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　　摘　要：在分析當今兩大主流無線局域網(wǎng)MAC層機制的基礎(chǔ)上研究了無線局域網(wǎng)對實時業(yè)務(wù)的支持，分析了不同的媒體接入策略對實時業(yè)務(wù)的影響。
    關(guān)鍵詞：無線局域網(wǎng)　媒體接入控制(MAC)　實時業(yè)務(wù)　服務(wù)質(zhì)量(QoS)　　

一、前言　　
　　近年來，由于無線通信為用戶提供了方便、快捷的接入手段，無線通信技術(shù)日益受到人們的關(guān)注，并且得到飛速發(fā)展。無線局域網(wǎng)作為無線本地接入的一種重要手段，在軍工和民用方面都具有廣泛的應(yīng)用前景，同時有關(guān)無線局域網(wǎng)的研究也成為人們關(guān)注的熱點。
　　為此，IEEE制定了無線局域網(wǎng)的標準IEEE802．11以提供寬帶的、支持異步或同步服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)^［1］。IEEE802．11的基本接入方式是共享信道的分布式接入DCF(Distributed Coordination Function)方式。同時，ETSI也提出了HIPER－LAN^［2］，采用了EY－NPMA(Elimination Yield－Non－preemptive Priority Multiple Access)的媒體接入方式。本文在對兩種主流無線局域網(wǎng)協(xié)議的MAC層研究的基礎(chǔ)上，分析了現(xiàn)有的一些在無線局域網(wǎng)上提供實時業(yè)務(wù)的機制。　　
二、IEEE802．11和HIPERLAN協(xié)議流程分析　　
   1．IEEE802．11協(xié)議簡介　　
    (1)協(xié)議總體框架
　　IEEE802．11網(wǎng)絡(luò)通常是由基本服務(wù)集BSS(Basic Service Set)所構(gòu)成。一個BSS所覆蓋的區(qū)域被稱為基本服務(wù)區(qū)間BSA(Basic Service Area)。從概念上來說,在一個BSA內(nèi)的所有節(jié)點都是可以同BSS內(nèi)的其他節(jié)點互通的。由這樣的獨立的BSS可以構(gòu)成自組織型的ad hoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
　　同時，在每個獨立的BSS中設(shè)立接入控制點AP(Access Point)，通過這樣一些類似于基站的AP設(shè)備，可以把這些BSS連接成為一個結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)，這就是第二種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于AP為不同BSS節(jié)點提供了連通，于是形成了擴展服務(wù)集ESS(Extended Service Set)。ESS通過一個公用的分布式系統(tǒng)(DS，Distribution System)將系統(tǒng)中所有BSS連成一體。同時，也可以在ESS中設(shè)置通向有線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)入口(portal)，從而獲得與有線網(wǎng)絡(luò)的互通。下圖是IEEE802．11結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)示意圖。
                     

    (2)IEEE802．11媒體接入控制協(xié)議
   ·分布式協(xié)調(diào)功能(DCF)
　　分布式協(xié)調(diào)功能（DCF）是IEEE802．11的基本接入功能，所有節(jié)點都缺省支持這種方式。它基于傳統(tǒng)的CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Accesswith Collision Aviodance)協(xié)議，以盡力而為(besteffort)的方式接入信道。
　　DCF的載波監(jiān)聽是通過空中接口的物理載波監(jiān)聽和MAC層的虛擬載波監(jiān)聽完成的 。物理載波監(jiān)聽主要是通過監(jiān)測鏈路信號強弱來感知其他站點用戶。Mac層的虛擬載波監(jiān)聽主要是發(fā)送站點通過在數(shù)據(jù)包中攜帶信道預(yù)留信息的方式來告知其他站點進行帶寬預(yù)留。其他站點一旦接到預(yù)留數(shù)據(jù)包，會根據(jù)其中預(yù)留持續(xù)時間信息重置自己的網(wǎng)絡(luò)分配NAV(Network Allocation Vector)，用來表明當前信道忙。以上兩種監(jiān)聽只要其中的一種顯示忙，當前信道就標為忙。
　　在DCF方式中通過IFS（Inter－Frame Space）的使用來設(shè)置幀接入的優(yōu)先級。在IEEE802．11中設(shè)置了三種IFS，它們是：SIFS，PIFS和DIFS，時長依次遞增。圖2是成功傳送數(shù)據(jù)包流程圖。
                       

    為了減少數(shù)據(jù)碰撞帶來的帶寬浪費，當數(shù)據(jù)包較大時，可以采用RTS(Request to Send)/CTS(Clear to Send)來預(yù)留帶寬，這是IEEE802．11中的一個選項。RTS和CTS相對數(shù)據(jù)幀而言通常要小得多(RTS為20字節(jié)，CTS為14字節(jié)，最大幀長為2346字節(jié)長)，因而如果一旦發(fā)生碰撞，浪費的帶寬也會大大減小。利用RTS/CTS傳送數(shù)據(jù)包流程圖如圖3所示。
                   

    在IEEE802.11中可以選擇不用RTS，在超過某一個預(yù)定值RTS-Threshold時使用RTS，或是一直使用RTS。在處理從上層LLC傳下來的數(shù)據(jù)包時如果包長過長，還需要根據(jù)分片門限值(Frag－mentation－Threshold)的大小對數(shù)據(jù)包分段。
　　在IEEE802．11DCF中采用CSMA／CA策略進行共享信道的競爭接入。其實質(zhì)是通過窗口的指數(shù)退避來達到當前鏈路狀態(tài)的自適應(yīng)和主機接入概率的調(diào)整。窗口競爭機制如下：
    a)初始窗口值的計算：W＝W_min
     b)窗口指數(shù)退避：W＝W×2＋1；
　  if（W＞W(wǎng)_max）W＝W_max c)退避時長計算：
    BackoffTime＝Random（）*aSlotTime，
    Random（）均勻分布于［0，W］。
　　由于DCF是基于CSMA／CA的共享信道接入方式，是以盡力而為的方式傳送數(shù)據(jù)包，因此難以對實時業(yè)務(wù)提供任何時延、丟包率等QoS保證。由于應(yīng)用的需要，在DCF的基礎(chǔ)上形成了以下PCF的接入方式。
    ·集中式協(xié)調(diào)功能(PCF)
　　PCF（Point Coordination Function）是一個可選項，提供了面向連接無需競爭的輪詢傳輸方式。輪詢表的維護以及輪詢序列的決定可以根據(jù)不同的實現(xiàn)有所不同。圖4表明了DCF和PCF的共存。
                     

 　　圖5中顯示了無競爭階段PCF下數(shù)據(jù)包的傳送流程。首先，如果信道空閑超過PIFS(PCFInter－Frame Space)，則AP(access point)發(fā)出Beacon表明CFP(Contention－Free Period)始。接著AP以輪詢的方式在AP和主機之間進行數(shù)據(jù)包的交換。在這個時期主機發(fā)包是完全被動的。PCF是通過集中式控制達到QoS的保證 。
                      

    2．HIPERLAN媒體接入控制機制
　　HIPERLAN采用了一種與IEEE802．11完全不同的MAC接入方式消除－產(chǎn)生非預(yù)留優(yōu)先級多點接入EY－NPMA(Elimination－Yield Non－pre－emptive Priority Multiple Access)^［2］，如圖6所示。
                          

    EY－NPMA協(xié)議競爭接入大致可以分為3個階段：優(yōu)先解析、消除和生成。在第一個階段，最高優(yōu)先級的主機競爭獲取信道，如圖7所示，圖中設(shè)置了0～4五種優(yōu)先級。
                           

    在第二階段中，所有在上一階段中競爭成功的主機發(fā)送幾何分布長度的脈沖,脈沖長度在0～12個時槽之間。在脈沖結(jié)束后，主機監(jiān)聽信道消除存留校驗時段ESVP（Elimination Survival Verfication Period）長度，如果還有其他主機正在發(fā)送脈沖信號，則退出競爭。在這一階段中，至少有一個主機競爭成功。
　　第三階段是生成階段，時長為0～9個時隙長度，在這個階段主機監(jiān)聽信道，監(jiān)聽時長均勻分布。若在監(jiān)聽時長內(nèi)信道空閑，則主機競爭成功；否則主機退出競爭 。
    在HIPERLAN協(xié)議中包含了對實時業(yè)務(wù)流的支持，這種支持是通過動態(tài)改變信道接入優(yōu)先級CAMPL(Chann el Access Mechanism Priority Level)的方法來實現(xiàn)的 。NMRL(Normalized MPDU Residual Lifetime)表示根據(jù)跳數(shù)歸一化的MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元生存時間。CAMPL的值就是通過用戶優(yōu)先級和NMRL映射所得。表1指明了數(shù)據(jù)包接入優(yōu)先級計算值。
                       

    有研究表明，在這種動態(tài)改變優(yōu)先級機制下，數(shù)據(jù)包以近似時分復用的方式形成超幀結(jié)構(gòu)，實時業(yè)務(wù)的時延特性以及協(xié)議的穩(wěn)定性都能夠得到良好保證^［5］。
三、無線局域網(wǎng)實時業(yè)務(wù)解決辦法　　
    1．Blackburst(BB)實時業(yè)務(wù)策略
　　IEEE802．11DCF和ETSIHIPERLAN不能提供實時業(yè)務(wù)的QoS。IEEE802．11PCF機制交互流程，AP節(jié)點維護都相對復雜，而且由于PCF是基于DCF的CSMA／CA方式進行的，在競爭信道的過程中難以嚴格保證時延。同時，在無線共享信道上使用集中式的數(shù)據(jù)包接入控制也在很大程度上限制了無線局域網(wǎng)。因此Bell實驗室的J．L．Sabrinho等人于1996年提出了black－burst（BB）^［3］，以實現(xiàn)在802．11上保證實時流的QoS。
　　BB使用了IEEE802．11的物理載波檢測技術(shù)，用指定長度的能量脈沖來使信道處于忙的狀態(tài)。BB對主機接入時延的保證是以下機制保證的。
    在BB中首先定義了三種IFS（Inter－Frame Space）：t_short，t_med，t_long，且有：
                              

t_short與ACK包有關(guān)，t_med與實時包接入有關(guān)，t_long與數(shù)據(jù)包接入有關(guān)。實時包的接入定義為兩個連續(xù)的動作：包發(fā)送延續(xù)t_pkt、計算下一次接入調(diào)度時間t_sch。假設(shè)在t時間有一次主機接入，那么必定是在(t－t _med，t］時段內(nèi)信道空閑，而且在接下來的t_obs（t_obs＞2τ)內(nèi)信道空閑。在這之后實時包才會真正發(fā)送。否則，主機等待信道空閑t_med，進入BB競爭。此時，主機用一定時長的能量脈沖BS(black slots)阻塞信道，BS數(shù)值與主機等待信道空閑的時長成正比。BS個數(shù)具體計算公式為［d／t_unit］，即每隔t_unit，BB長度增加一個時隙。將t_unit置成小于或等于t_obs＋t_pkt＋t_med，則理論上可以保證每一次BB競爭的結(jié)果只有唯一的勝者，最終達到近似時分方式輪詢式的信道占用。流程如圖8所示。
                    

    由于實時應(yīng)用的特殊性，使得可以在傳輸實時包的過程中采用NAK機制。傳統(tǒng)的IEEE802．11中的肯定ACK機制造成了信道利用率低下的問題。相比之下，采用NAK機制時，只需要對超出(t_sch＋t_obs)時段還沒有收到的包進行處理。如果在一定忍耐時間內(nèi)還未收到，則以數(shù)據(jù)包的方式發(fā)送NAK，要求重傳?！　?br>    2．利用隊列調(diào)度的QoS機制
　　這種機制也是基于IEEE802．11DCF協(xié)議。由于標準的DCF并不區(qū)分對待話音實時包和數(shù)據(jù)包，從而數(shù)據(jù)包和話音包具有相同的起始競爭窗口和相同的退避算法，相同的信道接入概率。優(yōu)先級隊列調(diào)度（PQ，Prio rity Queuing）在主機中將話音包和數(shù)據(jù)包分別置入不同的優(yōu)先級隊列，通過對不同隊列控制協(xié)議參數(shù)來達到保證業(yè)務(wù)質(zhì)量的目的^［4］。在DCF中有幾個參數(shù)可以考慮：
    a）退避窗口的選取和退避機制的調(diào)整。
　　b）DIFS：對不同優(yōu)先級的包選取不同的DIFS值。
　　c）最大幀長：對不同優(yōu)先級的包設(shè)定傳送的最大幀長。
　　由于在有線網(wǎng)中對保證業(yè)務(wù)質(zhì)量提出了不少隊列調(diào)度算法(如WFQ，SCFQ等),一些研究人員利用這些已有算法與以上的一些參數(shù)結(jié)合，形成無線鏈路的分布式隊列調(diào)度機制。顯然，不論PQ還是分布式隊列調(diào)度依然是原DCF接入方式的一種改進變種，是保證實時接入與共享信道多點接入的一種折衷。有仿真研究表明，雖然隊列調(diào)度提高了原DCF對實時流的支持和公平性等QoS參數(shù)，但是仍然難以嚴格保證實時業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。　　
四、結(jié)束語
　　以上總結(jié)了無線局域網(wǎng)兩大主流協(xié)議IEEE802．11和HIPERLAN的媒體接入控制機制，并著重研究了在IEEE802．11上提供實時業(yè)務(wù)的一些策略。歸納成表2所示。
                    

    歸納上表，現(xiàn)今的一些能較好支持業(yè)務(wù)流的機制通常是利用CSMA／CA物理載波檢測，通過脈沖時長競爭以保證實時業(yè)務(wù)良好的時延特性，如BB，HIPERLAN。相比而言，其他的一些機制則相對效果比較差。進一步的研究可以考慮將QoS帶寬時延等參數(shù)與脈沖時長、競爭優(yōu)先級等參數(shù)相關(guān)聯(lián)，以便為用戶提供更好的QoS保證。
　　無線局域網(wǎng)的研究具有廣泛的應(yīng)用前景。但由于傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)盡力而為的接入方式無法滿足用戶對業(yè)務(wù)質(zhì)量的需求，如何提供實時流的傳送、QoS機制的保障 ，必將成為研究的熱點和今后無線局域網(wǎng)的發(fā)展方向。


1　IEEE 802．11．Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical(PHY)Layer Specificatio ns，August 1999
2　ETSI Secretariat．Hiperlan functional spectification，Draft prETS 300 652(July 1995)
3　J．L．Sabrinho and A．S．Krishnakumar．Real－Time Traffic over the IEEE802．11 Medium Acce ss Cotrol Layer．Bell labs technical Journal，Vol ．1，No．2，Autumn 1996，N．J．，USA．
4　Imad Aad and Claude Castelluccia．Differentiation mechanisms for IEEE 802．11．Infocom 200 1．
5　G．Anastasi，L．Lenzini，and E．Mingozzi．Stability and Performance Analysis of HIPERLAN．Proceedings of IEEE INFOCOM v 1 Mar 29－Apr 2 1998■

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