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摘要：随着WLAN的迅速发展，越来越多的移动终端用户通过WLAN 接入Internet。该文研究背景是把WLAN作为接入手段有效覆盖热点区域，接入IP核心网，在IP层引入IntServ，考虑并讨论在WLAN的更低的层次上支持该技术。鉴于RSVP是IntServ的最主要的信令协议，该文重点将WLAN QOS的消息和参数与RSVP的进行了讨论和比较，并提出了相互映射关系， 以解决统一的IP QOS支持。
关键词：无限局域网；服务质量；资源预留协议
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）32-7190-03
1 概述
随着以太网技术的发展，用户对业务的实时性和QOS的需求也越来越高。要解决QOS的问题，当前流行的方法是InteServ与DifServ。IntServ通过为每个数据流预留一定的资源来保证服务。DifServ是基于用户的需求将业务流分成不同的优先级，并在网络边缘给每一个流标上优先级标记，这样，核心路由器就只需要根据优先级来对业务流进行区分，当网络发生拥塞的时候，优先转发较高优先级的业务流。这使得路由器的控制管理功能更加简化.另一方面，越来越多的移动终端用户，通过WLAN接入Internet服务，并要求移动终端用户上运行的应用能接入IP核心网所提供的所有业务，并保证一定级别的QOS。该文研究背景是把WLAN作为接入手段有效覆盖热点区域，接入IP核心网，在IP层引入IntServ，考虑并讨论在WLAN的更低的层次上支持该技术。鉴于RSVP是IntServ的最主要的信令协议，该文重点将WLAN QOS的消息和参数与RSVP的进行了讨论和比较，并提出了相互映射关系，以解决统一的IP QOS支持。
2 应用场景
如图1所示，WLAN通过边缘路由器连接到IP核心网，同时，UMTS[1]通过GGSN（GPRS路由器）连接到同一IP核心网。 MT（移动终端）是可以在UMTS和WLAN覆盖区域工作的双模终端。MT上运行的应用应该能够接入IP核心网所提供的所有业务，并能从UMTS和WLAN网络获取一定级别的QOS，在UMTS和WLAN都被请求给予QOS的情况下，其需求资源由RSVP[3]预留。MT在UMTS和WLAN覆盖的地域无缝漫游时，在资源许可的情况下，应能保证业务申请和配置信息维持不变。为了实现以上无缝漫游，我们必须对UMTS和WLAN提供统一的IP QOS支持方式。对于这一点，我们采用在IP层应用公共的RSVP方式来获得，其中关键问题在于RSVP的参数映射。该文将详细讨论在WLAN中如何提供RSVP QOS支持，以解决统一的IP QOS支持。
3 WLAN的IP QOS支持
因为基于IEEE802.11标准的传统得WLAN只能够提供“尽力而为”（Best-effort）的服务，没有对对服务质量（QoS）提供保障，所以，并不能够很好地支持象视频、语音等等多媒体实时业务。因此，提高与改善服务质量（QoS），支持多种业务是WLAN发展中的一个至关重要的问题。
标准IEEE802.11e[2]中引入了业务等级的定义，并且增加新的QoS参数及帧结构，在WLAN的QoS性能方面作了增强。IEEE802.11e利用混合协调器（Hybrid Coordinator，HC）来保证参数化的QOS。混合协调器通常位于AP端，能够提供基于查询方式的接入-混合式协调控制信道访问（HCCA）来提供无线媒体的QoS接入或者基于竞争方式的接入-增强型分布式协调访问（EDCA）。增强型分布式协调访问共定义了四种基于 IEEE802.1D的访问类型（Access Category，AC），用8种不同的用户优先级别（Priority）来接入无线媒体，同时，根据业务类型的不同，来提供不同的业务等级，使实时业务可以优先接入信道。而混合式协调控制信道访问的查询机制是用HC发送QoS（ ）CF-Poll帧给各个站点（QSTA），据此来查询是不是有数据需要发送。而且，可以依据各个站点的具体业务流的要求，对数据包排序。每轮询一次就给其中一个站点（QSTA）指定一个发送数据的机会Transmission Opportunities（TXOP），分配它能够发送数据的开始的时间以及最大可以持续的时间。轮询QOS机制应用于每个Traffic Stream（TS）。一组携带QOS参数就是一条TS，MAC层的服务数据单元（MSDU）包含特定的TSPEC（Traffic specification）元素。TSPEC的主要参数有：包大小（Normal MSDU Size）；最大包容量（Maximum MSDU Size）；通过无线接口的分组传输最大时延（Delay Bound）；分组传输的平均比特率（Mean data rata）；优先级（User priority）；最小物理比特率（Minimum PHY rate）；最大突发容量（Maximum Burst Size）；包传送的最大比特率（Peak Data Rate）；详细格式如图2所示。HC与上面的这些参数联合起来动态决定各个TS的无线资源分配。
3.1 RSVP参数和WLAN QOS参数的映射
从TSPEC格式可以看出，TSPEC参数与IntServ中定义的IP QOS的参数十分相近，我们可以考虑以下表的方式把802.11e TSPEC 的参数与RSVP QOS参数映射。
3.2 WLAN采用RSVP建立TS的信令交换流程
采用RSVP来建立TS期间的信令流程如图3所示：下行流量为例。
1） STA信令管理实体（SME）经过网关接收到RSVP-PATH消息，网关把它转发到下一跳之前不处理或处理RSVP-PATH消息。
2） STA SME处理消息携带的QOS参数，然后转换为IEEE 802.11e QOS参数。然后，STA SME发出MLME-ADDTS.request原语给STA MAC调用TS Setup程序。 3） STA SME向HC MAC发出ADDTS QOS Action 请求帧以请求TS Setup。
4） HC MAC向HC SME转发MLME-ADDTS.indication 原语。
5） HC SME 依据 RSVP-RECV 消息的 QOS 参数批准 TS Setup ，并回复HC MAC MLME-ADDTS.request 原语。
6） HC MAC向STA SME依次转发ADDTS QOS ACTION response 帧。
7） STA MAC发送MLME-ADDTS.confirm给STA SME确认TS Setup成功。
8） STA SME通过网关发出RSVP-RECV 消息，网关将其转发到下一跳之前处理或不处理RSVP- RECV消息。
9） STA SME收到RSVP-RECV-CONF消息以确认资源预留。
4 WLAN中的QOS 流量规划
以上信令转换过程是WLAN的IP QOS支持的一个重要的方面，与固定网络相比， 无线链路的链路是动态的，所以，无线链路的带宽也是动态变化的，这会导致RSVP方案不可能和静态资源预留的效果一样，所以更精细的管理机制需要针对无线链路来建立。通常有以下几种途径。
1） 准入控制算法[4]。综合考虑无线链路的不稳定性，以及当前的可用带宽。采用该算法的系统有可能会在尚存可用资源的情况下收到请求，却为了避免质量的降低而选择拒绝该数据流。
2） 数据流拒绝算法。如果检测到带宽以及不足以满足需求的实例，会拒绝该请求，从而保证其他数据流能够达到所需要的性能。
3） 无线媒体流量控制算法[5]。在保证所有数据QOS的情况下，来规划数据传输。此算法以RSVP参数为输入，尝试满足所有数据流的QOS需求。
5 结论
本文描述了WLAN作为IP核心网的接入网络，实现统一的端到端的IP QOS的必要性和可行性，提出了利用RSVP信令协议建立端到端的统一的QOS用户体验。并详细说明了WLAN的IP QOS支持以及RSVP参数与WLAN QOS 参数之间的映射，并给出了WLAN采用RSVP建立TS的信令交换流程。
参考文献：
[1] 3GPP TS 23.207 V5.8.0，”Universal Mobile Telecommunication System（UMTS）：End-to-End QoS Concept and Architecture”， available at http：//www.3gpp.org.
[2] IEEE Std 802.11/D5.0，”Draft Supplement to Standard for Telecommunication and Information Exchange between Systems-LAN/MAN Special Requirements. Part 11：Wireless Medium Access Control（MAC） and Physical Layer（PHY） Specifications： Medium Access Control（MAC） Enhancements for Quality of Service（QOS）”，July 2003.
[3] Braden，B，Ed.，el.al.，”Resource Reservation Protocol（RSVP）-Version I Functional Specification”，RFC2205，September 1997.
[4] Ansel P.， Qiang N.，and Turletti T.， "FMCF： A Fair Scheduling Scheme for 802.11e WLAN". INRIA Research Report， July 2003， available at： ftp：//flp-sop.inria.fr/pub/rapports/RR-4883.ps.
[5] P. Ansel， Q. Ni， and T. Turletti， “FHCF： A Simple and Efficient Scheduling Scheme for IEEE 802.11e Wireless LAN，” Mobile Networks and Applications （Springer）， vol. 11， no. 3， pp. 391-403， June 2006.
关键词：无限局域网；服务质量；资源预留协议
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）32-7190-03
1 概述
随着以太网技术的发展，用户对业务的实时性和QOS的需求也越来越高。要解决QOS的问题，当前流行的方法是InteServ与DifServ。IntServ通过为每个数据流预留一定的资源来保证服务。DifServ是基于用户的需求将业务流分成不同的优先级，并在网络边缘给每一个流标上优先级标记，这样，核心路由器就只需要根据优先级来对业务流进行区分，当网络发生拥塞的时候，优先转发较高优先级的业务流。这使得路由器的控制管理功能更加简化.另一方面，越来越多的移动终端用户，通过WLAN接入Internet服务，并要求移动终端用户上运行的应用能接入IP核心网所提供的所有业务，并保证一定级别的QOS。该文研究背景是把WLAN作为接入手段有效覆盖热点区域，接入IP核心网，在IP层引入IntServ，考虑并讨论在WLAN的更低的层次上支持该技术。鉴于RSVP是IntServ的最主要的信令协议，该文重点将WLAN QOS的消息和参数与RSVP的进行了讨论和比较，并提出了相互映射关系，以解决统一的IP QOS支持。
2 应用场景
如图1所示，WLAN通过边缘路由器连接到IP核心网，同时，UMTS[1]通过GGSN（GPRS路由器）连接到同一IP核心网。 MT（移动终端）是可以在UMTS和WLAN覆盖区域工作的双模终端。MT上运行的应用应该能够接入IP核心网所提供的所有业务，并能从UMTS和WLAN网络获取一定级别的QOS，在UMTS和WLAN都被请求给予QOS的情况下，其需求资源由RSVP[3]预留。MT在UMTS和WLAN覆盖的地域无缝漫游时，在资源许可的情况下，应能保证业务申请和配置信息维持不变。为了实现以上无缝漫游，我们必须对UMTS和WLAN提供统一的IP QOS支持方式。对于这一点，我们采用在IP层应用公共的RSVP方式来获得，其中关键问题在于RSVP的参数映射。该文将详细讨论在WLAN中如何提供RSVP QOS支持，以解决统一的IP QOS支持。
3 WLAN的IP QOS支持
因为基于IEEE802.11标准的传统得WLAN只能够提供“尽力而为”（Best-effort）的服务，没有对对服务质量（QoS）提供保障，所以，并不能够很好地支持象视频、语音等等多媒体实时业务。因此，提高与改善服务质量（QoS），支持多种业务是WLAN发展中的一个至关重要的问题。
标准IEEE802.11e[2]中引入了业务等级的定义，并且增加新的QoS参数及帧结构，在WLAN的QoS性能方面作了增强。IEEE802.11e利用混合协调器（Hybrid Coordinator，HC）来保证参数化的QOS。混合协调器通常位于AP端，能够提供基于查询方式的接入-混合式协调控制信道访问（HCCA）来提供无线媒体的QoS接入或者基于竞争方式的接入-增强型分布式协调访问（EDCA）。增强型分布式协调访问共定义了四种基于 IEEE802.1D的访问类型（Access Category，AC），用8种不同的用户优先级别（Priority）来接入无线媒体，同时，根据业务类型的不同，来提供不同的业务等级，使实时业务可以优先接入信道。而混合式协调控制信道访问的查询机制是用HC发送QoS（ ）CF-Poll帧给各个站点（QSTA），据此来查询是不是有数据需要发送。而且，可以依据各个站点的具体业务流的要求，对数据包排序。每轮询一次就给其中一个站点（QSTA）指定一个发送数据的机会Transmission Opportunities（TXOP），分配它能够发送数据的开始的时间以及最大可以持续的时间。轮询QOS机制应用于每个Traffic Stream（TS）。一组携带QOS参数就是一条TS，MAC层的服务数据单元（MSDU）包含特定的TSPEC（Traffic specification）元素。TSPEC的主要参数有：包大小（Normal MSDU Size）；最大包容量（Maximum MSDU Size）；通过无线接口的分组传输最大时延（Delay Bound）；分组传输的平均比特率（Mean data rata）；优先级（User priority）；最小物理比特率（Minimum PHY rate）；最大突发容量（Maximum Burst Size）；包传送的最大比特率（Peak Data Rate）；详细格式如图2所示。HC与上面的这些参数联合起来动态决定各个TS的无线资源分配。
3.1 RSVP参数和WLAN QOS参数的映射
从TSPEC格式可以看出，TSPEC参数与IntServ中定义的IP QOS的参数十分相近，我们可以考虑以下表的方式把802.11e TSPEC 的参数与RSVP QOS参数映射。
3.2 WLAN采用RSVP建立TS的信令交换流程
采用RSVP来建立TS期间的信令流程如图3所示：下行流量为例。
1） STA信令管理实体（SME）经过网关接收到RSVP-PATH消息，网关把它转发到下一跳之前不处理或处理RSVP-PATH消息。
2） STA SME处理消息携带的QOS参数，然后转换为IEEE 802.11e QOS参数。然后，STA SME发出MLME-ADDTS.request原语给STA MAC调用TS Setup程序。 3） STA SME向HC MAC发出ADDTS QOS Action 请求帧以请求TS Setup。
4） HC MAC向HC SME转发MLME-ADDTS.indication 原语。
5） HC SME 依据 RSVP-RECV 消息的 QOS 参数批准 TS Setup ，并回复HC MAC MLME-ADDTS.request 原语。
6） HC MAC向STA SME依次转发ADDTS QOS ACTION response 帧。
7） STA MAC发送MLME-ADDTS.confirm给STA SME确认TS Setup成功。
8） STA SME通过网关发出RSVP-RECV 消息，网关将其转发到下一跳之前处理或不处理RSVP- RECV消息。
9） STA SME收到RSVP-RECV-CONF消息以确认资源预留。
4 WLAN中的QOS 流量规划
以上信令转换过程是WLAN的IP QOS支持的一个重要的方面，与固定网络相比， 无线链路的链路是动态的，所以，无线链路的带宽也是动态变化的，这会导致RSVP方案不可能和静态资源预留的效果一样，所以更精细的管理机制需要针对无线链路来建立。通常有以下几种途径。
1） 准入控制算法[4]。综合考虑无线链路的不稳定性，以及当前的可用带宽。采用该算法的系统有可能会在尚存可用资源的情况下收到请求，却为了避免质量的降低而选择拒绝该数据流。
2） 数据流拒绝算法。如果检测到带宽以及不足以满足需求的实例，会拒绝该请求，从而保证其他数据流能够达到所需要的性能。
3） 无线媒体流量控制算法[5]。在保证所有数据QOS的情况下，来规划数据传输。此算法以RSVP参数为输入，尝试满足所有数据流的QOS需求。
5 结论
本文描述了WLAN作为IP核心网的接入网络，实现统一的端到端的IP QOS的必要性和可行性，提出了利用RSVP信令协议建立端到端的统一的QOS用户体验。并详细说明了WLAN的IP QOS支持以及RSVP参数与WLAN QOS 参数之间的映射，并给出了WLAN采用RSVP建立TS的信令交换流程。
参考文献：
[1] 3GPP TS 23.207 V5.8.0，”Universal Mobile Telecommunication System（UMTS）：End-to-End QoS Concept and Architecture”， available at http：//www.3gpp.org.
[2] IEEE Std 802.11/D5.0，”Draft Supplement to Standard for Telecommunication and Information Exchange between Systems-LAN/MAN Special Requirements. Part 11：Wireless Medium Access Control（MAC） and Physical Layer（PHY） Specifications： Medium Access Control（MAC） Enhancements for Quality of Service（QOS）”，July 2003.
[3] Braden，B，Ed.，el.al.，”Resource Reservation Protocol（RSVP）-Version I Functional Specification”，RFC2205，September 1997.
[4] Ansel P.， Qiang N.，and Turletti T.， "FMCF： A Fair Scheduling Scheme for 802.11e WLAN". INRIA Research Report， July 2003， available at： ftp：//flp-sop.inria.fr/pub/rapports/RR-4883.ps.
[5] P. Ansel， Q. Ni， and T. Turletti， “FHCF： A Simple and Efficient Scheduling Scheme for IEEE 802.11e Wireless LAN，” Mobile Networks and Applications （Springer）， vol. 11， no. 3， pp. 391-403， June 2006.