IEEE802.11e规范的服务质量保障机制解读

服务质量(QoS)对于增强基于时间的数据在无线局域网中传输的可靠性、减少资源争夺从而提高频带利用率具有重要意义。802.11e标准提供了两种提高服务保障的新机制，即信道争用期的增强分布式协调功能(EDCF)与非信道争用期的混合点协调功能(HCF)，本文详细解读了这种机制。

图1：IEEE802.11的分布式协调功能(DCF)机制。

作为目前通信领域发展最快的分支之一，无线通信系统已大体上形成了无线广域网(WWAN)、无线局域网(WLAN)和无线个人网(WPAN)的格局，而且分别具有了在相应领域中的通信标准：GPRS/3G(WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA)、WLAN 802.11系列和蓝牙/Zigbee。虽然目前各网络之间还不能实现无缝的融合连接，但人们已经开始将不同网络功能集成到一个终端当中，以使人们可以在可能的情况下选择最好的接入方式，而不同网络之间的无缝连接、自动漫游将是无线通信系统的最终目标。

借由无线电波取代传统网络线，由热点、支持802.11x协定(包括Wi-Fi)的客户端装置组合起来的WLAN环境，的确将使用户从牵牵绊绊的网络线堆中解放出来。最初人们是希望用无线接入的方式获得有线以太网的数据通信速率，但目前其最高数据传输率已达到54Mbps，是可提供最大无线接入带宽的标准。并且业界从安全、服务质量控制、漫游、兼容性和与其他网络的融合等方面制定一系列标准，而且还在改进和发展。无线局域网正在成为或已经成为人们最经常使用无线接入互联网的方式，以其低成本、高速率、易于部署等特点成为近年来迅速增长的领域。

无线局域网标准发展

无线局域网的第一个标准802.11由IEEE在1997年正式确认，它是所有后续协议的基础，在物理层定义了三种具体的物理信道：红外方式、跳频方式和直接序列扩频方式，采用BPSK和QPSK两种调制方式，数据传输速率为1Mbps和2Mbps，工作在ISM 2.4GHz频段。其MAC层定义了数据帧格式、多址方式、信道共享模式以及网络结构和安全性等。

后续的802.11系列标准，其中802.11b/a/g主要在物理层上做出改进，以提供更高的通信速率，其技术性能比较见表1。

新的802.11n标准值得一提，它旨在提高效率，并试图增加物理层数据信道的使用，提高速度，以满足高清晰度视频传输、家庭影院等全新应用对数据速率的更高的要求。802.11n使超过100Mbps的速率不再是梦想，甚至有报道称可以达到320Mbps的最高速率。

而802.11i/e/f等标准主要在MAC层上对无线局域网的安全性、QoS控制和漫游等方面进行了完善和更新。

图2：IEEE802.11的点协调功能(PCF)机制。

其他802.11x标准也各有不同程度的补充和完善，如802.11h是欧洲版的“802.11a”；802.11j是日本版的“802.11a”；802.11k是为方便WLAN网络管理而设；802.11m用于对802.11各标准进行维护；802.11p主要应用于智能交通领域的无线连接；802.11r对802.11的快速漫游进行了改进，将能保证热点间连接的无缝性；802.11s对802.11增加了mesh网络的支持。

802.11e MAC协议及其QoS机制

随着无线局域网的逐步普及，如何保证实时性较强的多媒体应用(如VoWLAN、模拟音视频设备与提供数字音视频的PC设备之间的无线桥接等)业务的QoS问题变得日益突出。

但是在无线传输中，由于串扰和多径传播而导致的衰落和色散使无线网络数据传输率低且误码率高(同有线网络相比)，这使得在有线网络中网络层以上提供QoS的做法与无线信道的特点脱节，无法达到预期的效果。

另一方面，采用从无线接入到有线骨干网传输再到无线接入的异质网络连接的传输途径正逐渐普及，在这种情况下，仅靠传统的有线网络QoS机制已经无法提供端到端的服务质量保障。

于是迫切需要一种能够针对无线信道的特点，在无线链路层MAC子层提供网络业务的区分、优先级控制、资源分配等的QoS控制和保障机制，从而对无线网络和有线网络的QoS进行整体规划。

802.11e标准的MAC策略就是WLAN处理这一问题的答案，它实际上是对802.11 MAC协议的改进和增强。

1. 802.11 MAC协议的DCF、PCF访问

控制策略IEEE802.11 MAC协议定义了两种操作，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设备硬件厂商来决定是否实现。

图3：IEEE802.11e增强DCF(EDCF)的业务分类。

DCF采用载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)的媒体存取方式，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。

图4：IEEE802.11e的EDCF机制。

PC周期性地产生信标帧，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。

2．802.11e基于EDCF、HCF的QoS机制

802.11e改善了802.11协议对于QoS的支持。它引入了EDCF和HCF两种机制。具有IEEE802.11e QoS功能的STA被称为QSTA(QoS-capable 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。

对于传统的DCF，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。对于EDCF，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。

表1：802.11b/a/g技术性能比较。

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帧来显式地结束。

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。

关于WME

考虑到基于时间的数据传输的QoS重要性，在IEEE正式批准802.11e标准(预计在2005年上半年)之前，已经有一些无线设备制造商开始在实施能基本满足近期需要的QoS机制，这些大都是基于EDCF的，最有代表性的就是由Wi-Fi联盟开发的无线多媒体增强(WME，Wireless Mutimedia Enhancements)技术。WME技术并不是除802.11e标准之外的又一个标准，它实际上只是部分地使用了EDCF的标准，所以WME技术是802.11e的一个子集，或者说是在802.11e正式批准之前的过渡标准。一旦802.11e被批准，采用WME技术的设备都可以升级到802.11e标准。

另外，Wi-Fi联盟还提出了无线计划媒体(WSM，Wireless Scheduled Multimedia)技术，这是基于HCF机制的增强QoS的技术。Wi-Fi联盟将初步使用WME，当802.11e标准最终批准之后才有可能采用WSM。

本文结论

IEEE802.11e标准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探索并推动了标准化工作和相关产业的迅速发展。尽管在QoS性能上表现还存在不足，不具备象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，但该标准的最终通过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。

武警工程学院通信工程系