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。
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):
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。
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。
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:
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:
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:
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”。