QoS -- 802.11

标准的发展趋势
符合802.11b标准的无线局域网为市场上无线网络的发展搭建了稳定的平台。Wi-Fi标准可保证不同厂商产品的互操作 性，从而确保最终消费者投资的安全。随着与802.11b同在2.4 GHz带宽上运行的更新802.11g网络的推出，无线网络得到进一步发展。它既能支持更高速率(最大54 Mb/s)，又具有向下兼容的特性。此外，消费者也可以选择在5 GHz频段上以相同的速率运行802.11a系统。然而，在欧洲，这种选择受到一些管制规则的限制(见802.11h部分)。目前，支持两种频率的系统正 在竞相投放市场，它们被称作“多模”、“combo”或“802.11a/b/g”等。Wi-Fi联盟正在对这些速度更快的网络类型的互操作性进行测试。 但迄今为止，还没有任何WLAN可以保证能达到传输话音和视频流的带宽和服务质量要求。为了解决这个问题, 802.11e标准已经被提出来了，虽然还没有得到最后通过，但当时标准的提出使基于802.11/Wi-Fi的业务、服务质量得到了飞跃。不过还是有一 些额外的需求被提出来，比如说在移动的设备上进行基于音频和视频的娱乐活动。所以尽管近些年基于802.11业务的能力和性能得到迅猛发展，但是目前的情 况只是在更新更强业务提供出来前的一瞬间，这种更新更强的标准就是802.11n， 这种标准基于增强的射频技术， 能够提供更高的带宽，增强的纠错性能和流量管理特性。

服务质量—802.11e
WLAN网络符合CSMA机制，与人们熟悉的以太网类似，它也根据突发式访问机制(在本文中通常称为“尽力而 为”)传输数据。由于特定的传输频率在某个地点和时间只能由一个站点连续使用，因而我们使用CSMA机制尽可能公平地为网络上的所有服务器服务。在很长一 段时间内，每个站点通过网络接收到的数据量总体而言是相同的，但随着时间推移，我们并不能保证数据容量，也不能保证它们在短时间内可以得到平等分配。在原 来的802.11标准中，它被称为分布式协调功能(DCF)，也称为点协调功能(PCF)，后者鲜为人知，因为它从来没有实施过。在PCF中，WLAN的 接入点(AP)可以设定固定的时间阶段，此阶段DCF功能被关闭，即所谓的无竞争阶段(CFP)。在这段时间内，属于DCF区域的站点被要求保持静默或者 不激活状态，而AP则轮询属于PCF区域的站点，从而提供一种“准服务质量”。然而，PCF虽然具有固有的QoS能力，但还是存在一些不足，所以从未得到 正式应用。
802.11e的QoS标准目前仍在制订过程中，它在QoS的管理上有了长足的进步，使得推广类似Voice over 802.11的业务成为现实。但是在802.11e的规范中仍然需要包括或增强相应特性，从而保证“无线娱乐”这样多媒体流业务能够得到象有线传输一样的 质量。802.11e为网络站点创建分配带宽的机制，并为物理介质(如果媒介无法再传输数据，例如严重干扰，将不能保证数据速率。因而这些保证只针对“已 在运行的媒介”)中可能发生的意外情况提供时间保证。该标准提供了两种机制，既可单独使用，也可结合使用。这种功能称为无线多媒体扩展(WME)，而在标 准中又被称为扩展数据信道访问(EDCA)，它可实现不同数据流的优先权分配。为此，每个站点和AP可以实现最多4种类别(背景、尽力而为、视频、音 频)，根据802.1d区分优先级的数据包将被映射到访问类别。QoS的实现如图1所示。
为执行该功能，每个站点的传输终端具有相应的4个等候队 列，发送到传输终端的数据包可以进行分类。此外，每个站点的规则是：清空优先级较高的队列，然后处理优先级较低的队列。作为标准类别，“尽力而为”业务可 与DCF进行协调。背景数据流的优先级最低，只有在网络允许时才被传输。顾名思义，视频和音频就是传输图像和话音，此时应该考虑到它们对网络的特定需求。 因为网络的需要，这时站点不能象以往那样，只为一个数据包占用无线网络，而是为一个系列的数据包 (在此定义TXOP为传输机会)，这对视频系列尤为有利。但必须注意的是，EDCA过程也称作参数化的服务质量控制，是一种统计学上的优先权分配方法。从 长期来看，具有更高优先级的数据流仍然会被分配给更多的带宽。就短时间间隔来说，低优先级数据流的速率也可能比中优先级数据流的速率快。EDCA无法为严 格的同步数据流或实时应用提供足够的安全性。
802.11e中的第二个访问程序是混合控制信道访问(HCCA)，它实施真正的轮询。为此，可在 AP上安装控制装置(HC为混合控制器)，负责轮询(有趣的是，标准没有说明如何实施HC)的管理。该站点接收8个出口队列，它们根据需求将数据分配到队 列中，以进行传输。所有等候队列必须通过所谓的流量规范(TSPEC)注册到AP。该TSPEC包含了站点对等候队列的“期望要求”(最小和最大的服务间 隔，最小的TXOP期限)。AP将返回一个所谓的日程表，其中包含等候队列的实际分配。这意味着它可能不符合“期望要求”。例如，如果AP已经超负荷，不 能再处理更多数据流，这种要求甚至可能遭到完全拒绝。现在，HC负责通过轮询处理各个站点排队。由于HCCA具有绝对的优先权，高于EDCA，因而HC实 际上能够在任何时候进行控制，通过适当方式处理要求严格(包括数据速率和同步性要求)的数据流。在此期间，EDCA被挂起，未处理相应的数据流。
除上述两种主要机制外，802.11e还提供以下特性：扩展的节能机制、更强的同步程序、拦阻认可，以及绕过AP在站点之间直接交换的“直接链路”。该标准已经出台了第四个草案，可能会在2004年中期通过审批。

5GHz在欧洲—802.11h
在世界各地，根据802.11a标准， 5GHz组件必须适应不同的波长范围。
802.11a 技术在美国使用比较普遍，发射输出一般为200mW或更高(达到1 W)，采用美国现有的全频范围。但是，在欧洲，只有在支持802.11h标准的以下重要单元时，才允许以较低的带宽(5.15~5.35 GHz)支持200mW输出，以高带宽(5.47~5.725 GHz)支持1 W的输出，而且只有以下两个802.11h标准的重要原理被支持时才能使用现有的所有信道。
?动态频率选择(DFS)。网络(即AP和相关站点)可根据目前的频谱情况，自行选择频率。如果必要，可以改变当前使用的频谱，以避开雷达和卫星的传输。通过这种方式，也可以避免其它WLAN，最高效地利用波长。
? 传输电源控制(TPC)。 所有通信合作伙伴的发射输出必须符合当前要求。在德国，规定的正常范围是6 dB。这样可以最大程度地减少其它WLAN的干扰。如果不支持TPC/DFS，在德国REGTP则只允许使用5.15~5.25 GHz，最大的发射输出可达30 mW。
802.11h标准对大量新数据包类型和信息领域进行了规定，站点和AP可与它们交换有关发射输出和频率 选择的信息。在连接阶段，当站点和AP熟悉时，两者的“能力”就能相互协调。在此，如果发现站点违反本地规定(比如发射输出过高，频率支持不匹配)时， AP就可以拒绝该站点。如果本地法规允许，在某些情况下，也可接受不支持802.11h的传统站点。
这一任务看似简单，实施起来却颇为不易。 DFS机制必须检查雷达信号能否被识别(在系统启动和当前运行时)。这种情况下使用的标准是ETSI EN 301893。规定的测试脉冲是2~60(符合802.11h的 WLAN启动被延迟，至少目前尚未应用)，脉冲宽度是5~210 ms。脉冲识别的阈值是-64 dBm，也就是WLAN可运行的波长。为进行有效的测量，AP可能暂时关闭WLAN(静态)，提示相关站点执行它们各自的测试标准，然后把测试结果转发给 AP。如果雷达识别结果为正，则目前频率上的运行会被中止，并且寻找其它“空”频率。放弃的频率随后会堵塞30分钟，系统不会考虑更多的DFS活动。实施 DFS的诀窍是：将这些过程集成到数据包传输中，使用户不会注意。
在当前的运行中，TPC机制负责动态调整相关AP站的发射输出，以控制无线信元 的尺寸，从而最高效地利用频率。为达到这一目标，它将交换所谓的TPC请求和报告数据包，从而确定连接水平。但遗憾的是，标准没有明确规定：在这种情况 下，必须应用哪种标准和方法，对于制造商而言这也是一个问题。

高吞吐量的WLAN (802.11n)
最近，许多基于IEEE 802.11的无线产品竞相进入市场，达到最快54 Mbit/s的数据速率。然而，高清晰度视频传输、家庭影院等全新应用对数据速率却有更高的要求。针对这一情况，IEEE成立了“n”工作组，负责制订支 持超过100 Mbit/s数据吞吐量的标准。
对于802.11a和 802.11g，物理层上的数据速率是54 Mbit/s。由于系统的消耗，数据在系统上传输的真正速度(数据吞吐量)只有30 Mbit/s。新的802.11n标准旨在提高效率，并试图通过增加物理层数据信道的使用来提高速度。现有三种提高数据速率的方法：
?调制扩展。802.11a和802.11g标准最多使用一个64正交振幅调制(QAM)。在此期间，6bit数据同时在一个载波上调制。可以将该数值增加到256 QAM，每个