三、IEEE802.15.3 MAC協(xié)議及其QoS機(jī)制

　　在IEEE802.11 WLAN迅速發(fā)展的同時(shí)，另一種針對(duì)小型個(gè)域網(wǎng)絡(luò)、家庭數(shù)字媒體網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線技術(shù)正在不斷地引起研究者和產(chǎn)業(yè)界的注意，那就是IEEE802.15 WPAN任務(wù)組針對(duì)數(shù)字視頻、圖像等多媒體應(yīng)用而制定的高速率WPAN標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.3。除了高速率外，802.15.3將為便攜式數(shù)字多媒體應(yīng)用提供低功耗、低成本的解決方案。同時(shí)，IEEE802.15.3任務(wù)組（TG3）還成立了802.15.3a研究組（SG3a）來(lái)尋找更高速率的物理層替代方案，目前研究領(lǐng)域方興未艾的超寬帶（UWB）無(wú)線通信技術(shù)最有希望成為802.15.3a的PHY標(biāo)準(zhǔn)，提供高達(dá)500 Mbps的超高傳輸速率。802.15.3a研究組有望在今年被批準(zhǔn)為任務(wù)組（TG），從而可以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的推進(jìn)工作。802.15.3a研究組所尋找的物理層替代方案需要要實(shí)現(xiàn)下述目標(biāo)： ?(1)支持DV、高清晰DVD、高清晰度打印機(jī)、掃描儀，MP3播放器快速下載、數(shù)碼相機(jī)靜態(tài)圖像傳遞等；

　　(2)在10 m的距離提供110 Mbit/s的傳輸速率，小于10 m的近距離時(shí)速度可達(dá)到500 Mbit/s，以替代當(dāng)前廣泛使用的IEEE1394a（400Mbit/s），USB2.0（480 Mbit/s）基于線纜的數(shù)據(jù)傳輸。

　　802.15.3網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基于中央控制的面向連接的自組網(wǎng)（Ad Hoc）。網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)，由任一個(gè)節(jié)點(diǎn)（DEV）來(lái)?yè)?dān)任WPAN的協(xié)調(diào)器/調(diào)度器（PNC）。除了提供基本的網(wǎng)絡(luò)同步之外，PNC還要根據(jù)預(yù)先定義的QoS策略以及當(dāng)前剩余的信道時(shí)隙數(shù)量（CT,即Channel Time）完成接納控制、分配網(wǎng)絡(luò)資源、管理節(jié)能請(qǐng)求等功能。

　　802.15.3基于時(shí)隙的超幀結(jié)構(gòu)由3部分組成：信標(biāo)（Beacon）、信道競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)周期（CAP,即Contention Access Period）和信道無(wú)競(jìng)爭(zhēng)周期（CFP,即Contention Free Period）組成，如圖5所示。?

　　信標(biāo)在每一超幀的開始發(fā)送，載有網(wǎng)絡(luò)的控制參數(shù)（網(wǎng)絡(luò)同步、最大傳輸功率等）、信道時(shí)隙分配、超幀中傳輸?shù)尼槍?duì)每一個(gè)業(yè)務(wù)流的指示信息等。CAP周期預(yù)留來(lái)傳送無(wú)QoS的數(shù)據(jù)幀，如網(wǎng)內(nèi)設(shè)備發(fā)出的認(rèn)證、關(guān)聯(lián)命令的請(qǐng)求和應(yīng)答以及一些短的異步數(shù)據(jù)。

　　在CAP周期內(nèi)，各設(shè)備采取載波偵聽多路訪問(wèn)/沖突避免的訪問(wèn)控制機(jī)制來(lái)爭(zhēng)用信道。超幀的其余時(shí)間（CFP周期）用來(lái)傳輸有特定QoS的數(shù)據(jù)，如高清晰度視頻/音頻流、大容量圖像、音樂(lè)文檔等，這些數(shù)據(jù)根據(jù)各自所需的帶寬、時(shí)延要求被分別封裝到不同的GTS中。各GTS的分配以及CAP和GTS之間的邊界是動(dòng)態(tài)可調(diào)的。

　　每個(gè)CFP周期分為管理時(shí)隙（STAS,即Management Time Slot）和確保服務(wù)的同步時(shí)隙（GTS,即Guaranteed Time Slot），GTS用于傳輸同步媒體業(yè)務(wù)流和異步數(shù)據(jù)，如圖6所示。在CFP周期內(nèi)所有的傳輸機(jī)會(huì)都開始于預(yù)先設(shè)定好的時(shí)隙，時(shí)隙的設(shè)定通過(guò)PNC與各DEV交互信標(biāo)幀中流量映射信息單元（Traffic Mapping Information Element）來(lái)完成。在DEV分配到的GTS時(shí)隙中，DEV可以在滿足傳輸時(shí)間不超過(guò)規(guī)定時(shí)長(zhǎng)的條件下自行決定傳輸數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。所有的GTS時(shí)隙的長(zhǎng)度都是不固定的。有些GTS是動(dòng)態(tài)改變的，即這些時(shí)隙在不同超幀中的位置是隨時(shí)改變的。有些GTS的位置在一段時(shí)間內(nèi)是基本固定的，即PNC雖然可以修正這些GTS時(shí)隙的位置，但是需要得到利用該時(shí)隙收發(fā)數(shù)據(jù)的DEV的同意方可,這樣的時(shí)隙可以用來(lái)支持CBR業(yè)務(wù)。對(duì)于MTS時(shí)隙，可以用來(lái)在CAP周期中傳輸認(rèn)證、關(guān)聯(lián)命令等。?

　　在802.15.3網(wǎng)絡(luò)中，QoS可以通過(guò)對(duì)每一個(gè)業(yè)務(wù)流的預(yù)約來(lái)簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)。DEV先向PNC詢問(wèn)自己的QoS請(qǐng)求能否被信道時(shí)間管理器（CT Manager）滿足，如果這些QoS請(qǐng)求得到PNC的許可，就會(huì)在鏈路層和IP層之間為此業(yè)務(wù)流建立專門的流標(biāo)識(shí)。這種PNC與DEV之間相對(duì)獨(dú)立的請(qǐng)求-應(yīng)答機(jī)制很有效地降低了協(xié)議的復(fù)雜度，即在低層（鏈路層）并不需要實(shí)現(xiàn)太多復(fù)雜的功能。同時(shí)，由于在網(wǎng)絡(luò)層的QoS研究已經(jīng)建立起一套關(guān)于資源預(yù)約、分配調(diào)度的機(jī)制，從而可以使鏈路層與當(dāng)前主流網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議密切配合。避免了網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)帶來(lái)的層與層之間的獨(dú)立和冗余而導(dǎo)致的協(xié)議效率低下。資源預(yù)約的方式使得網(wǎng)絡(luò)資源的達(dá)到最佳的利用，從而可以更好、更高效地規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)的使用，提供可靠的QoS保障。但是，這種方式有時(shí)候也會(huì)帶來(lái)過(guò)多的開銷，如網(wǎng)絡(luò)必須傳輸信令消息以提供資源預(yù)約，因此各種應(yīng)用在數(shù)據(jù)收發(fā)之前會(huì)有一段延時(shí)。

　　802.15.3 MAC協(xié)議另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的獨(dú)立性。目前很多鏈路層以上的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)如IP、 USB、IEEE1394等正在制訂服務(wù)匯聚子層（ SSCS,即Service Specific Convergence Sub-layers）來(lái)支持與IEEE802.15.3鏈路層的平滑過(guò)渡和整合，圖7給出了IEEE802網(wǎng)絡(luò)、IEEE1394、USB2.0等上層應(yīng)用基于802.15.3 MAC層的實(shí)現(xiàn)示意圖。?

　　四、IEEE802.11e與IEEE802.15.3的對(duì)比分析

　　上文討論了IEEE802.11e與IEEE802.15.3兩種MAC協(xié)議在提供QoS方面各自的特點(diǎn)。由于面向的對(duì)象和應(yīng)用的不同，兩種協(xié)議有著本質(zhì)的區(qū)別。?

　　1.媒體訪問(wèn)機(jī)制

　　媒體訪問(wèn)機(jī)制是IEEE802.11e與IEEE802.15.3最大的差別。802.11e采用隨機(jī)爭(zhēng)用和輪詢相結(jié)合的訪問(wèn)控制，而802.15.3采用基于中心式的調(diào)度機(jī)制。兩種方式都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)大部分帶寬用來(lái)進(jìn)行對(duì)等進(jìn)程的通信（pere-to-pere）時(shí)適合于采用調(diào)度機(jī)制，例如多媒體家庭網(wǎng)絡(luò)中常見(jiàn)的業(yè)務(wù)，各設(shè)備之間以對(duì)等進(jìn)程的方式大量傳送多媒體數(shù)據(jù)流，相比于輪詢方式，調(diào)度機(jī)制可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)的效率。同時(shí)，IEEE802.l5.3基于時(shí)隙的超幀結(jié)構(gòu)也降低了每個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，進(jìn)而可以有效降低功耗，提高了電池壽命。進(jìn)一步講，由于每個(gè)DEV可以在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的收發(fā)，DEV可以在不影響當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)連接的情況下利用超幀中沒(méi)有分配的時(shí)隙進(jìn)行信道掃描，或者尋找信號(hào)強(qiáng)度更好、負(fù)載更小的其他微網(wǎng)。

　　IEEE802.11e HCF的輪詢方式在WLAN的骨干網(wǎng)的工作方式（Infrastructure Network）時(shí)可以提供很高的效率，此時(shí)大部分的網(wǎng)絡(luò)帶寬用于AP與STA之間的數(shù)據(jù)收發(fā)。由于CF-Poll信息已經(jīng)加載到數(shù)據(jù)幀中，TxOP的持續(xù)時(shí)間已經(jīng)寫入QoS控制域中，論詢方式對(duì)于AP與STA之間的數(shù)據(jù)收發(fā)不會(huì)引入額外的開銷。由于HC可以獲知網(wǎng)絡(luò)中所有的數(shù)據(jù)傳輸，并且HC可以根據(jù)QoS控制域中第8～15 bit的信息實(shí)時(shí)地了解每一個(gè)QSTA的業(yè)務(wù)隊(duì)列，從而可以跟有效地對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行分配。通過(guò)調(diào)整TxOP，HC能夠?qū)τ趲掝A(yù)約、臨時(shí)性網(wǎng)絡(luò)擁塞作出迅速響應(yīng)。這種迅速響應(yīng)機(jī)制對(duì)于優(yōu)化VBR業(yè)務(wù)中無(wú)線帶寬的分配是非常有利的。?

　　2.Ad Hoc工作模式下的QoS性能

　　802.11e在無(wú)QAP的情況下，只支持EDCF操作和基于優(yōu)先級(jí)的QoS機(jī)制，不支持參數(shù)化的QoS，采用固定的信道訪問(wèn)參數(shù)，容易發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞；有QAP時(shí)，可以支持基于優(yōu)先級(jí)的QoS機(jī)制和參數(shù)化的QoS，但是AP切換時(shí)原有的安全和QoS無(wú)法保持。802.15.3則支持基于優(yōu)先級(jí)的QoS機(jī)制和參數(shù)化的QoS，并且在PNC切換時(shí)原有的安全和QoS繼續(xù)保持。?

　　3.解決“隱藏節(jié)點(diǎn)”問(wèn)題

　　802.11e采用NAV與CCA聯(lián)合的載波偵聽方式，通過(guò)RTS/CTS來(lái)設(shè)定各接收數(shù)據(jù)STA的NAV參數(shù)來(lái)避開數(shù)據(jù)沖突。802.15.3由于采用了中心控制的方式，每個(gè)DEV的收發(fā)時(shí)隙由PNC來(lái)分配，因此有效地解決了隱藏節(jié)點(diǎn)問(wèn)題。?