802.11ax前瞻4：802.11ax與HiperLan
序言
在早期wi-fi發展過程中，歐洲還出現過一個同期的無線局域網協議。HiperLan 。所謂網絡發展始終是“分久必合。合久必分”。不管是有線網絡當前SDN的引入。還是無線網絡下802.11ax協議的制定，當前都有加重中心控制的一種趨勢。故本文我們又一次介紹下HiperLan，並簡單對照下其與當前802.11ax的設計理念。
PS：802.11ax的設計中可能與HiperLAN的設計思想沒有直接的關系，本文不過筆者個人的一些理解，如有錯誤。還請見諒。
HiperLan簡單介紹
HyperLan全稱為（HIgh PErformance Radio Local Area Network），其早期是歐洲ETSI所採用的無線局域網的通信協議。其一共同擁有2個版本號，分別為：HiperLan/1，HiperLan/2，另外還有兩個引申的版本號HiperLink，HiperAccess。HiperLan早期也被稱為Wireless ATM網絡，其具有ATM網絡的一些特點。並能依靠當時的ATM網絡作為承載網。
HiperLan分層框架
HiperLan的分層框架較為802.11復雜一些。HiperLan/2的分層框架例如以下：
HiperLan初始設計就是考慮QOS的。故其分層結構相似於通信網。HiperLan/2除了PHY和MAC層以外，還有RLC和EC子層（註：HiperLan/1唯獨RLC子層），再往上還有收斂層CL。這也是和802.11的一個明顯的不同。這個也是設計思想上的不同了：
802.11的核心思想還是基於Best-effort。Best-effort的定義包括兩個部分（參考High-Performance Communication networks，高性能通信網絡中的定義）：
- IP的承載服務就是以數據報形式發送報文。報文的最大程度為字節（64KB）。
這樣的服務在差錯。網絡延遲或帶寬方面不提供服務質量保證。這樣的服務叫做盡力而為（Best-effort）服務，表示網絡將盡量提供服務。
（參考第103頁，4.3.1節中的描寫敘述）
- IP承載服務在延遲。帶寬和數據丟失方面不能提供不論什麽保證，路由器按同一種方式處理全部的分組（這樣的“一視同仁”的處理方式也能夠叫做盡力而為（Best-effort）服務）。這是一種非常自然的特點：缺乏狀態信息就意味著分組不能夠被應用或鏈接所差別，這樣路由器就不能提供額外的資源以滿足應用需求。（參考第120頁，4.5中的描寫敘述）
故在802.11協議設計的DCF接入過程中，全部的幀都是依照一視同仁發送出去的。沒有對數據幀做不論什麽資源上優化。
在HyperLan中，為了考慮QOS。除了在MAC層的設計上要引入競爭的優先級以外，還引入了RLC子層。從而對系統資源就能夠實行優化了，這一塊在LTE中也是同樣的思路。
HiperLan MAC層架構
在MAC層中。HiperLan還分成了邏輯信道和傳輸信道。每個信道實際上能夠理解成一個數據片或者一段物理層的資源，在HiperLan中，邏輯信道和傳輸信道的承載關系例如以下（參考：HiperLAN/2 – The Broadband Radio Transmission Technology Operating in the 5 GHz Frequency Band）
這樣的模式是從通信網絡設計引來的思想，LTE中也存在這樣的承載關系。物理信道的思想就是特定時頻片段上的數據片信息。然後將這個信息怎樣解析就是相應邏輯信道上的。在802.11中，不同類型的信息是通過不同類型的數據幀進行傳輸的，換言之，HiperLan這樣的是固定的傳輸片段進行反復。而802.11這樣的是出現了特殊的幀。比方數據幀之類的，才發送一下，這也是一種QOS的差別。
PS：關於控制信道和傳輸信道的詳細內容，能夠參考《HiperLAN/2 – The Broadband Radio Transmission Technology Operating in the 5 GHz Frequency Band》一文。這裏因為關註重點，所以不進行展開。
討論完其結構之後。我們要詳細討論下HiperLan的MAC層機制。HiperLan的MAC層是基於TDMA/TDD機制的，TDMA所述為其MAC層接入機制，TDD指的是其雙工機制。從時域上，我們能夠參考例如以下：
時域上整個傳輸過程是被等分成多個MAC-Frame，每個MAC-Frame中包括了BCH，FCH。ACH等幾個傳輸信道，所以這裏的傳輸信道相應的就是這個時間片的傳輸內容。
- BCH（Broadcast channel）：下行信道。相似於Wi-Fi中的Beacon的功能。廣播AP的一些信息，比方發送功率的設定。FCH和RCH相應的時長。節能模式下的喚醒標識（相似於802.11的TIM）。
- FCH（Fame control channel）：下行信道。宣告了當前MAC幀中資源分配，下行傳輸階段，上行傳輸節點以及隨機接入階段的資源分配。
- ACH（Access feedback channel）：下行信道，承載了上一輪隨機接入中的結果，並告知全部節點。
在HyperLAN中，MT代表節點。
- DL Phase（Downlink phase）：下行傳輸階段，由AP向節點進行傳輸。每個節點的傳輸結構中還包括兩種不同大小的傳輸信道，各自是傳輸控制信息C-PDUs的SCH（Short transport channel。即圖中深紫色部分）和傳輸用戶數據U-PDUs的LCH（Long transport channel），每個用戶依據FCH裏面的標識，在相應的信道裏面獲取自己的信息。
- 保護間隔，因為上下行切換。所以在DL phase和UL phase之間存在一個slot的保護間隔。
- UL Phase（Uplink phase）：上行傳輸階段。節點依據之前FCH的提示進行上行傳輸，傳輸過程相似於DL phase。為了QOS的設計，所以這裏AP須要對每一輪的接入都進行控制，所以才設計了上一輪的競爭結果要先通過AP整理，然後在通過FCH廣播出來，全部節點再進行接入。
- RCHs（Random access channel）：上行信道，節點在RCH過程中進行競爭，用以競爭下一個階段的信道使用。
以上大致就是一個HiperLan的MAC層接入流程。以下我們詳細討論其接入機制。
PS：對於邏輯信道怎樣處理物理信道的數據，而且在RLC子層怎樣進行資源的優化分配。本文並不加以討論。
HiperLan的競爭機制（EY-NPMA）
HiperLan的競爭接入機制還是比較復雜的，是筆者眼下見過的時域競爭下同一時候也是商業協議中。最長的一個競爭接入過程。
EY-NPMA其全稱為（Elimination-Yield Non-pre-emptive Priority Multiple Access），該協議是一個分布式的競爭協議。其最特殊的是結合了一下兩種機制：
- Slot-Aloha
- Listen-Before-Talk（即Carrier sense）
Carrier sense是CSMA機制的主要特征，Aloha與CSMA最大的不同也是在於其發送之前沒有Carrier sense的功能。
我們知道802.11中，採用的競爭機制是基於CSMA/CA原理的，而怎樣在單天線的情況下。設計一種分布式的競爭接入協議。而且用到slot-aloha的特點，是EY-NPMA中非常值得註意的一點。
（以上部分內容參考自：參考《IEEE 802.11 WLAN and HIPERLAN》）
PS：本節主要所述為HiperLan/1中的競爭機制，HiperLan/1和HiperLan/2基本還是相似的。
EY-NPMA的名字非常長。這麽長的名字實際上代表了三個階段，各自是：
- Prioritisation phase：提供高優先級的節點接入
- Elimination phase：節點公平競爭
- Yield phase：為了防止沖突，節點再一次進行競爭
其結構詳細參考例如以下（參考：Performance Evaluation Study for HiperLan WLAN Protocol）：
無線局域網中，分布式競爭協議設計的難點主要源於半雙工的天線，即收發不能同一時候。
近年來。非常多研究都是打破了半雙工的限制（引入一些新的物理層技術），在特定環境下，設計一些新的物理層協議。而半雙工天線下MAC層協議設計的進步還是有限。理解到這個難點之後。我們重點探討下，EY-NPMA是怎樣實現這個半雙工天線競爭協議的。
EY-NPMA的三個階段中，前兩個階段（Prioritisation和Elimination）的競爭思路和第三個階段（Yield）是不同的，前者是一種存活到最後就是勝利者的思想，後者屬於CSMA的思想。
存活的思想就是指節點首先選擇一個隨機的時隙數k。並從同樣的時間起始，發送k個時隙。
發送完之後，節點轉換為監聽狀態。監聽信道中是否還有別人正在傳輸。假設有別人的話。那麽就失敗，假設到最後都沒有發現信道裏面還有別人傳輸，那麽就代表勝利。
例如以下圖所看到的：（參考：Suitability of HIPERLAN‘s EY-NPMA for Traffic jam scenarios in VANETs）
這裏一共4個節點處於Prioritisation階段，B,C,D都有高優先級數據，依據其優先級發送競爭信號。A沒有。所以A不發送信號。並處於idle狀態。
這裏的idle實際上就是描寫敘述A是處於監聽狀態的，故A發現了如今有高優先級的傳輸，所以本輪失敗。B,C,D進入下一個階段進行競爭。
在Elimination階段時，每個節點選擇一個隨機數並進行競爭。比方節點C,D選擇的是3。節點B選擇的是2，所以節點B在發送完2個競爭信號之後，其轉為監聽狀態。發現信道是忙的。所以本輪失敗。節點C,D因為選擇的同樣的隨機數，故其同一時候轉為監聽狀態，因為信道之後都沒有人傳輸競爭信號，所以這兩個都覺得自己的勝利者了，故我們覺得就是其存活下來了。
在Yield階段時，節點要進行最後一次傳輸。
這裏設計有一個先決的條件：即競爭過程要和傳輸數據過程具有連續性。競爭完了之後立馬就要進行傳輸。故這個節點隨機數標識的不是連續發送多少個時隙，而是多少個時隙不發，保持idle的狀態，這點實際上就是CSMA的過程了。如中，節點隨機到3。節點C隨機到4。即節點3在保持idle三個slot之後就進行傳輸數據，等節點C在第4個slot時候再監聽信道的時候，這個時候發現信道是busy的，所以本輪競爭失敗。
以上就是整個EY-NPMA的過程。以下我們簡單討論下其與802.11ax中的TF-R差別。
802.11ax（TF-R）與HiperLAN（EY-NPMA）
802.11ax中的多用戶OFDMA的競爭過程TF-R是基於Slot-Aloha思想的（參考IEEE 802.11-15/1137）
實際上我們能夠總結，802.11ax（TF-R）與HiperLAN（EY-NPMA）的相似處包括兩點：
- Slot-Aloha的思想
- 中心式控制的思想
TF-R中的Slot-Aloha：節點依據本地的隨機數和可競爭的RU數目。推斷本輪自己能否夠發送。
假設能夠，那麽直接隨機選擇一個RU發送競爭信號。這個發送過程中，沒有先監聽。而沖突避免是通過中心控制完畢的，即AP進行推斷，假設節點選擇的RU沒有沖突。那麽AP能夠成功解調，並反饋給節點，反之。AP則無法解調。
EY-NPMA的Slot-Aloha：Slot-Aloha主要體如今Prioritisation和Elimination phase兩個過程，節點不進行監聽，首先選擇一個隨機數進行發送，發送完了之後，再監聽是否還有別人正在傳輸，假設沒有的話。那麽自己就是勝利者了。其沖突解決機制是通過多輪的競爭過程來避免的。
至於中心是控制，因為兩者都存在資源優化：
802.11ax：是基於OFDMA情況下資源的優化，相似於user-selection的過程。
HiperLan：在RLC子層基於QOS進行資源的優化。
而綜上所述中，HiperLan中實際上另一些設計我們能夠借鑒的。HiperLan的失敗主要是其設計復雜，這點和ATM是非常相似的，在早期無線流量不大的情況下。根本沒有如此復雜設計的必要（即非常多需求都和通信網同樣了）。而無線局域網主要是一種便宜的設計，價格和需求都比通信網要少非常多。不過當下，無線局域網的環境越來越復雜，用戶數和QOS需求也是越來越多，所以其設計思想又回歸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”。
802.11ax前瞻4：802.11ax與HiperLan