三、IEEE802.15.3 MAC協(xié)議及其QoS機制

　　在IEEE802.11 WLAN迅速發(fā)展的同時，另一種針對小型個域網(wǎng)絡、家庭數(shù)字媒體網(wǎng)絡的無線技術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任務組針對數(shù)字視頻、圖像等多媒體應用而制定的高速率WPAN標準IEEE802.15.3。除了高速率外，802.15.3將為便攜式數(shù)字多媒體應用提供低功耗、低成本的解決方案。同時，IEEE802.15.3任務組（TG3）還成立了802.15.3a研究組（SG3a）來尋找更高速率的物理層替代方案，目前研究領域方興未艾的超寬帶（UWB）無線通信技術最有希望成為802.15.3a的PHY標準，提供高達500 Mbps的超高傳輸速率。802.15.3a研究組有望在今年被批準為任務組（TG），從而可以進行標準化的推進工作。802.15.3a研究組所尋找的物理層替代方案需要要實現(xiàn)下述目標： ?(1)支持DV、高清晰DVD、高清晰度打印機、掃描儀，MP3播放器快速下載、數(shù)碼相機靜態(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的近距離時速度可達到500 Mbit/s，以替代當前廣泛使用的IEEE1394a（400Mbit/s），USB2.0（480 Mbit/s）基于線纜的數(shù)據(jù)傳輸。

　　802.15.3網(wǎng)絡拓撲結構為基于中央控制的面向連接的自組網(wǎng)（Ad Hoc）。網(wǎng)絡初始化時，由任一個節(jié)點（DEV）來擔任WPAN的協(xié)調(diào)器/調(diào)度器（PNC）。除了提供基本的網(wǎng)絡同步之外，PNC還要根據(jù)預先定義的QoS策略以及當前剩余的信道時隙數(shù)量（CT,即Channel Time）完成接納控制、分配網(wǎng)絡資源、管理節(jié)能請求等功能。

　　802.15.3基于時隙的超幀結構由3部分組成：信標（Beacon）、信道競爭訪問周期（CAP,即Contention Access Period）和信道無競爭周期（CFP,即Contention Free Period）組成，如圖5所示。?

　　信標在每一超幀的開始發(fā)送，載有網(wǎng)絡的控制參數(shù)（網(wǎng)絡同步、最大傳輸功率等）、信道時隙分配、超幀中傳輸?shù)尼槍γ恳粋€業(yè)務流的指示信息等。CAP周期預留來傳送無QoS的數(shù)據(jù)幀，如網(wǎng)內(nèi)設備發(fā)出的認證、關聯(lián)命令的請求和應答以及一些短的異步數(shù)據(jù)。

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

　　每個CFP周期分為管理時隙（STAS,即Management Time Slot）和確保服務的同步時隙（GTS,即Guaranteed Time Slot），GTS用于傳輸同步媒體業(yè)務流和異步數(shù)據(jù)，如圖6所示。在CFP周期內(nèi)所有的傳輸機會都開始于預先設定好的時隙，時隙的設定通過PNC與各DEV交互信標幀中流量映射信息單元（Traffic Mapping Information Element）來完成。在DEV分配到的GTS時隙中，DEV可以在滿足傳輸時間不超過規(guī)定時長的條件下自行決定傳輸數(shù)據(jù)的長度。所有的GTS時隙的長度都是不固定的。有些GTS是動態(tài)改變的，即這些時隙在不同超幀中的位置是隨時改變的。有些GTS的位置在一段時間內(nèi)是基本固定的，即PNC雖然可以修正這些GTS時隙的位置，但是需要得到利用該時隙收發(fā)數(shù)據(jù)的DEV的同意方可,這樣的時隙可以用來支持CBR業(yè)務。對于MTS時隙，可以用來在CAP周期中傳輸認證、關聯(lián)命令等。?

　　在802.15.3網(wǎng)絡中，QoS可以通過對每一個業(yè)務流的預約來簡單地實現(xiàn)。DEV先向PNC詢問自己的QoS請求能否被信道時間管理器（CT Manager）滿足，如果這些QoS請求得到PNC的許可，就會在鏈路層和IP層之間為此業(yè)務流建立專門的流標識。這種PNC與DEV之間相對獨立的請求-應答機制很有效地降低了協(xié)議的復雜度，即在低層（鏈路層）并不需要實現(xiàn)太多復雜的功能。同時，由于在網(wǎng)絡層的QoS研究已經(jīng)建立起一套關于資源預約、分配調(diào)度的機制，從而可以使鏈路層與當前主流網(wǎng)絡層協(xié)議密切配合。避免了網(wǎng)絡分層結構帶來的層與層之間的獨立和冗余而導致的協(xié)議效率低下。資源預約的方式使得網(wǎng)絡資源的達到最佳的利用，從而可以更好、更高效地規(guī)劃網(wǎng)絡的使用，提供可靠的QoS保障。但是，這種方式有時候也會帶來過多的開銷，如網(wǎng)絡必須傳輸信令消息以提供資源預約，因此各種應用在數(shù)據(jù)收發(fā)之前會有一段延時。

　　802.15.3 MAC協(xié)議另外一個優(yōu)點是其網(wǎng)絡和應用的獨立性。目前很多鏈路層以上的協(xié)議標準如IP、 USB、IEEE1394等正在制訂服務匯聚子層（ SSCS,即Service Specific Convergence Sub-layers）來支持與IEEE802.15.3鏈路層的平滑過渡和整合，圖7給出了IEEE802網(wǎng)絡、IEEE1394、USB2.0等上層應用基于802.15.3 MAC層的實現(xiàn)示意圖。?

　　四、IEEE802.11e與IEEE802.15.3的對比分析

　　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。由于面向的對象和應用的不同，兩種協(xié)議有著本質(zhì)的區(qū)別。?

　　1.媒體訪問機制

　　媒體訪問機制是IEEE802.11e與IEEE802.15.3最大的差別。802.11e采用隨機爭用和輪詢相結合的訪問控制，而802.15.3采用基于中心式的調(diào)度機制。兩種方式都有各自的優(yōu)點和缺點。當網(wǎng)絡大部分帶寬用來進行對等進程的通信（pere-to-pere）時適合于采用調(diào)度機制，例如多媒體家庭網(wǎng)絡中常見的業(yè)務，各設備之間以對等進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)度機制可以有效地提高網(wǎng)絡的效率。同時，IEEE802.l5.3基于時隙的超幀結構也降低了每個節(jié)點的實現(xiàn)復雜度，進而可以有效降低功耗，提高了電池壽命。進一步講，由于每個DEV可以在預定的時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的收發(fā)，DEV可以在不影響當前網(wǎng)絡連接的情況下利用超幀中沒有分配的時隙進行信道掃描，或者尋找信號強度更好、負載更小的其他微網(wǎng)。

　　IEEE802.11e HCF的輪詢方式在WLAN的骨干網(wǎng)的工作方式（Infrastructure Network）時可以提供很高的效率，此時大部分的網(wǎng)絡帶寬用于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)時間已經(jīng)寫入QoS控制域中，論詢方式對于AP與STA之間的數(shù)據(jù)收發(fā)不會引入額外的開銷。由于HC可以獲知網(wǎng)絡中所有的數(shù)據(jù)傳輸，并且HC可以根據(jù)QoS控制域中第8～15 bit的信息實時地了解每一個QSTA的業(yè)務隊列，從而可以跟有效地對網(wǎng)絡資源進行分配。通過調(diào)整TxOP，HC能夠?qū)τ趲掝A約、臨時性網(wǎng)絡擁塞作出迅速響應。這種迅速響應機制對于優(yōu)化VBR業(yè)務中無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QAP的情況下，只支持EDCF操作和基于優(yōu)先級的QoS機制，不支持參數(shù)化的QoS，采用固定的信道訪問參數(shù)，容易發(fā)生網(wǎng)絡擁塞；有QAP時，可以支持基于優(yōu)先級的QoS機制和參數(shù)化的QoS，但是AP切換時原有的安全和QoS無法保持。802.15.3則支持基于優(yōu)先級的QoS機制和參數(shù)化的QoS，并且在PNC切換時原有的安全和QoS繼續(xù)保持。?

　　3.解決“隱藏節(jié)點”問題

　　802.11e采用NAV與CCA聯(lián)合的載波偵聽方式，通過RTS/CTS來設定各接收數(shù)據(jù)STA的NAV參數(shù)來避開數(shù)據(jù)沖突。802.15.3由于采用了中心控制的方式，每個DEV的收發(fā)時隙由PNC來分配，因此有效地解決了隱藏節(jié)點問題。?