《電子技術(shù)應(yīng)用》
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高時隙利用率太赫茲無線個域網(wǎng)MAC協(xié)議
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第5期
任 智,田潔麗,游 磊,呂昱輝
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
摘要: 針對現(xiàn)有的IEEE802.15.3c及高效公平(High Efficient Fairness MAC protocol,HEF-MAC)等相關(guān)接入?yún)f(xié)議涉及的標準聚合幀機制及時隙申請方式應(yīng)用到太赫茲無線個域網(wǎng)尚不完善的問題,提出了一種高時隙利用率太赫茲無線個域網(wǎng)MAC協(xié)議(HTSU-MAC)。HTSU-MAC通過采用幀聚合內(nèi)容按需重傳以及無確認時隙利用等新機制,使得信道時隙資源得以高效利用,網(wǎng)絡(luò)吞吐量得以極大提升。理論分析驗證了該協(xié)議的優(yōu)越性,仿真結(jié)果表明,HTSU-MAC協(xié)議較其他協(xié)議具有更好的網(wǎng)絡(luò)性能。
中圖分類號: TN92
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.173099
中文引用格式: 任智,田潔麗,游磊,等. 高時隙利用率太赫茲無線個域網(wǎng)MAC協(xié)議[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,44(5):103-106,110.
英文引用格式: Ren Zhi,Tian Jieli,You Lei,et al. A high time slot utilization MAC protocol for terahertz wireless personal area networks[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(5):103-106,110.
A high time slot utilization MAC protocol for terahertz wireless personal area networks
Ren Zhi,Tian Jieli,You Lei,Lv Yuhui
Chongqing Key Lab of Mobile Communications Technology, Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China
Abstract: To resolve the problem that the standard aggregation frame mechanism and slot application method of the existing IEEE802.15.3c and High Efficient Fairness MAC(HEF-MAC) protocol applied to the terahertz wireless personal area network is not perfect, a high time slot utilization MAC protocol for terahertz wireless personal area networks(HTSU-MAC) is proposed. By using the new mechanism such as on-demand retransmission of frame aggregation and utilization of no-acknowledged time slot, HTSU-MAC makes the channel slot resources used efficiently and the network throughput greatly improved. The theoretical analysis proves the superiority of the protocol, and the simulation results show that the HTSU-MAC protocol has better network performance than other protocols.
Key words : terahertz;wireless personal area network;frame aggregation;time slot allocation

0 引言

    太赫茲無線個域網(wǎng)(Terahertz Wireless Personal Area Networks,THz-WPANs)是一種數(shù)據(jù)傳輸速率能夠達到數(shù)十吉比特每秒且以太赫茲波作為載波的自組織網(wǎng)絡(luò)[1]。作為一種自組織網(wǎng)絡(luò),其應(yīng)用范圍比較廣泛:在會議現(xiàn)場,可以手機、PAD以及筆記本等作為終端設(shè)備形成自組高速通信網(wǎng)絡(luò);在室內(nèi)環(huán)境中,可以各家用電子產(chǎn)品進行物物相連而實現(xiàn)各家用器件間的高速通信網(wǎng)絡(luò)[2-3]。

    創(chuàng)建于2008年的太赫茲興趣小組IEEE 802.15 IG 太赫茲[4]的首要目標是提出一種適用于300 GHz頻段及以上的標準化的無線接入?yún)f(xié)議。在收發(fā)機技術(shù)取得巨大突破的條件下,太赫茲興趣小組于2013年成功轉(zhuǎn)變?yōu)?00 Gb/s的研究小組IEEE 802.15 SG 100G[5],這為實現(xiàn)太赫茲無線通信標準化邁出了重要一步。該研究小組于2014年順利完成了工作任務(wù),并向100 GHz任務(wù)小組進行了轉(zhuǎn)變[6]。隨后該任務(wù)組提出了向太赫茲無線通信進行過渡的具體思路: THz-WPANs接入?yún)f(xié)議應(yīng)該以IEEE 802.15.3c[7]為參考模型,在現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)能夠達到10 Gb/s以上數(shù)據(jù)傳輸速率的接入?yún)f(xié)議。

1 太赫茲無線個域網(wǎng)組成及問題描述

1.1 太赫茲無線個域網(wǎng)組成

    THz-WPANs是一種包含多個普通節(jié)點(device,DEV)和一個具有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)功能的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Piconet Network Coordinator, PNC)的集中式網(wǎng)絡(luò),其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中雙向?qū)嵕€代表的是可能存在的數(shù)據(jù)流線,單向虛線表示PNC向DEV廣播的beacon幀流線和單播的各種命令幀流線。

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    THz-WPANs將網(wǎng)絡(luò)時間劃分為一個一個的超幀(Superframe)結(jié)構(gòu),如圖2所示。從圖中可以知道,一個超幀又分為信標(Beacon Period,BP)、信道時間分配(Channel Time Allocation Period,CTAP)以及競爭接入(Contention Access Period,CAP)3個時段,而一個CTAP時段又可以包含有多個CTA[8]。在BP時段,PNC通過集中控制的方式向整個網(wǎng)絡(luò)廣播包含定時、同步以及時隙分配等信息的beacon幀;CTAP時段,各DEV之間以TDMA的方式進行數(shù)據(jù)傳輸;CAP時段,暫時沒有入網(wǎng)的DEV會以CSMA/CA的方式入網(wǎng),有數(shù)據(jù)發(fā)送需求的DEV向PNC申請時隙[9]。

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1.2 問題描述

    (1)標準幀聚合機制即源節(jié)點首先將多個(通常為8)數(shù)據(jù)子幀聚合到一起成為一個大的聚合幀,如圖3所示,發(fā)送到目的節(jié)點。但由于聚合幀所含比特數(shù)較多,與未聚合的單個數(shù)據(jù)子幀相比出錯概率會增加。在MAC子頭部出錯的情況下,如果MAC子頭部的前半部分內(nèi)容及其對應(yīng)的數(shù)據(jù)幀是正確的,它們便不用重傳,但現(xiàn)有機制將它們?nèi)恐貍?,會?dǎo)致較明顯的冗余開銷。

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    (2)在現(xiàn)有時隙申請方式下,PNC會對每個時隙請求幀以時隙回復(fù)幀的方式做出響應(yīng),但在傳輸?shù)倪^程中可能會發(fā)生碰撞。這使得該源節(jié)點在CAP時段結(jié)束時都可能收不到時隙回復(fù)幀,產(chǎn)生PNC成功分配了時隙但是節(jié)點以為PNC沒有為其分配時隙的假象,導(dǎo)致PNC為節(jié)點分配的時隙資源的連續(xù)浪費。

    面對上述未解決難題,本文提出了一種高時隙利用率太赫茲無線個域網(wǎng)接入?yún)f(xié)議(High Time Slot Utilization MAC Protocol, HTSU-MAC)。

2 HTSU-MAC協(xié)議

2.1 HTSU-MAC協(xié)議新機制

    (1)幀聚合內(nèi)容按需重傳

    該機制的主要思路是:源DEV對聚合幀MAC子頭部中前4個數(shù)據(jù)幀的子頭部進行一次專門的8 bit循環(huán)冗余校驗,校驗結(jié)果保存在聚合幀中MAC子頭部的8 bit保留位中。目的DEV收到聚合幀后如果發(fā)現(xiàn)MAC子頭部出錯,則取出前4個數(shù)據(jù)幀的子頭部進行循環(huán)冗余校驗,比對校驗結(jié)果是否和保留位中攜帶的數(shù)據(jù)相等;若相等,說明前4個數(shù)據(jù)幀的子頭部正確,則根據(jù)它們?nèi)〕鰧?yīng)的數(shù)據(jù)幀進行檢驗看是否正確;如果有正確的數(shù)據(jù)幀,則在回復(fù)幀中告訴源DEV不用重傳已正確接收的數(shù)據(jù)幀。若8 bit校驗也發(fā)生錯誤,則不作處理,源DEV重傳整個聚合幀。

    “聚合幀內(nèi)容按需重傳”新機制能夠在聚合幀中前4個數(shù)據(jù)幀的子頭部正確時減少不必要的數(shù)據(jù)幀重傳,從而降低重傳冗余開銷,提高網(wǎng)絡(luò)帶寬和時隙資源利用率,降低數(shù)據(jù)傳輸時延。

    (2)無確認時隙利用

    該機制的主要思路是:若源節(jié)點未收到PNC發(fā)送的時隙回復(fù)幀,在下一超幀的BP時段收到beacon幀后,提取其中CTA IE信息(包含了PNC為各節(jié)點分配的時隙信息),若其中包含有該節(jié)點ID的CTA塊,則節(jié)點認為PNC已經(jīng)為自己分配了時隙,就會在給自己分配的時段按時進行數(shù)據(jù)傳輸操作。

    “無確認時隙利用”新機制能夠保證源節(jié)點在沒有收到時隙回復(fù)幀的條件下,仍然可以利用PNC為其分配的時隙資源,有效地避免了時隙資源的浪費,提高了時隙資源利用率。

2.2 HTSU-MAC協(xié)議操作流程

    該協(xié)議總共涉及兩種改進機制,具體操作步驟如下:

    (1)在當(dāng)前超幀的BP時段,整個網(wǎng)絡(luò)進行初始化操作,PNC向整個網(wǎng)絡(luò)廣播beacon幀。轉(zhuǎn)步驟(2)。

    (2)在CTAP時段,各節(jié)點以TDMA的接入方式與目的節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸。轉(zhuǎn)步驟(3)。

    (3)在CAP時段,有數(shù)據(jù)發(fā)送需求的節(jié)點(節(jié)點A)向PNC發(fā)送時隙請求幀申請時隙。轉(zhuǎn)步驟(4)。

    (4)PNC收到該時隙請求幀之后,向節(jié)點A發(fā)送時隙回復(fù)幀。待臨近CAP時段結(jié)束時,PNC會對時隙資源進行劃分。轉(zhuǎn)步驟(5)。

    (5)在下一超幀的BP時段,PNC會利用beacon幀對時隙分配等信息進行廣播。節(jié)點A接收到該beacon幀之后會提取其中的CTA IE,此時節(jié)點A會啟用新提出的無確認時隙利用機制來確認自己的時隙分配情況。轉(zhuǎn)步驟(6)。

    (6)在CTAP時段,節(jié)點A會利用新提出的幀聚合內(nèi)容按需重傳新機制,以標準聚合幀的方式向目的節(jié)點發(fā)送聚合幀,目的節(jié)點收到聚合幀后以塊確認的方式進行確認。

3 理論分析

    現(xiàn)結(jié)合IEEE 802.15.3c,對HTSU-MAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)性能進行一定的理論分析。

    引理1:HTSU-MAC在網(wǎng)絡(luò)吞吐量上性能更優(yōu)。

    證明:文獻[10]提出了一種適用于CSMA/CA+TDMA的混合接入?yún)f(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量分析模型,結(jié)合THz-WPANs超幀結(jié)構(gòu)特性,假設(shè)IEEE 802.15.3c和HTSU-MAC的網(wǎng)絡(luò)吞吐量分別為S1、S2,則:

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    引理2:HTSU-MAC在網(wǎng)絡(luò)子幀數(shù)據(jù)重傳上性能更優(yōu)。

    證明:假設(shè)整個網(wǎng)絡(luò)的誤比特率為RBER;每個子幀頭部所占比特數(shù)為M;聚合的子幀個數(shù)為n,其中第i個子幀的長度為li比特。故任一子幀頭部出錯概率為:

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    然后利用泰勒公式:

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    通過計算可知,在2≤n≤8時,總是滿足R2<R1,故可以證明相較于IEEE 802.15.3c,HTSU-MAC在網(wǎng)絡(luò)子幀數(shù)據(jù)重傳上性能更優(yōu),得證。

4 仿真分析

4.1 仿真參數(shù)設(shè)置

    本文采用OPNET Modeler 14.5 仿真工具分別對HTSU-MAC、HEF-MAC以及IEEE 802.15.3c進行仿真驗證,通過改變節(jié)點數(shù)量比較3種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量、數(shù)據(jù)接入時延等性能。主要仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

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4.2 仿真結(jié)果及分析

    (1)網(wǎng)絡(luò)吞吐量

    網(wǎng)絡(luò)吞吐量仿真結(jié)果如圖4所示。由圖可知,網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨著節(jié)點數(shù)的增加而增加,當(dāng)節(jié)點數(shù)增加到一定程度后趨于平穩(wěn)。在節(jié)點數(shù)不多的條件下,3種協(xié)議所表現(xiàn)出來的吞吐量差不多,但隨著節(jié)點數(shù)的增加,HTSU-MAC協(xié)議的優(yōu)越性能逐漸體現(xiàn)出來。其主要原因是:無確認時隙利用機制使得已經(jīng)分配的CTAP時隙資源不會被浪費而用于數(shù)據(jù)傳輸,增大了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

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    (2)平均時延

    數(shù)據(jù)平均時延仿真結(jié)果如圖5所示。由圖可知,數(shù)據(jù)平均時延隨著節(jié)點數(shù)增加而越來越大,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)趨于穩(wěn)定時,HTSU-MAC協(xié)議所表現(xiàn)出的平均時延較另外兩種協(xié)議更小,其主要原因是:幀聚合內(nèi)容按需重傳機制減少了冗余數(shù)據(jù)傳輸,使得數(shù)據(jù)平均時延有一定減少。

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    (3)數(shù)據(jù)重傳率

    數(shù)據(jù)重傳率仿真結(jié)果如圖6所示。由圖可知,HTSU-MAC協(xié)議所反映的數(shù)據(jù)重傳率較另外兩種協(xié)議降低了接近一半。其主要原因是:幀聚合內(nèi)容按需重傳機制使得在目的端檢測出聚合幀MAC子頭部出錯的情況下,如果發(fā)現(xiàn)MAC子頭部前半部分及其對應(yīng)的數(shù)據(jù)幀沒有出錯,就不會要求源節(jié)點重傳整個聚合幀,只是對后半部分子幀進行重傳,明顯地降低數(shù)據(jù)重傳率。

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    (4)時隙利用率

    時隙利用率仿真結(jié)果如圖7所示。由圖可知,在節(jié)點數(shù)較少條件下,3種協(xié)議所支持的時隙利用率大體相同,且此時信道利用率較低。隨著節(jié)點數(shù)的增加,系統(tǒng)總業(yè)務(wù)量增加,信道會基本達到飽和。HTSU-MAC在時隙利用率方面會展現(xiàn)出較大的優(yōu)勢,其主要原因是:無確認時隙利用機制使得為節(jié)點分配的時隙資源不會被浪費,節(jié)點可以合理利用該時段,明顯提高時隙利用率。

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5 結(jié)論

    本文針對標準幀聚合機制以及時隙申請方式進行了詳細分析,并提出了一種高時隙利用率太赫茲無線個域網(wǎng)接入?yún)f(xié)議——HTSU-MAC,從總體上介紹了整個協(xié)議操作流程;接著對該協(xié)議的優(yōu)越性進行了理論分析;最后,利用OPNET Modeler 14.5仿真工具進行了仿真驗證,仿真結(jié)果表明,HTSU-MAC協(xié)議較其他協(xié)議具有更高的時隙利用率。

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作者信息:

任  智,田潔麗,游  磊,呂昱輝

(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)

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