通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻

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。消費者過去常常在家中的一個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的 DVR、移動設(shè)備、筆記本電腦和其他娛樂資源，隨時。

這對當(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，因此挑戰(zhàn)要嚴峻得多。在通過無線網(wǎng)絡(luò)推送視頻內(nèi)容時，有很多很多因素需要評估。早期的無線 LAN 技術(shù)根本無法勝任這項任務(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 標準也不足以傳輸視頻，

許多關(guān)鍵因素有助于達到消費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)進行了優(yōu)化。這些技術(shù)也有助于 QoS，因為更高的吞吐量提高了對干擾的免疫力，并且更容易處理降級的鏈路條件。此外，任何多余的帶寬都可以換取更長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，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制來實現(xiàn)，該機制消除了鏈接到每個數(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，只有一個塊確認 (Block ACK) 而不是多個 ACK 信號，并且無需為每個 MPDU 啟動新的傳輸。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。

另一個關(guān)鍵考慮因素是網(wǎng)絡(luò)可以到達多遠；黃金標準是全屋覆蓋。盡管用戶在使用家庭數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時可以容忍“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設(shè)備有望成為所有多媒體內(nèi)容的，無論在家中的哪個位置觀看或收聽。這意味著，與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)不同，比特率不會隨著與接入點距離的增加而下降。

此外，前向糾錯 (FEC) 方案的使用擴展了在任何給定數(shù)據(jù)速率下的可能范圍。例如，通過使用低密度奇偶校驗 (LDPC) 碼獲得的 3 dB 編碼增益可轉(zhuǎn)化為約 20% 的范圍改進?；蛘撸~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家庭對于無線娛樂至關(guān)重要，因此關(guān)鍵的新所有無線娛樂網(wǎng)絡(luò)的強制性測試應(yīng)該是在典型家庭環(huán)境的整個覆蓋范圍內(nèi)的丟包性能。

考慮 QoS 
無線娛樂體驗的一個考慮因素是 QoS。必須在基本 QoS 基礎(chǔ)之上使用幾種增強的 QoS 機制來解決一些關(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)運行的其他類型設(shè)備的干擾。接下來，必須采用許多 IEEE QoS 標準。這些標準減輕了與允許多個應(yīng)用程序同時訪問相同帶寬相關(guān)聯(lián)的問題，而不會阻礙不能容忍時間延遲和帶寬波動的應(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，站點首先監(jiān)聽無線介質(zhì)是否空閑。如果不是，該站點將啟動一個計時器，該計時器具有基于網(wǎng)絡(luò)參數(shù)定義的預(yù)定范圍的隨機退避間隔。每個站單獨確定何時訪問媒體。每個設(shè)備都有平等的機會訪問無線媒體，這在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)應(yīng)用程序中運行良好。但在視頻、游戲和其他對帶寬敏感的應(yīng)用程序中，這種“公平訪問”機制存在延遲和抖動問題的風(fēng)險。

雇用 PCF 
一種更好但仍不充分的無線娛樂 QoS 方法是點協(xié)調(diào)功能 (PCF)，它提供了一種機制來確定對無線媒體訪問的優(yōu)先級。接入由一個中央點協(xié)調(diào)器 (PC) 實體協(xié)調(diào)，通常是接入點 (AP)。使用 PCF 訪問無線媒體的優(yōu)先級高于基于 DCF 的媒體訪問。此外，PCF 定義了隨時間周期性交替的無競爭期 (CFP) 和競爭期 (CP)。PCF方案用于CFP期間訪問介質(zhì)，DCF機制用于非關(guān)鍵CP期間。在 CFP 期間，站點之間沒有爭用，因為站點由中心點協(xié)調(diào)器輪詢傳輸，它們不會嘗試獨立訪問媒體。雖然這種方法可以更好地協(xié)調(diào)訪問，但它是一個復(fù)雜的實現(xiàn)，并且許多技術(shù)問題仍未解決。PCF 沒有進入實際產(chǎn)品，導(dǎo)致 QoS 標準的進一步發(fā)展。

由于DCF和PCF方法的缺點，業(yè)界制定了IEEE 802.11e標準。該標準引入了用于 QoS 支持的混合協(xié)調(diào)功能 (HCF)。HCF 定義了兩種媒體訪問機制。種是基于競爭的媒體訪問，也稱為增強型分布式信道訪問 (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 的兩個操作階段（即 CP 和 CFP）選項。EDCA 僅用于 CP，而 HCCA 用于兩個階段。

EDCA 實現(xiàn)起來相當(dāng)簡單，但它不能保證可容忍的延遲、抖動或帶寬水平，而且它無法處理多個具有相同優(yōu)先級的應(yīng)用程序。HCCA 對 EDCA 進行了重大改進，但它本身也存在不足。HCCA 依賴于接入點（充當(dāng) HC，或混合協(xié)調(diào)器）中的集中控制，可以保證每個連接站的傳輸時間和持續(xù)時間。每個站點都向中央 AP 請求訪問權(quán)限，并附有詳細說明所需 QoS 的流量規(guī)范。然后接入點確定它是否可以支持所請求的 QoS 規(guī)范并允許或拒絕該站點。因為這個過程是從一個中央位置管理并在注冊時預(yù)先確定的，所以訪問保證是無爭用的，

HCCA 的一個問題是它不能與鄰居遺留網(wǎng)絡(luò)一起工作。或者，的方法是基于 EDCA 并添加準入控制的組合解決方案。EDCA 已經(jīng)確保更高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包更快地訪問介質(zhì)，因此，低優(yōu)先級服務(wù)不會損害高優(yōu)先級服務(wù)的性能。通過加入HCCA的準入控制，系統(tǒng)資源將始終足夠用于兩個高優(yōu)先級服務(wù)，并且高優(yōu)先級服務(wù)永遠不會損害具有相同優(yōu)先級的現(xiàn)有服務(wù)的性能。例如，準入控制將評估系統(tǒng)的資源以同時提供視頻和數(shù)據(jù)服務(wù)，只有在資源充足時才允許第二個視頻流。

快速鏈路適配

除了 802.1e QoS 支持，系統(tǒng)設(shè)計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 計數(shù)器和復(fù)雜的 PHY 指標優(yōu)化其速率。相比之下，快速鏈路適配是一種閉環(huán)機制——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 標準草案定義了兩個站之間交換信息的機制，并允許其實施依賴于供應(yīng)商。通過將快速鏈路適配與速率適配相結(jié)合，它' 有可能實現(xiàn)動態(tài) QoS 機制，根據(jù)實際數(shù)據(jù)包錯誤率和鏈路條件調(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 使用動態(tài)鏈路設(shè)置 (DLS) 進行管理，從而節(jié)省通話時間并提高網(wǎng)絡(luò)效率。在家庭環(huán)境中，每個設(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)，同時減少通過 AP 的“躍點”，從而提高對延遲敏感的應(yīng)用程序的性能。DLS 可減少延遲，因為它可以支持任意設(shè)備，同時在用戶更改頻道、快退和快進或使用游戲命令時提供不同連接路徑之間的選擇。