WLAN技术白皮书-QOS

wlan技术白皮书QOS1.00修订记录日期 修订版本 修改章节 修改描述 作者 08/8/5 1.00 第一稿 沈翀目录1. Wlan QOS需求背景 (4)2. 名词解释 (4)3. qos背景知识 (5)3.1. 无线qos难点 (5)3.2. PCF介绍 (6)3.3. 802.11协议Qos的局限性 (6)3.4. Qos种类 (7)3.5. 无线qos标准 (7)4. 无线qos帧格式 (8)4.1. Qos Control域 (8)4.2. TID (8)4.3. EOSP (9)4.4. Ack策略 (10)4.5. TXOP限制 (10)5. 无线qos mac功能 (11)5.1. HCF (11)5.2. TXOP (11)5.3. EDCA (11)5.4. HCCA (14)5.5. APSD (15)5.6. TSPEC (16)5.7. 新确认规则 (17)5.8. 直接链路协议 (19)6. 参考文献 (20)7. 附录 WMM介绍 (20)1.Wlan QOS需求背景随着越来越丰富的视、音频业务的出现和无线通信技术的发展，在任何时间、任何地点以各种方式享用服务的议题再次成为人们追求的热点，原来实现于有线和固定网络中的多媒体视、音频实时业务，正日益向无线、移动的趋势发展。

最初人们进行WLAN的协议设计主要是针对数据业务的，对于诸如视频、音频等实时业务应用并没有做充分的考虑。

2005年，IEEE 802.11e标准针对实时业务的QOS保证作出补充方案。

2.名词解释CP：contention period，竞争周期。

在竞争周期内，STA通过竞争取得媒介控制权。

CFP：Contention-Free Period，无竞争周期，由中央机制（central authority）控制的周期称为无竞争周期。

TXOP﹕发送时机（transmission opportunity），定义了STA可以发送数据的时间段，包括开始时间和最大持续时间。

STA取得TXOP可以通过通道竞争或者HC分配。

HC：混和式协调器（Hybrid Coordinator），是为了实现QoS而定义的一种协调器。

它采用HCF功能实现帧交换。

HCF：混和式协调器功能（hybrid coordination function）。

为了向STA提供参数化和优先级的Qos服务，HCF功能增强了竞争和无竞争的访问无线媒介方法。

它与DCF和HCF兼容。

AC：访问类型（Access Category）。

AC是通用的EDCA参数集合的标签。

不同AC因EDCA参数不同，而有不同的访问媒介的优先级。

SP：服务期间（service period）。

连续的一段时间，STA处于发送或/且接受数据的状态。

这段时间称为SP。

UP：使用者优先顺序（user priority），UP定义了MSDU报文的优先顺序，UP通常在mac 层之上分配的。

TC：数据流类别（traffic category），有相同UP的msdu报文定义为同一类的数据流，用TC 标记。

TSPEC ：数据流规格（traffic specification ），定义了数据流的qos 特性（characteristics ）。

TCLAS ：数据流分类（traffic classification ），某些参数值的规格定义，用这些规格来区分报文属于哪个TS 。

TS ：数据流（traffic stream ），符合TSPEC 规格的数据流称为TS 。

TID ：数据形态识别码（traffic identifier ）。

mac 层之上，用于区分mac 层数据形态的ID 。

有16个可用的TID ，8个用于TC ，8个用于TS 。

TSID ：数据流ID （traffic stream identifier ）。

8个用于TS 的TID 称为TSID 。

3. qos 背景知识3.1. 无线qos 难点无线介质和有线介质传输的固有特性决定了这两类网络在提供QoS 时必须对所关注的协议层各有所侧重。

在有线介质的网络中，QoS 提供往往更关注网络层和传输层，但WI AN 作为一种典型的共享信道网络，对其实现QoS 支持更需要来自于MAC 层的支持。

这里的原因具体可以通过归纳有线网络和WLAN 的媒质访问的区别来进行解释。

WI AN 和传统LAN 具有不同的竞争模型。

在有线网络中，竞争被有效地控制在传播介质上(如下图)，图中任何2个节点需要通信时，4个节点通过介质的连结而自然地成为一个竞争域。

而在无线环境中，竞争则是位置相关的。

如下图所示，如果A 与B 需要进行双向通信，C 由于在B 的广播范围内而成为竞争域的成员，而D 仍然是自由的，所以只有ABC 互相竞争。

若C 和D 要进行双向通信，竞争域的成员将是BCD。

而若B 与C 进行双向通信，4个节点都将成为竞争域的一员而互相竞争介质访问权。

这种复杂的竞争关系为设计一种有效利用WLAN 介质资源的协议增加了难度。

以上所述的节点竞争关系是一种位置相关（Location Dependent ）的竞争。

此外，无线节点对介质当前所处状态具有不确定性。

无线网络中节点之间无法相互感知对方的收发状态，由此造成所谓的隐藏终端和暴露终端（暴露终端是指在发送接点的覆盖范围内而在接收节点的覆盖范围外的节点。

暴露终端因听到发送节点的发送而可能延迟发送。

但是，它其实是在接收节点的通信范围之外，它的发送不会造成冲突。

这就引入了不必要的时延）的问题。

在隐藏终端问题里，发送方错误地以为接受方为空闲状态而发送不可能被收到的数据帧。

而在暴露终端问题中，发送方错误地以为接受方繁忙而丧失了成功发送数据帧的机会。

正是由于WLAN中网络节点的通讯是通过访问共享的无线介质来实现的，通讯的效率其实也就是无线介质访问的效率。

因此WLAN的MAC层在提供QoS支持上就显得尤为重要。

3.2. PCF介绍使用PCF时候，媒介时间被分为CFP（无竞争周期）和CP（竞争周期）。

CFP时间媒介的访问由PCF控制，CP则由DCF控制。

CFP一开始，AP就会发送一个Beacon帧，该帧中的CFPMaxDuration（无竞争期最大持续时间）标明CFP最大持续时间。

AP接管无线媒介后，使用CF-Poll帧轮询STA是否有数据发送。

无竞争周期的数据帧确认采用CF-ACK。

CFP结束时，AP使用CF-End帧将媒介控制权交回给DCF。

注意，因CFP周期内时间十分宝贵，因此可以将轮询、确认、数据等组合在一起传送。

举例而言，Data+CF-ACK+CF-Poll表示AP发送数据，同时确认前一个帧，同时又轮询另一个STA。

3.3. 802.11协议Qos的局限性1999年版本的802.11协议不提供Qos支持。

在其MAC子层的规范中定义了两种访问方式：分布式协调方式（Distributed Coordination Function，DCF）和点协调方式(Point Coordination Function，PCF)。

在DCF方式下，无线节点通过一个中心控制的AP来协调访问媒质。

在PCF模式下，节点—节点之间直接通过中心PCF的协调来访问媒质。

DCF的竞争是通过避让实现的。

每一次竞争过程中避让时间最短的节点获得介质访问权，这也是所有基于避让机制的本质。

但同时我们看到，DCF是一种best-effort的服务，对于有带宽和时间延迟需求的数据DCF不提供QoS保证。

在DCF模式下，所有的节点和数据流通过一个随机的避让算法以相同的概率访问媒质。

PCF模式下，AP处于网络的中心位置，具有绝对的控制权。

虽然在一定程度上有助于Qos的实现，但是仍然存在3点不足：首先，所有的通讯都需要经过AP中继，即使在两个节点可以直接通讯的情况加AP仍然需要介人，这样就损失一部分的带宽利用，此外，受到轮询节点的传输时间无法准确控制。

一个收到CF-Poll帧的节点可以发一个长度在0-2346之间的数据帧，从而产生了发送时间的不确定性，这使得AP无法准确地为节点保证QoS 参数。

最后，AP无法获知哪些节点需要发送数据，哪些没有，从而把部分轮询时间不必要地分配给了一些不需要数据发送的节点，浪费了时间。

3.4. Qos种类早期的QoS研究主要针对有线网络，在网络层以上提供服务质量保障。

如综合服务／资源预约（IntServ/RSVP）、区分服务（DiffServ）、多协议标签交换（MPLS）、流量工程（Traffic Engineesing）、约束路由（CBR）等等，但正如3.1所描述的，有线网络中的QoS机制通常并不能直接应用于无线网络中。

在无线局域网的传输环境下，除了串扰、多径传播带来的较低数据传输率和较高的误码率之外，IEEE 802.11中的MAC层CSMA／CA接入机制也带来了新的问题，相应也出现了新的优化方案。

无论是有线还是无线，从网络的角度来说，我们进行网络优化的目的就在于能最大程度地利用现有的网络资源（如带宽）提供Qos保障以便尽可能地满足用户的实时业务的需要。

QOS可以分为参数化的QOS（parameterized QoS）和具有优先权的QOS（prioritized QOS）。

参数化的QOS是指研究实时业务对资源的需求情况，管理网络资源，并以此为基础实施网络QoS机制，具体来说网络中有待改善的QoS参数主要有如下四项：吞吐量或带宽，时延，时延抖动，丢包率或误码率。

在这种方法中，所有的设备和应用必须请求特定量的时间来发送它们的数据。

具有优先权的QOS则采用优先权等级来表示qos需求。

在这种方法下，当数据包进入到网络就被打上标记，这些标记由在像住宅网关这样的设备处的区分转发/排队引擎授予。

具有优先权的QOS主要通过EDCA实现。

参数化的QOS主要通过HCCA实现，但使用TSPEC允入控制时候，也可以通过EDCA实现参数化的QOS。

3.5. 无线qos标准2005年通过的802.11e协议提供了wlan环境下Qos支持。

07年，新版802.11协议合并了802.11e 的内容。

为示区别，本文中的802.11协议都指1999年版本；本文提到的802.11e 协议则包含了原始的802.11e （2005年版）协议本身及802.11（2007年版）的qos 增强。

在802.11e 中提出的一个新的调节功能（Hybrid Coordination Function ，HCF ）。

HCF 针对802.11中的DCF 和PCF 进行了融合和增强。

确切地说，它并不代表任何访问机制，具体的访问机制是通过其子功能EDCA 和HCCA(HCF Controlled Access)体现的。

4.无线qos 帧格式4.1. Qos Control 域802.11e 扩展了802.11的mac头，新增Qos Control 域。