任 智，蘇 新，郭 黎，吳本源

(重慶郵電大學(xué) a. 移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； b. 通信與信息工程學(xué)院, 重慶 400065)

0 引 言

太赫茲通信技術(shù)[1]以頻率范圍在0.1～10.0 THz[2]的太赫茲波段作為載波，其數(shù)據(jù)傳輸速率能達(dá)到0.1～1.0 Tbit/s，是第五代移動(dòng)通信(5th Generation Mobile Networks，5G)的50倍，4G的1 000倍[3]，因此具有極大的應(yīng)用前景。但由于太赫茲波在空氣中傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的衰減，傳輸距離相當(dāng)有限，通常太赫茲無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(Wireless Personal Area Network, WPAN)[4]的傳輸距離只有10 m[5]。為了擴(kuò)展其通信范圍，越來(lái)越多的人開(kāi)始關(guān)注多個(gè)域網(wǎng)(Personal Area Network, PAN)太赫茲WPAN的通信傳輸，希望通過(guò)將多個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)通信范圍的擴(kuò)展，而作為關(guān)鍵技術(shù)之一的跨PAN太赫茲WPAN介質(zhì)訪問(wèn)控制 (Media Access Control, MAC) 協(xié)議成為研究的熱點(diǎn)。

Da Costa F在文獻(xiàn)[6]中引入了微微網(wǎng)協(xié)調(diào)的概念，使超幀同步成為可能，提出使用普通設(shè)備(Device, DEV)作為連接微微網(wǎng)的橋梁，并且定義了信標(biāo)對(duì)準(zhǔn)機(jī)制來(lái)解決重疊區(qū)域的信標(biāo)碰撞問(wèn)題；Xue等人在此基礎(chǔ)上提出了一種自適應(yīng)信道時(shí)間分配方法[7]，引入了公共區(qū)域的概念，在公共區(qū)域內(nèi)的DEV可以聽(tīng)到多個(gè)信標(biāo)幀，位于公共區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)被稱為公共節(jié)點(diǎn)，之外的節(jié)點(diǎn)被稱為常規(guī)節(jié)點(diǎn)。該方法解決了部分信道時(shí)間分配時(shí)段的數(shù)據(jù)干擾問(wèn)題，但仍存在部分節(jié)點(diǎn)存在時(shí)隙干擾的問(wèn)題。

1 網(wǎng)絡(luò)模型與超幀結(jié)構(gòu)

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

多PAN太赫茲WPAN通信模型主要由兩個(gè)太赫茲WPAN組成，如圖1所示，太赫茲WPAN主要由一個(gè)充當(dāng)微微網(wǎng)協(xié)調(diào)器(Piconet Coordinator, PNC)的DEV以及用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)腄EV組成；PNC周期性地廣播Beacon幀用于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的控制以及同步；DEV之間均可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；位于兩個(gè)WPAN中間的區(qū)域被稱為重疊區(qū)域，位于重疊區(qū)域的節(jié)點(diǎn)A被稱為網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)，作用是通過(guò)發(fā)送命令幀來(lái)進(jìn)行兩個(gè)WPAN之間的協(xié)調(diào)與同步以及發(fā)送數(shù)據(jù)幀完成網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)的傳輸；在單個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的DEV被稱為常規(guī)節(jié)點(diǎn)，作用是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)內(nèi)DEV之間的數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 多PAN太赫茲WPAN通信模型

1.2 超幀結(jié)構(gòu)

多PAN太赫茲WPAN，其協(xié)調(diào)超幀結(jié)構(gòu)如圖2所示，每個(gè)超幀主要包括3個(gè)時(shí)段，分別為信標(biāo)幀隊(duì)列時(shí)段(Beacon Alignment Period，BAP)、競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)段(Contention Access Period, CAP)以及信道時(shí)間分配時(shí)段 (Channel Time Allocation Period, CTAP)，CTAP主要分為常規(guī)信道時(shí)間分配時(shí)段(Normal Channel Time Allocation Period, N-CTAP)和公共信道時(shí)間分配時(shí)段(Public Channel Time Allocation Period, P-CTAP)。

圖2 協(xié)調(diào)超幀結(jié)構(gòu)圖

在BAP中，兩個(gè)WPAN中的PNC分別在自身對(duì)應(yīng)的時(shí)段中進(jìn)行Beacon幀的廣播，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)隙管理與分配；該幀中主要包含自身網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的基本信息、超幀時(shí)長(zhǎng)信息以及各個(gè)時(shí)段的時(shí)刻信息；在該超幀中BAP時(shí)段共分為兩段，Beacon1時(shí)段主要用于WPAN1中PNC進(jìn)行Beacon幀的廣播，Beacon2時(shí)段主要用于WPAN2中PNC進(jìn)行Beacon幀的廣播。

在CAP中，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)中有數(shù)據(jù)傳輸需求的節(jié)點(diǎn)在該時(shí)段向自身所在WPAN中的PNC發(fā)送信道時(shí)隙請(qǐng)求幀，若PNC成功分配時(shí)隙，則節(jié)點(diǎn)可在CTAP內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

CTAP主要用于DEV之間的數(shù)據(jù)傳輸，由多個(gè)信道時(shí)間分配(Channel Time Allocation, CTA)組成, 超幀中的一個(gè)CTA只分配一條鏈路，節(jié)點(diǎn)采用時(shí)分多址(Time Division Multiple Access, TDMA)機(jī)制接入信道。N-CTAP用于WPAN內(nèi)的節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸；P-CTAP主要用于涉及到網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，P-CTAP分為兩段，P-CTAP1主要用于WPAN1中節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸，P-CTAP2主要用于WPAN2中節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

2 問(wèn)題描述

通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)[7]的研究發(fā)現(xiàn)，雖然Xue等人將CTAP分為P-CTAP和N-CTAP，在N-CTAP中使得兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸能夠同步進(jìn)行，提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐量，但是在N-CTAP中仍然可能存在網(wǎng)絡(luò)間的干擾問(wèn)題，如圖1所示。當(dāng)WPAN1中DEV2與DEV3進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)使用超幀中的N-CTAP，當(dāng)WPAN2中DEVd與DEVc之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，也使用N-CTAP，但DEV2與DEVd互相處于對(duì)方的通信范圍之內(nèi)，因此，當(dāng)節(jié)點(diǎn)2在N-CTAP中進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時(shí)，此時(shí)若節(jié)點(diǎn)d正在接收WPAN2中其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，則節(jié)點(diǎn)d的接收數(shù)據(jù)過(guò)程將會(huì)受到節(jié)點(diǎn)2的干擾，反之亦然。

3 LI-PAN協(xié)議

為解決上述問(wèn)題，本文提出了一種低干擾的多PAN太赫茲WPAN MAC協(xié)議( Low Interference Multi-PAN MAC Protocol for Terahertz WPAN，LI-PAN)，該協(xié)議提出了“新的節(jié)點(diǎn)概念——邊緣節(jié)點(diǎn)”、“自適應(yīng)常規(guī)節(jié)點(diǎn)信息報(bào)告機(jī)制”以及“常規(guī)節(jié)點(diǎn)時(shí)隙分配新機(jī)制”，主要針對(duì)在多PAN太赫茲WPAN中不同網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的常規(guī)節(jié)點(diǎn)在N-CTAP內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中可能出現(xiàn)的時(shí)隙干擾問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化，減少了兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)干擾，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β屎驼麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量,降低了網(wǎng)絡(luò)的平均時(shí)延。

3.1 邊緣節(jié)點(diǎn)類型概念

為了更好地解決多PAN太赫茲WPAN中常規(guī)節(jié)點(diǎn)在N-CTAP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)所受到的干擾，將常規(guī)節(jié)點(diǎn)分為普通節(jié)點(diǎn)和邊緣節(jié)點(diǎn)，因此，多PAN太赫茲WPAN中的節(jié)點(diǎn)類型共有4種，具體如下：

(1) 中心節(jié)點(diǎn)：即PNC，如圖1中的PNC1和PNC2，每個(gè)PAN只有1個(gè)PNC節(jié)點(diǎn)，而且不同PAN的PNC不能直接通信。

(2) 網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)：能夠與兩個(gè)PAN中的PNC節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行通信的節(jié)點(diǎn)，如圖1中的節(jié)點(diǎn)A，該類型節(jié)點(diǎn)在P-CTAP中傳輸數(shù)據(jù)。

(3) 普通節(jié)點(diǎn)：只能與自己所在PAN的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的、不是PNC和網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)，如圖1中的節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)a，該類型節(jié)點(diǎn)在N-CTAP中傳輸數(shù)據(jù)。

(4) 邊緣節(jié)點(diǎn)：能夠與其他PAN的常規(guī)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信的常規(guī)節(jié)點(diǎn)，如圖1中的節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)d，該類型節(jié)點(diǎn)在N-CTAP中傳輸數(shù)據(jù)，但在收發(fā)信息時(shí)有可能受到其他PAN的DEV節(jié)點(diǎn)干擾。邊緣節(jié)點(diǎn)類型判斷方法如下：一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以自主判斷自己是否是邊緣節(jié)點(diǎn)：首先，自己不是PNC；接著，自己未收到其他PAN的PNC的消息；然后，收到了其他PAN的常規(guī)節(jié)點(diǎn)的消息，于是，判定自己為邊緣節(jié)點(diǎn)。

3.2 自適應(yīng)常規(guī)節(jié)點(diǎn)信息報(bào)告機(jī)制

解決由于邊緣節(jié)點(diǎn)所帶來(lái)的N-CTAP中所產(chǎn)生的干擾問(wèn)題的思路是，使PNC得知網(wǎng)絡(luò)總的節(jié)點(diǎn)類型信息，并據(jù)此有針對(duì)性地分配時(shí)隙以避免干擾，因此首先提出一種自適應(yīng)的常規(guī)節(jié)點(diǎn)信息報(bào)告機(jī)制，將節(jié)點(diǎn)類型信息報(bào)告給PAN中的PNC。

3.2.1 節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)前

非PNC節(jié)點(diǎn)在入網(wǎng)前默認(rèn)自己是普通節(jié)點(diǎn)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)到附近的網(wǎng)絡(luò)PNC所發(fā)送的Beacon幀時(shí)，則準(zhǔn)備進(jìn)行入網(wǎng)操作，若在此過(guò)程中偵聽(tīng)到與該網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符(Piconet Identifier, PNID)不同的來(lái)自其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所發(fā)的消息，并且未偵聽(tīng)到其他網(wǎng)絡(luò)的PNC所發(fā)送的Beacon幀，即并非網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)類型，則將自身節(jié)點(diǎn)類型判定為邊緣節(jié)點(diǎn)類型，并將該信息放在關(guān)聯(lián)請(qǐng)求命令幀中發(fā)送給PNC。關(guān)聯(lián)請(qǐng)求幀是一種命令幀，其幀體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 關(guān)聯(lián)請(qǐng)求命令幀幀體結(jié)構(gòu)圖

在DEV上電后，節(jié)點(diǎn)開(kāi)始偵聽(tīng)附近是否存在網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行入網(wǎng)，偵聽(tīng)時(shí)長(zhǎng)約為一個(gè)超幀長(zhǎng)度，若在此偵聽(tīng)過(guò)程中，通過(guò)邊緣節(jié)點(diǎn)類型判斷機(jī)制判定自身節(jié)點(diǎn)類型是否為邊緣節(jié)點(diǎn)類型，并將該類型信息放置在關(guān)聯(lián)請(qǐng)求幀中進(jìn)行入網(wǎng)操作，其具體操作如下：

步驟1：DEV偵聽(tīng)到網(wǎng)絡(luò)PNC的Beacon幀，準(zhǔn)備進(jìn)行入網(wǎng)；

步驟2：若DEV在此過(guò)程中偵聽(tīng)到來(lái)自其他網(wǎng)絡(luò)的非PNC信息，執(zhí)行步驟3；否則執(zhí)行步驟4；

步驟3：DEV節(jié)點(diǎn)類型為邊緣節(jié)點(diǎn)，將所要發(fā)送的關(guān)聯(lián)請(qǐng)求命令幀中的Command type字段使用保留值0x001F，執(zhí)行步驟5；

步驟4：DEV節(jié)點(diǎn)類型為非邊緣節(jié)點(diǎn)，將所要發(fā)送的關(guān)聯(lián)請(qǐng)求命令幀中的Command type字段使用原值0x0000，執(zhí)行步驟5；

步驟5：向PNC發(fā)送關(guān)聯(lián)請(qǐng)求命令幀；

步驟6：入網(wǎng)前邊緣節(jié)點(diǎn)類型報(bào)告機(jī)制結(jié)束。

入網(wǎng)前常規(guī)節(jié)點(diǎn)類型報(bào)告操作流程圖如圖4所示。

圖4 入網(wǎng)前常規(guī)節(jié)點(diǎn)類型報(bào)告機(jī)制流程圖

3.2.2 節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后

在太赫茲WPAN中，由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖儎?dòng)，若常規(guī)節(jié)點(diǎn)類型發(fā)生變化，則在自己類型變化后，將自身狀態(tài)信息報(bào)告給PNC。在CAP內(nèi)，如果需要報(bào)告的節(jié)點(diǎn)要發(fā)送時(shí)隙申請(qǐng)幀，則將自己的類型變換信息通過(guò)時(shí)隙申請(qǐng)幀告知PNC；若需要報(bào)告的節(jié)點(diǎn)在此CAP內(nèi)不需要申請(qǐng)時(shí)隙資源，則一直等待，在后續(xù)超幀的CAP內(nèi)使用時(shí)隙請(qǐng)求幀發(fā)送；在CTAP內(nèi)，若節(jié)點(diǎn)通過(guò)邊緣節(jié)點(diǎn)類型判斷方法判斷自身節(jié)點(diǎn)類型為邊緣節(jié)點(diǎn)，則節(jié)點(diǎn)通過(guò)后續(xù)超幀中的CAP使用時(shí)隙請(qǐng)求幀將該信息報(bào)告給PNC。

時(shí)隙申請(qǐng)幀是一種命令幀，其幀體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 信道時(shí)間請(qǐng)求命令幀結(jié)構(gòu)圖

具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

如果常規(guī)節(jié)點(diǎn)的類型未發(fā)生改變，則在發(fā)送時(shí)隙申請(qǐng)幀時(shí)填入默認(rèn)幀類型，即Command type字段值為0x0012，表明該節(jié)點(diǎn)是常規(guī)節(jié)點(diǎn)；如果常規(guī)節(jié)點(diǎn)的類型由普通節(jié)點(diǎn)變?yōu)檫吘壒?jié)點(diǎn)，則在發(fā)送時(shí)隙申請(qǐng)幀時(shí)使用新的幀類型，即Command type字段值為0x0020，表明該節(jié)點(diǎn)已經(jīng)從普通節(jié)點(diǎn)變?yōu)榱诉吘壒?jié)點(diǎn)；如果常規(guī)節(jié)點(diǎn)的類型由邊緣節(jié)點(diǎn)變?yōu)槠胀ü?jié)點(diǎn)，則在發(fā)送時(shí)隙申請(qǐng)幀時(shí)使用新的幀類型，即Command type字段值為0x0021，表明該節(jié)點(diǎn)已經(jīng)從邊緣節(jié)點(diǎn)變?yōu)槠胀ü?jié)點(diǎn)；常規(guī)節(jié)點(diǎn)如果收到PNC的時(shí)隙請(qǐng)求回復(fù)消息，則確認(rèn)PNC已收到自己報(bào)告的信息。常規(guī)節(jié)點(diǎn)信息報(bào)告流程圖如圖6所示。

圖6 入網(wǎng)后常規(guī)節(jié)點(diǎn)類型報(bào)告機(jī)制流程圖

3.3 常規(guī)節(jié)點(diǎn)時(shí)隙分配新機(jī)制

在DEV將自身節(jié)點(diǎn)類型信息發(fā)送給PNC后，PNC在分配節(jié)點(diǎn)時(shí)隙資源時(shí)，根據(jù)N-CTAP收發(fā)節(jié)點(diǎn)類型的不同，按照排序規(guī)則為常規(guī)節(jié)點(diǎn)分配不同的時(shí)隙資源。

PNC分配給常規(guī)節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙資源分為4個(gè)優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)越高，PNC分配的N-CTAP位置越靠前。

設(shè)網(wǎng)絡(luò)1中的節(jié)點(diǎn)為A，網(wǎng)絡(luò)2中的節(jié)點(diǎn)為B:

AC：網(wǎng)絡(luò)1中的普通節(jié)點(diǎn)；

AE：網(wǎng)絡(luò)1中的邊緣節(jié)點(diǎn)；

BC：網(wǎng)絡(luò)2中的普通節(jié)點(diǎn)；

BE：網(wǎng)絡(luò)2中的邊緣節(jié)點(diǎn)；

排列對(duì)應(yīng)規(guī)則如下所示：

AC發(fā)送數(shù)據(jù)給AE對(duì)應(yīng)BC發(fā)送數(shù)據(jù)給BE；

AE發(fā)送數(shù)據(jù)給AE對(duì)應(yīng)BC發(fā)送數(shù)據(jù)給BC；

AE發(fā)送數(shù)據(jù)給AC對(duì)應(yīng)BE發(fā)送數(shù)據(jù)給BC；

AC發(fā)送數(shù)據(jù)給AC對(duì)應(yīng)BE發(fā)送數(shù)據(jù)給BE；

由上述排序?qū)?yīng)規(guī)則可知，當(dāng)WPAN1與WPAN2中的節(jié)點(diǎn)在N-CTAP中按上述排序規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，是不會(huì)受到來(lái)自其他WPAN的干擾影響。

網(wǎng)絡(luò)1中常規(guī)節(jié)點(diǎn)時(shí)隙分配如圖7所示。

圖7 網(wǎng)絡(luò)1中常規(guī)節(jié)點(diǎn)時(shí)隙分配圖

網(wǎng)絡(luò)1中源節(jié)點(diǎn)類型若非邊緣節(jié)點(diǎn)，即普通節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)類型為邊緣節(jié)點(diǎn)，時(shí)隙資源安排在第1優(yōu)先級(jí)進(jìn)行分配；網(wǎng)絡(luò)1中源節(jié)點(diǎn)類型為邊緣節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)類型為邊緣節(jié)點(diǎn)，時(shí)隙資源安排在第2優(yōu)先級(jí)進(jìn)行分配；網(wǎng)絡(luò)1中源節(jié)點(diǎn)類型為邊緣節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)類型為普通節(jié)點(diǎn)，時(shí)隙資源安排在第3優(yōu)先級(jí)進(jìn)行分配；網(wǎng)絡(luò)1中源節(jié)點(diǎn)類型若非邊緣節(jié)點(diǎn)，即普通節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)類型為普通節(jié)點(diǎn)，時(shí)隙資源安排在第4優(yōu)先級(jí)進(jìn)行分配。

網(wǎng)絡(luò)2中常規(guī)節(jié)點(diǎn)時(shí)隙分配如圖8所示。

圖8 網(wǎng)絡(luò)2中常規(guī)節(jié)點(diǎn)時(shí)隙分配圖

網(wǎng)絡(luò)2中源節(jié)點(diǎn)類型若非邊緣節(jié)點(diǎn)，即普通節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)類型為邊緣節(jié)點(diǎn)，時(shí)隙資源安排在第1優(yōu)先級(jí)進(jìn)行分配；網(wǎng)絡(luò)2中源節(jié)點(diǎn)類型若非邊緣節(jié)點(diǎn)，即普通節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)類型為普通節(jié)點(diǎn)，時(shí)隙資源安排在第2優(yōu)先級(jí)進(jìn)行分配；網(wǎng)絡(luò)2中源節(jié)點(diǎn)類型為邊緣節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)類型為普通節(jié)點(diǎn)，則時(shí)隙資源安排在第3優(yōu)先級(jí)進(jìn)行分配；網(wǎng)絡(luò)2中源節(jié)點(diǎn)類型為邊緣節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)類型為邊緣節(jié)點(diǎn)，則時(shí)隙資源安排在第4優(yōu)先級(jí)進(jìn)行分配。

4 仿真驗(yàn)證

本文使用Opnet14.5軟件仿真平臺(tái)對(duì)LI-PAN協(xié)議以及文獻(xiàn)[7]的協(xié)議進(jìn)行模擬與比較，設(shè)置相應(yīng)的仿真參數(shù)，其具體數(shù)值如表1所示，收集統(tǒng)計(jì)量，對(duì)比并分析兩種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)性能，驗(yàn)證LI-PAN協(xié)議的改進(jìn)效果。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

在整個(gè)仿真網(wǎng)絡(luò)中，存在兩個(gè)PNC、1個(gè)網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)，每個(gè)WPAN中各存在4個(gè)常規(guī)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)邊緣節(jié)點(diǎn)占常規(guī)節(jié)點(diǎn)的比例，設(shè)置5個(gè)不同的仿真場(chǎng)景。在整個(gè)仿真過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)之間所發(fā)送的業(yè)務(wù)量保持不變，為了突出N-CTAP中的常規(guī)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)干擾問(wèn)題，這里設(shè)置在P-CTAP內(nèi)的業(yè)務(wù)量為0，在每個(gè)仿真場(chǎng)景中將LI-PAN協(xié)議分別與文獻(xiàn)[7]進(jìn)行對(duì)比。

仿真結(jié)果及分析如下：

(1) 消息傳輸成功率

圖9所示為消息傳輸成功率對(duì)比圖。由圖可知，隨著WPAN中邊緣節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，消息傳輸成功率不斷下降，其主要原因?yàn)?，兩個(gè)WPAN在N-CTAP中分配時(shí)隙資源時(shí)并未考慮到鄰近WPAN的存在，并且忽視了兩個(gè)WPAN中存在互相在彼此通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)——邊緣節(jié)點(diǎn)，該類節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)相互產(chǎn)生干擾，因此導(dǎo)致兩個(gè)WPAN中的節(jié)點(diǎn)在傳輸時(shí)隙消息時(shí)發(fā)生碰撞，降低了網(wǎng)絡(luò)中的消息傳輸成功率。但是LI-PAN的成功率始終高于文獻(xiàn)[7]中的協(xié)議，這是因?yàn)長(zhǎng)I-PAN考慮到了鄰近WPAN的存在，并將常規(guī)節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步分為普通節(jié)點(diǎn)和邊緣節(jié)點(diǎn)，找出產(chǎn)生干擾的節(jié)點(diǎn)類型——邊緣節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)常規(guī)節(jié)點(diǎn)時(shí)隙分配新機(jī)制按照節(jié)點(diǎn)類型分配不同的時(shí)隙資源，降低了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生干擾的概率，因而提高了消息傳輸成功率。

圖9 消息傳輸成功率對(duì)比圖

(2) 網(wǎng)絡(luò)吞吐量

網(wǎng)絡(luò)吞吐量對(duì)比如圖10所示。由圖可知，在WPAN中，隨著邊緣節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增多，網(wǎng)絡(luò)吞吐量不斷降低。主要原因在于：當(dāng)WPAN中邊緣節(jié)點(diǎn)數(shù)目增多時(shí)，WPAN中的節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)消息的傳送過(guò)程中，受到來(lái)自鄰近WPAN中節(jié)點(diǎn)干擾的概率不斷增大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)消息傳輸失敗，WPAN中吞吐量下降。但是LI-PAN通過(guò)對(duì)N-CTAP中所要進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的常規(guī)節(jié)點(diǎn)時(shí)隙按照新機(jī)制進(jìn)行排列，有效減少了節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生干擾的概率，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

圖10 網(wǎng)絡(luò)吞吐量對(duì)比圖

(3) 平均時(shí)延

端到端時(shí)延對(duì)比如圖11所示。在WPAN中，隨著邊緣節(jié)點(diǎn)的數(shù)量增多，所造成的網(wǎng)間干擾越來(lái)越大，此時(shí)需要重傳的數(shù)據(jù)幀增多，使得多PAN太赫茲WPAN的平均時(shí)延不斷上升，但是LI-PAN協(xié)議的平均時(shí)延始終要低于文獻(xiàn)[7]協(xié)議數(shù)值，這是因?yàn)長(zhǎng)I-PAN中將常規(guī)節(jié)點(diǎn)細(xì)分為邊緣節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)，使用常規(guī)節(jié)點(diǎn)時(shí)隙分配新機(jī)制將常規(guī)節(jié)點(diǎn)重新進(jìn)行分配，有效減少了邊緣節(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生干擾的概率，減少了數(shù)據(jù)幀的重傳次數(shù)，降低了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的平均時(shí)延。

圖11 平均時(shí)延對(duì)比圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要針對(duì)文獻(xiàn)[7]所提協(xié)議中多PAN太赫茲WPAN中的N-CTAP內(nèi)存在WPAN間數(shù)據(jù)傳輸干擾的問(wèn)題，提出了LI-PAN協(xié)議。包括提出邊緣節(jié)點(diǎn)概念、自適應(yīng)常規(guī)節(jié)點(diǎn)信息報(bào)告機(jī)制以及常規(guī)節(jié)點(diǎn)時(shí)隙分配新機(jī)制。減少了數(shù)據(jù)傳輸干擾問(wèn)題，提高了消息傳輸成功率，更多的數(shù)據(jù)消息發(fā)送成功，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，降低了網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延。