无线局域网的QoS技术

无线局域网的QoS技术摘 要：近年来，IEEE802.11无线局域网作为一种更加方便的无线接入技术，其传输速率不断提高，应用也越来越广泛。本论文简单介绍了无线网络服务质量的发展现状。分析了802.11MAC协议，分别讨论了PCF和DCF在QoS支持上的不足与缺陷，并重点讨论基于DCF的QoS机制，假设了MARKOV模型，通过对模型的性能分析，了解不同等级的吞吐量t与msg t（MAC的负载长度）、AIFSt、Wt、t的取值都有密切的关系。关键词：IEEE802.11e;无线局域网;服务质量;DCF;PCFQoS Technology of the Wireless Local Area Network Abstract：In recent years,IEEE802.11 WLAN,as a kind of more convenient wireless access technology,its transfer rate is improving constantly,and has being used more and more extensive.This paper introduced the current situation of the development of the service quality of the wireless network briefly.It analyzed 802.11MAC agreement,and discussed PCF and DCF support the deficiency and defect on in QoS separately, and discuss QoS mechanism based on DCF especially,suppose MARKOV model,through the analysis of performance of the model correctly,find out the throughput t and msg t (the length of load of MAC ),AIFS t,W t,t of different grades have close relations.Key words：IEEE802.11e;wireless local area network;service-quality;DCF;PCF1 引言20世纪80年代可以说是计算机有线局域网发展和普及的年代，大部分的微机都己经连入局域网，局域网大部分也已经接入公共网，可以说局域网已成为提高工作效率和生产效率的不可缺少的工具。进入九十年代局域网更得到了迅猛的发展，在提高传输速率上，局域网正沿着以太网FDDI（光纤分布式数据接口快速以太网）具有100Mbps的传输速率-ATM(异步传输模式)局域网方向发展。其中ATM局域网可以支持几十Mbps、几百Mbps到几Gbps的传输速率。局域网的另外一个发展方向是支持具有移动计算能力的无线局域网。无线局域网是九十年代计算机技术和通信技术发展相结合的产物，最初阶段的无线局域网主要是为了克服地理障碍和免去布线的繁琐，使网络的安装简单方便，而网络中节点的移动能力并不重要。但九十年代后期随着便携式计算机的普及和多媒体移动终端的出现，人们对通信的需求开始出现了巨大的变化，个人通信的概念开始出现，五W(Whoever, Wherever, Whatever, Whenever, Whomever)的设想被提出，即任何人在任何时候和任何地点都能以任何一种方式和任何另外一个人进行通信。此时无线局域网得到了迅猛的发展，无线局域网作为宽带接入方式的一种以其高速和有线局域网所没有的灵活正越来越受到人们的青睐。世界上第一个试验性无线局域网是1987年建立的，随后在医疗、零售、机场等地方出现无线局域网，但各厂商的无线局域网不能互联，于是1990年11月成立IEEE802.11委员会，着手制定无线局域网标准，并于1997年6月制定出全球第一个无线局域网标准IEEE802.11。IEEE802.11标准又使得不同供应商的产品具有了互操作性。目前1 Mbps和2Mbps的WLAN技术和产品己相当成熟，整个系统的实现成本也正逐渐下降.但与以太网(l 0Mbps)相比，WLAN较慢的数据传输率成了其进一步发展的瓶颈。为此，IEEE Group又推出了两个新的高速标准:802.11b和802.1la。在今年的下半年又推出了相当于前二者的混合标准802.11g，它既能适应传统的802.11b标准，在2AGHz频率上提供每秒11Mbit/s数据传输率，同时也符合802.11a标准在5GHz频率上提供56Mbit/s数据传输率，802.11g标准的通过进一步推动无线局域网飞速发展的势头。802.11e在802.11b和802.1la无线标准中增加了服务质量（QoS）特性和多媒体支持，同时保持与这些标准的后向兼容性。2 802.11e协议2.1 802.11e的概念802.11e是IEEE为满足服务质量（QoS）方面的要求而制订的WLAN标准。在一些对时间敏感、有严格要求的业务（如话音、视频等）中，QoS是非常重要的指标。在802.11 MAC层802.11e加入了QoS功能，其中的混合协调功能(HCF:Hybrid Coordination Function)可以单独使用或综合使用以下两种信道接入机制：一种是基于论点式的（TPK;MK;6PK7*&=MH），一种是基于投票式的（UPJJMH）。IEEE802.11以共享信道作为通信的基础，这样与采用点到点连接的网络相比，存在一个关键的技术问题：当信道的使用产生竞争时，如何分配信道的使用权。在 80211中完成该功能的是 MAC（Medium Access Control），网络性能吞吐量、时延等）与 MAC子层接入协议的优劣直接相关。所以，适当的 MAC子层规范，应该根据网络业务特征有效地配置信道资源，提高无线资源的使用效率，提高系统的容量和传输质量。第3节就IEEE802.11 MAC协议以及其QoS机制进行分析。2.2 服务质量（QoS）2.2.1 服务质量（QOS）的基本概念 表1网络数据类型及其敏感性数据类型敏感性吞吐量差错率时延抖动语音微中大大电子商务小大大小电子邮件小大小小连续浏览中大大小文件传输大中小小视频会议大中大大多播大大大大表中的QoS参数主要包括以下一些指标： (1)吞吐量：就是网络的有效带宽，定义为物理链路的比特率减去各种传播技术带来的额外开销，即每秒钟传输的用户数据的字节数，它是在某个时间间隔内测试得到的，每个传输方向由各自的吞吐量分别衡量。 (2)网络时延：包括传输时延和交换时延。传输时延是数据在两个参考结点之间传播所经历的时间，与所使用的传输媒体和传输距离有关；交换时延由固定部分和可变部分组成，固定部分叫固定交换时延，可变部分叫排队时延，由网络钟的排队队列和服务方式决定。 (3)时延抖动：同一条数据流中的信息分组的传输时延的差异。 (4)差错率：用于测量丢失或错乱信息分组数占整个发送信息分组数的百分比。 服务质量QOS是对通信网络承载各种通信业务时的业务性能的集中体现。对用户而言，它表现为用户对业务的质量的要求；而对网络而言，它最终表现为网络的性能。这些业务性能决定了用户对业务的满意程度。从技术角度而言，是指为保证所提供的业务的服务质量到达相应的标准而采取的一系列措施的技术的总称。由于不同的业务对网络的性能要求不同，例如电子商务对网络的差错率、丢失率以及安全性有很高的要求，而 IP电话、视频点播等互动式应用要求网络提供高吞吐率和低时延的服务，所以各种具体应用对网络的服务质量期望值也不同，一般用QoS参数来衡量这类期望值，表1描述了不同网络数据类型及其敏感性。2.2.2 QoS的必要性尽管 IEEE802.11a和802.11g能够提供最高54Mbps的物理信道的传输速率（其在实际的应用中会比这个速率低不少），这足以满足用户传输小容量数据和浏览网页的需要，但与千兆到桌面的有线网络相比，无线网络对于一些视频、语音等需要高QoS保障的多业务应用尚存在着严重的带宽不足，这将严重影响用户将来的业务应用发展。而且，随着无线网络商用市场 （企业和运营商）的发展，无线局域网越来越注重网络的QoS保障。目前IEEE802.11e工作组开发的增强的802.11MAC协议，它是基于IEEE802.11a，IEEE802.11b和IEEE802.11g的无线局域网补充协议，在保证现有IEEE802.11协议的能力和效率的基础上，增强MAC机制，扩展对有QoS要求的应用的支持，包括通过 WLAN进行声音、音频和视频的传输等。与其他无线标准不同，802.11e的目的是成为第一种跨越家庭和企业坏境的无线标准。它在现有的802.11b和802.1la无线标准中增加了服务质量（QoS）特性和多媒体支持，同时保持与这些标准的后向兼容性。QoS以及多媒体支持对于传送语音、视频和音频的无线家庭网络至关重要。宽带服务提供商将具有QoS和多媒体功能的家庭网络视为向住宅用户提供按需视频、按需音频、IP语音和高速 Internet接入的基本要素。3 802.11MAC 协议性能分析为了有效地解决无线信道传输中的碰撞问题，IEEE802.11协议引入了两种媒体访问控制方法：分布式协调功能DCF与点协调功能PCF，这两种方法都属于MAC层的虚载波检测机制。其机制如图1所示。 图1 802.11MAC的机制分布式协调功能是802.11最基本的媒体访问方法，它为上层提供面向竞争的服务，并作为点协调功能的基础。而点协调功能为上层提供无竞争的服务，二者可以同时作用于802.11的局域网中。IEEE802.11协议允许PCF与DCF共存于一个无线局域网中，而实现这种共存的具体方法是引入“超级帧”（Super Frame）的概念。超级帧只是一个逻辑上的概念，而并非实际存在的一种帧格式。或者更确切地说是因为它在时间上表现为非严格周期性地以类似帧的形式出现，代表了一段时间内媒体上的业务量。在超级帧中包含两部分：无竞争时期（Contention Free Period，简称为CFP）和竞争时期（Contention Period，简称为CP）。在CFP期间，由PCF控制对媒体的访问，而在CP期间，由DCF来控制。CFP与CP的交替出现，使得PCF与DCF轮流行使对无线媒体的访问控制权，从而实现PCF与DCF在一个BSS内的共存。图2给出了CFP与CP交替出现的时序。图2 CFP与CP的转换3.1 分布协调功能DCF基本的802.11 MAC协 议是分布控制功能（DCFdistributed coordination function），它采用CSMA/CA机制来协调对媒体的访问。在CA中，移动台在开始进行传输前要完成一个补偿过程。在检测到一个信道空闲一个最小持续时间（称为DCF帧间隔）后，它必须在一个额外的随机时间内保持对信道的侦听。对于802.11a来说DIFS为34s。只有当这一段额外随机时间内信道仍然空闲时，该移动台才被允许开始传输。随机时间的长度是一个时隙（802.11a中为9s）的整数倍。每个移动台维持这样一个竞争窗口（CW），来决定每个移动台在传输前需要等待的时隙数。成功接收到一帧数据后，接收端移动台立刻发送一个确认帧（ACK）通知发送端该帧数据发送成功。在任意一次传输失败后，CW的尺寸就增加一倍作为补偿。这样就减少了多个移动台同时试图访问信道而发生冲突的可能性。3.2 点协调功能PCF 点协调功能PCF基于分布式协调功能DCF之上，可以提供无竞争的服务。一个基本业务组BSS中，应当有一台主机作为点协调器（Point Coordinator，简称为PC）。对于一个多区网，PC与AP的功能可以由同一主机来完成。BSS内的所有主机都要遵守PCF媒体访问规则。PC在CFP的开始时刻获得对媒体的控制权，而且由于 PC采用的PIFS间隔小于 DCF下移动主机采用的DIFS间隔，因而PC可以在整个CFP期间保持对媒体的控制。PCF通过无竞争轮询表（Contention Free Polling List）来实现对主机的轮询。在无竞争轮询表中存放所有CF Aware主机的MAC地址。当该表非空时，PC应在每一个CFP时期轮询表中的下一个主机，如果在当前CFP期间PC没有足够时间轮询所有的主机，则会在下一个CFP时期到来后，继续对下一个主机的轮询。在PCF方式下，由BSS内的PC来决定某一时刻该由哪个主机进行发送，所有登录到PC的主机都可以接收在PCF下发送的所有帧。IEEE802.11把能对PC发出的轮询帧做出应答的主机称为无竞争清醒主机，处于CF状态的主机一旦被PC轮询，它就可以向任何一个主机而不仅仅是PC发送数据。为了支持时间绑定业务，802.11标准定义了点协调功能，使得移动台在一个被称为点协调器（PC）的工作站协调下按照优先权进行无线媒体访问。PCF比 DCF具有更高的优先权，它可以在等待一个小于DIFS的时间段后发起传输，这段时间间隔被称为PCF帧间间隔对于802.11a来说PIFS为25s，大于SIFS。时间通常被划分为重复的周期，称作超帧。通过PCF，一个竞争空闲期和一个竞争期按时间轮流交替，构成一个超帧。在CFP期间，PCF用来进行媒体访问，而在CP期间采用DCF进行媒体访问。并且强制规定：一个超帧包含一个具有最小长度的CP，允许在DCF下进行至少一个MSDU传输。超帧以信标帧为起始，不考虑PCF是否有效。信标帧是一个管理帧，用来维持本地移动台计数器的同步以及传送协议相关的参数。点协调器PC通常集合在AP 中，按照规则的信标帧间隔产生信标帧，这样，每个移动台都可以知道下一个信标帧何时到达。这一时间间隔称为目标信标转换时间。由于PC本身有对该移动台的待发送数据，它通过在数据帧上添加CF轮询帧产生一个组合的数据与轮询结合帧。在轮询基础上，移动台对成功接收进行确认。如果该PC在等待PIFS后没有收到来自被轮询移动台的应答，就轮询下一个移动台或者终止CFP。这样在CFP期间将没有超过PIFS的空闲时间出现。PC持续轮询其它移动台，直到CFP结束。PC发送一个CF-END特殊控制帧作为CFP内的最后一帧，标志着CFP的结束。PCF中存在一些问题，包括不可预知的信标延迟和被轮询移动台的未知传输时间等。在TBTT中，PC将信标作为一个待发送的帧，当媒体被判定为空闲时信标可以被发送。由于依赖该时间点的无线信道可能会发生一个信标帧的延迟，信标帧被延迟的时间TBTT将会造成延迟。根据802.11标准，即使MSDU传输在下一个TBTT之前尚未结束,移动台仍可以发起新的传输，不可预知的时间延迟。一个移动台在 TBTT时停止所有计数器，但是会继续进行在TBTT之前就开始的传输，因此信标帧就有可能被延迟。PCF还存在另一个问题，即被轮询移动台的未知传输时间。一个已经被PC轮询的移动台可以发送一个单独的帧，该帧可以进行分段处理，长度任意（不超过2304个字节，加密后不超过2312个字节）。此外，802.11a中定义了不同的调制和编码方式，因此，发生在轮询之后的MSDU传输时间就不受PC控制。这样就破坏了剩余CFP时间内希望对其它被轮询的移动台提供的QoS错过前一个信标帧并且没有收到关于TBTT信息的一个隐藏，移动台不会停止它基于DCF的任何操作。这样该移动台就很可能在CFP中发送干扰帧。基于PCF的QoS机制包括基于优先级的PCF和分布式TDMA两种。基于优先级的PCF机制将AP作为管理数据业务的控制中心，采用基于优先级的轮询机制进行流量控制。AP向被轮询的STA发送轮询帧，该 STA可以回送一个包含了回应消息或者需要传输的数据作为轮询的应答。分布式TDMA（DTDMA）并没有修改PCF的轮询机制，但是建立一个类似时分复用的时隙期，并且规定了哪个STA可以得到哪些时隙，这样就提供了区分服务。一旦时隙分配好了，每个STA都知道了什么时候应该发送，发送多少时间，这就使得分组的传输几乎不受AP的干涉。3.3 CSMACA机制IEEE802.11标准中采用的分布式协调功能为带冲突避免的载波侦听多址接入-(CSMACA)。它作用于无线局域网中的所有主机之上。CSMACA的通信规则如下：主机首先侦听媒体状态，判断当前是否有其它主机正在发送数据。若媒体空闲，则主机进行数据发送；若侦听到媒体被占用，则主机必须延迟发送，并且等到当前传输结束之后，还需等待一个随机退避时间。在这段时间间隔内如果媒体维持空闲状态，则可以发送数据，否则继续进行退避。当一个主机在一次发送成功后还想发送下一帧数据时，也必须进行退避。之所以要选择一个随机退避时间，是因为在媒体由“忙”状态变为空闲后，可能会有多个主机都想发送数据，若在检测到媒体空闲后立即进行发送，则很可能会发生碰撞。而采用退避延迟机制，可以把不同主机希望发送数据的时刻分散到较宽的时间范围内，从而减小碰撞发生的可能性。发生碰撞概率的大小取决于退避算法的好坏。图3给出了CSMACA的工作机制。图3 CSMA/CA工作机制3.4 IFS的优先级图3中的IFS为帧间隔（Inter Frame Space），主机在访问无线媒体前，必须确认媒体保持IFS时间长短的空闲。在IEEE802.11中定义了三种长度的帧间隔用以实现对媒体访问的不同优先极。它们由短至长分别是：(1) SIFS（Short IFS）SIFS帧间隔用于发送确认帧（ACK），允许发送帧（Clear to Send，CTS），分组发送的第二个或之后的MAC协议数据单元（MAC Protocol Data Unit，MPDU），以及发送对PCF轮询的响应时。在准备发送以上所说的这些帧时，主机对无线媒体享有最高的访问优先级。(2) PIFS（PCF IFS）行使PCF的主机利用PIFS帧间隔获得对媒体的控制权，从而宣布无竞争时期CFP（Contention Free Period）的开始。当在CFP期发生接收发送错误时，该主机就会在媒体空闲时间达到PIFS后控制媒体。在无竞争期，AP检测到媒体空闲时间长达 PIFS后会在CFP突发时期发送队列中的下一CFP帧。(3) DIFS（DCF IFS）DIFS帧间隔用于采用DCF的主机发送数据帧 MPDU 和管理帧MMPDU（MAC Management Protocol Data Unit）。在网络分配向量NAV（Network AllocationVector）与物理载波检测（Carrier Sense）指示媒体空闲后，想发送RTS帧或DATA（数据）帧的主机监听媒体以保证媒体空闲时间至少达到DIFS。若媒体忙，则推迟发送并等到媒体空闲时启动退避过程。3.5 Markov模型令c（t）表示一个终端的退避时间计数器的取值的随机过程，s（t）表示该终端在时刻t的退避级数取值的随机过程。t和tl分别表示两个连续的时隙，计数器在每个时隙的开始时刻减1，当发生碰撞时，退避级数加1。并且m代表退避算法可退避的最大退避级数CWmax2mW;则c(t)取值范围为0，Wj1，s(t)取值范围为0，M。假设每一次传输时，帧碰撞的概率和过去的碰撞次数无关，其碰撞概率P恒定且相互独立，P为条件冲突概率（Conditional Collision Probability），代表发送终端检测到碰撞的概率。令系统中终端的数目为n。很显然，s(t+1),c(t+1)只和s(t),c(t)有关，和s(t-1),c(t-1)无关。这样，用s(t),c(t)描述一个二维的离散时间Markov链，如图4所示。令Pi1,j1|i0,j0=Ps(t+1)=i1,c(t+1)=j1|s(t)=i0,c(t)=j0图4 s(t),c(t)的Markov链的状态转移图图4的非空的一步转移概率可以表示成公式（1）： 其中，公式（1a）表示在每个时隙开始时刻，退避计时器减1的概率为1；公式（lb表示在一个帧成功传输之后，新的帧从退避级数0开始，从0，Wo-1中等概率地取一个值；公式（lc）表示一次不成功的传输后，退避计时器的退避级数加1，退避计时器从0，Wi-1中等概率地选取一个值；公式（1d）表示当退避级数已经达到最大时，一次不成功传输时，退避计时器的取值方法。令ci,k=Ps(t)=i,c(t)=j,i0,m,j0,Wi-1为该Markov链的稳态分布，根据状态转移图，则有下面两式成立。 因为 ，所以公式（3）可以表示成结合公式（2）和（4），可以推出ci,k由c0,0和p表示，如式（5） 推出定义为终端在任意时隙传输的概率，该终端在退避计时器为0时开始传输，而不管退避级数是多少，有式（7）成立条件冲突概率P是指除了当前终端传输外，剩余n-1个终端中至少有一个终端也进行传输的概率。由于不考虑“隐藏终端”问题，所有终端的行为相互独立，看到的信道状态也相同。在稳态下，每个终端进行传输的概率为，则有：P=1(1)n1 （8）3.6 吞吐量Y分析Ptr为在一个时隙中至少有一个帧在传输的概率。n个终端中，任何一个终端以概率T发送，则有 Ptr=P(至少有一帧传输)1(1)n （9）定义Ps为有帧传送时，有且仅有一个帧传送且传送成功的概率，则有：PsP(仅有一帧传输|有帧传输)很明显，P(仅有一帧传输)P(仅有一帧传输|有帧传输)P（有帧传输）P(仅有一帧传输|有帧传输)P（至少有一帧传输）=PsPtr=n(1)n-1。系统吞吐量：可以表示成下式：考虑信道空闲、传输成功和传输失败的情况，一个更新间隔的长度的平均值可以分成3部分：信道空闲的时间St，概率为1Ptr；成功传输的平均时间Ts，概率为PsPtr；冲突的平均时间Tc，概率为Ptr*(1Ps)。定义msg为平均有效载荷值，St 、Ts和Tc都是应该以同样的单位表示。式（11）是一个通用公式，没有指明具体的MAC机制是基本访问机制还是RTS/CTS机制，对于二者的不同，只需要研究Ts和Tc就可以了。这里只研究基本访问机制的Ts和Tc的值。令H=PHY层帧头+MAC层帧头=PHYhdr+MAChdr，为传播时延。3.7 IEEE802.11MAC的QOS缺陷在制定802.11标准时，标准希望DCF负责一般数据流的服务，而PCF负责实时业务，如语音、图像等。但是在标准的实际使用中，PCF却很少使用，而是作为一个可选项，有些产品供应商并不提供PCF功能。现有的AP往往工作在DCF方式下，这直接导致BSS中的站点处于无线媒体的随机竞争过程中，各种数据流获得相同的服务。没有任何优先级之间的差别。4 基于DCF的QOS机制性能分析根据第3节中对DCF的分析，令t表示不同