无线局域网MAC协议研究及实时业务QoS实现

移动计算机文章编号：１００８－０５７０（２００６）０２—３＿０１５５－０３无线局域网ＭＡＣ协议研究及实时业务ＱｏＳ实现（郑州解放军信息工程大学）李娟李韬陈义杨洪生Ｌｉ，ＪｕａｎＬｉ，ＪｕｎＣｈｅｎ，ＹｉＹａｎｇ，Ｈｏｎｇｓｈｅｎｇ摘要：随着无线网络的迅速发展，网络上的业务流量与日俱增，如何保证无线局域网实时业务服务质量的问题也越来趟突出。

本叉介绍了提供Ｑｏｓ保障的ＩＥＥＥ８０２．１ｌｅ协议，着重研究了一种基于标准ＰＣＦ的增强Ｑｏｓ保证的媒体接凡机翩——动态ＰＣＦ．讨论了它在８０２１１ＷＬＡＮ中支持ＩＰ话音及一般非实时数据业务的Ｑｏｓ控制流程。

关键词：无线局域网；ＩＥＥＥ８０２．１１；ＱｏＳ；ＤＰＣＦ中图分类号：ＴＰ３９３．１文献标识码：ＡＡｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｐｒｏｔｏｃｏｌｏｆＩＥＥＥ８０２１ｌｅｗｈｉｃｈｇｕａｒａｎｔｅｅｔｈｅＱｏＳＡｎｉｍｐｒｏｖｅｄｍｅｄｉａｓｃｈｅｍｅｂａｓｅｄ８０２．１ｌＰＣＦｉｓｄｉ８ｃｕｓｓｃｄ．ｗｈｉｃｈｉｓｎａｍｅｄＤＰＣＦ．ａｎｅｗＭＡＣｓｃｈｅｍｅｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇＶＯＩＰａｎｄｂｅｓｔ—ｅｆｆｏｒｔｄａｔａｓｅⅣｉｃｅｓｉｎ８０２１１ＷＬＡＮ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＷＬＡＮ；ＩＥＥＥ８０２．１１；ＱｏＳ；ＤＰＣＦ１引言随着ＷＬＡＮ的广泛应用，语音和视频的应用也相应增多，ＱｏＳ在ＷＬＡＮ中的作用就变得越来越重要。

ＷＬＡＮ的ＱｏＳ应当根据数据包的类型来处理流量，如将它们分为语音、数据或视频等。

在无线网络中实现ＱｏＳ的标准是ＩＥＥＥ８０２．１ｌｅ。

２无线局域网ＭＡＣ机制ＩＥＥＥ８０２．１１ｅ的媒体访问控制策略其实是对８０２．１１ＭＡＣ协议的改进和增强。

在介绍８０２．Ｉ１ｅＭＡＣ协议之前．首先对８０２．１１ＭＡＣ协议的基本机制作简要分析。

１．ＩＥＥＥ８０２．ＩＩＭＡＣ协议的ＰＣＦ访问ＩＥＥＥ８０２．１１ＭＡＣ协议［２］定义了两种操作，信道争用期（ＣＰ）的分布式协凋功能（ＤＣＦ）与非信道争用期（ＣＦＰ）的点协调功能（ＰＣＦ）。

阻下提到的新机制是对ＰＣＦ的增强。

８０２．１ｌ协议定义的点协调功能（ＰＣＦ）用来保证ＳＴＡ以一定的优先权接入到无线信道中（如图１所示）。

ＳＴＡ的优先权由点协调器（Ｐｃ）来协调。

ＰＣＦ的传输时间被划分为重复交替的ＣＰ和ＣＦＰ周期。

ＣＦＰ阶段采用ＰＣＦ机制接人无线信道．而ｃＰ阶段使用ＤＣＦ机制传输数据。

在ＣＦＰ期间，每个ＳＴＡ被ＰＣ轮询后发送数据，因而不会发生冲突。

Ｐｃ通过发送ＣＦ—Ｐｏｌｌ帧轮询有数据要发送的ＳＴＡ．ＳＴＡ接收到轮询帧后返回一个数据帧到ＰＣ。

若ＰＣ在等待了一个ＰＩＦｓ的时李娟：硕士研究生资助基金：国家８６３项目支持。

ＮＯ．２００２ＡＡｌ２３０２１间后没有收到ＳＴＡ的响应，表示此开寸没有数据需要发送，可以继续轮询其他的ＳＴＡ，直到ＣＦＰ的结束。

ＰＣ通过发送信标帧（Ｂｅａｃｏｎ）和控制帧ＣＦ—Ｅｎｄ来指示ＣＦＰ的开始和结束。

２．ＩＥＥＥ８０２．１ｌｅ基于ＥＤＣＦ、ＨＣＦ的ＱｏＳ机制为了改善８０２１１协议对于ＱｏＳ的支持，ＩＥＥＥ８０２．１ｌ工作组制订出了８０２．ＩＩＭＡＣ协议的增强机制，即８０２．１ｌｅ。

它引入＿：ｒ增强的ＤＣＦ（ＥＤＣＦ）和混合协调功能（ＨｃＦ）两种机制。

ＥＤＣＦ是对原有ＤＣＩ＇１ＭＡＣ规范的大幅改进，支持８类通信优先分级，为各等待传输数据包加入ＱｏＳ标记并依此实现区分优先次序的信道访问功能传输。

ＨＣＦ是一种轮询访问机制，它为有时间约束的高优先级业务分配专用的通信时隙，实现无竞争数据传输。

图１ＩＥＥＥ８０２１１的ＰＣＦ机制ＥＤＣＦ是ＨＣＦ的基础．它通过引入业务流分类（ＴＣ）来实现ＱｏＳ支持。

在ｃＰ阶段，支持服务质量分级的外站（ＱＳＴＡ）内的每个Ｔｃ竞争一个发送机会（Ｔｘ—ｏＰ）．并在检测到信道空闲后独立地进行延时退避．检测信道的时问被称为仲裁帧问间隔（ＡＩＦＳ），见图２。

ＡＩＦＳ可以根据ＴＣ类别设置不同的值。

在等待～个ＡＩＦＳ后，每个ＳＴＡ设定一个［０，ＣＷ＋１］的随机计数器开始延时退避，ｃｗ院争窗口函数）的最小值取决于Ｔｃ。

８０２．１ｌｅＨＣＦ扩展了ＥＤＣＦ的接人规则。

在ＣＰ期Ｉ！窆堡暨皇墼宣垫！！查曼！箜堡！｝ｆ葛置自控罔邮局订阅号：８２．９４６３６０－，ＬＩ＃－一１５５　万方数据｛多动计算棚．中文核心期刊《微计算机信息》（管控一体化）２００ｆｉ年第２２卷第２－３期间．使用ＥＤＣＦ规则检测到吖用信道或者ＳＴＡ从调度当Ｐｃ连续三次都从一个站点收到空包时，才将该站控制节点ＨＣ处接收到ＣＦ—Ｐｏｌｌ轮询帧后，一次ＴｘＯＰ点从轮询列表中删除。

开始。

ＴｘＯＰ定义了ＳＴＡ可以发送数据的时间段，包括②、将ＳＴＡ添加到轮询列表开始时间和最大持续时问。

ＣＦ—Ｐｏｌｌ轮询帧在检测到当一个ＳＴＡ开始发送ＶｏｌＰ包时，先是通过ＣＰ进信道空闲一个ＰＩＦＳ时间后不需延时就可以立即发送，行的。

ＰＣ收到这个ＳＴＡ发来的消息后，将该ＳＴＡ加到因此ＨＣ在ＣＰ中具有较高的优先权。

在ＣＦＰ期问轮询列表中，并在下一个ＣＦＰ时期开始轮询它。

该方ＳＴＡ不进行竞争接人无线信道操作，只能等待ＨＣ发法的问题是，如果在ｃＰ期间产生拥塞，则开始的第一送ＣＦ—Ｐｏｌｌ来分配ＴｘＯＰ。

个数据包就会产生时延．到下一个ＣＰ才能接受到。

影·ＡＩＦＳＩ堕Ｌ．一一一“钆盥釜整盈退避ｊ。

…、、一ｌ…………牮坚．４ｌ崔釜础ｌ雌１０２陬划１１．享牟格孳斧ｌｌｌｎＴｓＬ：！！■延迟退避一一竞争窗（ｃｗ）’ｌ广五蠢７Ｌ二爿用２ＩＥＥＥ８０２１１ｃ的ＥＤＣＦ机制尽管８０２．１ｌｅ给出ｒ保证实时业务ＱｏＳ基本的操作规范，但其８种ＴＣ分类是一种概念性的，同时目前主流８０２．１１协波网络并没有提供８０２．１ｌｅ的协议支持。

为此，本文考虑了包含２类典型业务分级的ＷＬＡＮ在荩于标准８０２．１１ＰＣＦ协议基础上的改进支持。

３使用动态ＰＣＦ提高ⅢＥＥ８０２．１１网络中ＶｏｌＰ业务容量由于ＩＥＥＥ８０２．１１网络的不断发展，目前国际上财实时话音／一般数据业务的混合ＷＬＡＮ网络ＱｏＳ机制进行ｒ广泛研究。

本文以下部分讨论了·种荩于８０２．１１ＰＣＦ协议的改进协议——动态ＰＣＦ（ＤＰＣ功，并分析其对提升ＷＬＡＮ网络中ＶｏＷ业务容量的作用。

１、动态点协调功能（ＤＰＣＦ）协议研究该机制将ｗＬＡＮ中业务类型限定为两类：ＶｏｌＰ业务和尽力服务（ｂｅｓｔｅｆｆｏｒｔ）数据业务，考虑该环境下的实现ＱＯＳ保证问题。

一般情况下ＶｏｌＰ业务在ＣＦＰ期间发送，对ＶｏｌＰ的个别突发也可以在ＣＰ期间发送，而数据业务只能在ＣＰ期间传送。

由此，我们可以把ＶｏＩＰ业务设成较高的优先级，以降低时延。

（１）、动态轮询列表传统ＰＣＦ的一个较大缺点是当ＳＴＡ没有数据需要发送的时候，在ＣＦ—Ｐｏｌｌ帧和空应答帧上浪费大量的带宽。

这种浪费严重影响了ＶｏＩＰ业务的容量。

为此，应用动态轮询列表，减小带宽资源的浪费，动态轮询列表的主要操作包括：①、将ＳＴＡ移出轮询列表当ＰＣ没有收到ＳＴＡ发来的数据或连续收到宅帧时，就将该ＳＴＡ移出轮询列表。

但是，一次没有收到数据帧也可能是因为数据丢失或延时导致的，为此规定响后面的数据发送．然而通过改进８０２．１１协议帧头格式，添加ＭｏｌｅＤａｔａＦｉｅｌｄ（下一段将会进行介绍），这种时延的影响则不会太大。

（２）、动态ＣＦＰ间隔和ＭｏｒｅＤａｔａＦｉｅｌｄ在ＰＣＦ中．若想无时延的传输数据，则ＣＦＰ间隔必须小于等于话音打包间隔。

但是当网络。

ｐ混合了使用不同ＶＯＷ业务编码协议的话音终端时，可能有多个包间间隔，ＣＦＰ间隔的选择就会极大地影响ＶｏｌＰ的容量和质量。

例如：若ＳＴＡＡ和ＳＴＡＢ的包问间隔分别是１０ｍｓ和２０ｍｓ。

以１０ｍｓ为ＣＦＰ问隔，ＳＴＡＢ每２０ｍｓ产生一个数据包，但轮询两次，因此浪费了一个ＣＦ—Ｐｏｌｌ帧。

而以２０ｍｓ为ＣＦＰ间隔时，每２０ｍｓ只轮询ｓＴＡＡ一次，但ＳＴＡＡ产生两个数据包，多卅的一个只能在下一个ＣＦＰ发出，，如此不断累积，就会产生巨大的时延。

ＤＰＣＦ的解决办法足，选择最大的包问间隔作为ＣＦＰ间隔．当一个ｓＴＡ有多个ＶＯＩＰ数据包需要发送时．将８０２．１ｌ西议帧头的ＭｏｒｅＤａｔａＦｉｅｌｄ字段置位并加人到要发送的数据包中，ＰＣ检测到该字段时继续轮询此ＳＴＡ．直到数据包中没有ＭｏｒｅＤａｔａＦｉｅｌｄ字段出现为止。

２、修正的ＤＰＣＦ理论上ＤＰＣＦ住处理ＶｏｌＰ业务时．一个数据包只需要一个ｃ｝１一Ｐｏｌｌ帧．不会产生轮询的浪费。

但是，实际每个终端上的ＶＯＩＰ成帧时序和ＷＬＡＮ网络ＣＦ—Ｐｏｌｌ时序存在异步性．当轮询发生在数据包产生之前，则该ＣＦ—Ｐｏｌｌ被浪费．而产生的数据不得不在ｃＰ期间或下一个ＣＦＰ期间发出。

如果ＣＰ期间没有发生拥塞，数据包就会在这段时间发出．由此导致下一个ＣＦ—Ｐｏｌｌ义被浪费。

如此反复．最终导致大部分的ＣＦ—Ｐｏｌｌ帧都浪费掉，而ＣＰ期间变得异常拥挤造成业务丢失。

如果许多ｓＴＡ都有这种情况，ＣＦＰ间隔就会随着ＣＰＩｌＨｊ隔的增加而逐渐变短。

这是一个关于ＣＦ—Ｐｏｌｌ和实时业务数据同步的问题，解决的最好方法是进行ＣＦ—Ｐｏｌｌ和数据之间的同步：但对于８０２．１１这种传统上以无时延约束的数据业务为主要服务对象的网络结构，实现比较严格的数据同步过程非常困难。

为此，对上述ＤＰＣＦ协议进行如下修正：当ＳＴＡ的ＶｏｌＰ数据队列里只有一个包时，不允许将它在ＣＰ期间发出；只有话音队列中的包多于一个时，才可以在ｃＰ期间发出。

该方法避免了ＣＦ—Ｐｏｌｌ的浪费．同时也优化了非ＶｏｌＰ１５６—３６０元／年邮局订阅号：８２－０４６　万方数据移动计算机的ｂｅｓｔ—ｅｆｆｏｒｔ数据业务在ＣＰ间隔中的传输。

包时，没有浪费的ＣＦ—Ｐｏｌｌ和空包，因此，此时ＤＰＬ＇Ｆ４支持ＶｏＩＰ的网络容量计算与分析这一部分，我们将要分析在有无静默抑制（ｓｉｌｅｎｃｅｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ）情况下支持ＶｏＩＰ的信道容量的最大值，也就是固定信道允许同时传输的最大值。

当没有静默抑制时．ＶｏｌＰ发生器在２０ｍｓ的分包间间隔以１６０ｂｙｔｅ的恒定比特速率（ＣＢＲ）产生数据包：而有静默抑制时，我们使用均值为０．９ｓｅｃ和１．２ｓｅｃ的指数分布分别作为讲话时问和停顿时间，讲话时间还是以发生器的恒定比特速率发包，但停顿时间不发包。

１、ＤＣＦ的ＶｏｌＰ容量一个ＣＢＲＶｏＩＰ业务发生器每一分包问隔产生一个ＶｏＩＰ包。

为避免时延，该包应在产生之后市即发出。

因此，一个分包间隔内可传输的包数就是最大信道容量，可以用以下公式计算：Ｎ一＝’ｒ∽巩）。

Ｔ。

是分包间隔，Ｔ。

是发送一个包所需的时间。

因为发一个包需要知道ＤｌｂＳ，ＳＩＦＳ，ＡＣＫ以及退避时问，因此有式子：７；＝％腓＋墨邢＋ｔ＋瓦傩＋瓦其中退避时间一Ｉ。