劉穎出，李 寧

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊050081)

0 引言

太赫茲通信是未來(lái)6G通信的核心技術(shù)之一，可以應(yīng)用在衛(wèi)星通信、航天通信、數(shù)據(jù)鏈、芯片間通信、氣象觀測(cè)、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注太赫茲通信系統(tǒng)的研發(fā)工作，并取得了一系列重要成果[1]。

日本NTT公司早在2010年便實(shí)現(xiàn)了一套最遠(yuǎn)距離達(dá)5.8 km的太赫茲無(wú)線傳輸系統(tǒng)，通信速率為10 Gbit/s，工作頻段為120 GHz，發(fā)射功率達(dá)到了16 dBm[2]。2017年，德國(guó)Braunschweig太赫茲通信實(shí)驗(yàn)室基于單片微波集成電路的模擬前端，在300 GHz載波頻率下傳輸數(shù)據(jù)速率高達(dá)64 Gbit/s的寬帶復(fù)合調(diào)制信號(hào)，最大發(fā)射機(jī)符號(hào)速率為32 Gbit/s[3]。日本研究團(tuán)隊(duì)也于2017年完成了基于80 nm InP工藝的HEMT的300 GHz無(wú)線通信系統(tǒng)，在2.22 m距離下，利用16QAM調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)了100 Gbit/s的通信速率[4-5]。

在國(guó)內(nèi)，同樣有許多研究機(jī)構(gòu)和高校針對(duì)太赫茲通信系統(tǒng)進(jìn)行了研發(fā)。2017年，電子科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了在室外200 m距離下，利用QPSK調(diào)制方式，達(dá)到了3.52 Gbit/s的速率[6-8]。同年，中物院微太研究中心成功研制出可在21 km距離內(nèi)通信的太赫茲通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用16QAM調(diào)制方式，工作頻率為140 GHz，可實(shí)現(xiàn)5 Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平[9-10]。

總體而言，針對(duì)太赫茲通信系統(tǒng)的研究已經(jīng)十分廣泛，然而，對(duì)于太赫茲通信組網(wǎng)的研究卻并不太多。太赫茲通信組網(wǎng)的核心在于MAC層協(xié)議和算法的設(shè)計(jì)。由于太赫茲波的超高頻率，導(dǎo)致其具有極強(qiáng)的方向性，使得波束對(duì)準(zhǔn)及組網(wǎng)難度大大增加。目前有兩種主流的技術(shù)路線，第一種是采用雙信道方式，將命令幀搭載到較低頻段(如2.4 GHz)進(jìn)行傳輸，使得通信節(jié)點(diǎn)雙方能快速進(jìn)行波束對(duì)準(zhǔn)，之后在太赫茲頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的收發(fā)，但缺點(diǎn)在于通信節(jié)點(diǎn)需要搭載全向和定向兩種天線，成本高昂，不易于小型化，這一思路的典型代表協(xié)議為TAB-MAC、MRA-MAC等[11-12]。第二種方式是通信全程均在太赫茲波段進(jìn)行，同時(shí)采用天線扇區(qū)級(jí)掃描、快速波束賦形對(duì)準(zhǔn)等技術(shù)，降低網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延，其代表協(xié)議有FED-MAC、RHSU-MAC等[13-14]，該種技術(shù)路線主要基于IEEE802.15.3c協(xié)議。

本文依據(jù)上文提到的第二種思路，即只采用一種信道的方式，依托OPNET仿真平臺(tái)，完成了CSMA/CA與TDMA相結(jié)合的太赫茲無(wú)線網(wǎng)絡(luò)超高速定向MAC協(xié)議模塊的開(kāi)發(fā)，詳細(xì)闡述了設(shè)計(jì)思想和關(guān)鍵算法實(shí)現(xiàn)，并最終搭建了多節(jié)點(diǎn)太赫茲通信組網(wǎng)模型，涵蓋超幀時(shí)段劃分、波束賦形與對(duì)準(zhǔn)、天線建模、天線扇區(qū)級(jí)掃描以及幀設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。

1 基于OPNET的太赫茲通信組網(wǎng)模型設(shè)計(jì)

本文使用的OPNET仿真平臺(tái)為14.5版本，支持太赫茲信道下的數(shù)據(jù)傳輸和定向天線建模。同時(shí)，本文采用了從3個(gè)層次逐層建模的方法，從高到低依次為網(wǎng)絡(luò)模型、節(jié)點(diǎn)模型、進(jìn)程模型，分別由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和信道環(huán)境、各協(xié)議模塊和狀態(tài)機(jī)組成。仿真模型包括開(kāi)發(fā)進(jìn)程模型、定義節(jié)點(diǎn)模型、構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型以及最終收集統(tǒng)計(jì)量等步驟，同時(shí)建立了定向天線模型，并最終實(shí)現(xiàn)了太赫茲信道的數(shù)據(jù)傳輸及多點(diǎn)組網(wǎng)系統(tǒng)仿真。

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)模型如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)模型Fig.1 Network model

圖2 收信機(jī)信道模型Fig.2 Channel model of the receiver

圖3 發(fā)信機(jī)信道模型Fig.3 Channel model of the transmitter

該模型包含DEV和PNC兩種節(jié)點(diǎn)，其中DEV為普通通信節(jié)點(diǎn)，而PNC為中心協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)廣播Beacon幀、分配時(shí)隙、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)信息以及與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互等。各個(gè)節(jié)點(diǎn)為固定節(jié)點(diǎn)且各節(jié)點(diǎn)均處于同一水平面。信道環(huán)境設(shè)計(jì)為圖2和圖3所示，均采用64QAM調(diào)制解調(diào)方式，通過(guò)11個(gè)管道階段分別計(jì)算接收功率、信噪比、誤碼率等參數(shù)，最終根據(jù)誤碼率以及糾錯(cuò)門限判斷是否丟包。其中接收功率計(jì)算方式為[15-16]：

Pr=Pin×Dtx×Ls×Drx,

(1)

式中，Pin為帶內(nèi)發(fā)射功率，Dtx為發(fā)射天線增益，Ls為自由空間下的路徑損耗，Drx為接收天線增益。由此可計(jì)算出接收功率，并進(jìn)一步得到SNR：

(2)

式中，Pr為接收功率，Pb和Pi分別為背景噪聲和內(nèi)部噪聲。而處理增益計(jì)算方式為：

(3)

式中，Bw為帶寬，Dr為傳輸速率。最終可得到有效SNR為[17]：

RSNR=SNR+Pt。

(4)

OPNET仿真核心根據(jù)RSNR和調(diào)制方式計(jì)算出誤碼率BER，進(jìn)而再得到錯(cuò)誤分布，同時(shí)與錯(cuò)誤門限ECC進(jìn)行對(duì)比，判斷是否丟包。

1.2 節(jié)點(diǎn)模型

本文設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)模型由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成，如圖4所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)模型Fig.4 Node model

物理層由定向天線模塊、接收機(jī)和發(fā)射機(jī)組成，其中論文獨(dú)立設(shè)計(jì)的定向天線模型如圖5所示。為確保精確性，以z軸為基準(zhǔn)，在0°～180°范圍內(nèi)將天線分成210個(gè)切片，分別按照增益曲線進(jìn)行建模。從圖中可以看出，主瓣方向?yàn)閦軸方向，其余方向均有增益不等的旁瓣；接收機(jī)和發(fā)射機(jī)主要作用為信道建模，模塊存儲(chǔ)了信道的各項(xiàng)參數(shù)供仿真核心進(jìn)行管道階段的計(jì)算；數(shù)據(jù)鏈路層的核心為太赫茲MAC模塊，也是本文設(shè)計(jì)的核心底層模塊，該模塊制定了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信規(guī)則、幀收發(fā)方式、資源調(diào)度、檢錯(cuò)重傳、波束賦形等多項(xiàng)核心功能；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)對(duì)源產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝并對(duì)接收到的幀進(jìn)行拆封；傳輸層負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸；應(yīng)用層包含src和sink兩個(gè)模塊，分別負(fù)責(zé)產(chǎn)生數(shù)據(jù)和記錄收到的數(shù)據(jù)并更新統(tǒng)計(jì)量。為保證仿真的真實(shí)性，設(shè)計(jì)的src模塊以隨機(jī)時(shí)間產(chǎn)生隨機(jī)大小的數(shù)據(jù)包，并逐層下發(fā)，同時(shí)sink模塊記錄收到的數(shù)據(jù)包信息并實(shí)時(shí)更新統(tǒng)計(jì)量。

圖5 定向天線模型Fig.5 Directional antenna model

1.3 進(jìn)程模型

太赫茲MAC進(jìn)程模型為本文設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工作的重點(diǎn)，其底層狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 太赫茲MAC進(jìn)程模型Fig.6 Terahertz MAC process model

從圖6可以看出，本文共設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了4個(gè)狀態(tài)機(jī)。其中Init強(qiáng)制狀態(tài)的主要工作是初始化節(jié)點(diǎn)的各項(xiàng)參數(shù)和標(biāo)志位、分配必要的鏈表所需內(nèi)存等。Beacon、CAP和CTAP非強(qiáng)制狀態(tài)機(jī)對(duì)應(yīng)了超幀的3個(gè)時(shí)段,該超幀模型如圖7所示[18]。Beacon狀態(tài)機(jī)對(duì)應(yīng)超幀中的Beacon時(shí)段，且在該時(shí)段下PNC負(fù)責(zé)定向輪詢廣播Beacon幀。該幀中包含此超幀必要的時(shí)間戳信息、ID信息及時(shí)隙分配信息。CAP狀態(tài)機(jī)對(duì)應(yīng)超幀中的CAP時(shí)段。該時(shí)段進(jìn)一步又細(xì)分為關(guān)聯(lián)CAP時(shí)段和常規(guī)CAP時(shí)段。在關(guān)聯(lián)CAP時(shí)段中，DEV根據(jù)緩沖區(qū)的情況執(zhí)行關(guān)聯(lián)入網(wǎng)操作；在常規(guī)CAP時(shí)段，有數(shù)據(jù)發(fā)送需求的DEV將以CSMA/CA方式競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙資源，同時(shí)PNC會(huì)根據(jù)時(shí)隙使用情況進(jìn)行時(shí)隙資源分配；CTAP狀態(tài)機(jī)對(duì)應(yīng)超幀中的CTAP時(shí)段。在該時(shí)段下，需發(fā)送數(shù)據(jù)的DEV進(jìn)行波束賦形訓(xùn)練后，開(kāi)始在各自的CTA中傳輸數(shù)據(jù)。

圖7 超幀結(jié)構(gòu)Fig.7 Superframe structure

1.3.1 Beacon

設(shè)計(jì)的Beacon狀態(tài)機(jī)算法如圖8所示。為了方便未來(lái)軟硬件結(jié)合及代碼移植，將狀態(tài)機(jī)內(nèi)的實(shí)現(xiàn)代碼封裝到函數(shù)中，并放在了狀態(tài)轉(zhuǎn)移線上。

圖8 Beacon狀態(tài)機(jī)算法流程Fig.8 Algorithm flow of Beacon state

該算法的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)在于用程序模擬實(shí)現(xiàn)天線掃描。本文提出了一種設(shè)置參考坐標(biāo)的方式，使得天線在固定時(shí)刻能夠?qū)⒔?jīng)緯度等指向參數(shù)進(jìn)行更新，使得其與參考坐標(biāo)一致。以幾何坐標(biāo)理論，得到經(jīng)緯度計(jì)算公式：

(5)

(6)

dlatitude和dlongitude分別為天線的維度和經(jīng)度指向坐標(biāo)；tlatitude和tlongitude為天線當(dāng)下指向的經(jīng)緯度參數(shù)；ddistance為固定值，取決于要設(shè)置的參考點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間的距離；θ為天線旋轉(zhuǎn)角度。通過(guò)設(shè)定不同的θ值，便可以將掃描范圍分成不同數(shù)量的扇區(qū)。此外，如圖6所示，除了天線扇區(qū)掃描外，Beacon狀態(tài)機(jī)還具有廣播Beacon幀、處理從上層和下層接收的幀以及狀態(tài)跳轉(zhuǎn)等功能，分別由Scan_channel、Send_beacon、Up_arrivl以及Low_arrivl等函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

1.3.2 CAP

本文設(shè)計(jì)的CAP狀態(tài)機(jī)算法如圖9、圖10所示，分為CAP關(guān)聯(lián)算法和CAP常規(guī)算法兩部分，分別對(duì)應(yīng)超幀中的CAP關(guān)聯(lián)子時(shí)段和常規(guī)子時(shí)段。在不同的時(shí)段，PNC逐扇區(qū)掃描，以接收可能的請(qǐng)求幀，并實(shí)時(shí)更新維護(hù)關(guān)聯(lián)列表和時(shí)隙請(qǐng)求列表；DEV節(jié)點(diǎn)會(huì)在不同時(shí)段檢查自己的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，判斷自己是否需要關(guān)聯(lián)入網(wǎng)和請(qǐng)求時(shí)隙。為了充分利用時(shí)隙資源，設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)分配時(shí)隙資源的算法。首先PNC根據(jù)式(7)來(lái)計(jì)算所需分配的時(shí)隙量TCTAP，其中，TCTA是每個(gè)CTA持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，SIFS為保護(hù)時(shí)隙，ceil為向上取整。當(dāng)剩余時(shí)隙大于零小于所需時(shí)隙時(shí)，PNC依然會(huì)給DEV分配，并在回復(fù)幀中通知DEV分配情況。DEV緩存區(qū)剩余數(shù)據(jù)幀將在下個(gè)超幀中繼續(xù)分配，如此一來(lái)便能充分利用每個(gè)超幀中的時(shí)隙資源。

(7)

圖9 關(guān)聯(lián)CAP狀態(tài)機(jī)算法流程Fig.9 Algorithm flow of S-CAP state

圖10 常規(guī)CAP狀態(tài)機(jī)算法流程Fig.10 Algorithm flow of S-CAP state

1.3.3 CTAP

本文設(shè)計(jì)的CTAP狀態(tài)機(jī)算法模型如圖11所示。為了盡可能降低波束賦形所占的時(shí)間，根據(jù)源節(jié)點(diǎn)的不同，優(yōu)化了算法流程，即當(dāng)源節(jié)點(diǎn)為PNC時(shí)，省略了部分波束賦形步驟，縮短了波束賦形時(shí)間。CTAP狀態(tài)機(jī)主要的工作是進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的傳輸，為了減少重傳次數(shù)，在每個(gè)數(shù)據(jù)幀發(fā)送后，目的節(jié)點(diǎn)都會(huì)返回一個(gè)ACK響應(yīng)。

圖11 CTAP算法模型Fig.11 Algorithm flow of CTAP state

2 仿真分析

本文基于OPNET14.5搭建的多節(jié)點(diǎn)太赫茲組網(wǎng)仿真環(huán)境參數(shù)如表1所示，分別對(duì)beacon幀接收情況、波束賦形情況進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)的成功率和吞吐量進(jìn)行了仿真。如圖12所示，由于在本次仿真中只包含4個(gè)普通DEV，因此只有4個(gè)DEV會(huì)收到beacon幀。仿真結(jié)果顯示收到的beacon幀只有4個(gè)不同扇區(qū)號(hào)，表示這4個(gè)DEV分別位于PNC的4個(gè)不同扇區(qū)，與理論分析相符；波束賦形情況如圖13所示，左邊較為密集的部分表示源DEV發(fā)出的訓(xùn)練幀數(shù)量，右邊的部分表示目的DEV向源DEV發(fā)送的波束訓(xùn)練幀數(shù)量。從圖中可以看出，源DEV在每一個(gè)扇區(qū)發(fā)送的訓(xùn)練幀數(shù)量變化都是從1到72，一共變化72次，說(shuō)明源DEV在72個(gè)扇區(qū)都發(fā)送了訓(xùn)練幀，并且每個(gè)扇區(qū)發(fā)送了72個(gè)，而目的DEV只對(duì)準(zhǔn)源DEV所在扇區(qū)連續(xù)發(fā)送了72個(gè)訓(xùn)練幀，與所設(shè)計(jì)的理論過(guò)程相符。

表1 仿真參數(shù)

圖12 接收Beacon幀情況Fig.12 Receive Beacon frame situation

圖13 波束賦形情況Fig.13 Beamforming situation

吞吐量和成功率仿真結(jié)果如圖14和圖15所示。從仿真結(jié)果看，除去初始化階段，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)發(fā)送成功率呈快速上升趨勢(shì)，最終達(dá)到100%，證明本文設(shè)計(jì)的仿真模型在數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃苑矫媸禽^為優(yōu)秀的，并且吞吐量最高可達(dá)到10 Gbit/s。

圖14 網(wǎng)絡(luò)幀接收成功率Fig.14 Network frame receiving success rate

圖15 網(wǎng)絡(luò)吞吐量Fig.15 Throughput of network

3 結(jié)束語(yǔ)

基于OPNET仿真平臺(tái)，采用分三層建模的思路設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了太赫茲通信組網(wǎng)仿真模型，降低了建模的邏輯復(fù)雜度，提高了建模效率；在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)模型時(shí)參考了現(xiàn)有通信協(xié)議七層架構(gòu)并做了簡(jiǎn)化，分層次分模塊進(jìn)行底層算法編寫(xiě)，這使得該節(jié)點(diǎn)模型的設(shè)計(jì)變得較為靈活，可拓展性大大加強(qiáng)；在設(shè)計(jì)MAC協(xié)議模塊時(shí)，將所有算法均編寫(xiě)和封裝進(jìn)功能函數(shù)中，相對(duì)于在狀態(tài)機(jī)中實(shí)現(xiàn)，能夠極大增強(qiáng)算法的可移植性，同時(shí)大幅降低狀態(tài)機(jī)數(shù)量，增強(qiáng)了算法的可讀性和邏輯性；算法實(shí)現(xiàn)上，優(yōu)化了波束賦形方面，能夠在部分通信場(chǎng)景下降低波束賦形的時(shí)間開(kāi)銷，同時(shí)在時(shí)隙分配方面，本文設(shè)計(jì)的算法采用按需分配、盡力分配的設(shè)計(jì)思路，一定程度地避免了時(shí)隙浪費(fèi)。

此外，本文詳細(xì)闡述了仿真設(shè)計(jì)思路和核心算法流程，并進(jìn)行了仿真分析，也為后續(xù)研究提供一種仿真設(shè)計(jì)思路。通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)的天線掃描、波束賦形、幀收發(fā)等算法和開(kāi)發(fā)的MAC協(xié)議模塊、天線模塊符合設(shè)計(jì)預(yù)期，且網(wǎng)絡(luò)性能良好，可以用于模擬真實(shí)環(huán)境下太赫茲通信組網(wǎng)的各個(gè)過(guò)程。在未來(lái)的研究中，將以此為基礎(chǔ)，不斷完善太赫茲通信組網(wǎng)仿真模型，優(yōu)化MAC協(xié)議模塊，進(jìn)一步發(fā)揮OPNET仿真平臺(tái)的效用。