无线局域网MAC层QoS机制论述

无线局域网无线局域网 MAC 层层 QoS 机制论述机制论述 摘要 无线局域网由于技术简单 成本低廉并能提供高速率的数据传输而得到广泛的应 用 如何在有限的网络资源和不稳定的物理介质前提下在 MAC 层提供有效 QoS 服务 成了 无线网络研究界的一个新的课题 本文分析并总结了当前在无线局域网提供 QoS 的技术难 点和主要的 QoS 提供策略 对现存的 QoS 提供机制从两个角度进行了分类和概括 最后指明 了 MAC 层 QoS 研究的发展方向 关键字 无线局域网 QoS 802 11 802 11e Abstract WLAN is widely applied due to its simplicity low cost and high speed data transmission what we can do to provide effective QoS support at MAC layer is an important research issue In the light of recent QoS research on WLAN at MAC layer this paper summarizes the difficulties and principles of QoS provisioning for WLAN Taxonomy of the existing QoS schemes is given which guides the analysis of various QoS protocols and mechanisms Finally this paper pointed out the research trend of QoS MAC schemes for WLAN Keywords WLAN QoS 802 11 802 11e 引文 由 IEEE 组织制定的 802 11 标准体系是当前最为广泛使用的 WLAN 技术 但是就 802 11 协议本身来说并不直接对 QoS 具有支持 这已经成为 802 11 网络不能被 QoS 要求高 的多媒体无线应用 如 VOIP DTV 所接受的主要原因 因此 一批新近的研究围绕无线局域 网的 QoS 问题提出了不同的解决方案 本文分析了传统 802 11 协议的 MAC 层 指出了 它在 QoS 支 持上的局限性 并进一步讨论了 802 11e 协议中针对 QoS 要求对传统 802 11 协议作出的改 进 一 MAC 层在无线 QoS 中的作用 无线介质和有线介质传输的固有特性决定了这两类网络在提供 QoS 时必须对所关注的协议 层各有所侧重 在有线介质的网络中 QoS 提供往往更关注网络层和传输层 但 WLAN 作为 一种典型的共享信道网络 对其实现 QoS 支持更需要来自于 MAC 层的支持 这里的原因具 体可以通过归纳有线网络和 WLAN 的媒质访问的区别来进行解释 WLAN 和传统 LAN 具 有不同的竞争模型 在有线网络中 竞争被有效地控制在传播介质上 图 1a 图中任何 2 个 节点需要通信时 4 个节点通过介质的连结而自然地成为一个竞争域 而在无线环境中 竞争 则是位置相关的 如图 1b 所示 如果 A 与 B 需要进行双向通信 C 由于在 B 的广播范围内而 成为竞争域的成员 而 D 仍然是自由的 所以只有 ABC 互相竞争 若 C 和 D 要进行双向通 信 竞争域的成员将是 BCD 而若 B 与 C 进行双向通信 4 个节点都将成为竞争域的一员而 互相竞争介质访问权 这种复杂的竞争关系为设计一种有效利用 WLAN 介质资源的协议增 加了难度 以上所述的节点竞争关系是一种位置相关 Location Depend ent 的竞争 此外 无 线节点对介质当前所处状态具有不确定性 无线网络中节点之间无法相互感知对方的收发 状态 由此造成所谓的隐藏终端和暴露终端的问题 在隐藏终端问题里 发送方错误以为接受 方为空闲状态而发送不可能被收到的数据帧 而在暴露终端问题中 发送方错误地以为接受 方繁忙而丧失了成功发送数据帧的机会 正是由于 WLAN 中网络节点的通讯是通过访问共 享的无线介质来实现的 通讯的效率其实也就是无线介质访问的效率 因此 WLAN 的 MAC 层在提供 QoS 支持上就显得尤为重要 二 传统 802 11 的 MAC 访问协调机制 IEEE802 11 协议用划分时间段的方法来避免冲突 基本思路是 当某个站点需要发送数据 时 必须在监测到信道空闲期间大于某一时间间隔以后再开始发送帧 否则进入退避并延 迟发送 直至监测到所需要的帧间隔 该协议 MAC 层定义了两种信道接入方式 基本的 分布式协作模式 DCF 和可选的点协作模式 PCF 2 1 基本的分布式协作模式 DCF DCF 是 IEEE802 11MAC 的基本访问方法 DCF 是基于载波监听 冲突避免机制 CSMA CA 的 当一个节点有数据要发送时 它先进入一个冲突避免阶段 退避的时间 从 0 CW 1 中随机选择一个 开始时 退避窗口 CW 的值为 CWmin 每传输失败一 次竞争窗口 CW 的值翻一倍 直到 CWmax 当信道空闲时间超过 DIFS 以后 退避窗口 每过一个时隙它的值减小 1 一旦信道又处于繁忙期 那么必须等到信道再有超过 DIFS 的空闲以后 退避窗口的值才会再一次开始减小 一旦退避窗口的值为 0 则开始发送数 据 2 2 可选的点协作模式 PCF PCF 是 802 11 可选的工作方式 具有比分布式协作模式更高的优先级 点协作模式使用接 入点 AP 控制的轮询调度策略 在允许点协作模式工作的情况下 接入点通过检测信道 空闲点协作模式帧间隔 PIFS 来抢先捕获信道 通过发送信标来发起信标间隔 又被称 为超级帧 在这个超级帧里 非竞争期和竞争期交替进行 在非竞争期 接入点首先通知 各个节点屏蔽各自的分布式协作模式 并在自己的节点列表里选择一个节点给予发送数据 的机会 最后接入点发送 CF END 信号来结束非竞争期 进入竞争期周期 尽管 PCF 可 以为某个重负荷的站提供某些优先权 但是它不能区分业务类型和业务源 因此它不知道 哪个站有长的实时业务队列 哪个站只是有长的非实时业务队列 另一个问题是点协调节 点需要和其他节点竞争信道 因此无竞争期的起时时间和时间长度是不定的 当一个超常 数据帧正在发送过程中 无法启动实时业务 尽管实时业务时延门限已达 2 3 传统访问协调机制的改进 通过以上分析 我们可以看到 想要提高语音和视频信号在无线局域网上的通信质量 而 又不对基本的框架进行改变 应从以下两个方面着手 1 在 PCF 的基础上 改进集中控制的方式 从而保障语音和视频信号较高的通信要求 2 在 DCF 的基础上进行改进 给予语音和视频信号较高的优先级 优先级的划分主要通过 改变以下 MAC 协议参数来实现 1 退避算法 IEEE802 11 协议规定 在节点检测到物理信道空闲 DIFS 之后 为了避免 冲突 节点要进入退避阶段 只有退避计数器递减至 0 时 节点才能真正发送数据 因此 退避时间越短 则节点接入信道的时间越短 节点也就有了接入信道的更高优先级 2 区分帧间隔 帧间隔越短 表明节点需要检测信道空闲的时间越短 节点进入退避阶 段的时间也就越短 因此可以使用不同的 IFS 来区分节点的优先级 结合退避算法 DC 算法中同时引入了两种退避算法和两种帧间隔 从而区分了四种优先级 这两种帧间隔分 别为 PIFS 和 DIFS 同样在 AC 算法中也引入了不同的 DIFS 来区分优先级 3 竞争窗口 竞争窗口的大小和退避时间有直接的关系 IEEE802 11 中的退避时间为 Backoff time rand 0 CW SlotTime 这样竞争窗口越小 其发 送数据之前需要退避的时间就越短 优先级就越高 4 最大帧长度 AC 算法中 允许高优先级节点的最大帧长度大于低优先级节点的最大 帧长度 通过修改最大帧长度 可以使高优先级节点在每次访问信道时可以传输更多字节 的数据 从而保证了高优先级的业务 此外 还可以通过差错控制技术来提高 QoS 比如 使用快速自动请求重发 ARQ 向前纠错 FEC 等技术 三 EEE802 11e 协议 IEEE802 11e 定义了两种新的 MAC 接入机制 EDCF 和 HCF 和原来的无线局域网标准 要求不同 EDCF 和 HCF 都要求必须有一个混合控制节点 值得注意的是 保证 QoS 并 不是提供额外的网络资源 它仅是通过对现有网络资源的管理以达到保证某些业务的 QoS 3 1 EDCF 机制 802 l l e 引入了流量种类的概念 每个站内有 8 种流量 即 8 种优先级 8 种流量分别属于 4 种访问类别 EDCF 使用不同的机制来提供不同的服务退避最小竞争窗口对不同优先级 来说 是不同的 EDCF 仅在竞争阶段有效 CP 期间 每一个站点的 TC 竞争一个独立的传输机 会 TXOP 每个 TC 在检测一个信道空闲后 开始一个退避 时间间隔相当于 AIFS AIFS 的值依赖于通信所属于的通信类别 Backoff 设置一个计数器 其值是 1 CW 1 之间的一 个随机数 帧在 DIFS 期间的每一次争用冲突都会导致 CW 的值增加 CW 的初值设成 CWmin CWmin 的值也依赖于流的通信类别 检测到一次冲突后 CW 的值增加如下 newCW TC oldCW TC 1 PF TC 1 其中 PF 是持续要素 是一个依赖于参数的通信 类别 3 2 HCF 受控信道接入 在 802 11 中通过使用 HCF 扩展了 PCF 的轮询策略 在这个策略中 混合协调器 HC 通常 和访问点合作分配 在等待了一个 PIFS 的时间后 HC 可分配 TXOPs 给自己来发起帧的 传输 这样 HC 就获得了在其他节点之上的优先权来传输帧 EDCA 仅在 CP 期间使用 或者当站点从 HC 收到一个 QOS CF Poll 帧时 每个站点都可以获得自己的 TXOP 在 CFP 期间 每个 TXOP 的起始时间和持续时间是由 HC 使用 CF Poll 帧来说明的 CFP 可 以在由信标帧或者在 HC 发出的 CF End 帧指示的时间结束 受控竞争机制中 站点可以 发送更新的信息给 HC 包括需要轮询的站点 轮询时间和传输持续时间 在这种机制中 HC 分配了大量由 SIFS 分割的受控竞争时机 HC 也发送一个包含 TCs 的过滤屏蔽 可以 放置资源请求 每个站点选择一个时间间隔来传输一个包含被请求的 TC 和 TXOP 持续时 间的资源请求帧 在受控竞争期间 HC 同样发送一个确认控制帧 这样请求站点就可以 检测出受控竞争期间的冲突 3 3 802 11e 存在问题 1 受控的竞争机制 HCF 使用受控竞争机制为在 HC 的每一个站点更新服务信息 这个 机制帮助有优先通信权的站点来发送信道分配请求给 HC 这样 HCF 为从有优先通信权 的站点到 HC 的通信信息传输分配一个独立时间间隔 而且 只有当站点在争用阶段获得 时机才能更新信道请求信息 在这个被动的过程中 分配请求的变化不能被立即传输 2 站优先权 在受控的竞争期 每一个站点获取一个机会来发送一个资源请求帧 但 HC 收到的服务信息是单站的 这样一个站点的所有流有相同的优先级别 在现实生活中的应 用是不必要的 可能会有不同应用请求的应用程序运行在相同的站点 因此 如果我们为 一个站选择一个特别的优先级别 低优先级的流将得到比请求配置更好的配置 而且高优先 级的通信需求会不满意 单站优先级模型也带来另外的问题 考虑从站点到 HC 的 TCP 流 有单独优先权的 HC 可以以不依赖于 TCP 流的优先权的固定的速率把 TCP ACKs 传回给站点 这降低了 TCP 流在站点的吞吐量 3 EDCF 存在问题 在 802 11e 的 EDCF 阶段使用的不同机制给出基于通信类别的优先 权 EDCF 没有给优先级通信任何保证 在高负载时 即使是有高优先级的流也会有大量 冲突 虽然对于高优先级的通信来说平均延迟很小 但是高负载时数据报仍有很长的延迟 结论结论 本文首先介绍了传统 IEEE802 11 的工作模式 并指出其在 QoS 保障方面的局限 然后介 绍 了几种增强 wlan QoS 性能的技术 最后详细说明了 IEEE802 11e 协议的细节 HCF 机制还 需要对受控竞争作进一步的完善 站点的优先级配置也不够合理 EDCF 机制还需要规范 一定的接入控制和调度机制 目前还没有一种完善的接入机制可以为无线局域网提供有效 的 QoS 保障 但无线局域网的工作模式特点决定了只有多种接入协议的有机结合才有可能 解决无线接入的 QoS 保障问题 参考文献参考文献 1 谢海波 王海燕等 无线局域网 QoS 技术发展综述 J 现代电信科技