周海東，周 遜,2，任 智，嚴(yán) 炎，葛理威

1(重慶郵電大學(xué) 移動通信技術(shù)重慶市重點實驗室，重慶 400065)2(中國工程物理研究院 激光聚變研究中心，四川 綿陽 621900)

1 引 言

信息交互方式的發(fā)生的改變促使數(shù)據(jù)流量快速增加，而當(dāng)前移動數(shù)據(jù)流量已占據(jù)主流.層出不窮的新應(yīng)用對無線速率提出更高要求，預(yù)計到2020年左右，人們對短距離無線通信的數(shù)據(jù)速率需求將達(dá)到數(shù)10Gbps[1].現(xiàn)有無線通信技術(shù)受限于帶寬難以滿足此需求，這促使人們探索更高的頻率波段，在這種環(huán)境下，太赫茲(terahertz，THz)波段(0.1THz-10THz)已被提升為一個關(guān)鍵的無線技術(shù)來滿足這一需求[2].

太赫茲(terahertz,THz)波[3-5]是位于毫米波和遠(yuǎn)紅外光波之間的電磁波,其頻率范圍為0.1THz-10THz，相應(yīng)波長范圍為0.03mm-3mm.太赫茲波處于宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過渡區(qū)，它是人類最后一個尚未完全認(rèn)知利用的頻段.相比于60GHz及以下頻段，太赫茲頻段大部分尚未被分配使用，具有較大的開發(fā)潛力，因此相關(guān)的太赫茲通信技術(shù)被看做是5G通信的關(guān)鍵技術(shù)之一[6].在實際的無線通信中，空氣中的水分子對太赫茲通信的影響較大，水分子會造成太赫茲波特別大的大氣衰減，因此它的通信距離范圍受到限制，考慮到太赫茲波具有特性，太赫茲頻段比較適合短距離無線通信[7].

太赫茲無線個域網(wǎng)(Terahertz Wireless Personal Area Networks (THz-WPANs)是一種數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到幾十Gbps并且以太赫茲波作為載波的自組織網(wǎng)絡(luò)[8,9].THz-WPANs是一種通信范圍較小的網(wǎng)絡(luò)，通常是由多個具有太赫茲無線通信的節(jié)點組成.與傳統(tǒng)無線個域網(wǎng)最主要的區(qū)別是，它能夠為不斷出現(xiàn)的新型業(yè)務(wù)提過超過10Gbps的數(shù)據(jù)傳輸保證.

接入方法工作在網(wǎng)絡(luò)中的MAC層，其主要功能是承擔(dān)著信道的接入控制，在通信體系架構(gòu)中起著非常重要的作用.最近幾年，太赫茲無線個域網(wǎng)雙信道MAC協(xié)議的研究已經(jīng)獲得了一定進(jìn)展，相關(guān)的研究工作仍在繼續(xù)進(jìn)行.Jornet等人提出了一種太赫茲電磁納米網(wǎng)絡(luò)接入?yún)f(xié)議-PHLAME(a PHysical Layer Aware MAC protocol for Electromagnetic nanonetworks)[10].PHLAME協(xié)議包含握手和數(shù)據(jù)傳輸兩個階段，其結(jié)合物理層脈沖通信的特點，使節(jié)點在任意時刻發(fā)送數(shù)據(jù)，其中，采用不同節(jié)點使用不同的符號速率機(jī)制，能夠有效避免數(shù)據(jù)幀發(fā)生碰撞，提高網(wǎng)絡(luò)性能.Shahram Mohrehkesh等人提出一種由接收節(jié)點開始、集能感知的接入?yún)f(xié)議RIH-MAC(Receiver-Initiated Harvesting-aware MAC).RIH-MAC協(xié)議要求只有接收節(jié)點具有足夠的能量，數(shù)據(jù)傳輸才會成功，其還要求發(fā)送端和接收端在時間上同步，將網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時間分為等長的時隙，這可以顯著減小數(shù)據(jù)幀之間碰撞的概率和能量的消耗[11].Pu Wang等人針對納米傳感網(wǎng)絡(luò)提出一種頻譜感知的接入?yún)f(xié)議--DSS-TDMA(a Dynamic Scheduling Scheme based on TDMA)[12].DSS-TDMA協(xié)議中網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點是由一般的納米傳感器節(jié)點和更高邏輯地位、具備無線個域網(wǎng)控制功能的控制器節(jié)點組成，其將網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行時間劃分為三部分，分別是每個幀包含的下行鏈路、上行鏈路以及隨機(jī)接入.DSS-TDMA提出這種基于TDMA+RA(時分多址+隨機(jī)接入)的太赫茲無線個域網(wǎng)MAC協(xié)議對未來研究和設(shè)計THz-WPANs接入?yún)f(xié)議具有重要的指導(dǎo)意義.

目前關(guān)于THz-WPANs雙信道MAC協(xié)議研究比較少，Peng等人提出了一種利用帶外信令的增強(qiáng)型組網(wǎng)方案：通過在低頻信道進(jìn)行信道掃描和信令交互來確定節(jié)點的大致位置，然后在在太赫茲信道實現(xiàn)使用高增益天線進(jìn)行精確掃描，最后掃描完成才進(jìn)行太赫茲通信[13]；Yao等人參考了IEEE802.11ac[14]協(xié)議，并提出了一種TAB-MAC[15]協(xié)議，其基本思路是控制信息的交換在WiFi(2.4GHz)信道用全向天線進(jìn)行，真正的數(shù)據(jù)傳輸在太赫茲信道用定向天線進(jìn)行實現(xiàn)，該協(xié)議可以解決太赫茲通信距離受限問題，但存在信道利用率較低，數(shù)據(jù)傳輸延遲較大等問題.針對這些問題，本文提出了一種高效低時延的THz-WPANs雙信道MAC協(xié)議.

2 網(wǎng)絡(luò)模型與問題描述

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

TAB-MAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示.網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點由錨節(jié)點(Anchor node)和常規(guī)節(jié)點(Regular node)構(gòu)成，錨節(jié)點可以幫助常規(guī)節(jié)點獲得自身節(jié)點的位置坐標(biāo)信息，常規(guī)節(jié)點可以在太赫茲信道發(fā)送數(shù)據(jù).錨節(jié)點可以通過配備GPS定位模塊或手動配置來獲得自己的位置坐標(biāo)信息，常規(guī)節(jié)點通過配置波束成形天線陣列在太赫茲信道進(jìn)行通信.

錨節(jié)點在WiFi波段周期性的廣播信標(biāo)信號，常規(guī)節(jié)點根據(jù)收到的信標(biāo)幀信號來定位自身節(jié)點的位置信息，定位一個常規(guī)節(jié)點在兩個維度的位置坐標(biāo)需要三個不在一條直線上的錨節(jié)點，定位一個常規(guī)節(jié)點在三維空間的位置至少需要4個不在一條直線的錨節(jié)點.常規(guī)節(jié)點的太赫茲波束成形天線適當(dāng)?shù)恼{(diào)整之后，兩個常規(guī)節(jié)點之間在太赫茲信道才可以建立連接，由于常規(guī)節(jié)點可以定位自身節(jié)點的位置坐標(biāo)信息，這使調(diào)整天線變的簡單.

TAB-MAC協(xié)議的主要思路是在WiFi信道用全向天線來交互控制信息，在太赫茲信道用定向天線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如下圖2所示.在WiFi信道，有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的源節(jié)點用全向天線向目的節(jié)點發(fā)送一個RTS(Request To Send，請求發(fā)送)幀(包含源節(jié)點的位置信息)，目的節(jié)點收到RTS幀，若信道空閑，等待一個SIFS(Short Interframe Space，短幀間間隔)時間之后，就向源節(jié)點回復(fù)一個CTS(Clear To Send，允許發(fā)送)幀(包含目的節(jié)點的位置信息)，源節(jié)點和目的節(jié)點根據(jù)相互交互的信息，調(diào)整太赫茲波束成形天線使用定向天線相互對準(zhǔn)，然后切換到太赫茲信道；在太赫茲信道，首先源節(jié)點會向目的節(jié)點發(fā)送一個TTS(Test To Send，測試)幀(為了確保源節(jié)點和目的節(jié)點的定向天線相互對準(zhǔn))，目的節(jié)點收到TTS幀會向源節(jié)點回復(fù)一個ACK(ACKnowledgement, 確認(rèn))幀，源節(jié)點收到ACK幀之后才能夠向目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀.目的節(jié)點對收到的多個數(shù)據(jù)幀僅使用一個ACK幀進(jìn)行確認(rèn).

圖1 網(wǎng)絡(luò)模型Fig.1 Network model

圖2 TAB-MAC協(xié)議Fig.2 TAB-MAC protocol

測試幀的幀格式如圖3所示.測試幀是一個短的數(shù)據(jù)幀，它的幀體是一個長度為4字節(jié)的數(shù)據(jù)字段.

圖3 測試幀格式Fig.3 Test To Send frame format

2.2 問題描述

通過深入研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有太赫茲無線個域網(wǎng)雙信道MAC協(xié)議存在信道利用率不高以及數(shù)據(jù)傳輸時延較大問題：

1)在WiFi信道如果源節(jié)點(假定為A)向目的節(jié)點(假定為B)發(fā)送RTS幀，節(jié)點B收到RTS幀之后，如果此時節(jié)點B也有數(shù)據(jù)需要向節(jié)點A發(fā)送，根據(jù)現(xiàn)有的太赫茲無線個域網(wǎng)雙信道接入方法，節(jié)點A向節(jié)點B傳輸數(shù)據(jù)完成之后，節(jié)點B才能夠與節(jié)點A進(jìn)行RTS/CTS幀交互，而節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送完數(shù)據(jù)之后，A節(jié)點和B節(jié)點在太赫茲信道定向天線還處在對準(zhǔn)狀態(tài)，因此可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，省去了RTS/CTS幀交互過程以及測試時延.

2)在太赫茲信道引入測試幀是為了測試源節(jié)點和目的節(jié)點之間的定向天線是否處于對準(zhǔn)狀態(tài)，測試幀中的4字節(jié)數(shù)據(jù)字段為無用數(shù)據(jù)，因此可以考慮去掉，進(jìn)一步減少控制開銷.

3 ELD-MAC

針對以上問題，提出一種高效低時延的接入?yún)f(xié)議--ELD-MAC.該協(xié)議較好地解決了上述問題，同時提高信道利用率，減少網(wǎng)絡(luò)控制開銷，降低數(shù)據(jù)傳輸時延，提升網(wǎng)絡(luò)性能.

3.1 自適應(yīng)省略RTS/CTS幀交互過程

"自適應(yīng)省略RTS/CTS幀交互過程"新機(jī)制的基本思路為：如果目的節(jié)點B在向源節(jié)點A回復(fù)CTS幀之前有數(shù)據(jù)需要發(fā)送給源節(jié)點A，則計算出發(fā)送那些數(shù)據(jù)所需總的時間值，加上RTS幀中攜帶的"持續(xù)期"字段的值，將兩者的和裝入CTS幀的"持續(xù)期"字段中，然后廣播該CTS幀；A、B節(jié)點之外的其它節(jié)點(假設(shè)太赫茲無線個域網(wǎng)所有節(jié)點都可以直接通信)收到該CTS幀后，它們都會在這段時間內(nèi)在太赫茲信道保持靜默；節(jié)點A發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束后，節(jié)點B可以將自己的數(shù)據(jù)發(fā)送給節(jié)點A.這樣使用一個RTS/CTS幀交互過程，節(jié)點A、B都可以把自己要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀發(fā)送給對方節(jié)點，從而省去一個RTS/CTS交互過程以及測試時延，降低了控制開銷和數(shù)據(jù)傳輸時延.

"自適應(yīng)省略RTS/CTS幀交互過程"新機(jī)制的操作流程如圖4所示.

圖4 自適應(yīng)省略RTS/CTS幀交互過程
Fig.4 Adaptive ellipsis RTS/CTS frame interaction process

3.2 精簡測試幀

在太赫茲信道引入測試幀時為了測試源節(jié)點和目的節(jié)點之間的定向天線是否處于對準(zhǔn)狀態(tài)，測試幀中的4字節(jié)數(shù)據(jù)字段為無用數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)字段為冗余的控制開銷，增大了數(shù)據(jù)傳輸時延，不利于網(wǎng)絡(luò)吞吐量的提高.

"精簡測試幀"新機(jī)制的基本思路為：去掉測試幀中4字節(jié)的無用數(shù)據(jù)字段，來減少控制開銷，同樣可以測試源節(jié)點和目的節(jié)點之間的定向天線是否處于對準(zhǔn)狀態(tài)."精簡測試幀"幀結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示 .Duration:持續(xù)時間；RA:the address of the STA receiving the TTS frame，TTS幀接收站點地址；TA:the address of the STA transmitting the TTS frame，TTS幀發(fā)送站點地址；FCS: Frame Check Sequence，幀校驗序列.

圖5 精簡測試幀格式
Fig.5 Simplified test frame format

3.3 ELD-MAC協(xié)議操作流程

下面按照WiFi信道和太赫茲信道的順序，具體介紹提出的太赫茲無線個域網(wǎng)雙信道MAC協(xié)議的操作流程.

3.3.1 WiFi信道

步驟1.錨節(jié)點周期性的廣播信標(biāo)信號，常規(guī)節(jié)點收到信標(biāo)信號然后來確定自身節(jié)點的位置信息.

步驟2.有數(shù)據(jù)發(fā)送需求的源節(jié)點向目的節(jié)點發(fā)送RTS幀，目的節(jié)點收到RTS幀，如果目的節(jié)點也有數(shù)據(jù)向源節(jié)點發(fā)送，則采用本文提出的"自適應(yīng)省略RTS/CTS幀交互過程"機(jī)制，否則采用原協(xié)議，即目的節(jié)點向源節(jié)點回送一個CTS幀.

步驟3.源和目的節(jié)點根據(jù)RTS/CTS交互的信息，調(diào)整太赫茲波束成形天線，使用定向天線對準(zhǔn)，然后切換到太赫茲信道.

3.3.2 太赫茲信道

步驟1.源節(jié)點向目的節(jié)點發(fā)送一個精簡測試幀，目的節(jié)點收到精簡測試幀向源節(jié)點回送一個ACK幀.

步驟2.源節(jié)點收到對精簡測試幀的確認(rèn)幀之后，立即向目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀，目的節(jié)點對收到的多個數(shù)據(jù)幀僅用一個ACK幀進(jìn)行確認(rèn).

3.4 性能分析

為確定ELD-MAC協(xié)議的有效性，本文采用TAB-MAC協(xié)議作為比較對象，對其進(jìn)行理論分析驗證.

定理1.與TAB-MAC協(xié)議相比，在太赫茲信道ELD-MAC協(xié)議有更小的測試時延.

證明:原TAB-MAC協(xié)議和ELD-MAC協(xié)議測試時延如公式(1)和公式(2)所示：

Ttest1=Tswitch+TTTS-T+TACK+Tsifs+2Tprop

(1)

Ttest2=Tswitch+TTTS-E+TACK+Tsifs+2Tprop

(2)

其中Tswitch為切換時間，它的值為WiFi信道切換到太赫茲信道所用的時間，TACK為發(fā)送ACK幀所用的時間，Tsifs為短幀間間隔時間，Tprop為傳播時延.在相同的場景和參數(shù)設(shè)置下，TAB-MAC協(xié)議和ELD-MAC協(xié)議在Tswitch、TACK、Tsifs、Tprop保持一致，TTTS-T和TTTS-E分別為TAB-MAC協(xié)議和ELD-MAC協(xié)議發(fā)送一個測試幀所用的時間.由于ELD-MAC協(xié)議采用精簡測試幀機(jī)制，省去了4字節(jié)的無用數(shù)據(jù)字段，因此TTTS-T>TTTS-E，可知，Ttest2

定理2.與TAB-MAC協(xié)議相比，ELD-MAC協(xié)議能夠提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量.

證明:設(shè)第i個節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)的概率為pi，TAB-MAC協(xié)議與ELD-MAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量分別為ST、SE，則TAB-MAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量期望ST可由下式(3)得出：

(3)

式中S為TAB-MAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨機(jī)變量，Si為第i個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)吞吐量變量，Nasc為當(dāng)前已關(guān)聯(lián)節(jié)點的總數(shù)，Li為第i個節(jié)點待發(fā)送數(shù)據(jù)的大小，Psucc為節(jié)點在太赫茲信道成功發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀的概率，Ti為第i個節(jié)點在WiFi信道建立連接和在太赫茲信道發(fā)送數(shù)據(jù)幀總的時間.相應(yīng)地，ELD-MAC網(wǎng)絡(luò)吞吐量SE如式(4)所示：

(4)

4 仿真驗證

4.1 仿真統(tǒng)計量及參數(shù)設(shè)置

4.1.1 仿真統(tǒng)計量

1)信道利用率

信道利用率是指數(shù)據(jù)幀傳輸時間占信道總時間的比例，它體現(xiàn)出MAC協(xié)議的工作效率，其計算公式如下所示：

(5)

其中Ti為第i個數(shù)據(jù)幀傳輸時延，T為網(wǎng)絡(luò)通信總時長.數(shù)據(jù)幀傳輸時間所占比例越高，說明信道資源無效浪費(fèi)所占比例越少，MAC層工作效率越高.

2)數(shù)據(jù)平均時延

數(shù)據(jù)時延一般指數(shù)據(jù)開銷自產(chǎn)生到正確接收中間所用的時間.平均時延則是對所有的時延值取平均，其計算公式如下所示：

(6)

其中di為第i個數(shù)據(jù)時延，包括層間處理、MAC層排隊、傳輸以及傳播耗時，一般不考慮目的節(jié)點處理時延，當(dāng)數(shù)據(jù)出錯重傳時，重傳耗時也包括在內(nèi)；而N為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中MAC層已正確接收的數(shù)據(jù)個數(shù).

3)MAC層吞吐量

MAC層吞吐量為MAC層單位時間內(nèi)向上層提供數(shù)據(jù)的總量，單位取比特每秒(b/s)，其計算公式如下所示：

(7)

其中，Drec為各節(jié)點MAC層正確接收的數(shù)據(jù)開銷大小，T為網(wǎng)絡(luò)通信總時長，在仿真中即數(shù)據(jù)產(chǎn)生開始時間到當(dāng)前時刻.MAC層吞吐量不僅受物理層條件限制，而且還受MAC協(xié)議工作效率的影響.

4.1.2 參數(shù)設(shè)置

主要的仿真參數(shù)如表1所示.

表1 主要仿真參數(shù)表1Table 1 Simulation main parameters

4.2 仿真結(jié)果分析

4.2.1 信道利用率

如圖6所示，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到飽和時，ELD-MAC協(xié)議信道利用率提高了11.39%.信道利用率提高的主要原因為：

圖6 信道利用率對比
Fig.6 Comparison of channel utilization

1)"自適應(yīng)省略RTS/CTS幀交互過程"新機(jī)制，對于存在反向信道傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點，能夠省去RTS/CTS交互過程，減少控制開銷，從而增大傳輸數(shù)據(jù)幀占總的信道時間比例，提高信道利用率；

2)"精簡測試幀"機(jī)制，省去測試幀4字節(jié)的無用數(shù)據(jù)字段，減少了控制幀占總的信道時間比例，從而提高信道利用率.

4.2.2 數(shù)據(jù)平均時延

如圖7所示，ELD-MAC協(xié)議數(shù)據(jù)平均時延至少降低了12.63%.時延降低的主要原因為："自適應(yīng)省略RTS/CTS幀交互過程"新機(jī)制對于存在反向信道傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點省略了RTS/CTS交互過程以及測試時延，加快了數(shù)據(jù)傳輸，從而降低數(shù)據(jù)傳輸時延.

圖7 數(shù)據(jù)平均時延對比
Fig.7 Comparison of data′s average delay

4.2.3 MAC層吞吐量

如圖8所示，ELD-MAC協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)飽和的情況下吞吐量提高了10.96%，這主要原因在于：

圖8 MAC層吞吐量對比
Fig.8 Comparison of MAC layer throught

1)"自適應(yīng)省略RTS/CTS幀交互過程"新機(jī)制，對于存在反向信道傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點，能夠省去RTS/CTS交互過程，減少冗余控制開銷，從而在相同的信道時間內(nèi)能夠發(fā)送更多的正常數(shù)據(jù)；

2)"精簡測試幀"機(jī)制省去4字節(jié)無用數(shù)據(jù)字段，減少了發(fā)送測試幀所用的時間以及接收時間，降低數(shù)據(jù)傳輸時延，從而提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量.

5 結(jié) 論

本文主要針對現(xiàn)有相關(guān)太赫茲無線個域網(wǎng)雙信道MAC協(xié)議存在信道利用率較低以及數(shù)據(jù)傳輸時延大問題，提出一種適用于太赫茲無線個域網(wǎng)的高效低時延的雙信道接入?yún)f(xié)議--ELD-MAC.ELD-MAC通過采用"自適應(yīng)省略RTS/CTS幀交互過程"新機(jī)制，對于存在反向信道傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點，能夠省去RTS/CTS交互過程，減少控制開銷；采用"精簡測試幀"機(jī)制，省去測試幀4字節(jié)的無用數(shù)據(jù)字段，減少冗余控制開銷從而達(dá)到提高信道利用率、降低數(shù)據(jù)傳輸時延、提升網(wǎng)絡(luò)性能的效果.最后通過仿真驗證ELD-MAC協(xié)議的有效性.在未來的研究中，本文將進(jìn)一步研究如何實現(xiàn)太赫茲無線個域網(wǎng)雙信道的MAC協(xié)議的空分復(fù)用，結(jié)合空分復(fù)用對信道資源進(jìn)行更高效的分配，使網(wǎng)絡(luò)吞吐量得到顯著提升.