802.11无线QOS协议ieee802.11e ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,IEEE802.11 & IEEE802.11eQuality of Service,Wang Da-peng,2004-9-14,1,802.11,802.11和以太网采用了载波侦听多点接入方式控制站点对传输介质的访问,处理冲突上802.11采用冲突避免(CA)，以太网采用冲突监测(CD),定义了两种方式实现CSMA/CA:分布式协调机制和点集中式协调机制分布式协调机制是CSMA/CA的基础，它是基于信道竞争的，站点在发送之前首先检查信道是否空闲，并且使用回退来尽量避免冲突的发生，如果需要发送站点还可以使用RTS/CTS信令来进一步减少冲突发生的可能点集中式协调机制提供一种无竞争的服务，它只在架构的无线网络中使用，充当协调者的站点通常是无线接入点(AP),802.11的标准,2,CAMA/CA中的载波侦听机制分为物理载波侦听和虚拟载波侦听物理载波侦听有物理层来提供，它依赖于所使用的介质和信号调制方法对于无线电波这种介质来说，它的代价非常高，因为无线电收发器无法同时接收和发送信号，除非它整合非常昂贵的电子元件虚拟载波侦听的功能由网络分配矢量(Network Allocation Vector)提供NAV是一个信道预留计时器，指示了信道将被预留的时间长度，大多数802.11帧中都会包含这样的信息来发布信道预留信息RTS/CTS信令的交互是典型的信道预留方法，其NAV所声明的预留期除了用于这个交互过程本身外还将用于实际的数据帧的发送以及确认帧的接收所有处在发送站点或接收站点通信范围內的站点都能够收到这组信道预留信息，从而将自己的发送推迟到这个期限以后进行,802.11 MAC (Media Access Control)方法：,关于802.11a的MAC扩展，传输性能和能耗的相关资料,IEEE802.11 Archirtecture,MAC Information,3,IEEE802.11定义了四种帧间距(Inter-frame space),短帧间距(Short Inter-Frame Space,SIFS)，作为最小的帧间间隔是为提供某些原子操作的帧序列提供的，比如RTS/CTS交互以及与数据帧交互的确认应答帧这些帧可以在预留期限到期后的SIFS后就使用信道，并通告其占用信道的期限，从而可以使它们比普通的帧有更高的优先级，以确保其原子操作不被中断,highest priority, for ACK, CTS, polling response,PCF帧间距(PCF Inter-Frame Space,PIFS)，称为优先帧间距，使用于PCF的无竞争操作期间它使得PCF的帧得到比采用DCF的帧更高的优先级 medium priority, for time-bounded service using PCF,DCF 帧间距(DCF Inter-Frame Space,DIFS)，DCF帧间距是基于信道竞争服务中最小的帧间间距在预留期限到期后的DIFS后，站点就可以立即开始竞争使用信道 lowest priority, for asynchronous data service,扩展帧间间距(Extended Inter-Frame Space,EIFS),长度不固定，并且只在帧出现错误的时候才使用,t,medium busy,SIFS,PIFS,DIFS,DIFS,next frame,contention,direct access if medium is free, DIFS,4,DCF下基于竞争的信道访问,在一帧发送结束即信道预留到期后，如果信道持续空闲到达DIFS规定的时间，那么各个站点就可以进行新一轮的信道竞争各个站点并不是在DIFS结束时刻就开始发送帧，而是推迟到之后的一个随机时刻这就是,回退机制(Back off),目的是减少多个站点之间同时发送帧可能造成的冲突现象，,推迟到的随机时刻分布于一个被称为竞争窗口(Contention Window,简称CW),实际上竞争窗口被分为许多时槽，每个槽的长度由所采用的介质来决定每个准备发送的站点随机的选择一个时间槽，等这个槽到来的时候，这个站点就试图访问通信介质每个时间槽被访问的概率是相同的，选到最早的时间槽的一个站点会是赢家竞争窗口的大小不是固定的，如果当前帧发送失败导致重传，竞争窗口CW就扩大为原来的两倍特定物理层限制了竞争窗口的最大值，如果竞争窗口达到了最大值，保持这个值直到它被重置竞争窗口被重置当且仅当当前帧被发送成功或者当前帧因超过了最大的重传次数被丢弃,802.11使用了一定的错误恢复机制：自动重复请求应答对于单播数据帧802.11要求接收方显示的发送应答(ACK)于以确认如果在限定时间內接收不到应答帧，发送方就认为数据帧已经丢失每个帧都有一个单独的重传计数器来与之关联如果发送失败，重试计数器就增长没有接收到应答帧或者站点试图发送数据帧的时候没有成功的访问到媒介都被认为是发送失败的情况对于发送失败的帧发送方尝试重发，直到接收到相应的应答帧或者达到而来最大重传次数如果达到了最大重传次数，数据帧就被丢弃,5,802.11MAC层定义的Service Data Units(MSDUs)大小的上限是2304bytes由于使用的是CSMA/CA，如果两个站点同时监测到信道是空闲的，这种情况就被视为是一个冲突这个问题的解决方法就是前面所解释的DCF方法在802.11a中的一个time slot的大小是9us一个竞争窗口就是由一些time slot所组成的,无等待帧传输的情况：当一个站点传输完最后一个帧的时候(无后续的应传送的帧)，它仍然进行DCF竞争(进行竞争窗口的回退)，叫做“post-back off”处于这种状态的时候突然在该站点中产生了一个待发送的帧，并且该时刻并无其它的信道要求传送数据帧(此刻这个站点中的待发帧序列中无其它的帧)，则可以马上发送这个帧,大尺寸MSDU帧分割技术：可以把一个大的MSDU帧分割称若干份，然后把它们相继的发送出去这样做的好处是，如果发生传送的失败，不至于把整个大的MSDU重新传送，而只需要重传少数量的帧就可以了,6,RTS/CTS来解决隐藏站点问题,当A站点发送RTS给B站点，试图想B站点发送数据帧,B站点接收到了RTS之后，向A和C发送CTS,其目的是告诉所有在其信号有效范围內的站点C在接下来的时间內将接收来自于A的数据,A向B发送数据,B接收好数据后向A发送ACK,A,B,C,RTS,CTS,CTS,RTS,7,PCF点协调机制原理：为了支持实时的一些服务，IEEE802.11工作组定义了点协调机制(Point Coordination Function,PCF),为无线介质的访问提供了优先级的功能，进行协调功能的是点协调器(Point Coordinator,PC,通常是由无线架构中的AP来实现的)由于PIFS小于DIFS,所以PCF比DIF有更加高的优先级(原因很简单，因为PIFS小所以总是在到达DIFS前就已经到达了PIFS的开始处，进而首先进行PIFS的服务),PCF使用在架构式的无线网络中，DCF使用在分布式的无线网络中,点协调机制(PCF)下，无竞争阶段(contention free period,CFP)和竞争阶段(contention period,CP)交替进行的在CFP阶段中使用PCF,在CP阶段中使用DCF硬性规定CP的最小时间应该可以传输一个DCF状态下的MSDUPCF阶段是以beacon帧来开始的，beacon帧里包含了一些时间同步信息和一些和传输协议相关的变量PC(Point Coordination)工作在AP(Access Point)上，按着beacon帧的规定间隔时间来发送beacon帧本AP下的所有站点都知道下一个beacon帧什么时候到来，这个时间被称为TBTT(target beacon transition time)，这个时间是被加载在beacon帧中的,8,这张图是描述了一个CFP过程PC选取一个站点来发送一个未决的帧，并且在发送这个帧的同时绑定一个CF-Poll，CF-Poll中有关于日期和选取的信息然后被选取的站点发送一个表示成功的反馈帧如果不幸的PC在PIFS时间里没有接收到了被选取站点的回馈，那么它就选举下一个站点或者中止这个CFPPC持续选举其它站点直到CFP阶段结束用来结束CFP我们使用CF-End帧,Fig: Example for the PCF operation. Station 1 is the PC polling station 2. Station 3 detects the beacon frame and sets the NAV for the whole CFP. Station 4 is hidden to station 1 and does not detect the beacon frame; it continues to operate in DCF.,9,PCF中存在一些影响QoS的问题Beacon帧的不可预测的延迟和被选取站点的非确定传输时间是导致这种问题的主要原因在TBTT时刻，Point Coordinator,PC 决定下一个被发出的beacon帧，当传播媒介被侦听为至少在PIFS时间里处于idel状态的话，这个beacon帧就被发送根据在这个TBTT附近的时刻传播媒介是空闲还是繁忙，beacon帧就产生了延迟延迟的长短取决于TBTT时刻之后的传播完数据所消耗的时间这个延迟会对之后要在CFP阶段传输的MSDU产生延迟影响在802.11a中允许开始传输MSDU，即使这个MSDU在下一个即将到来的TBTT时刻它仍然无法传送完毕这就影响了QoS，在802.11a中这种问题产生的延迟最大可以达到4.9ms.,Fig : Simulated mean beacon frame delay in legacy 802.11a. A legacy station stops all timers at TBTT and therefore does not initiate a transmission after TBTT. However, it continues on-going transmissions that,started before TBTT, and hence beacon frames may be,delayed.,10,PCF存在另外一个问题：被选定站点的传输时间的不确定性被PC所选定的站点可以传输一个帧，这个帧可以被分割成多块传输也可以按着规定长度传输(最大长度是2312bytes)由于802.11a中允许着不同的模块化方法和编码方法的存在导致传送MSDU的时间不受控制，这就很难保证剩余CFP时间里被选定的站点的QoS如果一个站点没有收到前一个beacon帧，那么它就没有办法直到下个TBTT的相关信息它就不会停止基于DCF的操作，从而不会进入CFP的操作总的来说，站点在TBTT时刻来接收NAV信息，如果它没有接收到TBTT时刻的beacon帧，那么在TBTT时刻它就不会收到相关于NAV的信息,802.11e中支持QoS的相关技术：,关于优先排队的东西可以看,Effective Control of Simulation Runs by a New Evaluation Algorithmfor Correlated Random Sequences,，IEEE 802.11 Task Group E定义了一些在MAC层上的改变，这些改变包括EDCF和HCF运行了802.11e的那些站点被称为扩展站点，而在QBSS里起到控制器作用的那个站点被称为混合站点(Hybrid Coordinator,HC)在802.11e中一个超级帧的时间范围里也可以分为两个阶段的操作，CP和CFP，它们两个交替的进行EDCF运行在CP阶段中，而HCF运行于CP和CFP这两个阶段中,11,扩展分布式协调机制(Enhanced Distributed Coordination Function)：,在802.11e中EDCF是HCF(Hybrid Coordination Function)的基础其QoS是基于流量的分类来实现的MSDU在一个站中是由多个回退机体来实现的，每个回退体上都配置了流量分类相关的变量各个站点中的TC竞争TXOP(Transmission Opportunity),侦测到信道空闲长达AIFS(Arbitration Inter-Frame Space)时间后开始进行回退竞争在等待了AIFS之后每个回退设置一个范围在1.CW+1內的随机数，用这数来表示在竞争阶段中的第几个时间槽中来发送RTS不同的TC所对应的CWmin和CWmax是不一样的应该是CW越小那么产生的随机数所对应的时槽就能更加靠前，相应的它的优先程度也就越高传统的802.11的优先级设置就是CWminTC=(oldCWTC+1)*PF)-1,一个站点里最多可以实现8个传输队列，它们利用其所包含的QoS变量来决定它们的优先级。如果在同一个站点中两个队列的计数器同时被减到0(即产生了一个冲突)，这种情况下用时间列表的方法来解决这种虚冲突。排队器将TXOP指定给优先级最高的那个TC。但是这种情况仍然会产生在无线链路上不同站点间的冲突。,Fig:Virtual backoff of eight traffic categories: (1) left one: legacy DCF, close to EDCF with AIFS=34us, CWmin=15, PF=2; (2) right one: EDCF with AIFSTC=34us, CWminTC=0-255, PFTC=1-16.,13,802.11eMAC层里的一个重要的特性是Transmission Opportunity(TXOP)。它定义了一个时间段，在这个时间段里站点有权利初始一个传输，它是由一个开始的时间和这个时间段的持续时间所组成的。TXOP可以由竞争(EDCF-TXOP)得到，也可以由HCF(polled-TXOP)授权得到。TXOP所持续的时间:(1)EDCF-TXOP的持续时间是由beacon帧中所包含的信息来决定的(2)Polled-TXOP的持续时间是由poll帧中定义的域值来决定的。标志QoS的变量包括:AIFSTC, CWminTC, PFTC.而CWmaxTC是可选的。,混合式协调机制Hybrid Coordination Function, (HCF)。,HCF扩展了EDCF的访问规则，HC可以给它自己分配TXOP让它初始化MSDU。这里利用PIFSDIFS可以使HC得到比EDCF更高的优先级。AIFS必须大于等于DIFS。在CP阶段，TXOP可以被授权工作在EDCF规则下，比如在AIFS加回退竞争时间之后，或者是在发送QoS CF-Poll帧之后。QoS CF-Poll帧可以在PIFS长度空闲之后被HC发送而不需要进行任何的回退。可以从图中看到CP模式下使用的是DIFS+backoff后的竞争方法，而CFP模式下必须由HC首先发送一个QoS CF-Poll来给站点授权，才可以在那之后由站点开始进行由QoS保障的操作。,14,为了实现对QoS的支持802.11e定义了一种随机访问方法来解决快速解决冲突的方法。通常由HC来选取站点进行MSDU的传送，这就需要被选取站点不断的向HC更新它的状态。站点可以用Controled-contention来实现这种快速的解决冲突，当一个站点希望得到一个TXOP时它向HC发送一个资源请求，它希望避免和其它站点进行竞争，这个请求包括TXOP什么时候开始和持续多长时间。之后如果HC受理了这个请求它就会发送控制信息帧，通知其它的站点设置NAV并保持沉默直到这个冲突结束。上述是一个交互的过程，普通的站点向HC发送一个请求，HC受理请求返回控制帧和确认信息，HC的目的是让其它站点能够侦测到这个冲突的存在。,之后有仿真实验结果来证明IEEE802.11e中实现的EDCF和HCF是可以提高性能的。总体上是实现延迟的降低。,主要参考要文献：,IEEE 802.11e Wireless LAN for Quality of Service,15,