0 引言

    太赫茲波^[1，2]是位于毫米波和遠紅外光波之間的電磁波，其波長范圍為0.03 mm～3 mm，相應頻率范圍為0.1 THz～10 THz。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知利用的頻段。

    太赫茲無線個域網(wǎng)^[3]是一種新型的無線網(wǎng)絡，與傳統(tǒng)無線個域網(wǎng)^[4]不同，它工作在太赫茲頻段且可支持數(shù)十Gb/s乃至1 Tb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率?，F(xiàn)有的太赫茲無線個域網(wǎng)都是在結合太赫茲頻段的特點下基于IEEE 802.15.3c信道接入部分進行研究。PRIEBE S^[5]提出太赫茲通信的MAC層理論，對比分析幾種不同太赫茲用途模型的MAC層需實現(xiàn)的功能，指出針對不同的用途模型應采用不同的太赫茲MAC解決方案，并建議太赫茲無線個域網(wǎng)MAC協(xié)議以IEEE 802.15.3c為基準，在其上修改形成新的協(xié)議。JORNET J M等^[6]提出一種太赫茲電磁納米網(wǎng)絡MAC協(xié)議，利用物理層脈沖通信的特性，使節(jié)點有數(shù)據(jù)可以直接發(fā)送而不需等待，并采取低權重編碼和重復編碼降低誤碼率，但這些編碼方案的采用將大大降低編碼效率。文獻[7]基于IEEE 802.15.3c對太赫茲環(huán)境特點進行研究，設計了以提高太赫茲無線個域網(wǎng)性能的HTLD-MAC(High Throughput Low Delay MAC protocol for Terahertz wireless network environment)協(xié)議。在HTLD-MAC中，作者提出了一種動態(tài)均衡超幀思想，即調整時隙請求與數(shù)據(jù)發(fā)送之間的占時比例，以保證本超幀的時隙請求量與時隙資源量達到動態(tài)平衡，實現(xiàn)網(wǎng)絡吞吐量最大化及接入時延最小化，其超幀結構如圖1所示。

1 網(wǎng)絡模型與問題描述

1.1 網(wǎng)絡模型

    太赫茲無線個域網(wǎng)通常由多個DEV(Device)和一個PNC(Piconet coordinator)組成。DEV是網(wǎng)絡中基本單元，承載數(shù)據(jù)通信；而PNC是一種特殊的DEV，具備更為強大的功能，負責網(wǎng)絡中信道接入管理。

    太赫茲無線個域網(wǎng)的信道資源根據(jù)時間被劃分為一個個超幀，每個超幀由三階段構成：信標BP(Beacon period)、競爭接入時段CAP(Channel Access Period)、信道時間分配時段CTAP(Channel Time Allocation Period)，如圖2所示，DEV在各時期采用CSMA/CA+TDMA混合方式接入信道。

    PNC在每個超幀的BP時期全向廣播Beacon幀，包含網(wǎng)絡同步信息、時隙分配信息和其他一些控制信息，DEV在收到Beacon幀后，根據(jù)同步信息進行時間同步，同時獲取自己在CTAP時期時隙分配情況。CAP時期采用CSMA/CA方式競爭信道，有數(shù)據(jù)發(fā)送需求的DEV向PNC發(fā)送信道時隙申請幀，PNC根據(jù)收到的信道時隙申請在下一超幀的Beacon幀中廣播時隙分配信息。CTAP由一系列CTA(Channel time allocation)組成，采用TDMA方式接入信道，各DEV在屬于自己的時隙中發(fā)送數(shù)據(jù)。

1.2 問題描述

    研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有相關MAC協(xié)議仍然存在方案設計不完善、信道利用率較低等問題，具體如下：

    (1)在文獻[7]提出的動態(tài)均衡超幀思想中，假設網(wǎng)絡中所有節(jié)點在每個超幀均參與數(shù)據(jù)發(fā)送，而一旦超出此假設條件，如某個節(jié)點在一個超幀中沒有發(fā)送時隙請求，網(wǎng)絡中滿足超幀時隙資源量T_CTAP大于T_R且時隙請求個數(shù)N_R等于網(wǎng)絡總關聯(lián)節(jié)點個數(shù)N_A減1，因無法觸發(fā)PNC判斷條件，故CAP時段將持續(xù)到再次有節(jié)點發(fā)送時隙請求時才可能結束，這極大地增加了數(shù)據(jù)時延，降低了網(wǎng)絡吞吐量。

    (2)在現(xiàn)有相關MAC協(xié)議^[8]中，節(jié)點在請求時隙時需要進行退避，退避值為0到退避窗口之間的一個隨機值，而其退避窗口根據(jù)重傳次數(shù)(0、1、2、3)依次取值為(7、15、31、63)。實際上，在一個超幀中每個節(jié)點只請求一次時隙，成功后該節(jié)點將不再競爭信道，而越到后面成功發(fā)送時隙請求的節(jié)點越多，信道競爭將越小。故不合理的競爭窗口會導致大量信道資源浪費在執(zhí)行退避過程上。

    (3)現(xiàn)有相關MAC協(xié)議中一個CTA的長度是固定的，PNC不能隨意更改CTA的長度，且一個CTA不能同時分配給多個節(jié)點。此時，若分配的整數(shù)個CTA的長度大于節(jié)點的時隙請求量，CTA中存在的剩余時隙將被浪費。

2 HTLL-MAC協(xié)議新機制

2.1 基于動態(tài)均衡思想的接入機制

    該機制核心思想是：PNC設置一個變量t_b存放Beacon幀發(fā)送時間，同時在收到時隙請求后及時更新t_b，且在立即確認時把t_b寫入未利用字段Fragmentation control中，節(jié)點通過提取t_b值判斷CAP時段是否結束。

    PNC收到時隙請求后，得出當前時隙請求總量R_total，計算出滿足此請求量所需的CTAP長度T_CTAP。為便于計算，假設每個CTA都具有相同的長度T_CTA，超幀長度為T_S，Beacon幀傳輸時間為T_B，信道保護時隙為T_G，T_CTAP計算公式如下所示：

式中，ceil實現(xiàn)向上取整功能，此時可通過式(2)計算出新的Beacon幀發(fā)送時間t_update，并賦值給t_b。在立即確認幀的頭部字段Fragmentation control中寫入Beacon幀的預計發(fā)送時間，即t_b的值。

    該接入機制能夠充分發(fā)揮動態(tài)均衡超幀結構的優(yōu)勢，在初期網(wǎng)絡中節(jié)點少業(yè)務量小時延長CAP時段，便于新節(jié)點加入；而在后期節(jié)點多負載高時縮短CAP時段，加快數(shù)據(jù)轉發(fā)，有效提高網(wǎng)絡吞吐量，減少數(shù)據(jù)時延。

2.2 動態(tài)更改重傳競爭窗口

    該機制核心思想是：在節(jié)點發(fā)送時隙請求幀之前，根據(jù)當前參與信道競爭的節(jié)點數(shù)目來更改重傳競爭窗口。

    該機制具體操作可分為兩部分。設網(wǎng)絡中當前已關聯(lián)節(jié)點數(shù)量為N_assoc，已成功發(fā)送時隙請求節(jié)點數(shù)量為N_S，機制執(zhí)行標識f_c，每次進入新超幀CAP時段之前，節(jié)點都初始化N_S=0，f_c=1。

    首先，節(jié)點監(jiān)聽信道。節(jié)點監(jiān)聽收到MAC幀，提取頭部字段信息進行判斷，若該幀為命令幀且目的節(jié)點非PNC，或者該幀為立即確認幀而保留字段為0，則表明網(wǎng)絡中有其他命令幀在進行交互，本超幀不再執(zhí)行該機制，設置f_c=0；若該幀為立即確認幀，源節(jié)點為PNC且保留字段值為1，則說明已有節(jié)點成功發(fā)送時隙請求，對NS執(zhí)行加1操作。

    然后，設置重傳競爭窗口。節(jié)點的時隙請求幀若成功發(fā)送，PNC將回復一個立即確認幀，并置保留字段為1，表明是對某一節(jié)點時隙請求的確認；若節(jié)點發(fā)出請求后未收到PNC確認，則表明發(fā)生碰撞，在達到最大重傳次數(shù)前需要重傳。在設置重傳競爭窗口前判斷f_c，若f_c=0，則重傳競爭窗口依然設置為原本的退避窗口BW_old，否則重傳競爭窗口BW_new根據(jù)式(4)得出。

    該機制根據(jù)已成功發(fā)送時隙請求的節(jié)點個數(shù)占已關聯(lián)節(jié)點總數(shù)的比例，動態(tài)縮減時隙請求幀重傳時的競爭窗口，提高信道利用率，減少數(shù)據(jù)時延。

2.3 啟用CTA剩余時隙

    該機制的核心思想是：CTA中剩余時隙可以用于源節(jié)點在發(fā)送時隙請求時間內緩存中新產生的數(shù)據(jù)以及目的節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸需求。具體如下：

    (1)節(jié)點提取時隙分配信息，記錄自身作為源節(jié)點分配的CTA信息，以及每個CTA中目的節(jié)點的信息；

    (2)在自身既不是源也不是目的的CTA中，節(jié)點將接收天線對準當前CTA目的節(jié)點的方向；而在自身作為源節(jié)點分配的CTA中，若分配的時隙量大于自己請求的時隙量，則在多余的時隙內，只要緩存中有數(shù)據(jù)就可以一直發(fā)送，當緩存中沒有數(shù)據(jù)時，源節(jié)點發(fā)送一個空數(shù)據(jù)幀，并設置頭部中more data字段為0；

    (3)目的節(jié)點在收到頭部more data字段值為0的空數(shù)據(jù)幀時，則知道源節(jié)點數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢，判斷自身緩存中是否有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，若有則計算當前CTA剩余時隙T_CTA-R是否足夠發(fā)送數(shù)據(jù)，在滿足式(5)的條件下，目的節(jié)點可以一直發(fā)送自身的數(shù)據(jù)，直到當前CTA結束。

式中，T_aggr為聚合幀傳輸耗時，T_blk-ack為塊確認幀傳輸耗時。

    該方法充分利用了CTA剩余時隙，又不會產生冗余開銷，同時對新數(shù)據(jù)到來以及信道質量導致數(shù)據(jù)重傳的情況進行了考慮，有利于減少數(shù)據(jù)時延，提高信道利用率。

3 仿真分析

3.1 仿真統(tǒng)計量及參數(shù)設置

3.1.1 仿真統(tǒng)計量

    (1)MAC層吞吐量

    MAC層吞吐量是指MAC層單位時間內向上層提交數(shù)據(jù)的總量，單位取比特每秒(b/s)，計算公式如下：

其中，B_rec為各節(jié)點MAC層正確接收的數(shù)據(jù)開銷大小，T_s為網(wǎng)絡通信總時長，在仿真中即數(shù)據(jù)產生開始時間到當前時刻。MAC層吞吐量除了受物理層條件限制，還受MAC協(xié)議工作效率的影響。

    (2)數(shù)據(jù)平均時延

    數(shù)據(jù)時延一般指數(shù)據(jù)開銷自產生到被正確接收中間所用時間。平均時延則是對所有的時延值取平均，計算公式如下：

其中，d_i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，當數(shù)據(jù)出錯重傳時，重傳耗時也包括在內；而N為當前網(wǎng)絡中MAC層已正確接收的數(shù)據(jù)個數(shù)。

    (3)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，最能體現(xiàn)MAC協(xié)議的工作效率，其計算公式如下：

其中T_i為第i個數(shù)據(jù)幀傳輸時延，T_S為網(wǎng)絡通信總時長。數(shù)據(jù)幀傳輸時間所占比例越大，說明信道資源無效浪費越少，MAC層工作效率越高。

3.1.2 仿真參數(shù)設置

    仿真中采用仿真工具OPNET14.5對HTLL-MAC、HTLD-MAC以及IEEE802.15.3c仿真實現(xiàn)。主要的仿真參數(shù)如表1所示。

3.2 仿真結果及分析

3.2.1 MAC層吞吐量

    如圖3所示，當網(wǎng)絡達到飽和時，HTLL-MAC協(xié)議MAC層吞吐量提高了6.15%，這主要原因在于：(1)基于動態(tài)均衡超幀結構的接入機制根據(jù)時隙請求量設置中斷觸發(fā)PNC發(fā)送Beacon幀，使得Beacon幀發(fā)送不再受最后一個時隙請求幀發(fā)送時間的限制，減少信道浪費；(2)時隙請求幀在出錯重傳時根據(jù)當前網(wǎng)絡中競爭節(jié)點數(shù)更改競爭窗口，總體上減少了退避時間，使得更多信道時隙資源用于CTAP時段數(shù)據(jù)發(fā)送，可承載的業(yè)務量也就越大。

3.2.2 數(shù)據(jù)平均時延

    如圖4所示，HTLL-MAC協(xié)議數(shù)據(jù)平均時延至少降低了32.53%。時延降低的主要原因為：(1)動態(tài)更改重傳競爭窗口使節(jié)點更快請求到時隙，增加CTAP長度，促進數(shù)據(jù)轉發(fā)，減少數(shù)據(jù)時延；(2)充分利用CTA剩余時隙，使新到來的數(shù)據(jù)無需等待即可立馬發(fā)送，減少了請求時隙等流程中的耗時。

3.2.3 信道利用率

    如圖5所示，HTLL-MAC協(xié)議在網(wǎng)絡飽和的情況下信道利用率提高了6.96%。信道利用率提高的主要原因為：(1)新接入機制根據(jù)當前業(yè)務量調整CTAP的長度，在網(wǎng)絡飽和情況下可以最大程度地減少冗余開銷，增加數(shù)據(jù)發(fā)送時間，提高信道利用率；(2)動態(tài)更改重傳競爭窗口可以減少信道資源在退避過程中的浪費，使信道利用率得到提高。

4 結束語

    本文首先闡述了現(xiàn)有MAC協(xié)議存在的一些問題，繼而提出了一種滿足太赫茲無線個域網(wǎng)通信需求的高吞吐量低時延MAC協(xié)議——HTLL-MAC。通過采用基于動態(tài)均衡思想的接入機制、動態(tài)更改重傳競爭窗口以及啟用CTA剩余時隙等機制，從總體上提高了網(wǎng)絡吞吐量，降低了數(shù)據(jù)時延。最后通過仿真驗證了HTLL-MAC的有效性。

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作者信息:

任  智，游  磊，陳  蔥，呂煜輝

(重慶郵電大學 移動通信重點實驗室，重慶400065)