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WLAN與WPAN的QoS機制對比分析( 二 )

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二、IEEE802.11e MAC協(xié)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(xié)議的改進和增強 。在介紹802.11e MAC協(xié)議之前 ， 首先對802.11 MAC協(xié)議的基本機制作簡要分析 。
1.IEEE802.11 MAC協(xié)議的DCF、PCF訪問
控制策略IEEE802.11 MAC協(xié)議［1］定義了兩種操作 ， 在信道爭用期的分布式協(xié)調功能（DCF）與非信道爭用期的點協(xié)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(xiàn) 。
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(jié)點（STA）在發(fā)送數(shù)據(jù)前要先檢測信道是否空閑 ， 假如信道空閑則預備發(fā)送MAC業(yè)務數(shù)據(jù)單元（MSDU） 。假如2個STA同時檢測到信道空閑并開始發(fā)送數(shù)據(jù)就會發(fā)生沖突 ， 為此 ， 802.11定義了沖突避免（CA）機制來降低發(fā)生沖突的概率 。為解決CSMA方式引起的“隱藏節(jié)點”問題 ， 802.11定義了請求發(fā)送/清除發(fā)送（RTS/CTS）機制 。在傳送數(shù)據(jù)幀以前STA先發(fā)送一個短RTS幀 ， 接收方接收到RTS后立即發(fā)送一個CTS幀 ， RTS和CTS幀中都包含了下一個數(shù)據(jù)幀的長度信息 。因此STA四周的其他STA及接收數(shù)據(jù)的STA四周的“隱藏節(jié)點”通過設置網(wǎng)絡分配向量（NAV）定時器 ， 在NAV規(guī)定的時間內(nèi)不發(fā)送數(shù)據(jù)以避免數(shù)據(jù)沖突 。RTS/CTS和NAV機制可以有效保護長數(shù)據(jù)幀免受“隱藏節(jié)點”的碰撞 。
　
上述DCF操作中 ， 由于各STA在發(fā)送數(shù)據(jù)前需要對信道進行爭用 ， 因此DCF無法對時延敏感的業(yè)務提供QoS保障 。因此 ， 802.11協(xié)議定義了點協(xié)調功能（PCF）來保證STA以一定的優(yōu)先權接入到無線信道中 ， 如圖2所示 。STA的優(yōu)先權由點協(xié)調器（PC）來協(xié)調 。PCF發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡却龝r間間隔稱為PIFS ， PIFS介于SIFS和DIFS之間 ， 因而PCF比DCF的優(yōu)先級高 。PCF的傳輸時間被劃分為重復的周期 ， 即交替出現(xiàn)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(shù)據(jù) 。超幀由信標幀（Beacon）開始 。信標幀是一種治理幀 ， 它維持STA內(nèi)本地定時器的同步 ， 并負責傳送協(xié)議相關的參數(shù) 。PC周期性的產(chǎn)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(fā)送數(shù)據(jù) ， 因而不會發(fā)生沖突 。PC通過發(fā)送CF-Poll幀輪詢有數(shù)據(jù)要發(fā)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(xù)輪詢其他的STA ， 一直到CFP的結束 。PC通過發(fā)送一個非凡的控制幀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(xié)議對于QoS的支持 ， IEEE802.11工作組正在制訂802.11 MAC協(xié)議的增強機制 ， 也稱為802.11e 。它引入了增強的DCF（EDCF）和混合協(xié)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(xié)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(huán)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(xié)調功能 。
　
EDCF是HCF的基礎 ， 它通過引入業(yè)務流分類（TC）來實現(xiàn)QoS支持 ， 圖3示意了802.11e EDCF機制與802.11的區(qū)別 。MSDU通過多次退避延時后才能發(fā)送 ， 每次退避的時間由TC參數(shù)來確定 。在CP階段 ， QSTA內(nèi)的每個TC競爭一個發(fā)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(jù)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(shù)器開始延時退避 ， CW(競爭窗口函數(shù))的最小值取決于TC 。在傳統(tǒng)的DCF中 ， 在計數(shù)器遞減到0之前假如檢測到信道忙 ， 則只有再等待DIFS時間并檢測到信道空閑以后才繼續(xù)進行遞減計數(shù) 。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(shù)器遞減計數(shù) ， 而DCF則在DIFS結束后的第一個時隙的開始時刻遞減計數(shù) 。發(fā)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(jù)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 。

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