802.11ax前瞻4：802.11ax与HiperLan

Posted 2020-10-03 jhcelue

序言

在早期wi-fi发展过程中，欧洲还出现过一个同期的无线局域网协议。HiperLan 。所谓网络发展始终是“分久必合。合久必分”。不管是有线网络当前SDN的引入。还是无线网络下802.11ax协议的制定，当前都有加重中心控制的一种趋势。故本文我们又一次介绍下HiperLan，并简单对照下其与当前802.11ax的设计理念。

PS：802.11ax的设计中可能与HiperLAN的设计思想没有直接的关系，本文不过笔者个人的一些理解，如有错误。还请见谅。

HiperLan简单介绍

HyperLan全称为（HIgh PErformance Radio Local Area Network），其早期是欧洲ETSI所採用的无线局域网的通信协议。其一共同拥有2个版本号，分别为：HiperLan/1，HiperLan/2，另外还有两个引申的版本号HiperLink，HiperAccess。HiperLan早期也被称为Wireless ATM网络，其具有ATM网络的一些特点。并能依靠当时的ATM网络作为承载网。

HiperLan分层框架

HiperLan的分层框架较为802.11复杂一些。HiperLan/2的分层框架例如以下：

HiperLan初始设计就是考虑QOS的。故其分层结构相似于通信网。HiperLan/2除了PHY和MAC层以外，还有RLC和EC子层（注：HiperLan/1唯独RLC子层），再往上还有收敛层CL。这也是和802.11的一个明显的不同。这个也是设计思想上的不同了：

802.11的核心思想还是基于Best-effort。Best-effort的定义包括两个部分（參考High-Performance Communication networks，高性能通信网络中的定义）：

• IP的承载服务就是以数据报形式发送报文。报文的最大程度为字节（64KB）。

  这样的服务在差错。网络延迟或带宽方面不提供服务质量保证。这样的服务叫做尽力而为（Best-effort）服务，表示网络将尽量提供服务。

  （參考第103页，4.3.1节中的描写叙述）

• IP承载服务在延迟。带宽和数据丢失方面不能提供不论什么保证，路由器按同一种方式处理全部的分组（这样的“一视同仁”的处理方式也能够叫做尽力而为（Best-effort）服务）。这是一种非常自然的特点：缺乏状态信息就意味着分组不能够被应用或链接所差别，这样路由器就不能提供额外的资源以满足应用需求。（參考第120页，4.5中的描写叙述）

故在802.11协议设计的DCF接入过程中，全部的帧都是依照一视同仁发送出去的。没有对数据帧做不论什么资源上优化。

在HyperLan中，为了考虑QOS。除了在MAC层的设计上要引入竞争的优先级以外，还引入了RLC子层。从而对系统资源就能够实行优化了，这一块在LTE中也是同样的思路。

HiperLan MAC层架构

在MAC层中。HiperLan还分成了逻辑信道和传输信道。每个信道实际上能够理解成一个数据片或者一段物理层的资源，在HiperLan中，逻辑信道和传输信道的承载关系例如以下（參考：HiperLAN/2 – The Broadband Radio Transmission Technology Operating in the 5 GHz Frequency Band）

这样的模式是从通信网络设计引来的思想，LTE中也存在这样的承载关系。物理信道的思想就是特定时频片段上的数据片信息。然后将这个信息怎样解析就是相应逻辑信道上的。在802.11中，不同类型的信息是通过不同类型的数据帧进行传输的，换言之，HiperLan这样的是固定的传输片段进行反复。而802.11这样的是出现了特殊的帧。比方数据帧之类的，才发送一下，这也是一种QOS的差别。

PS：关于控制信道和传输信道的详细内容，能够參考《HiperLAN/2 – The Broadband Radio Transmission Technology Operating in the 5 GHz Frequency Band》一文。这里因为关注重点，所以不进行展开。

讨论完其结构之后。我们要详细讨论下HiperLan的MAC层机制。HiperLan的MAC层是基于TDMA/TDD机制的，TDMA所述为其MAC层接入机制，TDD指的是其双工机制。从时域上，我们能够參考例如以下：

时域上整个传输过程是被等分成多个MAC-Frame，每个MAC-Frame中包括了BCH，FCH。ACH等几个传输信道，所以这里的传输信道相应的就是这个时间片的传输内容。

• BCH（Broadcast channel）：下行信道。相似于Wi-Fi中的Beacon的功能。广播AP的一些信息，比方发送功率的设定。FCH和RCH相应的时长。节能模式下的唤醒标识（相似于802.11的TIM）。
• FCH（Fame control channel）：下行信道。宣告了当前MAC帧中资源分配，下行传输阶段，上行传输节点以及随机接入阶段的资源分配。

• ACH（Access feedback channel）：下行信道，承载了上一轮随机接入中的结果，并告知全部节点。

  在HyperLAN中，MT代表节点。

• DL Phase（Downlink phase）：下行传输阶段，由AP向节点进行传输。每个节点的传输结构中还包括两种不同大小的传输信道，各自是传输控制信息C-PDUs的SCH（Short transport channel。即图中深紫色部分）和传输用户数据U-PDUs的LCH（Long transport channel），每个用户依据FCH里面的标识，在相应的信道里面获取自己的信息。

• 保护间隔，因为上下行切换。所以在DL phase和UL phase之间存在一个slot的保护间隔。

• UL Phase（Uplink phase）：上行传输阶段。节点依据之前FCH的提示进行上行传输，传输过程相似于DL phase。为了QOS的设计，所以这里AP须要对每一轮的接入都进行控制，所以才设计了上一轮的竞争结果要先通过AP整理，然后在通过FCH广播出来，全部节点再进行接入。
• RCHs（Random access channel）：上行信道，节点在RCH过程中进行竞争，用以竞争下一个阶段的信道使用。

以上大致就是一个HiperLan的MAC层接入流程。以下我们详细讨论其接入机制。

PS：对于逻辑信道怎样处理物理信道的数据，而且在RLC子层怎样进行资源的优化分配。本文并不加以讨论。

HiperLan的竞争机制（EY-NPMA）

HiperLan的竞争接入机制还是比較复杂的，是笔者眼下见过的时域竞争下同一时候也是商业协议中。最长的一个竞争接入过程。

EY-NPMA其全称为（Elimination-Yield Non-pre-emptive Priority Multiple Access），该协议是一个分布式的竞争协议。其最特殊的是结合了一下两种机制：

• Slot-Aloha
• Listen-Before-Talk（即Carrier sense）

Carrier sense是CSMA机制的主要特征，Aloha与CSMA最大的不同也是在于其发送之前没有Carrier sense的功能。

我们知道802.11中，採用的竞争机制是基于CSMA/CA原理的，而怎样在单天线的情况下。设计一种分布式的竞争接入协议。而且用到slot-aloha的特点，是EY-NPMA中非常值得注意的一点。

（以上部分内容參考自：參考《IEEE 802.11 WLAN and HIPERLAN》）

PS：本节主要所述为HiperLan/1中的竞争机制，HiperLan/1和HiperLan/2基本还是相似的。

EY-NPMA的名字非常长。这么长的名字实际上代表了三个阶段，各自是：

• Prioritisation phase：提供高优先级的节点接入
• Elimination phase：节点公平竞争
• Yield phase：为了防止冲突，节点再一次进行竞争
  

其结构详细參考例如以下（參考：Performance Evaluation Study for HiperLan WLAN Protocol）：

无线局域网中，分布式竞争协议设计的难点主要源于半双工的天线，即收发不能同一时候。

近年来。非常多研究都是打破了半双工的限制（引入一些新的物理层技术），在特定环境下，设计一些新的物理层协议。而半双工天线下MAC层协议设计的进步还是有限。理解到这个难点之后。我们重点探讨下，EY-NPMA是怎样实现这个半双工天线竞争协议的。

EY-NPMA的三个阶段中，前两个阶段（Prioritisation和Elimination）的竞争思路和第三个阶段（Yield）是不同的，前者是一种存活到最后就是胜利者的思想，后者属于CSMA的思想。

存活的思想就是指节点首先选择一个随机的时隙数k。并从同样的时间起始，发送k个时隙。

发送完之后，节点转换为监听状态。监听信道中是否还有别人正在传输。假设有别人的话。那么就失败，假设到最后都没有发现信道里面还有别人传输，那么就代表胜利。

例如以下图所看到的：（參考：Suitability of HIPERLAN‘s EY-NPMA for Traffic jam scenarios in VANETs）

这里一共4个节点处于Prioritisation阶段，B,C,D都有高优先级数据，依据其优先级发送竞争信号。A没有。所以A不发送信号。并处于idle状态。

这里的idle实际上就是描写叙述A是处于监听状态的，故A发现了如今有高优先级的传输，所以本轮失败。B,C,D进入下一个阶段进行竞争。

在Elimination阶段时，每个节点选择一个随机数并进行竞争。比方节点C,D选择的是3。节点B选择的是2，所以节点B在发送完2个竞争信号之后，其转为监听状态。发现信道是忙的。所以本轮失败。节点C,D因为选择的同样的随机数，故其同一时候转为监听状态，因为信道之后都没有人传输竞争信号，所以这两个都觉得自己的胜利者了，故我们觉得就是其存活下来了。

在Yield阶段时，节点要进行最后一次传输。

这里设计有一个先决的条件：即竞争过程要和传输数据过程具有连续性。竞争完了之后立马就要进行传输。故这个节点随机数标识的不是连续发送多少个时隙，而是多少个时隙不发，保持idle的状态，这点实际上就是CSMA的过程了。如中，节点随机到3。节点C随机到4。即节点3在保持idle三个slot之后就进行传输数据，等节点C在第4个slot时候再监听信道的时候，这个时候发现信道是busy的，所以本轮竞争失败。

以上就是整个EY-NPMA的过程。以下我们简单讨论下其与802.11ax中的TF-R差别。

802.11ax（TF-R）与HiperLAN（EY-NPMA）

802.11ax中的多用户OFDMA的竞争过程TF-R是基于Slot-Aloha思想的（參考IEEE 802.11-15/1137）

实际上我们能够总结，802.11ax（TF-R）与HiperLAN（EY-NPMA）的相似处包括两点：

• Slot-Aloha的思想
• 中心式控制的思想

TF-R中的Slot-Aloha：节点依据本地的随机数和可竞争的RU数目。推断本轮自己能否够发送。

假设能够，那么直接随机选择一个RU发送竞争信号。这个发送过程中，没有先监听。而冲突避免是通过中心控制完毕的，即AP进行推断，假设节点选择的RU没有冲突。那么AP能够成功解调，并反馈给节点，反之。AP则无法解调。

EY-NPMA的Slot-Aloha：Slot-Aloha主要体如今Prioritisation和Elimination phase两个过程，节点不进行监听，首先选择一个随机数进行发送，发送完了之后，再监听是否还有别人正在传输，假设没有的话。那么自己就是胜利者了。其冲突解决机制是通过多轮的竞争过程来避免的。

至于中心是控制，因为两者都存在资源优化：

802.11ax：是基于OFDMA情况下资源的优化，相似于user-selection的过程。

HiperLan：在RLC子层基于QOS进行资源的优化。

而综上所述中，HiperLan中实际上另一些设计我们能够借鉴的。HiperLan的失败主要是其设计复杂，这点和ATM是非常相似的，在早期无线流量不大的情况下。根本没有如此复杂设计的必要（即非常多需求都和通信网同样了）。而无线局域网主要是一种便宜的设计，价格和需求都比通信网要少非常多。不过当下，无线局域网的环境越来越复杂，用户数和QOS需求也是越来越多，所以其设计思想又回归到早期的需求也是非常正常的一件事，也就是之前所述的“分久必合，合久必分”。