一、 引言

　　無線局域網（WLAN,即Wireless Local Area Network）和無線個域網（WPAN,即Wireless Personal Area Network）是對目前無線接入系統的補充，近年來得到了迅速的發展。WLAN可以使網絡用戶擺脫網線的束縛，在企業、家庭、酒店、機場等熱點地區向終端用戶提供高速數據傳輸。WPAN能在便攜式消費者電器和通信設備之間進行短距離高速通信，覆蓋范圍比WLAN小，一般在10 m半徑以內。

　　IEEE WLAN工作組在1997年制訂了802.11協議標準，1999年8月增加了802.11b和802.11a標準［1］。IEEE802.11b可提供的數據速率為11 Mbps，而IEEE802.11a傳輸速率最高可達54 Mbps，雖然這樣的高速率可以滿足一般的網絡應用，但是對于發展迅速的家庭數字媒體應用，如實時視頻、HDTV來說仍顯不足。為了解決數字攝像機、數字電視機、數字照相機、MP3播放機、打印機、投影儀和筆記本電腦等便攜式消費電器的高速互聯問題，IEEE WPAN工作組發起了802.15.3高速率WPAN任務組，針對消費者圖像和多媒體應用，為低功率低成本的短距離通信制定速率為11～55　Mbps的802.15.3標準；還成立了802.15.3a研究組（SG3a），目的是尋求更高傳輸速率的物理層替代技術，目前研究領域方興未艾的超寬帶（UWB,即Ultra Wideband）技術［2］最有希望成為802.15.3a的PHY標準，提供高達500 Mbps的超高傳輸速率。

　　隨著無線網絡上流量的劇增，用戶在享受寬帶無線接入的同時，對于有效、魯棒的服務質量（QoS）保障的需求也越來越突出。QoS的實現首先要精確區別每個網絡應用的類型，其次要恰當地分配網絡資源，如帶寬和相對優先級等。早期的QoS研究主要針對有線網絡，在網絡層以上提供服務質量保障。如綜合服務/資源預約（IntServ/RSVP）、區分服務（DiffServ）、多協議標簽交換(MPLS)、流量工程(Traffic Engineering)、約束路由(CBR)、子網帶寬管理(SBM)等［3］。但是上述的QoS機制并不能直接應用于無線網絡中，主要有2個原因：首先，無線傳輸與有線傳輸截然不同，在無線傳輸中，串擾和多徑傳播將導致衰落和色散，因此無線網絡具有數據傳輸率低而誤碼率高的特點；而WLAN和WPAN等為了保證靈活性和兼容性，協議標準一般只制訂MAC層和PHY層規范，從而造成網絡上層的QoS與無線鏈路層的分離，最終QoS無法得到充分發揮；其次，隨著無線接入技術的發展，異質網絡的應用將越來越普及，各種應用一般會經過無線接入、有線骨干網傳輸、無線接入的傳輸途徑，在這種情況下，緊緊依靠傳統的有線網絡QoS機制已經無法提供端到端的服務質量保障，迫切需要一種能夠針對無線信道的特點，在無線鏈路層媒體訪問控制（MAC）子層提供網絡業務的區分、優先級控制、資源分配等的QoS控制和保障，從而使無線網絡和有線網絡的QoS進行整體規劃。

　　本文將研究兩種提供QoS保障的無線網絡媒體訪問控制協議——2002年5月公布的IEEE802.11e D3（草案）［4］和2003年2月公布的IEEE802.15.3 D16（草案）［5］，首先分析兩種MAC協議的媒體訪問機制，其次對比兩種協議在處理多種數據業務類型、不同的網絡配置、解決“隱藏節點”問題等方面的優缺點，最后給出結論。

　　二、IEEE802.11e MAC協議及其QoS機制

　　IEEE802.11e的媒體訪問控制策略從總體上說是對802.11 MAC協議的改進和增強。在介紹802.11e MAC協議之前，首先對802.11 MAC協議的基本機制作簡要分析。

　　1.IEEE802.11 MAC協議的DCF、PCF訪問

　　控制策略IEEE802.11 MAC協議［1］定義了兩種操作，在信道爭用期的分布式協調功能（DCF）與非信道爭用期的點協調功能（PCF）。其中，DCF是必備的功能，而PCF由各WLAN設備硬件廠家來決定是否實現。

　　DCF采用載波偵聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA）的媒體訪問方式，可以形象地比喻為“先聽再說”（如圖1所示）。節點（STA）在發送數據前要先檢測信道是否空閑，如果信道空閑則準備發送MAC業務數據單元（MSDU）。如果2個STA同時檢測到信道空閑并開始發送數據就會發生沖突，為此，802.11定義了沖突避免（CA）機制來降低發生沖突的概率。為解決CSMA方式引起的“隱藏節點”問題，802.11定義了請求發送/清除發送（RTS/CTS）機制。在傳送數據幀以前STA先發送一個短RTS幀，接收方接收到RTS后立即發送一個CTS幀，RTS和CTS幀中都包含了下一個數據幀的長度信息。因此STA附近的其他STA及接收數據的STA附近的“隱藏節點”通過設置網絡分配向量（NAV）定時器，在NAV規定的時間內不發送數據以避免數據沖突。RTS/CTS和NAV機制可以有效保護長數據幀免受“隱藏節點”的碰撞。

　　上述DCF操作中，由于各STA在發送數據前需要對信道進行爭用，因此DCF無法對時延敏感的業務提供QoS保障。因此，802.11協議定義了點協調功能（PCF）來保證STA以一定的優先權接入到無線信道中，如圖2所示。STA的優先權由點協調器（PC）來協調。PCF發起數據傳輸的等待時間間隔稱為PIFS， PIFS介于SIFS和DIFS之間，因而PCF比DCF的優先級高。PCF的傳輸時間被劃分為重復的周期，即交替出現的競爭周期（CP）和非競爭周期（CFP）。CP和隨后的CFP一起組成超幀。在CFP階段采用PCF機制接入無線信道，在CP階段則使用DCF機制傳輸數據。超幀由信標幀（Beacon）開始。信標幀是一種管理幀，它維持STA內本地定時器的同步，并負責傳送協議相關的參數。PC周期性的產生信標幀，下一個信標幀到來的時間被稱為目標信標幀傳輸時間（TBTT），每個信標幀中都攜帶該信息。每個STA被PC輪詢后發送數據，因而不會發生沖突。PC通過發送CF-Poll幀輪詢有數據要發送的STA，STA接收到輪詢幀以后給出確認。若PC在等待了一個PIFS的時間后沒有收到STA的響應，可以繼續輪詢其他的STA，一直到CFP的結束。PC通過發送一個特殊的控制幀CF-End來指示CFP的結束。?

　　２．IEEE802.11e基于EDCF、HCF的QoS機制

　　為了改善802.11協議對于QoS的支持，IEEE802.11工作組正在制訂802.11 MAC協議的增強機制，也稱為802.11e。它引入了增強的DCF（EDCF）和混合協調功能（HCF）兩種機制。具有IEEE802.11e QoS功能的STA被稱為QSTA（QoS-ca?pable STA），為其他STA提供集中控制的QSTA被稱為混合協調器（HC），HC通常由AP來擔任，此AP也稱作QAP。802.11e兼容超幀中CP和CFP循環周期。EDCF只在CP階段使用，HCF在CP和CFP期間都可以使用，因而是一種混合協調功能。

　　EDCF是HCF的基礎，它通過引入業務流分類（TC）來實現QoS支持，圖3示意了802.11e EDCF機制與802.11的區別。MSDU通過多次退避延時后才能發送，每次退避的時間由TC參數來確定。在CP階段，QSTA內的每個TC競爭一個發送機會（TxOP），并在檢測到信道空閑后獨立地進行延時退避，檢測信道的時間被稱為仲裁幀間間隔（AIFS），參見圖4。AIFS不小于DIFS，并可以根據TC類別設置不同的值。在等待一個AIFS后，每個STA設定一個［0, CW+1］的隨機計數器開始延時退避，CW(競爭窗口函數)的最小值取決于TC。在傳統的DCF中，在計數器遞減到0之前如果檢測到信道忙，則只有再等待DIFS時間并檢測到信道空閑以后才繼續進行遞減計數。EDCF中，在AIFS期間檢測到信道空閑以后，在AIFS周期結束前的最后一個時隙間隔的開始時刻對退避計數器遞減計數，而DCF則在DIFS結束后的第一個時隙的開始時刻遞減計數。發生沖突后改變CW的策略也有所不同。DCF是將CW簡單地加倍，而EDCF中則根據PF因子來修正原先的CW，而且CW的取值不能超過某個上限值。 ?

　　每個STA內可以采用虛擬隊列的形式來實現8種不同的TC，并賦予不同優先級的QoS參數。QoS參數可以由HC來修改，并在信標幀中進行周期性的廣播。如果同一個STA內的多個TC的退避計數器同時減到0，則會發生虛擬沖突，調度器為優先權最高的TC分配TxOP來解決虛擬沖突問題。還應該注意到，802.11e的8種TC所定義的業務優先級與以太網中的IEEE802.1D/P/Q標準［６］對于以太網業務區分的定義是相同的，這意味著802.11e可以與以太網QoS完美地結合，這也有利于開發符合802.11e標準的QSTA、QAP產品。

　　802.11e HCF擴展了EDCF的接入規則。在CP期間，使用EDCF規則檢測到可用信道或者STA從HC處接收到QoS CF-Poll輪詢幀后，則TxOP開始。TxOP是802.11e最重要的特性之一，TxOP定義了STA可以發送數據的時間段，包括開始時間和最大持續時間。QoS CF-Poll輪詢幀在檢測到信道空閑一個PIFS時間后不需延時就可以立即發送，因此HC在CP中具有較高的優先權。在CFP期間STA不能競爭接入無線信道，只能等待HC發送QoS CF-Poll來分配TxOP。CFP階段在信標幀中聲明的時間內結束，或者也可以由HC發送CF-End幀來顯式的結束。

　　802.11e中還定義一種可以快速解決碰撞的受控式競爭協議。每個QSTA的狀態信息要及時更新，HC通過該狀態信息得知某個STA是否有數據發送來確定是否要對該STA輪詢，以及輪詢的開始時間和持續時間。受控競爭機制允許STA通過發送資源請求來要求分配TxOP，而不用同其他的業務流競爭，HC根據當前資源狀況對接收到的資源請求幀予以確認。