体上发送帧交互序列的时隙时间。它使高带宽通信业务(语音、视频)具有对无线信道访问的最大权利，保证了这些多媒体业务的实时性。QSTA应确保它的TXOP不超出指定的TXOP最大持续时间。
    每个QSTA中的访问类型AC都是基于上面四种参数独立的竞争，获得访问信道的机会。一旦某个AC侦测到无线媒介处于一个长为AIFS的空闲时间状态，它便启动如图1所示的退避规程，只有退避时间减为0的那个QSTA才有权发送数据帧；如果有多个AC的退避时间减至0，则来自高优先级AC将获得发送机会TXOP，开始发送相应的帧，而不发送来自较低优先级AC的帧。
    上述的参数AIFS、CWmin和CWmax应该结合在一起进行设置。这样，高优先等级的数据在大多数情况下都可以获得访问无线信道的权限。为高优先级数据设置的AIFS值与CWmax值相加的和应该大于为低优先级数据设置的AIFS值与CWmin值相加的和，这样，低优先级的业务类型就不会完全被封锁而失去发送数据的机会。
    2.混合式协调控制信道访问机制(HCF Controlled Channel Access，HCCA)
    混合式协调控制信道访问机制HCCA也是一种基于轮询机制的，使用混合协调器(HybridCoordinator，HC)来集中管理对无线媒体访问的信道访问方式，是PCF机制的延续与扩展。它提供了参数化的QoS保障。参数化的QoS是指根据业务的类型与特点制定相应的QoS参数，满足这些业务特殊的QoS需求(如数据速率，延时等)。像在PCF中一样，它也分为竞争期CP和无竞争期CFP。在CP阶段，使用EDCA机制竞争信道，而在随后的CFP阶段，混合协调器HC通过发送QoS(+)CF-Poll帧给各个站点(QSTA)来查询是否有数据要发送。HCCA与PCF关键的不同点在于HCCA能够在竞争期CP阶段轮询各个站点(STA),并能基于每个站点的具体通信业务流的需要，对数据包进行排序。每一次轮询给予了一个站点(QSTA)发送数据的机会(TXOP)，并指明了其可以发送数据的起始时间与最大持续时间。TXOP可由QSTA在CP或CFP阶段通过接收QoS(+)CF-Poll帧获得，整个TXOP则通过帧周期网络分配矢量NAV(NetworkAllocationVector)的设置来获得。一个站点在接收到发给它的QoS(+)CF-Poll帧后，它将在延迟SIFS后开始发送数据(见图2)。否则，混合协调器HC将在信道空闲PIFS后收回信道的控制权，并将它分配给其他的无线站点。

    当混合协调器HC需要接入无线媒体以便开始CFP时，如果无线媒体在一个PIFS周期内被确定为空闲时，HC就发送允许的帧交互序列的第一帧。在CFP阶段，在地址域为一组地址的数据、QoS数据或管理帧后，HC等待一个PIFS周期，如果无线媒体空闲，则继续发送数据。在轮询TXOP内，所有非结束帧交互序列(如传输单播QoS数据或管理帧序列)的最后一帧发送完成后，HC或当前TXOP的拥有者在等待一个SIFS周期后，就可以开始发送下一帧交互序列的第一帧。QSTA(包括HC)需要在SIFS后对任一帧交互序列做出响应。如果在SIFS后的第一个时隙中，没有收到期望中的响应帧，QSTA可在最后传输结束后的PIFS开始发送恢复进程(PIFS后的恢复进程只允许期待响应的QSTA发送)。该QSTA是QoS(+)CF-Poll情况下的HC或是CFP周期内发送QoS数据帧的TXOP拥有者。在HCCA中，混合协调器HC通过QoS(+)CF-Poll只是给予某个站点(STA)发送数据的机会，并不决定哪个等级的业务发送数据。HCCA是通过由STA决定发送哪个等级的数据提供QoS保证机制的。
    三、四种接入机制的比较
    1.EDCA机制相比于DCF机制主要有以下改进之处
    ◆EDCA机制引入了业务优先级的概念，对于不同业务类型设定不同的优先级，高优先级的多媒体实时业务(如视频，语音)具有更多的机会接入信道，减小了这些业务的时间延迟，使得其在网络中播出更加流畅。
    ◆具有更加灵活的帧间间隔—仲裁帧间间隔AIFS。不同的访问类型AC有着不同的AIFS值，AIFS值越小，优先级越高。小的AIFS值意味着视频、语音等多媒体实时业务能够比不太敏感的一般数据通信更快地接入无线网络，从而实现实时通信。
    ◆不同的访问类型AC在等待信道空闲以后，进入退避时的竞争窗口CW的大小也不同，对于每个AC，有不同的CWmin[AC]及CWmax[AC]。优先级越高的AC，CWmin[AC]和CWmax[AC]值越小。
    ◆引入了发送机会(TXOP)的概念。TXOP是QSTA有权在无线媒体上发送帧交互序列的时隙时间，QSTA应确保它的TXOP的持续时间不会超出规则指定的TXOP最大持续时间，如果要发送的数据太大而不能在一个TXOP限制内发送完，则这个站点就把该数据包分多次发送。
    ◆可以使无线接入点(AP)能够根据无线站点(STA)的数据类型与丢包、时延及抖动的敏感度分配无线资源，提高了无线带宽的利用率和数据包的管理能力。
    2.HCCA机制相比于PCF机制主要有以下改进之处
    ◆由于HCCA机制的工作也分为竞争期CP和无竞争期CFP，在竞争期CP阶段，使用EDCA机制竞争信道，因此它具有上述的EDCA优于DCF的全部优点。
    ◆HCCA能够在竞争期CP阶段轮询站点，并能基于QSTA具体通信业务流的需要，对数据包进行排序，而不像PCF那样，只能在无竞争期CFP阶段轮询站点。
    ◆混合协调器HC具有比其他站点(STA)都高的优先权。由于帧间隔PIFS比DIFS和AIFS都要短，因此HC无需与其他站点竞争，就可以获得信道的控制权。
    ◆HCCA中的轮询TXOP具有QoS(+)CF-Poll帧描述的周期，在一个TXOP的时间间隔内，一个QSTA可通过发送多个序列交互帧实现HC的虚拟载波检测，从而提供改进的CFP保护。
   四、结束语
    本文对传统的IEEE802.11标准MAC层接入机制和新近发布的IEEE802.11e标准所推出的旨在提高多媒体实时业务QoS的新技术做了较为详细的分析，从分析中可看出，IEEE802.11e标准提供了综合的QoS解决方案，较原先802.11标准已有了显著的改进，基本能满足多媒体实时业务在WLAN中播放的QoS要求。业界已有不少厂商，如Atheros、Broadcom、飞利浦已推出了基于802.11e标准的WLAN芯片和产品，国内的厂商如华为3Com也在积极开发相关的产品，相信在不久的未来，人们通过WLAN流畅的观看网络电视，进行在线音视频交流将成为一种现实。