802.11协议精读20：初探802.11e（WMM）

序言

最初的802.11协议是没有考虑QoS（Quality of Service，服务质量保证），后来随着802.11b/g版本逐渐在商业场景中获得成功，Wi-Fi的应用场景越来越多。WiFi被更多的用于传输高带宽，低延迟的应用，这也导致无线QOS需求也越来越多。

本文我们就简要介绍802.11协议中的QoS部分，之后几篇我们会对于细节进行展开。

QoS in IEEE 802.11

当前的主要网络架构都是基于“best-effort”的思想设计的，“best-effort”的一种理解即尽力发送，但是无法保证业务流量的QoS，影响QOS的包含延迟，丢包率，抖动等等。

初期在设计802.11协议时，是没有考虑到数据QoS的。但是万事没有绝对的，实际上在初始协议中，有一种帧已经体现出了QoS，该帧也就是Beacon帧。我们通过Beacon这个例子，说明一种802.11协议提供QoS的方法。

802.11中Beacon的时间间隔是TBTT（Target Beacon Transmission Time），其对应的QoS也就蕴含着，在TBTT这个时刻范围，AP需要立刻抢占到信道，发送Beacon帧。而我们知道，802.11协议中，任何一个节点（无论AP还是节点）都是需要竞争信道的，如果是公平竞争的话，那么AP有可能没有办法抢占到信道，从而就会造成很大的延迟，故无法保证QoS，为了保证QoS，所以我们要让AP拥有最高的优先级抢占信道。

我们以下图为例，简单回顾802.11的竞争过程。

1. 节点要等待DIFS时间，在该时间片内，节点首先通过SIFS时间片切换天线的发收状态，然后监听2个Slot（这两个slot是在DIFS内部，不算入CW倒数部分），如果2个Slot都是空闲的话，那么意味信道是空闲的，那么节点可以发起随机接入。
2. 节点在[0，CW]范围内选择一个随机数，作为backoff倒数过程的初始变量（即backoff counter）。该图中，节点选择的是4。每经过一个slot，倒数1次（如图所示的3->2->1的倒数过程）。当倒数到0时，节点获得了信道，从而发起数据传输过程。
3. 节点一次竞争，传输一个数据帧。当传输结束后，节点等待SIFS时间（实际上是进行天线的收发切换），进行ACK帧的接收。ACK是接收方反馈给发送方的确认帧，若发送方接收到该确认帧，那么本次传输完成，反之，传输失败并发起重传。

Remark：其余竞争过程的细节参考（802.11协议精读2：DCF与CSMA/CA）。

以上的一个传输过程中，等待时间DIFS和backoff counter是影响传输概率的主要影响参数。所以在Beacon的传输过程中，协议设置AP的等待时间为PIFS，并且设置CW=0（具体是设置CWmin=CWmax=0），从而AP选择的倒数时隙直接为0，即不用倒数，立刻发送。

以上图为例，我们简述AP发送Beacon的竞争过程：

1. AP发送Beacon时候等待的时间片为PIFS，PIFS实际上就是SIFS加上一个SLOT，即监听一次信道空闲即可。由于PIFS
2. 此时又因为AP选择的backoff counter为0，所以立刻占据信道，发送Beacon。在AP发送Beacon时，信道变为busy状态，所有节点都需要接收该beacon。
3. 由于Beacon是一个广播帧，所以没有反馈ACK的环节。当Beacon发送完后，该轮传输完成，节点再次等待DIFS时间后，再次竞争信道。

以上，就是一种802.11中提供QoS的具体方式。基于这种方式，IEEE 802.11协议组定义了802.11e，该协议中将传统的DCF和PCF更替为EDCA和HCCA，后者能够提供QoS。在802.11e中，统一了提供QoS的MAC层接入机制，比如IFS，或者Backoff counter如何控制，除此之外，802.11e还增加了一些关于节能，WiFi直连等额外功能，其所包含主要功能如下：

• TXOP（Transmission Opportunity）
• EDCA（Enhanced Distributed Channel Access ）
• HCCA（HCF Controlled Channel Access）
• APSD（Automatic Power-Save Delivery）
• Block Ack（Block Acknowledgement）
• DLS（Direct Link Setup）

802.11e和WMM

无线QOS的产品实际上是从2002年就开始有了（参考Cisco《端到端QoS网络设计》），在2004年中期IEEE 802.11 Task Group通过了802.11e协议，同年，Wi-Fi Alliance也颁布了WMM（Wi-Fi MultiMedia）。

一般情况下，我们可以粗略认为802.11e和WMM是同一个事物，只是来源于不同的定义。如果考虑细节的话，实际上WMM是802.11e中有关EDCA这部分的分支，关于HCCA部分，WMM是没有兼容实现的。如下图所示，参考《The IEEE 802.11 Universe》。

802.11e中，其e的含义即是增强的MAC层（enhancements to the MAC layer，参考《The Innovation Journey of Wi-Fi》）。

802.11e的发展

802.11e协议也在进一步演进，其主要的一些设计，也被802.11项目组进一步演进，成为后续协议的重要组成部分：

• 802.11n：其在802.11e所设计的TXOP和Block ACK基础上，进一步演进协议的MAC层效率，以及还有节能模式上，比如PSMP，SMPS之类的引入。
• 802.11s：该协议规范了mesh网络下802.11的工作原理，其现在所采用的多信道的MAC层接入方式，就是基于802.11e中的EDCA所规定的。
• 802.11aa：该协议主要是视频/语音的组播/广播流的优化，因为在标准的802.11协议中，单播流都是包含ACK的，比如速率适配，ARQ这些，也是基于ACK的反馈进行调节的。缺少了ACK的反馈，那么如何保证这一类流量的QoS性能，就是802.11aa进一步设计的内容。
• 802.11z：这一部分是继续深化802.11e中的direct link setup的相关内容，802.11e中开始提及到的direct link实际上和通信网所提的D2D是相同的概念，而且现在应用很广泛。
• 802.11ae：初始的802.11e仅仅涉及数据帧的QoS优化，对于802.11协议中出现的一些控制帧，是在802.11ae协议中规定的，以此完善整个802.11协议的QoS体系。

本文目前初步介绍了802.11协议中QoS示例，以及简单介绍了802.11e协议的框架和演进，后面我们针对协议的具体运作，一步步再进一步展开。