IEEE802.11e

1. 引言

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EEE 802.11标准和新近正式发布的IEEE 802.11e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。

2. 传统的802.11标淮及其MAC层接人机制分析

正如我们所知，IEEE 802.11 MAC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(Distributed Coordination Function, DCF)和集中控制访问机制，也称集中协调功能(Point CoordinationFunction,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)和无线接人点(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，开始引人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。

3. IEEE 802.11e标准与基于业务类型的QoS机制分析

由于传统的基于IEEE 802.11标准的WLAN只能提供“尽力而为”(Best-efford)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1EEE 802.11e协议，以支持不同业务类型的QoS。

IEEE802.11e标准是对原来IEEE 802.11标准的MAC层增强协议，它提出了两种新的MAC层接人机制—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。

3.1. 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1EEE 802.1D的访问类型(Access Category, AC), 使用8种用户优先级(Priority)来接人无线媒体，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。

IEEE 802.11e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(Transmission Opportunity, TXOP).

—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IEEE 802.11e标准中又增加了一种帧间隔，即仲裁帧间间隔(Arbitration IFS, 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所示。

AIFS不像DCE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的无线接人点(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，延迟接人信道。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人网络，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，
• TXOP Limit: 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將获得发送机会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AIPS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。

3.2. HCCA（略）

参考于 周楠,傅丰林.WLAN中多媒体实时业务的QoS保证机制研究[J].通信世界,2006(43):55-56.