IEEE 802.11E技术白皮书

IEEE 802.11E技术白皮书

关键词：QoS、WMM

摘要：本文介绍了无线局域网中的QoS标准—IEEE 802.11E与WMM标准的公有部分。缩略语：

目录

1 概述 (4)

2 技术应用背景 (4)

2.1 技术优点 (4)

2.2 应用限制 (6)

3 特性介绍 (6)

3.1 相关协议 (6)

3.2 协议处理机制 (6)

3.2.1 MAC层结构 (6)

3.2.2 MAC层数据平面结构 (7)

3.2.3 多个接入类 (7)

3.2.4 EDCA机制 (8)

3.2.5 新增帧类型 (11)

4 产品实现的技术特色 (12)

4.1 WX5002/WA2110 (12)

4.2 WA1208E (12)

5 典型组网案例 (13)

5.1 全网QoS解决方案 (13)

5.2 SVP应用 (14)

5.3 WDS组网 (15)

6 总结和展望 (15)

7 参考文献 (15)

1 概述

IEEE 802.11E标准定义无线局域网MAC层服务质量，支持语音、视频等多媒体业

务在无线局域网中的应用。

IEEE 802.11E扩展了原802.11MAC层DCF和PCF信道接入机制，形成了EDCA和

HCCA信道接入规范。前者增强了DCF机制，区分不同业务应用的优先级，保障高

优先级业务的信道接入能力，并在一定程度上保障了高优先业务的带宽。后者增强

了PCF机制，通过QAP的集中控制，以轮询方式为QSTA分配空口资源，提供改善

的访问带宽并且减少了高优先级业务的延迟。由于HCCA机制相比EDCA、PCF机

制更加复杂，目前被各厂商束之高阁，没有得到推广。但EDCA得到了广泛的应

用，本文中的机制全部基于EDCA竞争规则，不涉及HCCA的无竞争部分。

除信道接入机制的增强外，IEEE 802.11E标准还引入BLOCK ACK、DLS、No-

ACK等多种技术，可以有效地提高无线信道的吞吐量和带宽。

IEEE 802.11E于2005年9月22日通过，但至今尚未完全商用，芯片厂商仅支持其

中的少量特性。现在广泛应用的Wi-Fi组织的WMM标准，是IEEE 802.11E的子

集，本文重点介绍WMM和802.11E标准的公有部分。

2 技术应用背景

2.1 技术优点

多媒体、语音等业务在无线局域网中的应用，使得原本紧张的无线空口资源更加捉

襟见肘。由于空口资源的特殊性，传统有线网络的QoS技术无法直接应用在无线局

域网中。IEEE 802.11E标准的引入，解决了此问题。作为802.11E标准的前身和子

集的WMM标准，提供了基本的无线QoS解决方案，可以实现高速突发数据和流量

分级。

IEEE 802.11E和WMM标准共同包含的技术如下：

EDCA，增强的分布式信道接入，在保留AP/STA间的分布式信道竞争外，引入了QAP/QSTA内部四个优先级分类的内部竞争，从而在无线空口引入不

同QAP/QSTA间区分优先级分类的信道竞争机制。

●流分类，将接入的数据流分为四个优先级，每一个优先级作为一个分类，优

先级从低到高分别是：背景（AC_BK）、尽力而为（AC_BE）、视频（AC_VI）、语音（AC_VO）。

●竞争参数及竞争参数协商，QAP为QSTA下发竞争参数，控制QSTA的接

入能力，包含：AIFS、TXOP Limit、CW min、CW max。

●AIFS，新引入的仲裁帧间隙，QAP为不同优先级的流分配不同的AIFS，最

小的AIFS等于PIFS。

●TXOP，传输机会，QAP/QSTA可以在一个传输机会内完全占用信道进行通

信，所有其他的AP/STA在此段时间内静默，只能接收来自获得TXOP的AP发送的报文，并进行确认。

●CW min/CW max，最小/最大竞争窗口大小，QAP为不同优先级的流分配不同的

竞争窗口范围。

●合理分配竞争参数，既保障高优先级流的优先接入信道能力，同时不完全阻

塞低优先级流接入信道。

●ACM与TSPEC，QAP通过使用传输规范（TSPEC）控制网络流量。一个

QAP能够要求每一个QSTA为每一个访问类发送一个传输规范请求。这个请求将具体说明这个QSTA为每一个访问类申请的数据量以及可以承受多长时间的延迟。ACM准入控制意味着如果QAP计算它从各个QSTA收到的请求超过了网络的容量，它将拒绝这些请求。如果一个申请遭到拒绝，提出申请的QSTA就不再发送那种访问类的数据，并且必须把这种访问类的数据结合到优先等级低的数据中。当然，即使在WMM标准中，此项也是可选实现，最简单的实现是拒绝所有QSTA发出的TSPEC申请。

●NO-ACK，IEEE 802.11E标准规定组播、广播帧不回复ACK。在QoS中，

可以设置某一个优先级的流不需要ACK回复，节省回复的ACK帧占用的信道资源。当然，这样的设置如果不配合BLOCK ACK机制，会造成TCP层的报文重传，影响网络的性能。

●技术兼容性，支持IEEE 802.11E标准的设备兼容原有标准和设备。当QAP

与QSTA组网环境中出现了nQSTA的接入时，QAP不必切换nQAP工作，QAP认为nQSTA在信道接入能力上与QSTA的AC_BE分类一致，获得比语音、视频低的网络带宽，但是比背景流略高。借助nQSTA原有的虚侦听机制，保证IEEE 802.11E标准的正常工作。

2.2 应用限制

只有当通讯多方都遵循802.11E标准时，才可保证无线QoS的正常应用。这是因为

无线局域网基于共享的无线媒介，所有的802.11协议族实质上是君子协定——只有

通讯的多方全部遵守802.11协议规则，才可以保证通讯的顺畅。IEEE 802.11E标

准同样如此。

由于无线媒介的特殊性，使得无线QoS不能像有线网络的QoS一样，进行准确的流

量管理、带宽预留等，无线QoS实现的仅仅是粗糙的流分类和简单的流量分配，能

够做到高优先级的流占用较多的带宽，不能控制到占用指定的带宽。

由于MAC层协议复杂度高，要在有效的24Mbps TCP理论带宽内保障服务质量，并

不容易实现。目前，即使是IEEE 802.11E标准的子集WMM标准，其中稍复杂的

TSPEC、ACM技术，大部分设备制造商也尚未完整地支持。缺少支持该标准的网

络设备或终端设备，将会制约IEEE 802.11E标准的推广使用。

3 特性介绍

3.1 相关协议

Wireless Multimedia Enhancements（WMM）

3.2 协议处理机制

3.2.1 MAC层结构

图1MAC层结构

与IEEE 802.11标准相比，IEEE 802.11E标准增加了HCF功能，取代了PCF。

3.2.2 MAC层数据平面结构

图2MAC层数据平面结构

与IEEE 802.11标准相比，IEEE 802.11E标准由于增加了多个接入类（AC），针

对每一个接入类（AC）分片、加密、CRC校验都是独立。在接收时增加了BLOCK

ACK（BLOCK ACK功能目前WA2110暂不支持）的处理。报文分片重组、序列号

检查也基于一个接入类（AC）进行。

3.2.3 多个接入类

将数据流按照业务需求进行分类，并为数据流指定优先级，是传统的QoS差分服务

的做法。在IEEE 802.11E标准中定义了4个优先级的接入类，并与802.1D协议的优

先级进行了映射，将无线和有线网络优先级结合起来，优先级映射关系见下表。

表1 802.1D 与802.11E 优先级映射

3.2.4 EDCA 机制

EDCA 机制是IEEE 802.11E 的核心（包含竞争与无竞争周期的HCCA 尚未有设备支持），EDCA 区分了不同优先级的AC 接入信道的能力，从而保障了空口资源依据数据流优先级分配。 1. 竞争机制

802.11标准基于CSMA/CA 机制，为了避免冲突引入了多个帧间隙：SIFS 、DIFS 、EIFS 、PIFS 。IEEE 802.11E 标准为了支持QoS ，引入了新的帧间隙：AIFS ，用来区分不同优先级。

图3 帧间隙

如上图所示，下标[i]、[j]表示不同的AC ，AC[i]的竞争参数优于AC[j]。

QSTA在信道空闲开始时必须等待AIFS时间后才能进行退避，最先退避结束的AC 开始使用信道进行通讯，其他AC由于信道忙处于静默状态，在通讯结束后，所有QSTA的所有AC再次进行信道竞争。

不同的QSTA间存在信道竞争，同一个QSTA不同的AC间同样存在信道竞争。

2. 竞争参数

每个AC均有独立的信道竞争参数，不恰当的信道竞争参数会导致优先级的反转。802.11E标准建议的优先级配置见下表所示。

表2信道竞争参数

表中AIFSN是计算AIFS用的参数，AIFS=SIFS+AIFSN*（a slot time），AIFSN最小值为1。

图3标识的AC从开始竞争到竞争结束获得信道的时间长度为AIFS+Backoff时间（Backoff时间可以延续前面竞争所剩余的时间），Backoff时间通过CW min和CW max可以确定范围，并在这个范围内取值。Backoff的选择机制同IEEE 802.11标准。

高优先级的AC AIFS时间短，可以更早的进行退避过程。而由CW min和CW max决定的Backoff时间同样小于低优先级的AC。因此在竞争中，高优先级的AC可以优先接入信道。

需要注意一点，最高优先级AC的CW max与AIFS之和须大于最低优先级AC的CW min 和AIFS之和。否则，最低优先级的AC尚未开始退避前，最高优先级的AC就已经完成了一次信道竞争过程并可能获得信道接入，低优先级的AC将没有机会进行通讯。

QBSS中，信道竞争参数由QAP统一管理和下发。QAP和QSTA的信道竞争参数完

全独立。一般可以稍稍提高QAP的信道竞争参数，保障QAP有足够高的信道控制能力。QAP通过beacon或Probe Response帧中的EDCA Parameter Set IE通告QAP的EDCA参数设置，通过(Re)Association Response帧中的EDCA Parameter Set IE将经过协商的EDCA参数设置下发给QSTA。

3. TXOP及多重帧传送

QSTA在获得信道使用权后，在设置的TXOP Limit时间（见表2）内进行数据交互的过程。在这个段时间内，QSTA可以发送多个数据包。这个数据帧最大的特点是AC相同，但是目的地址可以不同。

TXOP内首个发送帧（不限于数据帧，可以通过RTS或者CTS to self预约）需要一次预约整个TXOP Limit内帧传送的所有时间，以使其他STA的虚侦听机制正常工作。

图4TXOP连续帧传送

一次TXOP结束后，重新开始新一轮的信道竞争，在经过time gap（=AIFS[AC] +BackOff）后，某STA可以开始使用信道。

由于节省了每次帧传送后的信道竞争时间，提高了吞吐量。

4. 准入控制

IEEE802.11E增加的准入控制（Admission Control）控制准入策略和调节有效带宽，用来确保QSTA请求的占用信道的时间。

QSTA的某个AC有数据要传输时，如果QAP启用了准入控制，QSTA将给QAP发送一个ADDTS帧来要求业务流的接入。ADDTS帧中将包含有该业务流对应的优先级信息。对于强制使用启用准入控制的AC而QSTA不采用接入控制传输数据时，它将

使用一个低优先级的无需接入控制的AC所对应的EDCA参数。当某QAP启用某一

优先级AC的准入控制时，比该AC优先级高的AC中的必须启用准入控制。

QAP收到ADDTS请求时，QAP通过发送一个ADDTS响应帧来表明接受或拒绝这个

请求。如果QAP接受请求，它必须根据TSPEC中的参数算出Medium Time，并通

过ADDTS响应帧发给请求的QSTA。QSTA中的每个AC都维持有两个变量，一个

是admitted_time，另一个值为used_time。前一个值表明QAP分配给这个AC可占

用信道的时间。后一个值为这个QSTA的AC已经控制信道的时间。如果used_time

超出了admitted_time时，此AC不能使用协商的EDCA参数来传输数据，它可以暂

时地用一个无需接入控制地低优先级AC的EDCA参数来传输数据。

在通讯完成后，QSTA或者QAP将使用DELTS删除ADDTS请求建立的数据流的

QoS信息。

大部分厂商对于准入控制的支持尚未完善。

3.2.5 新增帧类型

除信道接入机制的改善，为支持QoS，IEEE 802.11标准扩充了IEEE 802.11标准

的报文格式，用于区分不同优先级的数据帧；广播QAP的QoS能力信息；进行QoS

参数的协商。

1. 数据帧

图5数据帧格式

在地址4/序列号控制字段后增加了2字节QoS控制字段，用来表示数据流的QoS信

息。

扩展了Frame Control控制域，新增了数据帧的QoS Data、QoS Null子类型。

2. 管理帧

保持了原有管理帧帧格式，增加了数个信息单元。由于IEEE 802.11E标准和WMM

标准在QAP的QoS能力宣告、竞争参数下发的信息单元及过程有所差异，本文不对

管理帧的内容进行描述。

增加了ADDTS Request、ADDTS Response、DELTS、Schedule的Action帧。

3. 控制帧

增加了Block Ack Request和Block Ack两种控制帧。

4 产品实现的技术特色

4.1 WX5002/WA2110

无线控制器WX5002和FIT AP产品WA2110组合，实现了无线局域网接入的集中式

管理方案。在此产品组合中提供的WMM特性，不仅涵盖了WMM标准中定义的

EDCA机制、准入控制、U-APSD、ACK策略等功能，还支持一些WMM标准之外

的功能，主要有：

●QoS全网解决方案。

WMM实现了对无线接入侧的QoS支持，融合原有的有线QoS特性，能实现全网的

QoS支持。

●支持SVP。

实现SVP报文优先竞争无线信道，或优先在有线网络中进行传输。SVP是在WMM

标准发布之前，Spectralink公司为提供语音通话的QoS保障而设计的一个语音优先

方法。SVP客户端在竞争无线信道时使用零Backoff时间，因此较一般无线客户端

会优先竞争到无线信道。

4.2 WA1208E

作为FAT AP的WA1208E产品，实现的WMM功能较简单，主要实现了EDCA机

制。特别之处在于，WA1208E在WDS组网中实现了WMM。当两台WA2108E作为

无线网桥通过空口连接两个有线网络（或无线网络）时，启用WMM协议，可以保

证有线网络的QoS与无线网络优先级相互映射。

5 典型组网案例

5.1 全网QoS解决方案

图6全网QoS

在上述组网中，QSTA和WA2110之间，通讯多方采用EDCA竞争无线信道；

WA2110和WC5002之间建立有LWAPP隧道，通过配置端口信任模式和映射关

系，可以实现无线802.11e优先级与LWAPP隧道外层的IP DSCP和802.1p优先级

的相互映射，从而保证WA2110和WX5002之间的QoS效果。此外，WX5002上及

有线网络中其他设备上还可以设置流分类、优先级标记、流量限速、队列调度等灵

活的QoS策略，从而实现全网QoS的定制。

5.2 SVP应用

图7SVP应用

上述组网图描述了SVP客户端之间，或者SVP和VOIP客户端之间的通讯场景，

SVP报文都需要通过SVP server，SVP server完成对私有的SVP协议的解释，及

SVP报文向其他格式的转换。

WX5002/WA2110上实现的SVP特性，能够将SVP报文映射到配置指定的接入类

（AC）上，对于去SVP客户端的报文，按照指定AC对应的EDCA参数参与信道竞

争，从而实现对SVP的更灵活支持。SVP报文在WA2110和WX5002之间LWAPP

隧道上传递时，同样可以实现SVP等价优先级（即配置的AC优先级）向隧道外层

IP DSCP优先级和802.1p优先级的映射，保证SVP报文在WA2110和WX5002之间

的优先发送。

5.3 WDS组网

图8WDS组网

如上图所示，两台WA1208E连接两个无线网络和一个有线网络。两个无线网络分

别组成QBSS。在WA2108E的空口上启用了WMM功能，实现两个QBSS之间通讯

支持QoS。在LSW上面配置相关的QoS策略，在WA2108E上面配置IEEE 802.11E

优先级与有线优先级相互映射，可以较好地支持无线、有线QoS策略。

6 总结和展望

IEEE 802.11E技术复杂度高，完全实现难度很大。其核心的信道竞争机制的改

善，有助区分无线数据流的优先级。相同流量下，高优先级流占用的带宽明显高于

低优先级占用的带宽。与有线QoS相比，基于竞争的无线QoS很难做到精确的流量

控制。现在尚未支持基于单一用户（一个STA）进行QoS配置。

7 参考文献

1. Wireless Multimedia Enhancements (WMM),Thomas Kuehnel, Microsoft

Corporation, 9th March 2004

2. IEEE Standard for Information technology—Telecommunications and

information exchange between systems—Local and metropolitan area

networks—Specific requirements Part 11: Wireless LAN Medium Access

Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications Amendment 8: Medium Access Control (MAC) Quality of Service Enhancements, IEEE, 22 September 2005