無線局域網Mac層QOS機制探討

張譯心（山西醫學科學院（山西大醫院），山西 太原 030032）

無線局域網Mac層QOS機制探討

張譯心
（山西醫學科學院（山西大醫院），山西 太原 030032）

目前最為流行的無線接入方案為無線局域網，但在實際應用中，WLAN協議在支持QOS的過程中非常有限，從而便導致一些需求較高的QOS應用難以實施。無線局域網Mac層屬于關鍵的協議子層，能夠對無線節點進行控制與協調，從而對網絡介質進行訪問。現如今亟需解決的一個問題是，如何才能在一個并不穩定的物理介質以及有限的網絡資源基礎上，在Mac層上提供QOS服務。因此，文章簡要地闡述了無線局域網層QOS技術難點、作用以及局限性，然后在此基礎上探討無線局域網Mac層選擇QOS策略。

無線局域網；Mac層；QOS機制

目前IP網絡中最為關鍵的問題便是QOS，也就是服務質量，人們為了能夠在IP網絡上更好地提供QOS，基于此而提出了一些機制。并且隨著近年來無線網絡的快速發展，IP網絡越來越龐雜。無線環境下，極其缺少帶寬資源，隨著時間的流失，信道狀況也會隨之發生變化，從而會在一定程度上增加了位錯誤率的發生。在當前全球通信網絡中無線移動網絡處于非常重要的地位，尤其是WLAN的無線接入技術的發展使得人們提高了對其相關協議的關注度。并且多媒體網絡服務對QOS也提出了更高的要求，而現有的WLAN 對QOS的有限支持在一定程度上阻礙了新網絡在無線領域應用。現如今廣泛使用的WLAN技術采用的是802.ll標準體系，但此協議并不會對QOS具有直接支持。因此，此網絡無法被QOS要求高的多媒體無線應用。現對無線局域網層QOS作用、局限性以及控制模式進行簡要闡述，然后探討無線局域網Mac層選擇QOS策略。

1　Mac層在無線QOS中作用

QOS在有線介質的網絡中更加關注的是網絡層與傳輸層，但問題是WLAN屬于共享信道網絡，QOS的實現需要得到來自Mac層的支持。原因在于WLAN不同于傳統LAN競爭模型，如圖1所示。從圖1中可以看出，傳播介質控制于有線網絡中，任何2個節點之間需要相互通信時，通過介質的連結可以將4個節點形成一個競爭域。但無線環境中的競爭屬于位置相關，在圖2中可以看出若A與B需要實現雙向的通信，那么C因其處于B廣播范圍內而為競爭域成員中，但D仍然處于自由狀態，因此在此過程中A，B，C便處于互相競爭的狀態。如果C與D之間要進行互相通信，在此過程中B，C，D便屬于競爭域的成員。如果B與C之間要進行互相通信，A，B，C，D4個節點便將成為競爭域的成員且具有相互競爭介質的訪問權。此種競爭關系增加了設計利用WLAN介質資源協議的難度，因此，各個節點之間的競爭關系屬于位置相關競爭。

圖1　傳播介質控制于有線網絡中

圖2　介質的連結形成的競爭域

除此之外，由于無線節點并不能確定介質當前所處狀態，因此在無線網絡中各個節點之間不能互相感知對方狀態，從而在應用的過程中導致出現隱藏及暴露終端問題。隱藏終端問題中，發送方會認為接受方處于空閑的狀態，因而發送數據幀不會被收到。暴露終端問題中，發送方會以為接受方處于繁忙的狀態，因而便會失去數據幀發送的機會。由于在WLAN中網絡節點是通過訪問共享的方式來實現通訊，無線介質訪問效率便為通訊效率。

2　802.11協議QOS的局限性

2.1 分布式協調式局限性

分布式協調式在實際應用過程中，通過避讓能夠實現競爭，而決定避讓時間的因素為CW。采用分布式協調方式在競爭過程中，最短的避讓時間節點將會獲得介質訪問權。但分布式協調方式屬于best-effort service（盡力服務），因此在具有時間及帶寬延遲的需求下，分布協調方式不能提供QOS的保證。在分布式協調模式下，節點及數據流主要是通過隨機避讓的算法，并以同樣的概率對媒質進行訪問。但是隨著網絡中節點及數據量不斷地增加，也會在一定程度上增加數據幀沖突概率及CW，從而便會導致數據延遲增加，降低網絡利用率以及吞吐量。

2.2 點協調式局限性

點協調模式下，網絡的中心位置為AP，因而也具有絕對的控制權。促進QOS實現的過程中也存在以下的局限性：①所有通訊均需要通過AP中繼，如此便會在一定程度上損失一部分帶寬利用率。②無法準確地控制輪詢節點傳輸時間，從而導致AP不能為節點確保QOS參數。③AP不能準確地獲知節點是否需要發送數據，從而將一部分輪詢時間分配給并不需要數據發送的節點，因此在很大程度上浪費了時間。

3　WLAN的QOS控制模式

控制模式主要包括集中與分布式，因為無線節點具有自組與及時性，也就使得QOS更加迫切地要求分布式機制的存在。但問題在于，分布式機制因其自身的限制，使其在設計的過程中受到許多的挑戰。在無線網絡中，應用場合允許基礎上可以采用AP提供QOS支持，集中式訪問方法主要來自于802.11的點協調方式。

4　WLANMac層QOS策略

4.1 區分策略

區分服務主要是指在實際應用中根據業務指定優先級對相關數據進行調度。在區分策略中最為常見的屬于QOS策略，其中典型代表便是IEEE802.lle中的EDCF訪問機制。它能采用4個不同AC進行區分服務，EDCF區分服務通過不同介質訪問參數來實現。

4.2 優先策略

對于要有保障網絡服務來說，QOS策略必須能夠為其提供一個絕對的QOS保障，也就是不管目前網絡中數據業務數量及負載狀況，總能在一定程度上確保一部分特定優先級業務QOS請求。集中式管理的QOS機制能夠更加輕松地實現此調度機制。但問題在于，盡管優先策略能夠在一定程度上適應實時業務需要，但可能會在特定情況下影響其他業務流。

4.3 公平策略

公平策略的提出是區分優先級的基礎，公平策略就是數據流的公平，主要是指共同分享同一個信道，但不同數據業務所分配到的帶寬與數據業務權重成正比。如圖3所示，在圖3中清晰地展示了在一個較為簡單的無線網絡中公平調度問題，內圈表示的是節點的有效傳輸范圍；外圈主要表示的是干擾范圍，其中的箭頭主要是指當前的業務流狀況。可以得知，在不對稱的拓撲中可以同時存在兩個競爭域，數據流在此狀況中便處于不利的傳輸競爭地位，因此在所有業務中數據流DC性能最差，且所獲得的數據吞吐量非常不穩定。

圖3　不公平介質競爭

5　結語

無線局域網Mac層所提供QOS保證機制是在WLAN上運行需要應用QOS的必要途徑，本文簡要地闡述了無線局域網層QOS技術難點、作用以及802.11協議QOS在實際應用過程中的局限性，然后在此基礎上探討無線局域網Mac層選擇QOS策略。當前全球通信網絡中無線移動網絡處于非常重要的地位，對于無線網絡來說，網絡傳輸的重點在于如何更加合理地訪問無線介質，其中的難點在于如何提供QOS機制。在對802. 11的QOS改進引入了不同算法能夠補充原有機制，主要目的在于能夠在無線局域網Mac層上更好地提供QOS服務。

［1］肖慧華，燕佳靜.無線局域網中Mac層QOS算法［J］.科技廣場，2011（11）：38-41.

［2］李杰.無線局域網Mac協議性能分析與研究［D］.杭州：浙江理工大學，2014.

Discussion of Mac Layer QOS Mechanism in Wireless Local Area Network

Zhang Yixin
（Shanxi Academy of Medical Sciences， Taiyuan 030032， China）

At present， the most popular wireless access scheme is wireless local area network （LAN）， but in practical application，WLAN protocol in QOS support in the process is very limited， thus leading to difficult to implement some of the higher demand of QOS application. Wireless LAN Mac layer belongs to the key sub protocol layer， to control and coordination of wireless nodes， to the network medium access. An urgent problem need to resolve is how to provide the QOS service in a precarious physical media and limited network resources based on the Mac layer. Therefore， this paper briefly describes the wireless local area network layer QOS technology difficulties，functions and limitations， and then on this basis exploring the wireless local area network Mac layer selection QOS strategy.

wireless local area network； Mac layer； QOS mechanism

張譯心（1983— ），女，山西太原。