802.11e规范的服务质量保障机制

IEEE802.11e规范的服务质量保障机制

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。

802.11e MAC协议及其QoS机制

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。

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。

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，

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（最短间隔）和DIFS(两个帧间隔)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。

AP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。AP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AP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。AP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。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)，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。

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。

给定帧间时隙(AIFS)的时间间隔来取代DIFS.AIFS不像DCF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的无线接入点(QAP)来分配。AIFS其长短由其流量的优先级决定：优先级越高，这个时间就越短。不难看出，优先级高的流量的传输延迟比优先级低的流量小得多。为了避免冲突，在8个优先级之外还有一个额外的控制参数，称为竞争窗口，实际上也是一个时间段，其长短由一个不断递减的随机数决定。哪个设备的竞争窗口第一个减到零，哪个设备就可以发送数据，其它设备只好等待下一个线路空闲时段，但决定竞争窗口大小的随机数接着从上次的剩余值减起。通过这种方式，实现了QoS的功能

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。

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