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摘 要：服务保障机制对于增强无线局域网中数据传输的可靠性、实时性、减少资源争夺以及提高频带利用率具有重要作用。802.11e标准中的信道争用期增强分布式协调功能以及非信道争用期混合点协调功能是其提高服务保障的新机制。
关键词：服务保障；无线局域网；帧间隔时间
作为目前通信领域发展最快的分支之一，无线通信系统已大体上形成了无线广域网（WWAN）、无线局域网（WLAN）和无线个人网（WPAN）的格局，WLAN 802.11系列是可提供最大无线接入带宽的标准。
1无线局域网标准
无线局域网的第一个标准802.11由IEEE在1997年正式确认，它是所有后续协议的基础，在物理层定义了三种具体的物理信道：红外方式、跳频方式和直接序列扩频方式，采用BPSK和QPSK两种调制方式，数据传输速率为1Mbit/s和2Mbit/s，工作在ISM 2.4GHz频段。其MAC层定义了数据帧格式、多址方式、信道共享模式以及网络结构和安全性等。
后续的802.11系列标准，其中802.11b/a/g主要在物理层上做出改进，以提供更高的通信速率，其技术性能比较见表1：
值得一提的是新的802.11n标准，它的目的旨在提高效率，并试图增加物理层数据信道的使用，提高速度。以满足高清晰度视频传输、家庭影院等全新应用对数据速率的更高的要求。802.11n使超过100Mbps的速率不再是梦想，甚至有报道称可以达到320Mbps的最高速率。
而802.11i/e/f等标准主要在MAC层上对无线局域网的安全性、服务质量（QoS，Quality of Service）控制和漫游等方面进行了完善和更新。
此外的802.11x标准也各有不同程度的补充和完善，如802.11h是欧洲版的“802.11a”；802.11j是日本版的“802.11a”；802.11k是为方便WLAN网络管理而设；802.11m用于对802.11各标准进行维护；802.11p主要应用于智能交通领域的无线连接；802.11r对802.11的快速漫游进行了改进，将能保证热点间连接的无缝性；802.11s对802.11增加了mesh网络的支持。
2 IEEE802.11e MAC协议及其QoS机制
当采用WLAN技术接入有线骨干网时，端到端传输实际上要经过无线-有线-无线的传输过程。这时，无线传输部分的服务质量成为关键，因为其误码率由于受多径效应和串扰的影响而远远高出有线信道。IEEE802.11e标准媒体访问控制策略正是通过在802.11 MAC协议基础上进一步完善，以解决这一问题。
2.1 IEEE802.11 MAC协议的控制策略
IEEE802.11 MAC协议的基本控制策略采用载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）的媒体访问方式（即分布式协调功能DCF）。该方式使各节点在发送数据前信道进行争用，但是，对于时延敏感的业务而言，其QoS则无法保障。为此，802.11协议定义了优先轮询机制（即点协调功能PCF）。如图1所示，数据传输被划分成重复的周期，称为超帧，其中包括轮询周期和争用周期。争用周期使用DCF机制。在轮询周期中，系统的点协调器（PC）通过发送Poll帧轮流询问各节点（STA），需要发送数据的节点在收到该Poll帧后回答ACK进行确认。在经过一个等待时间间隔PIFS之后，PC没有收到ACK确认，则继续轮询其它STA，知道该轮询周期结束。轮询周期的结束由PC发送一个CF-End控制帧来指示。整个超帧的开始由信标帧标示，主要用于同步和协议参数传送。
2.2 IEEE802.11e的QoS机制
802.11e改善802.11协议对于QoS支持的做法之一，就是引入基于业务流分类（TC）的争用机制——增强分布式协调机制EDCF。不同的TC各自竞争其发送机会，由于TC是具有优先级的，所以在检测信道忙需要延迟退避时，就出现了不同的时间间隔标准，即帧间隔时间（IFS）。如图2所示，低优先级TC使用最长的仲裁帧间隔时间AIFS，中等优先级TC使用中等的点协调帧间隔时间PIFS，高优先级TC使用最短的帧间隔时间SIFS。这样就保证高优先级TC的延迟时间间隔短，在竞争中具有优势。
EDCF的另外一点改进是发生冲突后改变竞争窗口尺寸（CW）的策略。DCF机制中只是简单地将CW加倍，而EDCF则根据竞争业务优先级不同分别设定不同的CW上下限，确保高优先级业务优先发送数据，从而保证其QoS。退避延迟的时间间隔数由[0，CW+1]的随机计数器倒数到0决定。但是，如果同一节点多个TC的退避计数器同时减到0，就会发生虚拟冲突。这时，调度器就会为优先级最高的TC分配一个发送机会（TxOP）来解决问题。
802.11e改善QoS的另一做法，就是拓展了802.11协议中只能用于轮询周期的点协调器功能，引入了在轮询周期和争用周期都可使用的混合协调器（HC）。在轮询期间，HC发送Poll轮询帧以分配发送机会。在争用期间，根据EDCF规则检测到可用信道时可以发送数据，或者直接从HC处受到Poll轮询帧也可发送数据。在802.11e标准中，节点也可以通过发送资源请求来申请TxOP，当HC根据资源占用情况确认了这一申请，就会为该节点分配发送机会，这便是802.11e标准中的受控式竞争协议。
3 结论
无线网络的QoS保障问题是网络互联后QoS保障的瓶颈之一。IEEE802.11e标准协议在MAC层上对此进行了有益的探索。尽管在QoS性能表现上还存在各种不足，例如，无法具备802.15.3那样的吞吐量、效率以及复杂度等等优点。但IEEE802.11e标准毕竟推动了标准化工作和无线局域网络的快速发展，并为用户提供了令人满意的服务质量。
参考文献：
[1]何俊杰.无线网络的QOS机制分析研究[J].微电子学与计算机.2006(05):05.
[2]李娟等.无线局域网MAC协议研究及实时业务QoS实现[J].微计算机信息.2006(02):28.
[3]王剑锋,陆建华.无线局域网与无线个域网QoS机制的对比分析[J].电讯技术.2003(12):28
[4]G. Anastasi, and L. Lenzini, ?QoS provided by the IEEE 802.11 wirelessLAN to advanced data applications: a simulation analysis?, ACM/BaltzerJournal on Wireless Networks, 6, 2000,
作者简介：
王文君（1973-），副教授，研究方向为网络通信。
关键词：服务保障；无线局域网；帧间隔时间
作为目前通信领域发展最快的分支之一，无线通信系统已大体上形成了无线广域网（WWAN）、无线局域网（WLAN）和无线个人网（WPAN）的格局，WLAN 802.11系列是可提供最大无线接入带宽的标准。
1无线局域网标准
无线局域网的第一个标准802.11由IEEE在1997年正式确认，它是所有后续协议的基础，在物理层定义了三种具体的物理信道：红外方式、跳频方式和直接序列扩频方式，采用BPSK和QPSK两种调制方式，数据传输速率为1Mbit/s和2Mbit/s，工作在ISM 2.4GHz频段。其MAC层定义了数据帧格式、多址方式、信道共享模式以及网络结构和安全性等。
后续的802.11系列标准，其中802.11b/a/g主要在物理层上做出改进，以提供更高的通信速率，其技术性能比较见表1：
值得一提的是新的802.11n标准，它的目的旨在提高效率，并试图增加物理层数据信道的使用，提高速度。以满足高清晰度视频传输、家庭影院等全新应用对数据速率的更高的要求。802.11n使超过100Mbps的速率不再是梦想，甚至有报道称可以达到320Mbps的最高速率。
而802.11i/e/f等标准主要在MAC层上对无线局域网的安全性、服务质量（QoS，Quality of Service）控制和漫游等方面进行了完善和更新。
此外的802.11x标准也各有不同程度的补充和完善，如802.11h是欧洲版的“802.11a”；802.11j是日本版的“802.11a”；802.11k是为方便WLAN网络管理而设；802.11m用于对802.11各标准进行维护；802.11p主要应用于智能交通领域的无线连接；802.11r对802.11的快速漫游进行了改进，将能保证热点间连接的无缝性；802.11s对802.11增加了mesh网络的支持。
2 IEEE802.11e MAC协议及其QoS机制
当采用WLAN技术接入有线骨干网时，端到端传输实际上要经过无线-有线-无线的传输过程。这时，无线传输部分的服务质量成为关键，因为其误码率由于受多径效应和串扰的影响而远远高出有线信道。IEEE802.11e标准媒体访问控制策略正是通过在802.11 MAC协议基础上进一步完善，以解决这一问题。
2.1 IEEE802.11 MAC协议的控制策略
IEEE802.11 MAC协议的基本控制策略采用载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）的媒体访问方式（即分布式协调功能DCF）。该方式使各节点在发送数据前信道进行争用，但是，对于时延敏感的业务而言，其QoS则无法保障。为此，802.11协议定义了优先轮询机制（即点协调功能PCF）。如图1所示，数据传输被划分成重复的周期，称为超帧，其中包括轮询周期和争用周期。争用周期使用DCF机制。在轮询周期中，系统的点协调器（PC）通过发送Poll帧轮流询问各节点（STA），需要发送数据的节点在收到该Poll帧后回答ACK进行确认。在经过一个等待时间间隔PIFS之后，PC没有收到ACK确认，则继续轮询其它STA，知道该轮询周期结束。轮询周期的结束由PC发送一个CF-End控制帧来指示。整个超帧的开始由信标帧标示，主要用于同步和协议参数传送。
2.2 IEEE802.11e的QoS机制
802.11e改善802.11协议对于QoS支持的做法之一，就是引入基于业务流分类（TC）的争用机制——增强分布式协调机制EDCF。不同的TC各自竞争其发送机会，由于TC是具有优先级的，所以在检测信道忙需要延迟退避时，就出现了不同的时间间隔标准，即帧间隔时间（IFS）。如图2所示，低优先级TC使用最长的仲裁帧间隔时间AIFS，中等优先级TC使用中等的点协调帧间隔时间PIFS，高优先级TC使用最短的帧间隔时间SIFS。这样就保证高优先级TC的延迟时间间隔短，在竞争中具有优势。
EDCF的另外一点改进是发生冲突后改变竞争窗口尺寸（CW）的策略。DCF机制中只是简单地将CW加倍，而EDCF则根据竞争业务优先级不同分别设定不同的CW上下限，确保高优先级业务优先发送数据，从而保证其QoS。退避延迟的时间间隔数由[0，CW+1]的随机计数器倒数到0决定。但是，如果同一节点多个TC的退避计数器同时减到0，就会发生虚拟冲突。这时，调度器就会为优先级最高的TC分配一个发送机会（TxOP）来解决问题。
802.11e改善QoS的另一做法，就是拓展了802.11协议中只能用于轮询周期的点协调器功能，引入了在轮询周期和争用周期都可使用的混合协调器（HC）。在轮询期间，HC发送Poll轮询帧以分配发送机会。在争用期间，根据EDCF规则检测到可用信道时可以发送数据，或者直接从HC处受到Poll轮询帧也可发送数据。在802.11e标准中，节点也可以通过发送资源请求来申请TxOP，当HC根据资源占用情况确认了这一申请，就会为该节点分配发送机会，这便是802.11e标准中的受控式竞争协议。
3 结论
无线网络的QoS保障问题是网络互联后QoS保障的瓶颈之一。IEEE802.11e标准协议在MAC层上对此进行了有益的探索。尽管在QoS性能表现上还存在各种不足，例如，无法具备802.15.3那样的吞吐量、效率以及复杂度等等优点。但IEEE802.11e标准毕竟推动了标准化工作和无线局域网络的快速发展，并为用户提供了令人满意的服务质量。
参考文献：
[1]何俊杰.无线网络的QOS机制分析研究[J].微电子学与计算机.2006(05):05.
[2]李娟等.无线局域网MAC协议研究及实时业务QoS实现[J].微计算机信息.2006(02):28.
[3]王剑锋,陆建华.无线局域网与无线个域网QoS机制的对比分析[J].电讯技术.2003(12):28
[4]G. Anastasi, and L. Lenzini, ?QoS provided by the IEEE 802.11 wirelessLAN to advanced data applications: a simulation analysis?, ACM/BaltzerJournal on Wireless Networks, 6, 2000,
作者简介：
王文君（1973-），副教授，研究方向为网络通信。