Wi-Fi 6(802.11ax)解析4：802.11ax与HiperLan

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　　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”，无论是有线网络当前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。故本文我们重新介绍下HiperLan，并简单对比下其与当前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，本文仅仅是笔者个人的一些理解，如有错误，还请见谅。

　　HiperLan简介

　　HyperLan全称为（HIgh PErformance Radio Local Area Network），其早期是欧洲ETSI所采用的无线局域网的通信协议。其一共有2个版本，分别为：HiperLan/1，HiperLan/2，另外还有两个引申的版本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的分层框架如下：

　　HiperLan初始设计就是考虑QOS的，故其分层结构类似于通信网。HiperLan/2除了PHY和MAC层以外，还有RLC和EC子层（注：HiperLan/1只有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的定义包含两个部分（参考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）。这种服务在差错，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。（参考第103页，4.3.1节中的描述）

　　●IP承载服务在延迟，带宽和数据丢失方面不能提供任何保证，路由器按同一种方式处理所有的分组（这种“一视同仁”的处理方式也可以叫做尽力而为（Best-effort）服务）。这是一种很自然的特点：缺乏状态信息就意味着分组不能够被应用或链接所区别，这样路由器就不能提供额外的资源以满足应用需求。（参考第120页，4.5中的描述）

　　故在802.11协议设计的DCF接入过程中，所有的帧都是按照一视同仁发送出去的，没有对数据帧做任何资源上优化。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，从而对系统资源就可以实行优化了，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，每一个信道实际上可以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如下（参考：HiperLAN/2 – The Broadband Radio Transmission Technology Operating in the 5 GHz Frequency Band）

　　这种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，然后将这个信息如何解析就是对应逻辑信道上的。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这种是固定的传输片段进行重复，而802.11这种是出现了特殊的帧，比如数据帧之类的，才发送一下，这也是一种QOS的区别。

　　PS：关于控制信道和传输信道的具体内容，可以参考《HiperLAN/2 – The Broadband Radio Transmission Technology Operating in the 5 GHz Frequency Band》一文，这里由于关注重点，所以不进行展开。

　　讨论完其结构之后，我们要具体讨论下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，我们可以参考如下：

　　时域上整个传输过程是被等分成多个MAC-Frame，每一个MAC-Frame中包含了BCH，FCH，ACH等几个传输信道，所以这里的传输信道对应的就是这个时间片的传输内容。

　　●BCH（Broadcast channel）：下行信道，类似于Wi-Fi中的Beacon的功能，广播AP的一些信息，比如发送功率的设定，FCH和RCH对应的时长，节能模式下的唤醒标识（类似于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，并告知所有节点。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。每一个节点的传输结构中还包含两种不同大小的传输信道，分别是传输控制信息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），每一个用户根据FCH里面的标识，在对应的信道里面获取自己的信息。
　　●保护间隔，由于上下行切换，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，节点根据之前FCH的提示进行上行传输，传输过程类似于DL phase。为了QOS的设计，所以这里AP需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，所有节点再进行接入。
　　●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，下面我们具体讨论其接入机制。

　　PS：对于逻辑信道如何处理物理信道的数据，并且在RLC子层如何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较复杂的，是笔者目前见过的时域竞争下同时也是商业协议中，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，采用的竞争机制是基于CSMA/CA原理的，而如何在单天线的情况下，设计一种分布式的竞争接入协议，并且用到slot-aloha的特点，是EY-NPMA中很值得注意的一点。（以上部分内容参考自：参考《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基本还是类似的。

　　EY-NPMA的名字很长，这么长的名字实际上代表了三个阶段，分别是：

　　●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

　　其结构具体参考如下（参考：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，即收发不能同时。近年来，很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是如何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，并从相同的时间起始，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。如果有别人的话，那么就失败，如果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。

　　如下图所示：（参考：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，根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实际上就是描述A是处于监听状态的，故A发现了现在有高优先级的传输，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，每一个节点选择一个随机数并进行竞争，比如节点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由于选择的相同的随机数，故其同时转为监听状态，由于信道之后都没有人传输竞争信号，所以这两个都认为自己的胜利者了，故我们认为就是其存活下来了。

　　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：即竞争过程要和数据传输过程具有连续性，竞争完了之后立刻就要进行传输。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之后就进行数据传输，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区别。

　　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（参考IEEE 802.11-15/1137）

　　实际上我们可以总结，802.11ax（TF-R）与HiperLAN（EY-NPMA）的相似处包含两点：

　　●Slot-Aloha的思想
　　●中心式控制的思想

　　TF-R中的Slot-Aloha：节点根据本地的随机数和可竞争的RU数目，判断本轮自己是否可以发送。如果可以，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成的，即AP进行判断，如果节点选择的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主要体现在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，如果没有的话，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，由于两者都存在资源优化：

　　●802.11ax：是基于OFDMA情况下资源的优化，类似于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中实际上还有一些设计我们可以借鉴的，HiperLan的失败主要是其设计复杂，这点和ATM是很类似的，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（即很多需求都和通信网相同了），而无线局域网主要是一种廉价的设计，价格和需求都比通信网要少很多。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很正常的一件事，也就是之前所述的“分久必合，合久必分”。