WLAN的QoS分析與研究

摘 要:隨著WLAN的應(yīng)用越來越廣泛，其QoS問題也越來越受到廣泛的重視和研究，傳統(tǒng)的IEEE802.11協(xié)議無法為蓬勃發(fā)展的多媒體業(yè)務(wù)提供有效的QoS支持，使得在WLAN上應(yīng)用多媒體業(yè)務(wù)帶來了困難，雖然引入了優(yōu)先級區(qū)分的IEEE802.11e具有較好的QoS支持，但是隨著多媒體業(yè)務(wù)對實時性的要求越來越高，并且隨著業(yè)務(wù)站點的增加，IEEE802.11e仍有其不足的地方，就WLAN的QoS問題進行了一些分析和研究，對影響WLAN的因素進行了探討。

關(guān)鍵詞:WLAN;無線局域網(wǎng);QoS;IEEE802.11e;多媒體業(yè)務(wù);優(yōu)先級

中圖分類號:TP

文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)08-0309-02

當(dāng)前WLAN即無線局域網(wǎng)技術(shù)正在蓬勃發(fā)展著，無線局域網(wǎng)使用無線信道來傳輸數(shù)據(jù)具有很多傳統(tǒng)局域網(wǎng)無法比擬的優(yōu)越性，無線局域網(wǎng)可以提供較高的無線傳輸速率，而且具有可移動性、低成本性以及在某些特殊環(huán)境下應(yīng)用的特性，極大的方便了移動用戶的使用，讓用戶可以隨時隨地的進行溝通。無線局域網(wǎng)還可以和其它的通訊技術(shù)相結(jié)合，比如IP電話技術(shù)，綜合兩種技術(shù)的優(yōu)點，讓用戶享受到移動IP電話帶來的方便和實惠，但是由于無線局域網(wǎng)利用的傳輸技術(shù)和傳統(tǒng)的有線網(wǎng)不同，所帶來的QoS問題也是當(dāng)前研究的重點。

影響無線局域網(wǎng)QoS的主要因素有延遲、抖動、帶寬以及丟包。延遲問題主要是指端到端的延遲，即數(shù)據(jù)包從發(fā)送端到達接收端的延遲，延遲過大會極大的影響通訊質(zhì)量，特別是在進行一些實時性的語音和視頻業(yè)務(wù);抖動是指數(shù)據(jù)包受到傳輸環(huán)境變化的影響，到達接收端的時間間隔的變化;帶寬是指通訊網(wǎng)絡(luò)單位時間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，一般網(wǎng)絡(luò)帶寬越大，數(shù)據(jù)通訊越順暢，要保證某些業(yè)務(wù)正常進行，必須給予其最低的帶寬;丟包指的是數(shù)據(jù)包的丟失，丟包有可能是網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，也有可能是因為數(shù)據(jù)包時延過大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包被丟棄。

對于提高無線局域網(wǎng)QoS的手段一般有過度建設(shè)，提高無線局域網(wǎng)的帶寬;引入優(yōu)先級，區(qū)分實時包和普通包，支持語音視頻等實時性業(yè)務(wù)，減小端到端的時延;通過擁塞控制來避免網(wǎng)絡(luò)的擁塞，提高網(wǎng)絡(luò)的QoS。

IEEE802.11委員會和其他IEEE802系列局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)一樣，只定義了媒體訪問控制子層(MAC)和物理層(PHY)，而對OSI七層模型中的數(shù)據(jù)鏈路層以上未作具體規(guī)定。無線局域網(wǎng)的媒體訪問控制子層和有線網(wǎng)的MAC層的功能和原理基本一樣，但是由于傳輸信道的差異，使得無線局域網(wǎng)的MAC層在有關(guān)差錯控制和解決影藏終端等方面有別于有線網(wǎng)，并且在業(yè)務(wù)功能、安全機制和一些具體的協(xié)議操作上都比傳統(tǒng)的有線網(wǎng)MAC協(xié)議有了較大的改進。無線局域網(wǎng)對QoS的支持主要體現(xiàn)在MAC層的處理上。

無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中，以CSMA/CA作為其媒體訪問控制協(xié)議的基礎(chǔ)，CSMA/CA即帶有沖突避免的載波監(jiān)聽多路訪問機制，載波監(jiān)聽指的是要發(fā)送數(shù)據(jù)的站點在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，無線設(shè)備將對媒體進行監(jiān)聽，檢查是否有其他設(shè)備正在傳輸?shù)男盘?。若發(fā)現(xiàn)有信號正在傳輸，則等待一個隨機時間，然后再監(jiān)聽信道。CSMA/CA不可能完全避免沖突的發(fā)生，為了盡可能的減少沖突的發(fā)生，IEEE802.11采用了多種措施和方法，下面就這些措施進行一些分析和探討。無線局域網(wǎng)的MAC層的訪問控制機制分為分布式控制方式和集中式控制方式兩種。分布式控制方式(DCF)是IEEE80.11標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的物理層兼容的無線局域網(wǎng)的工作站和訪問點(AP)之間共享無線媒體的主要訪問控制協(xié)議，DCF是以CSMA/CA為基礎(chǔ)的隨機訪問模式，它有兩種訪問介質(zhì)的模式，包括基本訪問模式和RTS/CTS訪問模式，其中RTS/CTS訪問模式是可選的。當(dāng)站點監(jiān)聽到信道上有信號在傳播時，站點則進入退避過程，當(dāng)檢測到信道空閑時間達到DCF幀間間隔(DIFS)時，站點的退避計數(shù)器開始遞減，每過一個時隙減一，如果在此期間發(fā)現(xiàn)信道再次忙，退避計數(shù)器則停止遞減，直到信道空閑。當(dāng)站點的退避計數(shù)器為零且信道空閑時，站點等待一個DIFS時間后訪問信道。站點發(fā)送數(shù)據(jù)幀后會等待從的站點返回的響應(yīng)幀，如果在一定時間內(nèi)收到響應(yīng)幀，表明數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功，若遇到碰撞或者在一定時間內(nèi)未收到響應(yīng)，站點的競爭窗口(CW)乘以2。站點的碰撞次數(shù)越多，CW越大，站點的退避時間也可能越大，這樣可以相應(yīng)的減少碰撞的次數(shù)，達到避免碰撞的目的。

集中式控制(PCF)一般用于具有網(wǎng)絡(luò)中心站(AP)的場合，它是一種無競爭的服務(wù)。某站希望提供PCF無競爭服務(wù)，須向AP提出請求，經(jīng)AP許可后被列入輪詢列表，參加無競爭業(yè)務(wù)。PCF是一種可選的控制機制，只有在無競爭期(CFP)才可以使用，在PCF中，點協(xié)調(diào)器(PC)，由PC控制著整個PCF的輪詢方法。PC發(fā)送一個信標(biāo)幀，表示CFP的開始，該信標(biāo)幀以DCF方式競爭信道，一旦PC獲得了無線信道的控制權(quán)，就開始輪詢各站點，被輪詢到的站點才有權(quán)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，通過這種輪詢機制，避免了數(shù)據(jù)幀的碰撞，因此被稱為無競爭服務(wù)。IEEE802.11的MAC層訪問控制協(xié)議無法保證良好的QoS，因此很多學(xué)者對MAC的協(xié)議提出了很多的改進和建議，IEEE802.11e協(xié)議也隨之出現(xiàn)，在IEEE802.11e中，超幀依然由競爭期和非競爭期組成，EDCF在競爭期使用，而HCF可以再任何階段使用。EDCF引入了優(yōu)先級的區(qū)分，將業(yè)務(wù)分成了8種優(yōu)先級別，遇到碰撞后競爭窗口的設(shè)置也不是簡單的乘2，而是引入了堅持因子(PF)，不同優(yōu)先級的PF也相應(yīng)的不同，影響到不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)的退避時間的取值，為高優(yōu)先級業(yè)務(wù)提供了較高的QoS支持。HCF利用混合協(xié)調(diào)器(HC)來協(xié)調(diào)無線信道的接入，和PC一樣，HC也是駐留在AP中，HCF既可以在競爭期使用，也可以在非競爭期使用。

IEEE802.11e有效地改進了無線局域網(wǎng)MAC對QoS的支持，使得無線局域網(wǎng)的QoS大為增強，對語音等實時性要求比較強的業(yè)務(wù)有了較好的QoS，但是隨著各種業(yè)務(wù)對QoS的要求越來越高，IEEE802.11e的局限性也日益顯示出來，其中文獻[7]指出IEEE802.11e中的EDCF機制雖然區(qū)分了通訊類別的優(yōu)先級，但是EDCF沒有為其做任何優(yōu)先級的保證，使得在負載量較大的情況下，高優(yōu)先級的業(yè)務(wù)也會出現(xiàn)大量的碰撞。

為了提高無線局域網(wǎng)MAC層對QoS支持，人們對MAC層的訪問控制機制進行了大量研究，文獻[8]探討了MAC層協(xié)議各種參數(shù)如競爭窗口、幀間間隔等和各類優(yōu)先級業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量之間的定量關(guān)系，該文提出了一個分析模型，對站點的退避過程進行建模，這為評價WLAN的QoS提供了有效的研究方法，通過該模型可以對各類參數(shù)實現(xiàn)準(zhǔn)確靈活的把握。文獻[9]通過仿真實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)最小競爭窗口和移動站點數(shù)想當(dāng)時，通過設(shè)置退避算法中的參數(shù)最小競爭窗口、m、PF都可以為不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)物流實現(xiàn)較好的優(yōu)先級，同時為了避免低優(yōu)先級業(yè)務(wù)流“干渴”的問題，對不同業(yè)務(wù)流參數(shù)的選擇應(yīng)考慮到網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的影響，還需考慮軟硬件的可實現(xiàn)性和簡單性。

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