【導(dǎo)讀】在過去的五年中，無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和訪問它們的應(yīng)用程序使我們的生活更加方便，并為我們提供了寶貴的靈活性。無線技術(shù)在我們的日常生活中已經(jīng)變得如此根深蒂固，以至于它們現(xiàn)在已經(jīng)滲透到家庭娛樂市場(chǎng)。
無線家庭網(wǎng)絡(luò)為設(shè)備提供商提供了很多希望，但他們必須能夠保證 QoS。
在過去的五年中，無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和訪問它們的應(yīng)用程序使我們的生活更加方便，并為我們提供了寶貴的靈活性。無線技術(shù)在我們的日常生活中已經(jīng)變得如此根深蒂固，以至于它們現(xiàn)在已經(jīng)滲透到家庭娛樂市場(chǎng)。消費(fèi)者過去常常在家中的一個(gè)固定位置在固定電視前觀看 DVD 或視頻剪輯，而現(xiàn)在他們希望在家中的任何地方共享和訪問他們不斷增長(zhǎng)的 DVR、移動(dòng)設(shè)備、筆記本電腦和其他娛樂資源，隨時(shí)。
這對(duì)當(dāng)今的開發(fā)人員提出了挑戰(zhàn)，即為多媒體和娛樂融合提供無縫網(wǎng)絡(luò)。消費(fèi)者希望他們的無線網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用程序像有線網(wǎng)絡(luò)一樣可靠。然而，與通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸一般數(shù)據(jù)不同，視頻應(yīng)用不能容忍帶寬波動(dòng)，因此挑戰(zhàn)要嚴(yán)峻得多。在通過無線網(wǎng)絡(luò)推送視頻內(nèi)容時(shí)，有很多很多因素需要評(píng)估。早期的無線 LAN 技術(shù)根本無法勝任這項(xiàng)任務(wù)，業(yè)界以的 IEEE 802.11n 規(guī)范作為回應(yīng)。然而，即使是這種高性能的 WLAN 標(biāo)準(zhǔn)也不足以傳輸視頻，
許多關(guān)鍵因素有助于達(dá)到消費(fèi)者所感知的令人滿意的性能。這些包括帶寬、延遲、覆蓋范圍和服務(wù)質(zhì)量 (QoS)。
帶寬尤為重要，并通過使用 MIMO（多輸入多輸出）和信道綁定技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。這些技術(shù)也有助于 QoS，因?yàn)楦叩耐掏铝刻岣吡藢?duì)干擾的免疫力，并且更容易處理降級(jí)的鏈路條件。此外，任何多余的帶寬都可以換取更長(zhǎng)的傳輸距離和更好的功率效率——帶寬越多越好。
吞吐量不足
但與此同時(shí)，來自更高 PHY 吞吐量的原始帶寬還不夠。所需要的是給定應(yīng)用程序在令人滿意的水平上獲得更高的有效帶寬，而這需要采取額外的步驟來大幅提高媒體訪問控制器 (MAC) 的效率。這可以使用一種聚合機(jī)制來實(shí)現(xiàn)，該機(jī)制消除了鏈接到每個(gè)數(shù)據(jù)包的開銷并用公共開銷代替它。聚合交換序列通過確認(rèn)聚合 MAC 協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (A-MPDU) 的協(xié)議啟用。因此，只有一個(gè)塊確認(rèn) (Block ACK) 而不是多個(gè) ACK 信號(hào)，并且無需為每個(gè) MPDU 啟動(dòng)新的傳輸。結(jié)果是 MAC 效率為 70%，而 IEEE 802.11a/b/g 的典型 MAC 效率額定值為 50%，如表 1 所示。
另一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是網(wǎng)絡(luò)可以到達(dá)多遠(yuǎn)；黃金標(biāo)準(zhǔn)是全屋覆蓋。盡管用戶在使用家庭數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)可以容忍“死角”和有限的覆蓋范圍，但無線娛樂不能接受死角和有限的覆蓋范圍。當(dāng)今的集中式多媒體存儲(chǔ)設(shè)備有望成為所有多媒體內(nèi)容的，無論在家中的哪個(gè)位置觀看或收聽。這意味著，與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)不同，比特率不會(huì)隨著與接入點(diǎn)距離的增加而下降。
此外，前向糾錯(cuò) (FEC) 方案的使用擴(kuò)展了在任何給定數(shù)據(jù)速率下的可能范圍。例如，通過使用低密度奇偶校驗(yàn) (LDPC) 碼獲得的 3 dB 編碼增益可轉(zhuǎn)化為約 20% 的范圍改進(jìn)?；蛘?，額外的增益可用于增加吞吐量（使用更高的星座）或增加魯棒性和抗干擾性，如圖 1 所示。以視頻性能覆蓋整個(gè)家庭對(duì)于無線娛樂至關(guān)重要，因此關(guān)鍵的新所有無線娛樂網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)制性測(cè)試應(yīng)該是在典型家庭環(huán)境的整個(gè)覆蓋范圍內(nèi)的丟包性能。
考慮 QoS
無線娛樂體驗(yàn)的一個(gè)考慮因素是 QoS。必須在基本 QoS 基礎(chǔ)之上使用幾種增強(qiáng)的 QoS 機(jī)制來解決一些關(guān)鍵問題。有多種 QoS 策略需要考慮。步是在低干擾的 5 GHz 頻段中運(yùn)行，該頻段具有較高的信道可用性，并且可以減少來自在相同頻率范圍內(nèi)運(yùn)行的其他類型設(shè)備的干擾。接下來，必須采用許多 IEEE QoS 標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)減輕了與允許多個(gè)應(yīng)用程序同時(shí)訪問相同帶寬相關(guān)聯(lián)的問題，而不會(huì)阻礙不能容忍時(shí)間延遲和帶寬波動(dòng)的應(yīng)用程序。
現(xiàn)有的 802.11n 協(xié)議使用分布式協(xié)調(diào)功能 (DCF) 訪問方法來解決其中的一些問題，但這還不夠。DCF 協(xié)議實(shí)現(xiàn)了一種基于載波偵聽多路訪問 (CSMA) 的“先聽后說”方案。使用此方案，站點(diǎn)首先監(jiān)聽無線介質(zhì)是否空閑。如果不是，該站點(diǎn)將啟動(dòng)一個(gè)計(jì)時(shí)器，該計(jì)時(shí)器具有基于網(wǎng)絡(luò)參數(shù)定義的預(yù)定范圍的隨機(jī)退避間隔。每個(gè)站單獨(dú)確定何時(shí)訪問媒體。每個(gè)設(shè)備都有平等的機(jī)會(huì)訪問無線媒體，這在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)應(yīng)用程序中運(yùn)行良好。但在視頻、游戲和其他對(duì)帶寬敏感的應(yīng)用程序中，這種“公平訪問”機(jī)制存在延遲和抖動(dòng)問題的風(fēng)險(xiǎn)。
雇用 PCF
一種更好但仍不充分的無線娛樂 QoS 方法是點(diǎn)協(xié)調(diào)功能 (PCF)，它提供了一種機(jī)制來確定對(duì)無線媒體訪問的優(yōu)先級(jí)。接入由一個(gè)中央點(diǎn)協(xié)調(diào)器 (PC) 實(shí)體協(xié)調(diào)，通常是接入點(diǎn) (AP)。使用 PCF 訪問無線媒體的優(yōu)先級(jí)高于基于 DCF 的媒體訪問。此外，PCF 定義了隨時(shí)間周期性交替的無競(jìng)爭(zhēng)期 (CFP) 和競(jìng)爭(zhēng)期 (CP)。PCF方案用于CFP期間訪問介質(zhì)，DCF機(jī)制用于非關(guān)鍵CP期間。在 CFP 期間，站點(diǎn)之間沒有爭(zhēng)用，因?yàn)檎军c(diǎn)由中心點(diǎn)協(xié)調(diào)器輪詢傳輸，它們不會(huì)嘗試獨(dú)立訪問媒體。雖然這種方法可以更好地協(xié)調(diào)訪問，但它是一個(gè)復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)，并且許多技術(shù)問題仍未解決。PCF 沒有進(jìn)入實(shí)際產(chǎn)品，導(dǎo)致 QoS 標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步發(fā)展。
由于DCF和PCF方法的缺點(diǎn)，業(yè)界制定了IEEE 802.11e標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)引入了用于 QoS 支持的混合協(xié)調(diào)功能 (HCF)。HCF 定義了兩種媒體訪問機(jī)制。種是基于競(jìng)爭(zhēng)的媒體訪問，也稱為增強(qiáng)型分布式信道訪問 (EDCA)。第二種是受控媒體訪問（包括輪詢），也稱為 HCF 受控信道訪問（HCCA）。與 PCF 一樣，802.11e 支持 EDCA 和 HCCA 的兩個(gè)操作階段（即 CP 和 CFP）選項(xiàng)。EDCA 僅用于 CP，而 HCCA 用于兩個(gè)階段。
EDCA 實(shí)現(xiàn)起來相當(dāng)簡(jiǎn)單，但它不能保證可容忍的延遲、抖動(dòng)或帶寬水平，而且它無法處理多個(gè)具有相同優(yōu)先級(jí)的應(yīng)用程序。HCCA 對(duì) EDCA 進(jìn)行了重大改進(jìn)，但它本身也存在不足。HCCA 依賴于接入點(diǎn)（充當(dāng) HC，或混合協(xié)調(diào)器）中的集中控制，可以保證每個(gè)連接站的傳輸時(shí)間和持續(xù)時(shí)間。每個(gè)站點(diǎn)都向中央 AP 請(qǐng)求訪問權(quán)限，并附有詳細(xì)說明所需 QoS 的流量規(guī)范。然后接入點(diǎn)確定它是否可以支持所請(qǐng)求的 QoS 規(guī)范并允許或拒絕該站點(diǎn)。因?yàn)檫@個(gè)過程是從一個(gè)中央位置管理并在注冊(cè)時(shí)預(yù)先確定的，所以訪問保證是無爭(zhēng)用的，
HCCA 的一個(gè)問題是它不能與鄰居遺留網(wǎng)絡(luò)一起工作?；蛘?，的方法是基于 EDCA 并添加準(zhǔn)入控制的組合解決方案。EDCA 已經(jīng)確保更高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包更快地訪問介質(zhì)，因此，低優(yōu)先級(jí)服務(wù)不會(huì)損害高優(yōu)先級(jí)服務(wù)的性能。通過加入HCCA的準(zhǔn)入控制，系統(tǒng)資源將始終足夠用于兩個(gè)高優(yōu)先級(jí)服務(wù)，并且高優(yōu)先級(jí)服務(wù)永遠(yuǎn)不會(huì)損害具有相同優(yōu)先級(jí)的現(xiàn)有服務(wù)的性能。例如，準(zhǔn)入控制將評(píng)估系統(tǒng)的資源以同時(shí)提供視頻和數(shù)據(jù)服務(wù)，只有在資源充足時(shí)才允許第二個(gè)視頻流。
快速鏈路適配
除了 802.1e QoS 支持，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還可以通過使用快速鏈路適配來優(yōu)化 QoS，與傳統(tǒng)速率適配一樣，它旨在適應(yīng)信道瞬時(shí)條件下的傳輸數(shù)據(jù) (PHY) 速率。傳統(tǒng)速率適配包括專有的開環(huán)算法，其中傳輸站根據(jù) MAC 計(jì)數(shù)器和復(fù)雜的 PHY 指標(biāo)優(yōu)化其速率。相比之下，快速鏈路適配是一種閉環(huán)機(jī)制——發(fā)射器根據(jù)來自接收器的指示推導(dǎo)出優(yōu)化速率。IEEE 802.11n 標(biāo)準(zhǔn)草案定義了兩個(gè)站之間交換信息的機(jī)制，并允許其實(shí)施依賴于供應(yīng)商。通過將快速鏈路適配與速率適配相結(jié)合，它有可能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài) QoS 機(jī)制，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率和鏈路條件調(diào)整比特率。上層可以使用快速指示來采取行動(dòng)并確保應(yīng)用程序處理可用帶寬。此功能在不斷變化的家庭環(huán)境中尤為重要。
在客戶端到客戶端的通信領(lǐng)域，還有一種 QoS 方法需要考慮。這由 AP 使用動(dòng)態(tài)鏈路設(shè)置 (DLS) 進(jìn)行管理，從而節(jié)省通話時(shí)間并提高網(wǎng)絡(luò)效率。在家庭環(huán)境中，每個(gè)設(shè)備都應(yīng)該能夠與家中的任何其他設(shè)備通信。提高的網(wǎng)絡(luò)效率支持更多服務(wù)，同時(shí)減少通過 AP 的“躍點(diǎn)”，從而提高對(duì)延遲敏感的應(yīng)用程序的性能。DLS 可減少延遲，因?yàn)樗梢灾С秩我庠O(shè)備，同時(shí)在用戶更改頻道、快退和快進(jìn)或使用游戲命令時(shí)提供不同連接路徑之間的選擇。
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