WLAN與WPAN的QoS機(jī)制對(duì)比分析

一、 引言

　　無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN,即Wireless Local Area Network）和無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（WPAN,即Wireless Personal Area Network）是對(duì)目前無(wú)線接入系統(tǒng)的補(bǔ)充，近年來(lái)得到了迅速的發(fā)展。WLAN可以使網(wǎng)絡(luò)用戶擺脫網(wǎng)線的束縛，在企業(yè)、家庭、酒店、機(jī)場(chǎng)等熱點(diǎn)地區(qū)向終端用戶提供高速數(shù)據(jù)傳輸。WPAN能在便攜式消費(fèi)者電器和通信設(shè)備之間進(jìn)行短距離高速通信，覆蓋范圍比WLAN小，一般在10 m半徑以內(nèi)。

　　IEEE WLAN工作組在1997年制訂了802.11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，1999年8月增加了802.11b和802.11a標(biāo)準(zhǔn)［1］。IEEE802.11b可提供的數(shù)據(jù)速率為11 Mbps，而IEEE802.11a傳輸速率最高可達(dá)54 Mbps，雖然這樣的高速率可以滿足一般的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，但是對(duì)于發(fā)展迅速的家庭數(shù)字媒體應(yīng)用，如實(shí)時(shí)視頻、HDTV來(lái)說(shuō)仍顯不足。為了解決數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、數(shù)字電視機(jī)、數(shù)字照相機(jī)、MP3播放機(jī)、打印機(jī)、投影儀和筆記本電腦等便攜式消費(fèi)電器的高速互聯(lián)問(wèn)題，IEEE WPAN工作組發(fā)起了802.15.3高速率WPAN任務(wù)組，針對(duì)消費(fèi)者圖像和多媒體應(yīng)用，為低功率低成本的短距離通信制定速率為11～55　Mbps的802.15.3標(biāo)準(zhǔn)；還成立了802.15.3a研究組（SG3a），目的是尋求更高傳輸速率的物理層替代技術(shù)，目前研究領(lǐng)域方興未艾的超寬帶（UWB,即Ultra Wideband）技術(shù)［2］最有希望成為802.15.3a的PHY標(biāo)準(zhǔn)，提供高達(dá)500 Mbps的超高傳輸速率。

　　隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上流量的劇增，用戶在享受寬帶無(wú)線接入的同時(shí)，對(duì)于有效、魯棒的服務(wù)質(zhì)量（QoS）保障的需求也越來(lái)越突出。QoS的實(shí)現(xiàn)首先要精確區(qū)別每個(gè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的類(lèi)型，其次要恰當(dāng)?shù)胤峙渚W(wǎng)絡(luò)資源，如帶寬和相對(duì)優(yōu)先級(jí)等。早期的QoS研究主要針對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)層以上提供服務(wù)質(zhì)量保障。如綜合服務(wù)/資源預(yù)約（IntServ/RSVP）、區(qū)分服務(wù)（DiffServ）、多協(xié)議標(biāo)簽交換(MPLS)、流量工程(Traffic Engineering)、約束路由(CBR)、子網(wǎng)帶寬管理(SBM)等［3］。但是上述的QoS機(jī)制并不能直接應(yīng)用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，主要有2個(gè)原因：首先，無(wú)線傳輸與有線傳輸截然不同，在無(wú)線傳輸中，串?dāng)_和多徑傳播將導(dǎo)致衰落和色散，因此無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)據(jù)傳輸率低而誤碼率高的特點(diǎn)；而WLAN和WPAN等為了保證靈活性和兼容性，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)一般只制訂MAC層和PHY層規(guī)范，從而造成網(wǎng)絡(luò)上層的QoS與無(wú)線鏈路層的分離，最終QoS無(wú)法得到充分發(fā)揮；其次，隨著無(wú)線接入技術(shù)的發(fā)展，異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用將越來(lái)越普及，各種應(yīng)用一般會(huì)經(jīng)過(guò)無(wú)線接入、有線骨干網(wǎng)傳輸、無(wú)線接入的傳輸途徑，在這種情況下，緊緊依靠傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)QoS機(jī)制已經(jīng)無(wú)法提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保障，迫切需要一種能夠針對(duì)無(wú)線信道的特點(diǎn)，在無(wú)線鏈路層媒體訪問(wèn)控制（MAC）子層提供網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的區(qū)分、優(yōu)先級(jí)控制、資源分配等的QoS控制和保障，從而使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)的QoS進(jìn)行整體規(guī)劃。

　　本文將研究?jī)煞N提供QoS保障的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)媒體訪問(wèn)控制協(xié)議——2002年5月公布的IEEE802.11e D3（草案）［4］和2003年2月公布的IEEE802.15.3 D16（草案）［5］，首先分析兩種MAC協(xié)議的媒體訪問(wèn)機(jī)制，其次對(duì)比兩種協(xié)議在處理多種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類(lèi)型、不同的網(wǎng)絡(luò)配置、解決“隱藏節(jié)點(diǎn)”問(wèn)題等方面的優(yōu)缺點(diǎn)，最后給出結(jié)論。

　　二、IEEE802.11e MAC協(xié)議及其QoS機(jī)制

　　IEEE802.11e的媒體訪問(wèn)控制策略從總體上說(shuō)是對(duì)802.11 MAC協(xié)議的改進(jìn)和增強(qiáng)。在介紹802.11e MAC協(xié)議之前，首先對(duì)802.11 MAC協(xié)議的基本機(jī)制作簡(jiǎn)要分析。

　　1.IEEE802.11 MAC協(xié)議的DCF、PCF訪問(wèn)

　　控制策略IEEE802.11 MAC協(xié)議［1］定義了兩種操作，在信道爭(zhēng)用期的分布式協(xié)調(diào)功能（DCF）與非信道爭(zhēng)用期的點(diǎn)協(xié)調(diào)功能（PCF）。其中，DCF是必備的功能，而PCF由各WLAN設(shè)備硬件廠家來(lái)決定是否實(shí)現(xiàn)。

　　DCF采用載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突避免（CSMA/CA）的媒體訪問(wèn)方式，可以形象地比喻為“先聽(tīng)再說(shuō)”（如圖1所示）。節(jié)點(diǎn)（STA）在發(fā)送數(shù)據(jù)前要先檢測(cè)信道是否空閑，如果信道空閑則準(zhǔn)備發(fā)送MAC業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元（MSDU）。如果2個(gè)STA同時(shí)檢測(cè)到信道空閑并開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)就會(huì)發(fā)生沖突，為此，802.11定義了沖突避免（CA）機(jī)制來(lái)降低發(fā)生沖突的概率。為解決CSMA方式引起的“隱藏節(jié)點(diǎn)”問(wèn)題，802.11定義了請(qǐng)求發(fā)送/清除發(fā)送（RTS/CTS）機(jī)制。在傳送數(shù)據(jù)幀以前STA先發(fā)送一個(gè)短RTS幀，接收方接收到RTS后立即發(fā)送一個(gè)CTS幀，RTS和CTS幀中都包含了下一個(gè)數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度信息。因此STA附近的其他STA及接收數(shù)據(jù)的STA附近的“隱藏節(jié)點(diǎn)”通過(guò)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分配向量（NAV）定時(shí)器，在NAV規(guī)定的時(shí)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(jī)制可以有效保護(hù)長(zhǎng)數(shù)據(jù)幀免受“隱藏節(jié)點(diǎn)”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(duì)信道進(jìn)行爭(zhēng)用，因此DCF無(wú)法對(duì)時(shí)延敏感的業(yè)務(wù)提供QoS保障。因此，802.11協(xié)議定義了點(diǎn)協(xié)調(diào)功能（PCF）來(lái)保證STA以一定的優(yōu)先權(quán)接入到無(wú)線信道中，如圖2所示。STA的優(yōu)先權(quán)由點(diǎn)協(xié)調(diào)器（PC）來(lái)協(xié)調(diào)。PCF發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡却龝r(shí)間間隔稱(chēng)為PIFS， PIFS介于SIFS和DIFS之間，因而PCF比DCF的優(yōu)先級(jí)高。PCF的傳輸時(shí)間被劃分為重復(fù)的周期，即交替出現(xiàn)的競(jìng)爭(zhēng)周期（CP）和非競(jìng)爭(zhēng)周期（CFP）。CP和隨后的CFP一起組成超幀。在CFP階段采用PCF機(jī)制接入無(wú)線信道，在CP階段則使用DCF機(jī)制傳輸數(shù)據(jù)。超幀由信標(biāo)幀（Beacon）開(kāi)始。信標(biāo)幀是一種管理幀，它維持STA內(nèi)本地定時(shí)器的同步，并負(fù)責(zé)傳送協(xié)議相關(guān)的參數(shù)。PC周期性的產(chǎn)生信標(biāo)幀，下一個(gè)信標(biāo)幀到來(lái)的時(shí)間被稱(chēng)為目標(biāo)信標(biāo)幀傳輸時(shí)間（TBTT），每個(gè)信標(biāo)幀中都攜帶該信息。每個(gè)STA被PC輪詢后發(fā)送數(shù)據(jù)，因而不會(huì)發(fā)生沖突。PC通過(guò)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(rèn)。若PC在等待了一個(gè)PIFS的時(shí)間后沒(méi)有收到STA的響應(yīng)，可以繼續(xù)輪詢其他的STA，一直到CFP的結(jié)束。PC通過(guò)發(fā)送一個(gè)特殊的控制幀CF-End來(lái)指示CFP的結(jié)束。?

　　２．IEEE802.11e基于EDCF、HCF的QoS機(jī)制

　　為了改善802.11協(xié)議對(duì)于QoS的支持，IEEE802.11工作組正在制訂802.11 MAC協(xié)議的增強(qiáng)機(jī)制，也稱(chēng)為802.11e。它引入了增強(qiáng)的DCF（EDCF）和混合協(xié)調(diào)功能（HCF）兩種機(jī)制。具有IEEE802.11e QoS功能的STA被稱(chēng)為QSTA（QoS-ca?pable STA），為其他STA提供集中控制的QSTA被稱(chēng)為混合協(xié)調(diào)器（HC），HC通常由AP來(lái)?yè)?dān)任，此AP也稱(chēng)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(diào)功能。

　　EDCF是HCF的基礎(chǔ)，它通過(guò)引入業(yè)務(wù)流分類(lèi)（TC）來(lái)實(shí)現(xiàn)QoS支持，圖3示意了802.11e EDCF機(jī)制與802.11的區(qū)別。MSDU通過(guò)多次退避延時(shí)后才能發(fā)送，每次退避的時(shí)間由TC參數(shù)來(lái)確定。在CP階段，QSTA內(nèi)的每個(gè)TC競(jìng)爭(zhēng)一個(gè)發(fā)送機(jī)會(huì)（TxOP），并在檢測(cè)到信道空閑后獨(dú)立地進(jìn)行延時(shí)退避，檢測(cè)信道的時(shí)間被稱(chēng)為仲裁幀間間隔（AIFS），參見(jiàn)圖4。AIFS不小于DIFS，并可以根據(jù)TC類(lèi)別設(shè)置不同的值。在等待一個(gè)AIFS后，每個(gè)STA設(shè)定一個(gè)［0, CW+1］的隨機(jī)計(jì)數(shù)器開(kāi)始延時(shí)退避，CW(競(jìng)爭(zhēng)窗口函數(shù))的最小值取決于TC。在傳統(tǒng)的DCF中，在計(jì)數(shù)器遞減到0之前如果檢測(cè)到信道忙，則只有再等待DIFS時(shí)間并檢測(cè)到信道空閑以后才繼續(xù)進(jìn)行遞減計(jì)數(shù)。EDCF中，在AIFS期間檢測(cè)到信道空閑以后，在AIFS周期結(jié)束前的最后一個(gè)時(shí)隙間隔的開(kāi)始時(shí)刻對(duì)退避計(jì)數(shù)器遞減計(jì)數(shù)，而DCF則在DIFS結(jié)束后的第一個(gè)時(shí)隙的開(kāi)始時(shí)刻遞減計(jì)數(shù)。發(fā)生沖突后改變CW的策略也有所不同。DCF是將CW簡(jiǎn)單地加倍，而EDCF中則根據(jù)PF因子來(lái)修正原先的CW，而且CW的取值不能超過(guò)某個(gè)上限值。 ?

　　每個(gè)STA內(nèi)可以采用虛擬隊(duì)列的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)8種不同的TC，并賦予不同優(yōu)先級(jí)的QoS參數(shù)。QoS參數(shù)可以由HC來(lái)修改，并在信標(biāo)幀中進(jìn)行周期性的廣播。如果同一個(gè)STA內(nèi)的多個(gè)TC的退避計(jì)數(shù)器同時(shí)減到0，則會(huì)發(fā)生虛擬沖突，調(diào)度器為優(yōu)先權(quán)最高的TC分配TxOP來(lái)解決虛擬沖突問(wèn)題。還應(yīng)該注意到，802.11e的8種TC所定義的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)與以太網(wǎng)中的IEEE802.1D/P/Q標(biāo)準(zhǔn)［６］對(duì)于以太網(wǎng)業(yè)務(wù)區(qū)分的定義是相同的，這意味著802.11e可以與以太網(wǎng)QoS完美地結(jié)合，這也有利于開(kāi)發(fā)符合802.11e標(biāo)準(zhǔn)的QSTA、QAP產(chǎn)品。

　　802.11e HCF擴(kuò)展了EDCF的接入規(guī)則。在CP期間，使用EDCF規(guī)則檢測(cè)到可用信道或者STA從HC處接收到QoS CF-Poll輪詢幀后，則TxOP開(kāi)始。TxOP是802.11e最重要的特性之一，TxOP定義了STA可以發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間段，包括開(kāi)始時(shí)間和最大持續(xù)時(shí)間。QoS CF-Poll輪詢幀在檢測(cè)到信道空閑一個(gè)PIFS時(shí)間后不需延時(shí)就可以立即發(fā)送，因此HC在CP中具有較高的優(yōu)先權(quán)。在CFP期間STA不能競(jìng)爭(zhēng)接入無(wú)線信道，只能等待HC發(fā)送QoS CF-Poll來(lái)分配TxOP。CFP階段在信標(biāo)幀中聲明的時(shí)間內(nèi)結(jié)束，或者也可以由HC發(fā)送CF-End幀來(lái)顯式的結(jié)束。

　　802.11e中還定義一種可以快速解決碰撞的受控式競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議。每個(gè)QSTA的狀態(tài)信息要及時(shí)更新，HC通過(guò)該狀態(tài)信息得知某個(gè)STA是否有數(shù)據(jù)發(fā)送來(lái)確定是否要對(duì)該STA輪詢，以及輪詢的開(kāi)始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間。受控競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制允許STA通過(guò)發(fā)送資源請(qǐng)求來(lái)要求分配TxOP，而不用同其他的業(yè)務(wù)流競(jìng)爭(zhēng)，HC根據(jù)當(dāng)前資源狀況對(duì)接收到的資源請(qǐng)求幀予以確認(rèn)。

　　三、IEEE802.15.3 MAC協(xié)議及其QoS機(jī)制

　　在IEEE802.11 WLAN迅速發(fā)展的同時(shí)，另一種針對(duì)小型個(gè)域網(wǎng)絡(luò)、家庭數(shù)字媒體網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線技術(shù)正在不斷地引起研究者和產(chǎn)業(yè)界的注意，那就是IEEE802.15 WPAN任務(wù)組針對(duì)數(shù)字視頻、圖像等多媒體應(yīng)用而制定的高速率WPAN標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.3。除了高速率外，802.15.3將為便攜式數(shù)字多媒體應(yīng)用提供低功耗、低成本的解決方案。同時(shí)，IEEE802.15.3任務(wù)組（TG3）還成立了802.15.3a研究組（SG3a）來(lái)尋找更高速率的物理層替代方案，目前研究領(lǐng)域方興未艾的超寬帶（UWB）無(wú)線通信技術(shù)最有希望成為802.15.3a的PHY標(biāo)準(zhǔn)，提供高達(dá)500 Mbps的超高傳輸速率。802.15.3a研究組有望在今年被批準(zhǔn)為任務(wù)組（TG），從而可以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的推進(jìn)工作。802.15.3a研究組所尋找的物理層替代方案需要要實(shí)現(xiàn)下述目標(biāo)： ?(1)支持DV、高清晰DVD、高清晰度打印機(jī)、掃描儀，MP3播放器快速下載、數(shù)碼相機(jī)靜態(tài)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(shí)速度可達(dá)到500 Mbit/s，以替代當(dāng)前廣泛使用的IEEE1394a（400Mbit/s），USB2.0（480 Mbit/s）基于線纜的數(shù)據(jù)傳輸。

　　802.15.3網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基于中央控制的面向連接的自組網(wǎng)（Ad Hoc）。網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)，由任一個(gè)節(jié)點(diǎn)（DEV）來(lái)?yè)?dān)任WPAN的協(xié)調(diào)器/調(diào)度器（PNC）。除了提供基本的網(wǎng)絡(luò)同步之外，PNC還要根據(jù)預(yù)先定義的QoS策略以及當(dāng)前剩余的信道時(shí)隙數(shù)量（CT,即Channel Time）完成接納控制、分配網(wǎng)絡(luò)資源、管理節(jié)能請(qǐng)求等功能。

　　802.15.3基于時(shí)隙的超幀結(jié)構(gòu)由3部分組成：信標(biāo)（Beacon）、信道競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)周期（CAP,即Contention Access Period）和信道無(wú)競(jìng)爭(zhēng)周期（CFP,即Contention Free Period）組成，如圖5所示。?

　　信標(biāo)在每一超幀的開(kāi)始發(fā)送，載有網(wǎng)絡(luò)的控制參數(shù)（網(wǎng)絡(luò)同步、最大傳輸功率等）、信道時(shí)隙分配、超幀中傳輸?shù)尼槍?duì)每一個(gè)業(yè)務(wù)流的指示信息等。CAP周期預(yù)留來(lái)傳送無(wú)QoS的數(shù)據(jù)幀，如網(wǎng)內(nèi)設(shè)備發(fā)出的認(rèn)證、關(guān)聯(lián)命令的請(qǐng)求和應(yīng)答以及一些短的異步數(shù)據(jù)。

　　在CAP周期內(nèi)，各設(shè)備采取載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突避免的訪問(wèn)控制機(jī)制來(lái)爭(zhēng)用信道。超幀的其余時(shí)間（CFP周期）用來(lái)傳輸有特定QoS的數(shù)據(jù)，如高清晰度視頻/音頻流、大容量圖像、音樂(lè)文檔等，這些數(shù)據(jù)根據(jù)各自所需的帶寬、時(shí)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(dòng)態(tài)可調(diào)的。

　　每個(gè)CFP周期分為管理時(shí)隙（STAS,即Management Time Slot）和確保服務(wù)的同步時(shí)隙（GTS,即Guaranteed Time Slot），GTS用于傳輸同步媒體業(yè)務(wù)流和異步數(shù)據(jù)，如圖6所示。在CFP周期內(nèi)所有的傳輸機(jī)會(huì)都開(kāi)始于預(yù)先設(shè)定好的時(shí)隙，時(shí)隙的設(shè)定通過(guò)PNC與各DEV交互信標(biāo)幀中流量映射信息單元（Traffic Mapping Information Element）來(lái)完成。在DEV分配到的GTS時(shí)隙中，DEV可以在滿足傳輸時(shí)間不超過(guò)規(guī)定時(shí)長(zhǎng)的條件下自行決定傳輸數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。所有的GTS時(shí)隙的長(zhǎng)度都是不固定的。有些GTS是動(dòng)態(tài)改變的，即這些時(shí)隙在不同超幀中的位置是隨時(shí)改變的。有些GTS的位置在一段時(shí)間內(nèi)是基本固定的，即PNC雖然可以修正這些GTS時(shí)隙的位置，但是需要得到利用該時(shí)隙收發(fā)數(shù)據(jù)的DEV的同意方可,這樣的時(shí)隙可以用來(lái)支持CBR業(yè)務(wù)。對(duì)于MTS時(shí)隙，可以用來(lái)在CAP周期中傳輸認(rèn)證、關(guān)聯(lián)命令等。?

　　在802.15.3網(wǎng)絡(luò)中，QoS可以通過(guò)對(duì)每一個(gè)業(yè)務(wù)流的預(yù)約來(lái)簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)。DEV先向PNC詢問(wèn)自己的QoS請(qǐng)求能否被信道時(shí)間管理器（CT Manager）滿足，如果這些QoS請(qǐng)求得到PNC的許可，就會(huì)在鏈路層和IP層之間為此業(yè)務(wù)流建立專(zhuān)門(mén)的流標(biāo)識(shí)。這種PNC與DEV之間相對(duì)獨(dú)立的請(qǐng)求-應(yīng)答機(jī)制很有效地降低了協(xié)議的復(fù)雜度，即在低層（鏈路層）并不需要實(shí)現(xiàn)太多復(fù)雜的功能。同時(shí)，由于在網(wǎng)絡(luò)層的QoS研究已經(jīng)建立起一套關(guān)于資源預(yù)約、分配調(diào)度的機(jī)制，從而可以使鏈路層與當(dāng)前主流網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議密切配合。避免了網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)帶來(lái)的層與層之間的獨(dú)立和冗余而導(dǎo)致的協(xié)議效率低下。資源預(yù)約的方式使得網(wǎng)絡(luò)資源的達(dá)到最佳的利用，從而可以更好、更高效地規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)的使用，提供可靠的QoS保障。但是，這種方式有時(shí)候也會(huì)帶來(lái)過(guò)多的開(kāi)銷(xiāo)，如網(wǎng)絡(luò)必須傳輸信令消息以提供資源預(yù)約，因此各種應(yīng)用在數(shù)據(jù)收發(fā)之前會(huì)有一段延時(shí)。

　　802.15.3 MAC協(xié)議另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的獨(dú)立性。目前很多鏈路層以上的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)如IP、 USB、IEEE1394等正在制訂服務(wù)匯聚子層（ SSCS,即Service Specific Convergence Sub-layers）來(lái)支持與IEEE802.15.3鏈路層的平滑過(guò)渡和整合，圖7給出了IEEE802網(wǎng)絡(luò)、IEEE1394、USB2.0等上層應(yīng)用基于802.15.3 MAC層的實(shí)現(xiàn)示意圖。?

　　四、IEEE802.11e與IEEE802.15.3的對(duì)比分析

　　上文討論了IEEE802.11e與IEEE802.15.3兩種MAC協(xié)議在提供QoS方面各自的特點(diǎn)。由于面向的對(duì)象和應(yīng)用的不同，兩種協(xié)議有著本質(zhì)的區(qū)別。?

　　1.媒體訪問(wèn)機(jī)制

　　媒體訪問(wèn)機(jī)制是IEEE802.11e與IEEE802.15.3最大的差別。802.11e采用隨機(jī)爭(zhēng)用和輪詢相結(jié)合的訪問(wèn)控制，而802.15.3采用基于中心式的調(diào)度機(jī)制。兩種方式都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)大部分帶寬用來(lái)進(jìn)行對(duì)等進(jìn)程的通信（pere-to-pere）時(shí)適合于采用調(diào)度機(jī)制，例如多媒體家庭網(wǎng)絡(luò)中常見(jiàn)的業(yè)務(wù)，各設(shè)備之間以對(duì)等進(jìn)程的方式大量傳送多媒體數(shù)據(jù)流，相比于輪詢方式，調(diào)度機(jī)制可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)的效率。同時(shí)，IEEE802.l5.3基于時(shí)隙的超幀結(jié)構(gòu)也降低了每個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，進(jìn)而可以有效降低功耗，提高了電池壽命。進(jìn)一步講，由于每個(gè)DEV可以在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的收發(fā)，DEV可以在不影響當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)連接的情況下利用超幀中沒(méi)有分配的時(shí)隙進(jìn)行信道掃描，或者尋找信號(hào)強(qiáng)度更好、負(fù)載更小的其他微網(wǎng)。

　　IEEE802.11e HCF的輪詢方式在WLAN的骨干網(wǎng)的工作方式（Infrastructure Network）時(shí)可以提供很高的效率，此時(shí)大部分的網(wǎng)絡(luò)帶寬用于AP與STA之間的數(shù)據(jù)收發(fā)。由于CF-Poll信息已經(jīng)加載到數(shù)據(jù)幀中，TxOP的持續(xù)時(shí)間已經(jīng)寫(xiě)入QoS控制域中，論詢方式對(duì)于AP與STA之間的數(shù)據(jù)收發(fā)不會(huì)引入額外的開(kāi)銷(xiāo)。由于HC可以獲知網(wǎng)絡(luò)中所有的數(shù)據(jù)傳輸，并且HC可以根據(jù)QoS控制域中第8～15 bit的信息實(shí)時(shí)地了解每一個(gè)QSTA的業(yè)務(wù)隊(duì)列，從而可以跟有效地對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行分配。通過(guò)調(diào)整TxOP，HC能夠?qū)τ趲掝A(yù)約、臨時(shí)性網(wǎng)絡(luò)擁塞作出迅速響應(yīng)。這種迅速響應(yīng)機(jī)制對(duì)于優(yōu)化VBR業(yè)務(wù)中無(wú)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(wú)QAP的情況下，只支持EDCF操作和基于優(yōu)先級(jí)的QoS機(jī)制，不支持參數(shù)化的QoS，采用固定的信道訪問(wèn)參數(shù)，容易發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞；有QAP時(shí)，可以支持基于優(yōu)先級(jí)的QoS機(jī)制和參數(shù)化的QoS，但是AP切換時(shí)原有的安全和QoS無(wú)法保持。802.15.3則支持基于優(yōu)先級(jí)的QoS機(jī)制和參數(shù)化的QoS，并且在PNC切換時(shí)原有的安全和QoS繼續(xù)保持。?

　　3.解決“隱藏節(jié)點(diǎn)”問(wèn)題

　　802.11e采用NAV與CCA聯(lián)合的載波偵聽(tīng)方式，通過(guò)RTS/CTS來(lái)設(shè)定各接收數(shù)據(jù)STA的NAV參數(shù)來(lái)避開(kāi)數(shù)據(jù)沖突。802.15.3由于采用了中心控制的方式，每個(gè)DEV的收發(fā)時(shí)隙由PNC來(lái)分配，因此有效地解決了隱藏節(jié)點(diǎn)問(wèn)題。?

　　4.VBR業(yè)務(wù)支持

　　802.11e HC根據(jù)不同業(yè)務(wù)流的業(yè)務(wù)隊(duì)列狀況來(lái)動(dòng)態(tài)分配TxOP，如果沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送，QSTA會(huì)發(fā)送QoS-null幀來(lái)結(jié)束TxOP，對(duì)于VBR業(yè)務(wù)的響應(yīng)迅速而有效。802.15.3通過(guò)DEV與PNC之間帶寬請(qǐng)求-應(yīng)答來(lái)完成對(duì)VBR業(yè)務(wù)的支持，但是響應(yīng)時(shí)間相對(duì)802.11e較慢，但是802.15.3MAC協(xié)議對(duì)于低成本、低功耗的要求相比于響應(yīng)時(shí)間是更重要的。?

　　5.業(yè)務(wù)流優(yōu)先級(jí)的支持

　　802.11e根據(jù)TC來(lái)提供8種業(yè)務(wù)流的優(yōu)先級(jí)區(qū)分。802.15.3對(duì)于基于優(yōu)先級(jí)的異步業(yè)務(wù)流，PNC可以向高等級(jí)的業(yè)務(wù)分配更多的GTS時(shí)隙；在CAP周期中同樣可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似EDCF方式的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)區(qū)分。

　　6.參數(shù)化業(yè)務(wù)流的支持

　　802.11e具有業(yè)務(wù)流參數(shù)標(biāo)識(shí)，HC通過(guò)調(diào)整TxOP來(lái)控制業(yè)務(wù)流參數(shù)。802.15.3也具有業(yè)務(wù)流參數(shù)標(biāo)識(shí)，PNC通過(guò)CT和CTR_request/modify來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整業(yè)務(wù)流參數(shù)。?

　　7.重負(fù)載下的穩(wěn)定性

　　802.11e在EDCF訪問(wèn)機(jī)制下，HC無(wú)法控制QSTA的業(yè)務(wù)流發(fā)送，只能依靠調(diào)節(jié)CW和TxOP來(lái)限制業(yè)務(wù)流量；在輪詢?cè)L問(wèn)機(jī)制下屬于中心控制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，HC完成接納控制和業(yè)務(wù)調(diào)。802.15.3網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上屬于中心控制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，PNC完成接納控制和業(yè)務(wù)調(diào)度。?

　　8.最大有效吞吐量

　　802.11e由于受CSMA/CA方式、固定長(zhǎng)度SIFS/DIFS的限制，DCF的理論吞吐量上限是75 Mbps，HCF/PCF則可以提高信道帶寬的利用率。802.15.3中心控制的調(diào)度方式可以提高吞吐量，對(duì)于802.15.3規(guī)定的2.4G物理層標(biāo)準(zhǔn)，其理論吞吐量上限可以達(dá)到325 Mbps，如果采用更高速的物理層技術(shù)如UWB等，吞吐量還可繼續(xù)提高［７］。

　　9.實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度

　　802.11e如果將EDCF、HCF全部實(shí)現(xiàn)，則復(fù)雜度很高。從當(dāng)前的802.11a/b商用產(chǎn)品來(lái)看，802.11的實(shí)現(xiàn)都比較復(fù)雜，不適用于嵌入式應(yīng)用，而且一部分802.11的協(xié)議功能需要依靠插卡的主機(jī)系統(tǒng)來(lái)完成。802.15.3復(fù)雜度則低很多，適合于了低功耗、低成本的便攜設(shè)備。如果物理層結(jié)合新的UWB技術(shù)，則由于UWB基帶不需要復(fù)雜的調(diào)制解調(diào)技術(shù)以及簡(jiǎn)單的射頻前端設(shè)計(jì)，功耗和復(fù)雜度還可以進(jìn)一步降低。?

　　五、結(jié)論

　　IEEE802.11e和IEEE802.15.3兩種MAC協(xié)議對(duì)于如何在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)MAC層提供QoS保障的問(wèn)題做出了有益的嘗試并推動(dòng)了標(biāo)準(zhǔn)化工作和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。由于面向的對(duì)象和應(yīng)用的差別，兩者在QoS性能上表現(xiàn)都還存在不足：802.11e如果能夠吸收802.15.3基于中心控制的方式所帶來(lái)的吞吐量、效率、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度等方面的優(yōu)點(diǎn)，必將進(jìn)一步促進(jìn)無(wú)線局域網(wǎng)的發(fā)展，并為用戶提供更好的服務(wù)質(zhì)量。同樣，802.15.3在處理VBR業(yè)務(wù)響應(yīng)時(shí)間上的不足也可以參考802.11e根據(jù)每個(gè)QSTA的業(yè)務(wù)隊(duì)列的信息來(lái)分配網(wǎng)絡(luò)資源的做法，從而能夠?qū)掝A(yù)約、臨時(shí)性網(wǎng)絡(luò)擁塞作出迅速響應(yīng)。另外，802.15.3 MAC協(xié)議如果能采用UWB技術(shù)作為物理層實(shí)現(xiàn)，性能將會(huì)得到進(jìn)一步提高，具有廣闊的發(fā)展前景。