无线局域网QoS技术发展研究

　　无线局域网（ＷＬＡＮ）正在迅速地融入我们的生活。ＩＥＥＥ ８０２．１１作为全世界部署最为广泛的ＷＬＡＮ技术，被普遍认为将在下一代无线通信中发挥重要的作用。然而，由于ＩＥＥＥ ８０２．１１技术并没有内建对ＱｏＳ的支持，使得ＩＥＥＥ ８０２．１１ ＷＬＡＮ在提供音视频等需要ＱｏＳ保障的业务方面遇到极大的挑战。

　　为了增强ＩＥＥＥ ８０２．１１ 的ＱｏＳ性能人们已经做了大量的工作，本文即是对以前的工作进行总结，并介绍了ＩＥＥＥ ８０２．１１ｅ协议的细节及其应用和部署。

　　一、传统IEEE 802.11 QoS机制

　　ＩＥＥＥ ８０２．１１媒体接入控制（ＭＡＣ）子层协议定义了两种信道接入方式：基本的分布式协作模式（ＤＣＦ）和可选的点协作模式（ＰＣＦ）。

　　１． 分布式协作模式

　　在分布式协作模式（见图１）中，当一个节点检测到物理信道空闲时间超过分布式协作模式帧间隔（ＤＩＦＳ）之后，节点进入退避状态，每个节点维护一个退避计时器，此计时器从Ｂａｃｋｏｆｆ＿ｔｉｍｅ＝ｒａｎｄ［０，ＣＷ］×ＳｌｏｔＴｉｍｅ中取值并按照时槽递减，这里ＣＷ为当前竞争窗口。当退避计时器为０时，节点发出请求发送（ＲＴＳ）信号。如果在规定时间内没有允许发送（ＣＴＳ）信号返回，则节点认为发生了冲突从而使竞争窗口加倍，选择新的退避计时器重复上面的操作。

图1 分布式协作模式

　　２． 点协作模式

　　点协作模式是８０２．１１可选的工作方式，具有比分布式协作模式更高的优先级。点协作模式使用接入点（ＡＰ）控制的轮询调度策略，在允许点协作模式工作的情况下，接入点通过检测信道空闲点协作模式帧间隔（ＰＩＦＳ）来抢先捕获信道，通过发送信标来发起信标间隔（又被称为超级帧）。在这个超级帧里，非竞争期和竞争期交替进行。在非竞争期，接入点首先通知各个节点屏蔽各自的分布式协作模式，并在自己的节点列表里选择一个节点给予发送数据的机会。最后接入点发送ＣＦ－Ｅｎｄ信号来结束非竞争期，进入竞争期周期。图２表示了点协作模式的工作方式。

图2 点协作模式

　　３．传统ＩＥＥＥ ８０２．１１协议的ＱｏＳ局限

　　传统的ＩＥＥＥ ８０２．１１协议对ＱｏＳ的支持非常糟糕。从上面的描述可以看出，分布式协作模式没有区分业务类型，各种业务在同一优先级下竞争信道，仅仅提供了“尽力而为”型的服务，没有任何ＱｏＳ保证。

　　对于点协作模式，其ＱｏＳ支持也具有很大的局限性：由于竞争期节点发送的数据长度不能控制，使得下一个目标信标传输时间（ＴＢＴＴ）的信标发送产生延迟；而在非竞争期被轮询的节点发送的数据大小也不可控，因此节点的传送时间也不易被接入点控制；接入点的轮询调度算法过于简单，同样没有区分业务类型。

　　以上所述说明了ＩＥＥＥ ８０２．１１在ＱｏＳ保障方面的局限性。然而ＩＥＥＥ ８０２．１１协议本身的特点，比如分布式协作模式的退避算法和帧间隔（ＩＦＳ）、点协作模式的轮询算法等，给研究人员提供了增强ＩＥＥＥ ８０２．１１协议ＱｏＳ性能的可能性。大量的研究工作针对ＩＥＥＥ ８０２．１１协议进行了ＱｏＳ性能的增强，本文在下一部分进行阐述。

　　二、针对IEEE 802.11 MAC协议的QoS增强技术

　　针对传统ＩＥＥＥ ８０２．１１协议的ＱｏＳ增强主要集中在以下几个方面：在分布式协作模式中，通过修改协议参数，比如退避算法、帧间隔、最大最小竞争窗口、最大帧长度等来区分优先级；在点协作模式中，通过修改调度算法等来实现ＱｏＳ的增强。

　　１．退避算法

　　ＩＥＥＥ ８０２．１１协议规定，在节点检测到物理信道空闲ＤＩＦＳ之后，为了避免冲突，节点要进入退避阶段。只有退避计数器递减至０时，节点才能真正发送数据。因此，退避时间越短，则节点接入信道的时间越短，节点也就有了接入信道的更高优先级。

　　很多增强技术都涉及退避算法的修改，比如ＤＣ算法使用两种退避算法分别对应两种优先级的节点，分布式公平调度（ＤＦＳ）算法也采用多种退避算法等，目的都是通过区分退避时间的大小来区分节点的优先级。

　　２．区分帧间隔

　　帧间隔越短，表明节点需要检测信道空闲的时间越短，节点进入退避阶段的时间也就越短，因此可以使用不同的ＩＦＳ来区分节点的优先级。

　　结合退避算法，ＤＣ算法中同时引入了两种退避算法和两种帧间隔，从而区分了四种优先级，这两种帧间隔分别为ＰＩＦＳ和ＤＩＦＳ。同样在ＡＣ演算法中也引入了不同的ＤＩＦＳ来区分优先级。

　　３．竞争窗口

　　竞争窗口的大小和退避时间有直接的关系。ＩＥＥＥ ８０２．１１中的退避时间为Ｂａｃｋｏｆｆ＿ｔｉｍｅ＝ｒａｎｄ［０，ＣＷ］×ＳｌｏｔＴｉｍｅ，这样竞争窗口越小，其发送数据之前需要退避的时间就越短，优先级就越高。

　　一些算法修改了ＩＥＥＥ ８０２．１１竞争窗口简单加倍的算法，比如在ＡＣ算法中，对于冲突节点，其竞争窗口的增长算法为，其中Ｐｊ即是区分不同优先级的计算因子。而在虚拟ＭＡＣ（ＶＭＡＣ）算法中，不同优先级业务的最大竞争窗口和最小竞争窗口的值都不相同。

　　４．最大帧长度

　　ＡＣ算法中，允许高优先级节点的最大帧长度大于低优先级节点的最大帧长度。通过修改最大帧长度，可以使高优先级节点在每次访问信道时可以传输更多字节的数据，从而保证了高优先级的业务。

　　此外，还可以通过差错控制技术来提高ＱｏＳ，比如使用快速自动请求重发（ＡＲＱ）、前向纠错（ＦＥＣ）等技术。

　　三、IEEE 802.11e协议

　　为了有效地支持ＱｏＳ，ＩＥＥＥ ８０２．１１任务组提出了８０２．１１ｅ协议。在此协议中，所有业务被分为４种接入类别（ａｃｃｅｓｓ ｃａｔｅｇｏｒｙ），并引入了８种业务流（ｔｒａｆｆｉｃ ｓｔｒｅａｍ）以区分优先级。

　　１．增强分布式协作模式

　　增强分布式协作模式（ＥＤＣＦ）引入了４个队列，这４个队列对应于８个优先级。每个队列都独立工作，首先在一个８０２．１１ｅ节点内部争夺传输机会（ＴＸＯＰ），获得传输机会的队列才能真正获得信道接入的机会。如果有两个队列同时获得传输机会，则通过一个调度器来根据优先级调度一个队列接入信道，见图３。

图3 传统802.11分布式协作模式与802.11e增强分布式协作模式的区别

　　在增强分布式协作模式中，还有一个重要的概念是仲裁帧间隔（ＡＩＦＳ）。在节点内部，不同队列所拥有的帧间隔、退避时间和竞争窗口各不相同。增强分布式协作模式中的帧间隔用有优先级区分的AIFS[ACi]=AIFSN[ACi]×SlotTime+SIFS来表示。每个接入类别队列的退避算法为Ｂａｃｋｏｆｆ＿ａｉｍｅ[ACi]＝ｒａｎｄ(1,CW[ACi]×SlotTime，其竞争窗口计算为：newCW[ACi]=(oldCW[ACi}=1×PF)-1。图４表示了增强分布式协作模式的一些细节。

图4 增强分布式协作模式

　　２．混合协作模式

　　混合协作模式（ＨＣＦ）的ＱｏＳ保障是基于接入点和节点间的业务量规范（ｔｒａｆｆｉｃ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ）协商而建立的。在开始发送有ＱｏＳ要求的数据之前，在接入点和节点之间建立一种叫做业务流的虚拟连接，将平均数据速率、时延限制等ＴＳＰＥＣ参数传递给接入点，接入点根据这些参数计算分配给各个节点的ｐｏｌｌｅｄ－ＴＸＯＰ（见图５），并将各个ｐｏｌｌｅｄ－ＴＸＯＰ与节点关联起来。通过这种方式，每个节点中的调度器根据不同的优先级将发送机会和业务流联系起来。

图5 混合协作模式

　　值得注意的是，在ＩＥＥＥ ８０２．１１ｅ的竞争周期，接入点可以随时控制信道，这个时间段称为控制接入状态 （ＣＡＰ）。在ＡＰ控制时间内，当一个节点收到ＱｏＳ ＣＦ－ｐｏｌｌ帧之后，被允许以无竞争突发模式（ｃｏｎｔｅｎｔｉｏｎ－ｆｒｅｅ ｂｕｒｓｔ）连续地发送多个ＭＡＣ帧，其接入信道的时间总和不能超过接入机会的时间限制。如果节点没有数据发送，则发送一个ＱｏＳ－Ｎｕｌｌ帧返回接入点，接入点接着轮询其他的节点。

　　四、IEEE 802.11e的应用与部署

　　目前，基于ＩＥＥＥ ８０２．１１ｅ草案的ＷＬＡＮ芯片已经出现，而Ｗｉ－Ｆｉ也已经为这一技术推出了商业化的名称——无线媒体延展（ＷＭＥ），以此来规范ＩＥＥＥ ８０２．１１ｅ正式推出之前的无线网络市场，杜绝互操作性差的设备出笼，从而使无线网络设备无缝地进入８０２．１１ｅ时代。

　　基于ＷＬＡＮ的无线多媒体业务将因为８０２．１１ｅ标准的推出而变得更加有效，比如支持ＶｏＩＰ的Ｗｉ－Ｆｉ手机和基于８０２．１１ａ／ｂ／ｇ＋８０２．１１ｅ的ＶｏＷＬＡＮ技术。ＩＥＥＥ ８０２．１１ｅ把语音业务的优先级设为最高，以保证语音业务严格的低延时要求。相比以前专利化的ＷＬＡＮ ＱｏＳ保证机制，ＩＥＥＥ ８０２．１１ｅ的推出将使设备成本更低，市场推广更为有力。

　　ＶｏＷＬＡＮ的部署是个值得考虑的问题。单接入点环境下的８０２．１１ｅ会是８０２．１１的绝对增强。这就是说，家庭、家庭办公室和小型办公室的通信和多媒体应用能力将得到很大的提高。然而，大型的配置还会有问题。大型配置意味着有很多距离很近的接入点和更多的节点。在这种环境下，增强分布协作模式将会因为更多的冲突使得性能大幅下降，而在混合协作模式中，各个接入点的互操作将变得非常重要。

　　五、结语

　　近年来，各种针对ＷＬＡＮ的ＱｏＳ增强技术不断被提出。本文首先介绍了传统ＩＥＥＥ ８０２．１１的工作模式，并指出其在ＱｏＳ保障方面的局限，然后介绍了几种增强ＷＬＡＮ ＱｏＳ性能的技术，最后详细说明了ＩＥＥＥ ８０２．１１ｅ协议的细节及其应用和部署方面的问题。