三、IEEE802.15.3 MAC協議及其QoS機制

　　在IEEE802.11 WLAN迅速發展的同時，另一種針對小型個域網絡、家庭數字媒體網絡的無線技術正在不斷地引起研究者和產業界的注意，那就是IEEE802.15 WPAN任務組針對數字視頻、圖像等多媒體應用而制定的高速率WPAN標準IEEE802.15.3。除了高速率外，802.15.3將為便攜式數字多媒體應用提供低功耗、低成本的解決方案。同時，IEEE802.15.3任務組（TG3）還成立了802.15.3a研究組（SG3a）來尋找更高速率的物理層替代方案，目前研究領域方興未艾的超寬帶（UWB）無線通信技術最有希望成為802.15.3a的PHY標準，提供高達500 Mbps的超高傳輸速率。802.15.3a研究組有望在今年被批準為任務組（TG），從而可以進行標準化的推進工作。802.15.3a研究組所尋找的物理層替代方案需要要實現下述目標： ?(1)支持DV、高清晰DVD、高清晰度打印機、掃描儀，MP3播放器快速下載、數碼相機靜態圖像傳遞等；

　　(2)在10 m的距離提供110 Mbit/s的傳輸速率，小于10 m的近距離時速度可達到500 Mbit/s，以替代當前廣泛使用的IEEE1394a（400Mbit/s），USB2.0（480 Mbit/s）基于線纜的數據傳輸。

　　802.15.3網絡拓撲結構為基于中央控制的面向連接的自組網（Ad Hoc）。網絡初始化時，由任一個節點（DEV）來擔任WPAN的協調器/調度器（PNC）。除了提供基本的網絡同步之外，PNC還要根據預先定義的QoS策略以及當前剩余的信道時隙數量（CT,即Channel Time）完成接納控制、分配網絡資源、管理節能請求等功能。

　　802.15.3基于時隙的超幀結構由3部分組成：信標（Beacon）、信道競爭訪問周期（CAP,即Contention Access Period）和信道無競爭周期（CFP,即Contention Free Period）組成，如圖5所示。?

　　信標在每一超幀的開始發送，載有網絡的控制參數（網絡同步、最大傳輸功率等）、信道時隙分配、超幀中傳輸的針對每一個業務流的指示信息等。CAP周期預留來傳送無QoS的數據幀，如網內設備發出的認證、關聯命令的請求和應答以及一些短的異步數據。

　　在CAP周期內，各設備采取載波偵聽多路訪問/沖突避免的訪問控制機制來爭用信道。超幀的其余時間（CFP周期）用來傳輸有特定QoS的數據，如高清晰度視頻/音頻流、大容量圖像、音樂文檔等，這些數據根據各自所需的帶寬、時延要求被分別封裝到不同的GTS中。各GTS的分配以及CAP和GTS之間的邊界是動態可調的。

　　每個CFP周期分為管理時隙（STAS,即Management Time Slot）和確保服務的同步時隙（GTS,即Guaranteed Time Slot），GTS用于傳輸同步媒體業務流和異步數據，如圖6所示。在CFP周期內所有的傳輸機會都開始于預先設定好的時隙，時隙的設定通過PNC與各DEV交互信標幀中流量映射信息單元（Traffic Mapping Information Element）來完成。在DEV分配到的GTS時隙中，DEV可以在滿足傳輸時間不超過規定時長的條件下自行決定傳輸數據的長度。所有的GTS時隙的長度都是不固定的。有些GTS是動態改變的，即這些時隙在不同超幀中的位置是隨時改變的。有些GTS的位置在一段時間內是基本固定的，即PNC雖然可以修正這些GTS時隙的位置，但是需要得到利用該時隙收發數據的DEV的同意方可,這樣的時隙可以用來支持CBR業務。對于MTS時隙，可以用來在CAP周期中傳輸認證、關聯命令等。?

　　在802.15.3網絡中，QoS可以通過對每一個業務流的預約來簡單地實現。DEV先向PNC詢問自己的QoS請求能否被信道時間管理器（CT Manager）滿足，如果這些QoS請求得到PNC的許可，就會在鏈路層和IP層之間為此業務流建立專門的流標識。這種PNC與DEV之間相對獨立的請求-應答機制很有效地降低了協議的復雜度，即在低層（鏈路層）并不需要實現太多復雜的功能。同時，由于在網絡層的QoS研究已經建立起一套關于資源預約、分配調度的機制，從而可以使鏈路層與當前主流網絡層協議密切配合。避免了網絡分層結構帶來的層與層之間的獨立和冗余而導致的協議效率低下。資源預約的方式使得網絡資源的達到最佳的利用，從而可以更好、更高效地規劃網絡的使用，提供可靠的QoS保障。但是，這種方式有時候也會帶來過多的開銷，如網絡必須傳輸信令消息以提供資源預約，因此各種應用在數據收發之前會有一段延時。

　　802.15.3 MAC協議另外一個優點是其網絡和應用的獨立性。目前很多鏈路層以上的協議標準如IP、 USB、IEEE1394等正在制訂服務匯聚子層（ SSCS,即Service Specific Convergence Sub-layers）來支持與IEEE802.15.3鏈路層的平滑過渡和整合，圖7給出了IEEE802網絡、IEEE1394、USB2.0等上層應用基于802.15.3 MAC層的實現示意圖。?

　　四、IEEE802.11e與IEEE802.15.3的對比分析

　　上文討論了IEEE802.11e與IEEE802.15.3兩種MAC協議在提供QoS方面各自的特點。由于面向的對象和應用的不同，兩種協議有著本質的區別。?

　　1.媒體訪問機制

　　媒體訪問機制是IEEE802.11e與IEEE802.15.3最大的差別。802.11e采用隨機爭用和輪詢相結合的訪問控制，而802.15.3采用基于中心式的調度機制。兩種方式都有各自的優點和缺點。當網絡大部分帶寬用來進行對等進程的通信（pere-to-pere）時適合于采用調度機制，例如多媒體家庭網絡中常見的業務，各設備之間以對等進程的方式大量傳送多媒體數據流，相比于輪詢方式，調度機制可以有效地提高網絡的效率。同時，IEEE802.l5.3基于時隙的超幀結構也降低了每個節點的實現復雜度，進而可以有效降低功耗，提高了電池壽命。進一步講，由于每個DEV可以在預定的時間內完成數據的收發，DEV可以在不影響當前網絡連接的情況下利用超幀中沒有分配的時隙進行信道掃描，或者尋找信號強度更好、負載更小的其他微網。

　　IEEE802.11e HCF的輪詢方式在WLAN的骨干網的工作方式（Infrastructure Network）時可以提供很高的效率，此時大部分的網絡帶寬用于AP與STA之間的數據收發。由于CF-Poll信息已經加載到數據幀中，TxOP的持續時間已經寫入QoS控制域中，論詢方式對于AP與STA之間的數據收發不會引入額外的開銷。由于HC可以獲知網絡中所有的數據傳輸，并且HC可以根據QoS控制域中第8～15 bit的信息實時地了解每一個QSTA的業務隊列，從而可以跟有效地對網絡資源進行分配。通過調整TxOP，HC能夠對于帶寬預約、臨時性網絡擁塞作出迅速響應。這種迅速響應機制對于優化VBR業務中無線帶寬的分配是非常有利的。?

　　2.Ad Hoc工作模式下的QoS性能

　　802.11e在無QAP的情況下，只支持EDCF操作和基于優先級的QoS機制，不支持參數化的QoS，采用固定的信道訪問參數，容易發生網絡擁塞；有QAP時，可以支持基于優先級的QoS機制和參數化的QoS，但是AP切換時原有的安全和QoS無法保持。802.15.3則支持基于優先級的QoS機制和參數化的QoS，并且在PNC切換時原有的安全和QoS繼續保持。?

　　3.解決“隱藏節點”問題

　　802.11e采用NAV與CCA聯合的載波偵聽方式，通過RTS/CTS來設定各接收數據STA的NAV參數來避開數據沖突。802.15.3由于采用了中心控制的方式，每個DEV的收發時隙由PNC來分配，因此有效地解決了隱藏節點問題。?