IEEE 80211E技术白皮书.docx
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IEEE80211E技术白皮书
IEEE802.11E技术白皮书
关键词：
QoS、WMM
摘要：
本文介绍了无线局域网中的QoS标准—IEEE802.11E与WMM标准的公有部分。
缩略语：
缩略语
英文全名
中文解释
AC
AccessCategory
接入分类。
EDCA信道竞争参数的集合，QSTA使用这些竞争参数获得媒介的使用权，进行数据交互。
ACK
Acknowledgement
确认
ACM
AdmissionControlMandatory
强制接入控制
AIFS
ArbitrationInter-FrameSpace
仲裁帧间隙
AP
AccessPoint
接入点
BLOCKACK
BlockAcknowledgement
块确认，802.11E中定义的一种提高信道效率的机制。
QSTA可以以SIFS帧间隙连续发送多帧，而只需要请求确认一次。
CW
ContentionWindow
竞争窗
DCF
DistributedCoordinationFunction
分布式协调功能。
通过一系列的协调功能，保证在一个BSS中，所有的STA都是活跃的。
DLS
Direct-LinkSetup
直接链路建立，802.11E中定义的一种机制。
两个non-APSTA可以建立直接链路，之后两者之间的交互可直接进行，不用再通过AP。
EDCA
EnhancedDistributedChannelAccess
增强的分布式信道接入。
在QBSS中，QSTAs使用具有优先级的载波监听多址接入（CSMA/CA）机制竞争信道。
这个机制也使用在HCCA的竞争周期中。
HCCA
Hybridcoordinationfunction（HCF）controlledchannelaccess
混合信道协调功能控制的信道介入方式。
基于无竞争信道访问方式由混合协调器控制上行、下行和直接传输的QoS服务。
nQAP
non-QoSAccessPoint
不支持QoS功能的AP
nQSTA
non-QoSStation
不支持QoS功能的站点
PCF
PointCoordinationFunction
点协调功能。
通过一系列的协调功能，保证在一个BSS中，任意时间仅有一个STA是活跃的，可以使用信道。
QAP
QoSAccessPoint
支持QoS功能的AP
QBSS
QoSBasicServiceSet
提供QoS功能的基本服务集。
一个QBSS至少需要包含一个QAP。
QoS
QualityofService
质量服务
QSTA
QoSStation
支持QoS功能的站点。
由于AP本身也是一个站点，所以不做特殊的强调，QSTA包含QAP
STA
Station
用户站点
SVP
SpectraLinkVoicePriority
是在WMM发布之前，Spectralink公司为了提供语音通话的QoS保障而设计的一个语音优先方法。
TSPEC
Trafficspecification
定义了来自或者到达非AP的QSTA的某条数据流的QoS特性
TXOP
Transmissionopportunity
传输机会。
QSTA获得的可以将报文发送到无线媒介的一段时间。
在这段时间，QSTA完全独占信道，直到TXOP结束为止。
U-APSD
Unscheduledautomaticpower-savedelivery
非调度自动节能发送，802.11E中定义的节能机制。
这种机制下，STA不再定期醒来监听Beacon帧，而是STA自己决定何时到AP上取自己的报文。
并且，STA的一次请求，AP可以发送多个报文给STA。
该机制显著改善了STA端的节能效果。
WLAN
WirelessLocalAreaNetwork
无线局域网
WMM
WirelessMultimediaEnhancements
无线多媒体增强
目录
1概述4
2技术应用背景4
2.1技术优点4
2.2应用限制6
3特性介绍6
3.1相关协议6
3.2协议处理机制6
3.2.1MAC层结构6
3.2.2MAC层数据平面结构7
3.2.3多个接入类7
3.2.4EDCA机制8
3.2.5新增帧类型11
4产品实现的技术特色12
4.1WX5002/WA211012
4.2WA1208E12
5典型组网案例13
5.1全网QoS解决方案13
5.2SVP应用14
5.3WDS组网15
6总结和展望15
7参考文献15
概述
IEEE802.11E标准定义无线局域网MAC层服务质量，支持语音、视频等多媒体业务在无线局域网中的应用。
IEEE802.11E扩展了原802.11MAC层DCF和PCF信道接入机制，形成了EDCA和HCCA信道接入规范。
前者增强了DCF机制，区分不同业务应用的优先级，保障高优先级业务的信道接入能力，并在一定程度上保障了高优先业务的带宽。
后者增强了PCF机制，通过QAP的集中控制，以轮询方式为QSTA分配空口资源，提供改善的访问带宽并且减少了高优先级业务的延迟。
由于HCCA机制相比EDCA、PCF机制更加复杂，目前被各厂商束之高阁，没有得到推广。
但EDCA得到了广泛的应用，本文中的机制全部基于EDCA竞争规则，不涉及HCCA的无竞争部分。
除信道接入机制的增强外，IEEE802.11E标准还引入BLOCKACK、DLS、No-ACK等多种技术，可以有效地提高无线信道的吞吐量和带宽。
IEEE802.11E于2005年9月22日通过，但至今尚未完全商用，芯片厂商仅支持其中的少量特性。
现在广泛应用的Wi-Fi组织的WMM标准，是IEEE802.11E的子集，本文重点介绍WMM和802.11E标准的公有部分。
技术应用背景
技术优点
多媒体、语音等业务在无线局域网中的应用，使得原本紧张的无线空口资源更加捉襟见肘。
由于空口资源的特殊性，传统有线网络的QoS技术无法直接应用在无线局域网中。
IEEE802.11E标准的引入，解决了此问题。
作为802.11E标准的前身和子集的WMM标准，提供了基本的无线QoS解决方案，可以实现高速突发数据和流量分级。
IEEE802.11E和WMM标准共同包含的技术如下：
●EDCA，增强的分布式信道接入，在保留AP/STA间的分布式信道竞争外，引入了QAP/QSTA内部四个优先级分类的内部竞争，从而在无线空口引入不同QAP/QSTA间区分优先级分类的信道竞争机制。
●流分类，将接入的数据流分为四个优先级，每一个优先级作为一个分类，优先级从低到高分别是：
背景（AC_BK）、尽力而为（AC_BE）、视频（AC_VI）、语音（AC_VO）。
●竞争参数及竞争参数协商，QAP为QSTA下发竞争参数，控制QSTA的接入能力，包含：
AIFS、TXOPLimit、CWmin、CWmax。
●AIFS，新引入的仲裁帧间隙，QAP为不同优先级的流分配不同的AIFS，最小的AIFS等于PIFS。
●TXOP，传输机会，QAP/QSTA可以在一个传输机会内完全占用信道进行通信，所有其他的AP/STA在此段时间内静默，只能接收来自获得TXOP的AP发送的报文，并进行确认。
●CWmin/CWmax，最小/最大竞争窗口大小，QAP为不同优先级的流分配不同的竞争窗口范围。
●合理分配竞争参数，既保障高优先级流的优先接入信道能力，同时不完全阻塞低优先级流接入信道。
●ACM与TSPEC，QAP通过使用传输规范（TSPEC）控制网络流量。
一个QAP能够要求每一个QSTA为每一个访问类发送一个传输规范请求。
这个请求将具体说明这个QSTA为每一个访问类申请的数据量以及可以承受多长时间的延迟。
ACM准入控制意味着如果QAP计算它从各个QSTA收到的请求超过了网络的容量，它将拒绝这些请求。
如果一个申请遭到拒绝，提出申请的QSTA就不再发送那种访问类的数据，并且必须把这种访问类的数据结合到优先等级低的数据中。
当然，即使在WMM标准中，此项也是可选实现，最简单的实现是拒绝所有QSTA发出的TSPEC申请。
●NO-ACK，IEEE802.11E标准规定组播、广播帧不回复ACK。
在QoS中，可以设置某一个优先级的流不需要ACK回复，节省回复的ACK帧占用的信道资源。
当然，这样的设置如果不配合BLOCKACK机制，会造成TCP层的报文重传，影响网络的性能。
●技术兼容性，支持IEEE802.11E标准的设备兼容原有标准和设备。
当QAP与QSTA组网环境中出现了nQSTA的接入时，QAP不必切换nQAP工作，QAP认为nQSTA在信道接入能力上与QSTA的AC_BE分类一致，获得比语音、视频低的网络带宽，但是比背景流略高。
借助nQSTA原有的虚侦听机制，保证IEEE802.11E标准的正常工作。
应用限制
只有当通讯多方都遵循802.11E标准时，才可保证无线QoS的正常应用。
这是因为无线局域网基于共享的无线媒介，所有的802.11协议族实质上是君子协定——只有通讯的多方全部遵守802.11协议规则，才可以保证通讯的顺畅。
IEEE802.11E标准同样如此。
由于无线媒介的特殊性，使得无线QoS不能像有线网络的QoS一样，进行准确的流量管理、带宽预留等，无线QoS实现的仅仅是粗糙的流分类和简单的流量分配，能够做到高优先级的流占用较多的带宽，不能控制到占用指定的带宽。
由于MAC层协议复杂度高，要在有效的24MbpsTCP理论带宽内保障服务质量，并不容易实现。
目前，即使是IEEE802.11E标准的子集WMM标准，其中稍复杂的TSPEC、ACM技术，大部分设备制造商也尚未完整地支持。
缺少支持该标准的网络设备或终端设备，将会制约IEEE802.11E标准的推广使用。
特性介绍
相关协议
WirelessMultimediaEnhancements（WMM）
协议处理机制
MAC层结构
MAC层结构
与IEEE802.11标准相比，IEEE802.11E标准增加了HCF功能，取代了PCF。
MAC层数据平面结构
MAC层数据平面结构
与IEEE802.11标准相比，IEEE802.11E标准由于增加了多个接入类（AC），针对每一个接入类（AC）分片、加密、CRC校验都是独立。
在接收时增加了BLOCKACK（BLOCKACK功能目前WA2110暂不支持）的处理。
报文分片重组、序列号检查也基于一个接入类（AC）进行。
多个接入类
将数据流按照业务需求进行分类，并为数据流指定优先级，是传统的QoS差分服务的做法。
在IEEE802.11E标准中定义了4个优先级的接入类，并与802.1D协议的优先级进行了映射，将无线和有线网络优先级结合起来，优先级映射关系见下表。
802.1D与802.11E优先级映射
Priority
UP（Sameas802.1DuserPriority）
802.1D
designation
AC
Designation
（informative）
Lowest
Highest
1
BK
AC_BK
Background
2
-
AC_BK
Background
0
BE
AC_BE
BestEffort
3
EE
AC_BE
BestEffort
4
CL
AC_VI
Video
5
VI
AC_VI
Video
6
VO
AC_VO
Voice
7
NC
AC_VO
Voice
EDCA机制
EDCA机制是IEEE802.11E的核心（包含竞争与无竞争周期的HCCA尚未有设备支持），EDCA区分了不同优先级的AC接入信道的能力，从而保障了空口资源依据数据流优先级分配。
竞争机制
802.11标准基于CSMA/CA机制，为了避免冲突引入了多个帧间隙：
SIFS、DIFS、EIFS、PIFS。
IEEE802.11E标准为了支持QoS，引入了新的帧间隙：
AIFS，用来区分不同优先级。
帧间隙
如上图所示，下标[i]、[j]表示不同的AC，AC[i]的竞争参数优于AC[j]。
QSTA在信道空闲开始时必须等待AIFS时间后才能进行退避，最先退避结束的AC开始使用信道进行通讯，其他AC由于信道忙处于静默状态，在通讯结束后，所有QSTA的所有AC再次进行信道竞争。
不同的QSTA间存在信道竞争，同一个QSTA不同的AC间同样存在信道竞争。
竞争参数
每个AC均有独立的信道竞争参数，不恰当的信道竞争参数会导致优先级的反转。
802.11E标准建议的优先级配置见下表所示。
信道竞争参数
AC
CWmin
CWmax
AIFSN
TXOPLimit（802.11b）
TXOPLimit（802.11a/g）
AC_BK
aCWmin
aCWmax
7
0
0
AC_BE
aCWmin
aCWmax
3
0
0
AC_VI
（aCWmin+1）/2-1
aCWmin
2
6.016ms
3.008ms
AC_VO
（aCWmin+1）/4-1
（aCWmin+1）/2-1
2
3.264ms
1.504ms
表中AIFSN是计算AIFS用的参数，AIFS=SIFS+AIFSN*（aslottime），AIFSN最小值为1。
图3标识的AC从开始竞争到竞争结束获得信道的时间长度为AIFS+Backoff时间（Backoff时间可以延续前面竞争所剩余的时间），Backoff时间通过CWmin和CWmax可以确定范围，并在这个范围内取值。
Backoff的选择机制同IEEE802.11标准。
高优先级的ACAIFS时间短，可以更早的进行退避过程。
而由CWmin和CWmax决定的Backoff时间同样小于低优先级的AC。
因此在竞争中，高优先级的AC可以优先接入信道。
需要注意一点，最高优先级AC的CWmax与AIFS之和须大于最低优先级AC的CWmin和AIFS之和。
否则，最低优先级的AC尚未开始退避前，最高优先级的AC就已经完成了一次信道竞争过程并可能获得信道接入，低优先级的AC将没有机会进行通讯。
QBSS中，信道竞争参数由QAP统一管理和下发。
QAP和QSTA的信道竞争参数完全独立。
一般可以稍稍提高QAP的信道竞争参数，保障QAP有足够高的信道控制能力。
QAP通过beacon或ProbeResponse帧中的EDCAParameterSetIE通告QAP的EDCA参数设置，通过（Re）AssociationResponse帧中的EDCAParameterSetIE将经过协商的EDCA参数设置下发给QSTA。
TXOP及多重帧传送
QSTA在获得信道使用权后，在设置的TXOPLimit时间（见表2）内进行数据交互的过程。
在这个段时间内，QSTA可以发送多个数据包。
这个数据帧最大的特点是AC相同，但是目的地址可以不同。
TXOP内首个发送帧（不限于数据帧，可以通过RTS或者CTStoself预约）需要一次预约整个TXOPLimit内帧传送的所有时间，以使其他STA的虚侦听机制正常工作。
TXOP连续帧传送
一次TXOP结束后，重新开始新一轮的信道竞争，在经过timegap（=AIFS[AC]+BackOff）后，某STA可以开始使用信道。
由于节省了每次帧传送后的信道竞争时间，提高了吞吐量。
准入控制
IEEE802.11E增加的准入控制（AdmissionControl）控制准入策略和调节有效带宽，用来确保QSTA请求的占用信道的时间。
QSTA的某个AC有数据要传输时，如果QAP启用了准入控制，QSTA将给QAP发送一个ADDTS帧来要求业务流的接入。
ADDTS帧中将包含有该业务流对应的优先级信息。
对于强制使用启用准入控制的AC而QSTA不采用接入控制传输数据时，它将使用一个低优先级的无需接入控制的AC所对应的EDCA参数。
当某QAP启用某一优先级AC的准入控制时，比该AC优先级高的AC中的必须启用准入控制。
QAP收到ADDTS请求时，QAP通过发送一个ADDTS响应帧来表明接受或拒绝这个请求。
如果QAP接受请求，它必须根据TSPEC中的参数算出MediumTime，并通过ADDTS响应帧发给请求的QSTA。
QSTA中的每个AC都维持有两个变量，一个是admitted_time，另一个值为used_time。
前一个值表明QAP分配给这个AC可占用信道的时间。
后一个值为这个QSTA的AC已经控制信道的时间。
如果used_time超出了admitted_time时，此AC不能使用协商的EDCA参数来传输数据，它可以暂时地用一个无需接入控制地低优先级AC的EDCA参数来传输数据。
在通讯完成后，QSTA或者QAP将使用DELTS删除ADDTS请求建立的数据流的QoS信息。
大部分厂商对于准入控制的支持尚未完善。
新增帧类型
除信道接入机制的改善，为支持QoS，IEEE802.11标准扩充了IEEE802.11标准的报文格式，用于区分不同优先级的数据帧；广播QAP的QoS能力信息；进行QoS参数的协商。
数据帧
数据帧格式
在地址4/序列号控制字段后增加了2字节QoS控制字段，用来表示数据流的QoS信息。
扩展了FrameControl控制域，新增了数据帧的QoSData、QoSNull子类型。
管理帧
保持了原有管理帧帧格式，增加了数个信息单元。
由于IEEE802.11E标准和WMM标准在QAP的QoS能力宣告、竞争参数下发的信息单元及过程有所差异，本文不对管理帧的内容进行描述。
增加了ADDTSRequest、ADDTSResponse、DELTS、Schedule的Action帧。
控制帧
增加了BlockAckRequest和BlockAck两种控制帧。
产品实现的技术特色
WX5002/WA2110
无线控制器WX5002和FITAP产品WA2110组合，实现了无线局域网接入的集中式管理方案。
在此产品组合中提供的WMM特性，不仅涵盖了WMM标准中定义的EDCA机制、准入控制、U-APSD、ACK策略等功能，还支持一些WMM标准之外的功能，主要有：
●QoS全网解决方案。
WMM实现了对无线接入侧的QoS支持，融合原有的有线QoS特性，能实现全网的QoS支持。
●支持SVP。
实现SVP报文优先竞争无线信道，或优先在有线网络中进行传输。
SVP是在WMM标准发布之前，Spectralink公司为提供语音通话的QoS保障而设计的一个语音优先方法。
SVP客户端在竞争无线信道时使用零Backoff时间，因此较一般无线客户端会优先竞争到无线信道。
WA1208E
作为FATAP的WA1208E产品，实现的WMM功能较简单，主要实现了EDCA机制。
特别之处在于，WA1208E在WDS组网中实现了WMM。
当两台WA2108E作为无线网桥通过空口连接两个有线网络（或无线网络）时，启用WMM协议，可以保证有线网络的QoS与无线网络优先级相互映射。
典型组网案例
全网QoS解决方案
全网QoS
在上述组网中，QSTA和WA2110之间，通讯多方采用EDCA竞争无线信道；WA2110和WC5002之间建立有LWAPP隧道，通过配置端口信任模式和映射关系，可以实现无线802.11e优先级与LWAPP隧道外层的IPDSCP和802.1p优先级的相互映射，从而保证WA2110和WX5002之间的QoS效果。
此外，WX5002上及有线网络中其他设备上还可以设置流分类、优先级标记、流量限速、队列调度等灵活的QoS策略，从而实现全网QoS的定制。
SVP应用
SVP应用
上述组网图描述了SVP客户端之间，或者SVP和VOIP客户端之间的通讯场景，SVP报文都需要通过SVPserver，SVPserver完成对私有的SVP协议的解释，及SVP报文向其他格式的转换。
WX5002/WA2110上实现的SVP特性，能够将SVP报文映射到配置指定的接入类（AC）上，对于去SVP客户端的报文，按照指定AC对应的EDCA参数参与信道竞争，从而实现对SVP的更灵活支持。
SVP报文在WA2110和WX5002之间LWAPP隧道上传递时，同样可以实现SVP等价优先级（即配置的AC优先级）向隧道外层IPDSCP优先级和802.1p优先级的映射，保证SVP报文在WA2110和WX5002之间的优先发送。
WDS组网
WDS组网
如上图所示，两台WA1208E连接两个无线网络和一个有线网络。
两个无线网络分别组成QBSS。
在WA2108E的空口上启用了WMM功能，实现两个QBSS之间通讯支持QoS。
在LSW上面配置相关的QoS策略，在WA2108E上面配置IEEE802.11E优先级与有线优先级相互映射，可以较好地支持无线、有线QoS策略。
总结和展望
IEEE802.11E技术复杂度高，完全实现难度很大。
其核心的信道竞争机制的改善，有助区分无线数据流的优先级。
相同流量下，高优先级流占用的带宽明显高于低优先级占用的带宽。
与有线QoS相比，基于竞争的无线QoS很难做到精确的流量控制。
现在尚未支持基于单一用户（一个STA）进行QoS配置。
参考文献
WirelessMultimediaEnhancements（WMM）,ThomasKuehnel,MicrosoftCorporation,9thMarch2004
IEEEStandardforInformationtechnology—Telecommunicationsandinformationexchangebetweensystems—Localandmetropolitanareanetworks—SpecificrequirementsPart11:
WirelessLANMediumAccessControl（MAC）andPhysicalLayer（PHY）specificationsAmendment8:
MediumAccessControl（MAC）QualityofServiceEnhancements,IEEE,22September2005
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