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技术应用标题：WLAN与WPAN的QoS机制对比分析( 二 )

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二、IEEE802.11eMAC协议及其QoS机制
IEEE802.11e的媒体访问控制策略从总体上说是对802.11MAC协议的改进和增强 。在介绍802.11eMAC协议之前 ， 首先对802.11MAC协议的基本机制作简要分析 。
1.IEEE802.11MAC协议的DCF、PCF访问
控制策略IEEE802.11MAC协议［1］定义了两种操作 ， 在信道争用期的分布式协调功能（DCF）与非信道争用期的点协调功能（PCF） 。其中 ， DCF是必备的功能 ， 而PCF由各WLAN设备硬件厂家来决定是否实现 。
DCF采用载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）的媒体访问方式 ， 可以形象地比喻为“先听再说”（如图1所示） 。节点（STA）在发送数据前要先检测信道是否空闲 ， 假如信道空闲则预备发送MAC业务数据单元（MSDU） 。假如2个STA同时检测到信道空闲并开始发送数据就会发生冲突 ， 为此 ， 802.11定义了冲突避免（CA）机制来降低发生冲突的概率 。为解决CSMA方式引起的“隐藏节点”问题 ， 802.11定义了请求发送/清除发送（RTS/CTS）机制 。在传送数据帧以前STA先发送一个短RTS帧 ， 接收方接收到RTS后立即发送一个CTS帧 ， RTS和CTS帧中都包含了下一个数据帧的长度信息 。因此STA四周的其他STA及接收数据的STA四周的“隐藏节点”通过设置网络分配向量（NAV）定时器 ， 在NAV规定的时间内不发送数据以避免数据冲突 。RTS/CTS和NAV机制可以有效保护长数据帧免受“隐藏节点”的碰撞 。
上述DCF操作中 ， 由于各STA在发送数据前需要对信道进行争用 ， 因此DCF无法对时延敏感的业务提供QoS保障 。因此 ， 802.11协议定义了点协调功能（PCF）来保证STA以一定的优先权接入到无线信道中 ， 如图2所示 。STA的优先权由点协调器（PC）来协调 。PCF发起数据传输的等待时间间隔称为PIFS ， PIFS介于SIFS和DIFS之间 ， 因而PCF比DCF的优先级高 。PCF的传输时间被划分为重复的周期 ， 即交替出现的竞争周期（CP）和非竞争周期（CFP） 。CP和随后的CFP一起组成超帧 。在CFP阶段采用PCF机制接入无线信道 ， 在CP阶段则使用DCF机制传输数据 。超帧由信标帧（Beacon）开始 。信标帧是一种治理帧 ， 它维持STA内本地定时器的同步 ， 并负责传送协议相关的参数 。PC周期性的产生信标帧 ， 下一个信标帧到来的时间被称为目标信标帧传输时间（TBTT） ， 每个信标帧中都携带该信息 。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接收到轮询帧以后给出确认 。若PC在等待了一个PIFS的时间后没有收到STA的响应 ， 可以继续轮询其他的STA ， 一直到CFP的结束 。PC通过发送一个非凡的控制帧CF-End来指示CFP的结束 。
２．IEEE802.11e基于EDCF、HCF的QoS机制
为了改善802.11协议对于QoS的支持 ， IEEE802.11工作组正在制订802.11MAC协议的增强机制 ， 也称为802.11e 。它引入了增强的DCF（EDCF）和混合协调功能（HCF）两种机制 。具有IEEE802.11eQoS功能的STA被称为QSTA（QoS-capableSTA） ， 为其他STA提供集中控制的QSTA被称为混合协调器（HC） ， HC通常由AP来担任 ， 此AP也称作QAP 。802.11e兼容超帧中CP和CFP循环周期 。EDCF只在CP阶段使用 ， HCF在CP和CFP期间都可以使用 ， 因而是一种混合协调功能 。
EDCF是HCF的基础 ， 它通过引入业务流分类（TC）来实现QoS支持 ， 图3示意了802.11eEDCF机制与802.11的区别 。MSDU通过多次退避延时后才能发送 ， 每次退避的时间由TC参数来确定 。在CP阶段 ， QSTA内的每个TC竞争一个发送机会（TxOP） ， 并在检测到信道空闲后独立地进行延时退避 ， 检测信道的时间被称为仲裁帧间间隔（AIFS） ， 参见图4 。AIFS不小于DIFS ， 并可以根据TC类别设置不同的值 。在等待一个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(竞争窗口函数)的最小值取决于TC 。在传统的DCF中 ， 在计数器递减到0之前假如检测到信道忙 ， 则只有再等待DIFS时间并检测到信道空闲以后才继续进行递减计数 。EDCF中 ， 在AIFS期间检测到信道空闲以后 ， 在AIFS周期结束前的最后一个时隙间隔的开始时刻对退避计数器递减计数 ， 而DCF则在DIFS结束后的第一个时隙的开始时刻递减计数 。发生冲突后改变CW的策略也有所不同 。DCF是将CW简单地加倍 ， 而EDCF中则根据PF因子来修正原先的CW ， 而且CW的取值不能超过某个上限值 。

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