0 引言

    太赫茲波^[1，2]是位于毫米波和遠(yuǎn)紅外光波之間的電磁波，其波長范圍為0.03 mm～3 mm，相應(yīng)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(gè)尚未完全認(rèn)知利用的頻段。

    太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)^[3]是一種新型的無線網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)無線個(gè)域網(wǎng)^[4]不同，它工作在太赫茲頻段且可支持?jǐn)?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(gè)域網(wǎng)都是在結(jié)合太赫茲頻段的特點(diǎn)下基于IEEE 802.15.3c信道接入部分進(jìn)行研究。PRIEBE S^[5]提出太赫茲通信的MAC層理論，對(duì)比分析幾種不同太赫茲用途模型的MAC層需實(shí)現(xiàn)的功能，指出針對(duì)不同的用途模型應(yīng)采用不同的太赫茲MAC解決方案，并建議太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)MAC協(xié)議以IEEE 802.15.3c為基準(zhǔn)，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(luò)MAC協(xié)議，利用物理層脈沖通信的特性，使節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)可以直接發(fā)送而不需等待，并采取低權(quán)重編碼和重復(fù)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(xiàn)[7]基于IEEE 802.15.3c對(duì)太赫茲環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了以提高太赫茲無線個(gè)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(dòng)態(tài)均衡超幀思想，即調(diào)整時(shí)隙請(qǐng)求與數(shù)據(jù)發(fā)送之間的占時(shí)比例，以保證本超幀的時(shí)隙請(qǐng)求量與時(shí)隙資源量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大化及接入時(shí)延最小化，其超幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 網(wǎng)絡(luò)模型與問題描述

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

    太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)通常由多個(gè)DEV(Device)和一個(gè)PNC(Piconet coordinator)組成。DEV是網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)大的功能，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中信道接入管理。

    太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)的信道資源根據(jù)時(shí)間被劃分為一個(gè)個(gè)超幀，每個(gè)超幀由三階段構(gòu)成：信標(biāo)BP(Beacon period)、競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)段CAP(Channel Access Period)、信道時(shí)間分配時(shí)段CTAP(Channel Time Allocation Period)，如圖2所示，DEV在各時(shí)期采用CSMA/CA+TDMA混合方式接入信道。

    PNC在每個(gè)超幀的BP時(shí)期全向廣播Beacon幀，包含網(wǎng)絡(luò)同步信息、時(shí)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(jìn)行時(shí)間同步，同時(shí)獲取自己在CTAP時(shí)期時(shí)隙分配情況。CAP時(shí)期采用CSMA/CA方式競(jìng)爭(zhēng)信道，有數(shù)據(jù)發(fā)送需求的DEV向PNC發(fā)送信道時(shí)隙申請(qǐng)幀，PNC根據(jù)收到的信道時(shí)隙申請(qǐng)?jiān)谙乱怀瑤腂eacon幀中廣播時(shí)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(shí)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(guān)MAC協(xié)議仍然存在方案設(shè)計(jì)不完善、信道利用率較低等問題，具體如下：

    (1)在文獻(xiàn)[7]提出的動(dòng)態(tài)均衡超幀思想中，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)在每個(gè)超幀均參與數(shù)據(jù)發(fā)送，而一旦超出此假設(shè)條件，如某個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)超幀中沒有發(fā)送時(shí)隙請(qǐng)求，網(wǎng)絡(luò)中滿足超幀時(shí)隙資源量T_CTAP大于T_R且時(shí)隙請(qǐng)求個(gè)數(shù)N_R等于網(wǎng)絡(luò)總關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)N_A減1，因無法觸發(fā)PNC判斷條件，故CAP時(shí)段將持續(xù)到再次有節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)隙請(qǐng)求時(shí)才可能結(jié)束，這極大地增加了數(shù)據(jù)時(shí)延，降低了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

    (2)在現(xiàn)有相關(guān)MAC協(xié)議^[8]中，節(jié)點(diǎn)在請(qǐng)求時(shí)隙時(shí)需要進(jìn)行退避，退避值為0到退避窗口之間的一個(gè)隨機(jī)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(shí)際上，在一個(gè)超幀中每個(gè)節(jié)點(diǎn)只請(qǐng)求一次時(shí)隙，成功后該節(jié)點(diǎn)將不再競(jìng)爭(zhēng)信道，而越到后面成功發(fā)送時(shí)隙請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)越多，信道競(jìng)爭(zhēng)將越小。故不合理的競(jìng)爭(zhēng)窗口會(huì)導(dǎo)致大量信道資源浪費(fèi)在執(zhí)行退避過程上。

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

2 HTLL-MAC協(xié)議新機(jī)制

2.1 基于動(dòng)態(tài)均衡思想的接入機(jī)制

    該機(jī)制核心思想是：PNC設(shè)置一個(gè)變量t_b存放Beacon幀發(fā)送時(shí)間，同時(shí)在收到時(shí)隙請(qǐng)求后及時(shí)更新t_b，且在立即確認(rèn)時(shí)把t_b寫入未利用字段Fragmentation control中，節(jié)點(diǎn)通過提取t_b值判斷CAP時(shí)段是否結(jié)束。

    PNC收到時(shí)隙請(qǐng)求后，得出當(dāng)前時(shí)隙請(qǐng)求總量R_total，計(jì)算出滿足此請(qǐng)求量所需的CTAP長度T_CTAP。為便于計(jì)算，假設(shè)每個(gè)CTA都具有相同的長度T_CTA，超幀長度為T_S，Beacon幀傳輸時(shí)間為T_B，信道保護(hù)時(shí)隙為T_G，T_CTAP計(jì)算公式如下所示：

式中，ceil實(shí)現(xiàn)向上取整功能，此時(shí)可通過式(2)計(jì)算出新的Beacon幀發(fā)送時(shí)間t_update，并賦值給t_b。在立即確認(rèn)幀的頭部字段Fragmentation control中寫入Beacon幀的預(yù)計(jì)發(fā)送時(shí)間，即t_b的值。

    該接入機(jī)制能夠充分發(fā)揮動(dòng)態(tài)均衡超幀結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，在初期網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)少業(yè)務(wù)量小時(shí)延長CAP時(shí)段，便于新節(jié)點(diǎn)加入；而在后期節(jié)點(diǎn)多負(fù)載高時(shí)縮短CAP時(shí)段，加快數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，有效提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，減少數(shù)據(jù)時(shí)延。

2.2 動(dòng)態(tài)更改重傳競(jìng)爭(zhēng)窗口

    該機(jī)制核心思想是：在節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)隙請(qǐng)求幀之前，根據(jù)當(dāng)前參與信道競(jìng)爭(zhēng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目來更改重傳競(jìng)爭(zhēng)窗口。

    該機(jī)制具體操作可分為兩部分。設(shè)網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)前已關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為N_assoc，已成功發(fā)送時(shí)隙請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)數(shù)量為N_S，機(jī)制執(zhí)行標(biāo)識(shí)f_c，每次進(jìn)入新超幀CAP時(shí)段之前，節(jié)點(diǎn)都初始化N_S=0，f_c=1。

    首先，節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽信道。節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽收到MAC幀，提取頭部字段信息進(jìn)行判斷，若該幀為命令幀且目的節(jié)點(diǎn)非PNC，或者該幀為立即確認(rèn)幀而保留字段為0，則表明網(wǎng)絡(luò)中有其他命令幀在進(jìn)行交互，本超幀不再執(zhí)行該機(jī)制，設(shè)置f_c=0；若該幀為立即確認(rèn)幀，源節(jié)點(diǎn)為PNC且保留字段值為1，則說明已有節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送時(shí)隙請(qǐng)求，對(duì)NS執(zhí)行加1操作。

    然后，設(shè)置重傳競(jìng)爭(zhēng)窗口。節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙請(qǐng)求幀若成功發(fā)送，PNC將回復(fù)一個(gè)立即確認(rèn)幀，并置保留字段為1，表明是對(duì)某一節(jié)點(diǎn)時(shí)隙請(qǐng)求的確認(rèn)；若節(jié)點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求后未收到PNC確認(rèn)，則表明發(fā)生碰撞，在達(dá)到最大重傳次數(shù)前需要重傳。在設(shè)置重傳競(jìng)爭(zhēng)窗口前判斷f_c，若f_c=0，則重傳競(jìng)爭(zhēng)窗口依然設(shè)置為原本的退避窗口BW_old，否則重傳競(jìng)爭(zhēng)窗口BW_new根據(jù)式(4)得出。

    該機(jī)制根據(jù)已成功發(fā)送時(shí)隙請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)占已關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)總數(shù)的比例，動(dòng)態(tài)縮減時(shí)隙請(qǐng)求幀重傳時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)窗口，提高信道利用率，減少數(shù)據(jù)時(shí)延。

2.3 啟用CTA剩余時(shí)隙

    該機(jī)制的核心思想是：CTA中剩余時(shí)隙可以用于源節(jié)點(diǎn)在發(fā)送時(shí)隙請(qǐng)求時(shí)間內(nèi)緩存中新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以及目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸需求。具體如下：

    (1)節(jié)點(diǎn)提取時(shí)隙分配信息，記錄自身作為源節(jié)點(diǎn)分配的CTA信息，以及每個(gè)CTA中目的節(jié)點(diǎn)的信息；

    (2)在自身既不是源也不是目的的CTA中，節(jié)點(diǎn)將接收天線對(duì)準(zhǔn)當(dāng)前CTA目的節(jié)點(diǎn)的方向；而在自身作為源節(jié)點(diǎn)分配的CTA中，若分配的時(shí)隙量大于自己請(qǐng)求的時(shí)隙量，則在多余的時(shí)隙內(nèi)，只要緩存中有數(shù)據(jù)就可以一直發(fā)送，當(dāng)緩存中沒有數(shù)據(jù)時(shí)，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)空數(shù)據(jù)幀，并設(shè)置頭部中more data字段為0；

    (3)目的節(jié)點(diǎn)在收到頭部more data字段值為0的空數(shù)據(jù)幀時(shí)，則知道源節(jié)點(diǎn)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(jì)算當(dāng)前CTA剩余時(shí)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(diǎn)可以一直發(fā)送自身的數(shù)據(jù)，直到當(dāng)前CTA結(jié)束。

式中，T_aggr為聚合幀傳輸耗時(shí)，T_blk-ack為塊確認(rèn)幀傳輸耗時(shí)。

    該方法充分利用了CTA剩余時(shí)隙，又不會(huì)產(chǎn)生冗余開銷，同時(shí)對(duì)新數(shù)據(jù)到來以及信道質(zhì)量導(dǎo)致數(shù)據(jù)重傳的情況進(jìn)行了考慮，有利于減少數(shù)據(jù)時(shí)延，提高信道利用率。

3 仿真分析

3.1 仿真統(tǒng)計(jì)量及參數(shù)設(shè)置

3.1.1 仿真統(tǒng)計(jì)量

    (1)MAC層吞吐量

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

其中，B_rec為各節(jié)點(diǎn)MAC層正確接收的數(shù)據(jù)開銷大小，T_s為網(wǎng)絡(luò)通信總時(shí)長，在仿真中即數(shù)據(jù)產(chǎn)生開始時(shí)間到當(dāng)前時(shí)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(shí)延

    數(shù)據(jù)時(shí)延一般指數(shù)據(jù)開銷自產(chǎn)生到被正確接收中間所用時(shí)間。平均時(shí)延則是對(duì)所有的時(shí)延值取平均，計(jì)算公式如下：

其中，d_i為第i個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)延，包括層間處理、MAC層排隊(duì)、傳輸以及傳播耗時(shí)，一般不考慮目的節(jié)點(diǎn)處理時(shí)延，當(dāng)數(shù)據(jù)出錯(cuò)重傳時(shí)，重傳耗時(shí)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(gè)數(shù)。

    (3)信道利用率

    信道利用率是指數(shù)據(jù)幀傳輸時(shí)間占信道總時(shí)間的比例，最能體現(xiàn)MAC協(xié)議的工作效率，其計(jì)算公式如下：

其中T_i為第i個(gè)數(shù)據(jù)幀傳輸時(shí)延，T_S為網(wǎng)絡(luò)通信總時(shí)長。數(shù)據(jù)幀傳輸時(shí)間所占比例越大，說明信道資源無效浪費(fèi)越少，MAC層工作效率越高。

3.1.2 仿真參數(shù)設(shè)置

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

3.2 仿真結(jié)果及分析

3.2.1 MAC層吞吐量

    如圖3所示，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到飽和時(shí)，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(dòng)態(tài)均衡超幀結(jié)構(gòu)的接入機(jī)制根據(jù)時(shí)隙請(qǐng)求量設(shè)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(gè)時(shí)隙請(qǐng)求幀發(fā)送時(shí)間的限制，減少信道浪費(fèi)；(2)時(shí)隙請(qǐng)求幀在出錯(cuò)重傳時(shí)根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)數(shù)更改競(jìng)爭(zhēng)窗口，總體上減少了退避時(shí)間，使得更多信道時(shí)隙資源用于CTAP時(shí)段數(shù)據(jù)發(fā)送，可承載的業(yè)務(wù)量也就越大。

3.2.2 數(shù)據(jù)平均時(shí)延

    如圖4所示，HTLL-MAC協(xié)議數(shù)據(jù)平均時(shí)延至少降低了32.53%。時(shí)延降低的主要原因?yàn)椋?1)動(dòng)態(tài)更改重傳競(jìng)爭(zhēng)窗口使節(jié)點(diǎn)更快請(qǐng)求到時(shí)隙，增加CTAP長度，促進(jìn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，減少數(shù)據(jù)時(shí)延；(2)充分利用CTA剩余時(shí)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(qǐng)求時(shí)隙等流程中的耗時(shí)。

3.2.3 信道利用率

    如圖5所示，HTLL-MAC協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)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?yàn)椋?1)新接入機(jī)制根據(jù)當(dāng)前業(yè)務(wù)量調(diào)整CTAP的長度，在網(wǎng)絡(luò)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(shí)間，提高信道利用率；(2)動(dòng)態(tài)更改重傳競(jìng)爭(zhēng)窗口可以減少信道資源在退避過程中的浪費(fèi)，使信道利用率得到提高。

4 結(jié)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(gè)域網(wǎng)通信需求的高吞吐量低時(shí)延MAC協(xié)議——HTLL-MAC。通過采用基于動(dòng)態(tài)均衡思想的接入機(jī)制、動(dòng)態(tài)更改重傳競(jìng)爭(zhēng)窗口以及啟用CTA剩余時(shí)隙等機(jī)制，從總體上提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低了數(shù)據(jù)時(shí)延。最后通過仿真驗(yàn)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(xué) 移動(dòng)通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065)