0 引言

    太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)^[1]是一種新型的無線網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)不同，它工作在太赫茲頻段，可支持10 Gb/s～1 Tb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。目前對太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)的研究大部分是考慮網(wǎng)內(nèi)設(shè)備天線采用全向傳輸?shù)姆绞?sup>[2-3]，太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)內(nèi)，在一定的功率范圍內(nèi)，太赫茲的全向傳輸范圍小于1 m；發(fā)送端采用定向發(fā)送的方式，而接收端采用全向接收的方式，通信范圍僅為2 m；發(fā)送端采用定向發(fā)送，接收端采用定向接收的方式，可使通信距離達(dá)到十多米^[4]。為了增大節(jié)點(diǎn)的通信距離，在太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)中，收發(fā)設(shè)備都需要采用定向天線進(jìn)行波束賦形。

    現(xiàn)有的超高速無線MAC協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中，適用于高載波頻率的協(xié)議有IEEE 802.15.3和IEEE 802.11.ad，它們都用于載波頻率為60 GHz的無線通信。PRIEBE S^[5]在對太赫茲無線通信MAC層技術(shù)進(jìn)行深入研究后，指出了IEEE 802.15.3c開銷相對較少，更適用于太赫茲無線通信。IEEE 802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)提出了基于碼本的波束賦形，該波束賦形方法分為3個(gè)階段，3個(gè)階段的定向增益依次增大，而覆蓋范圍依次減小。由于太赫茲波波束較窄的特性^[6]，太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)內(nèi)收發(fā)設(shè)備只能進(jìn)行波束級別的掃描，波束賦形時(shí)間過長是個(gè)亟待解決的問題。

    目前的太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)MAC協(xié)議更多是對網(wǎng)內(nèi)設(shè)備的處于動(dòng)態(tài)的場景進(jìn)行考慮，然而對于網(wǎng)內(nèi)設(shè)備是靜態(tài)的場景，如服務(wù)器機(jī)房內(nèi)大型服務(wù)器間的數(shù)據(jù)傳輸、家庭影院設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，仍然采用?dòng)態(tài)場景下的MAC協(xié)議是不合適的。動(dòng)態(tài)場景下的MAC協(xié)議應(yīng)用在靜態(tài)場景下會(huì)造成過多的控制開銷，針對這些問題，本文提出一種適用于靜態(tài)場景下的太赫茲MAC協(xié)議。

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)通常由一個(gè)微網(wǎng)協(xié)調(diào)設(shè)備(PicoNet Coordinator，PNC)和多個(gè)普通設(shè)備(DEVice，DEV)組成。PNC作為一種特殊的DEV，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同步，使DEV接入網(wǎng)絡(luò)，安排DEV進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

    本文討論的超幀結(jié)構(gòu)如圖1所示，該超幀結(jié)構(gòu)與802.15.3cMAC協(xié)議采用的超幀相同。整個(gè)超幀一共劃分為3個(gè)部分：信標(biāo)(Beacon)時(shí)段、競爭接入時(shí)段(Contention Access Period，CAP)時(shí)段、信道時(shí)隙分配時(shí)段(Channel Time Allocation Period，CTAP)，其中CTAP由多個(gè)信道時(shí)隙(Channel Time Allocation，CTA)組成。在Beacon時(shí)段，PNC向所劃分的扇區(qū)依次發(fā)送多個(gè)Beacon幀，DEV收到Beacon幀后，提取出時(shí)隙分配信息，在該時(shí)隙里進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。CAP時(shí)段分為關(guān)聯(lián)競爭接入子時(shí)段(Association S-CAP)和常規(guī)競爭接入子時(shí)段(Regular S-CAP)，分別用于DEV進(jìn)行關(guān)聯(lián)入網(wǎng)和向PNC申請時(shí)隙。CTAP時(shí)段用于分配給DEV進(jìn)行波束賦形和數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 問題描述

    (1)問題一：在太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)中，源DEV與目的DEV進(jìn)行波束賦形時(shí)，源DEV會(huì)遍歷自己所劃分的扇區(qū)尋找最佳發(fā)送扇區(qū)和接收扇區(qū)，這種遍歷的方式帶來了波束賦形時(shí)間過長的問題，由此導(dǎo)致了數(shù)據(jù)較大的傳輸時(shí)延，減小了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

    (2)問題二：在太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)中，在Beacon時(shí)段，PNC會(huì)在每個(gè)扇區(qū)發(fā)送多個(gè)Beacon幀告知各個(gè)DEV時(shí)隙分配信息，Beacon幀包含了所有DEV的時(shí)隙分配信息，然而每個(gè)DEV收到Beacon幀后，僅提取出與自己有關(guān)的時(shí)隙信息，由此增加了不必要的控制開銷。

2 FE-MAC協(xié)議

2.1 快速波束賦形機(jī)制

    針對問題一提出“快速波束賦形機(jī)制”，該機(jī)制主要運(yùn)行在CAP時(shí)段和CTAP時(shí)段，主要思想是：Beacon和CAP時(shí)段，PNC完成與各個(gè)DEV的波束賦形并確定出各個(gè)DEV位置，當(dāng)DEV1需要對DEV2進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，DEV1向PNC申請時(shí)隙，PNC利用各個(gè)DEV的位置信息計(jì)算出DEV1與DEV2的相對位置關(guān)系，然后告知DEV1，DEV1在發(fā)送數(shù)據(jù)前根據(jù)相對位置信息對DEV2進(jìn)行波束賦形。

    具體方案如下：

    (1)在Association S-CAP時(shí)段，DEV在最佳發(fā)送扇區(qū)，發(fā)送多個(gè)申請入網(wǎng)信息，此時(shí)PNC輪流在各個(gè)扇區(qū)監(jiān)聽收到的信息，當(dāng)收到DEV發(fā)送的申請信息后，通過物理層的測試計(jì)算，PNC可確定各個(gè)DEV所位于自己的扇區(qū)號、信號到達(dá)角、距離，建立位置信息表，將DEV的ID號、位于的扇區(qū)號、信號到達(dá)角、距離存儲(chǔ)在里面。

    (2)在Regular S-CAP時(shí)段，有數(shù)據(jù)傳輸?shù)腄EV會(huì)向PNC申請時(shí)隙，PNC通過位置信息表里的各個(gè)DEV的位置信息，計(jì)算兩個(gè)DEV的相對位置關(guān)系。

    計(jì)算方法如下：

    ①如圖2所示，當(dāng)DEV1有數(shù)據(jù)向DEV2傳輸時(shí)，DEV1、PNC、DEV2可構(gòu)成一個(gè)三角形，假設(shè)DEV1的到達(dá)角為α，DEV2的到達(dá)角為β，由幾何關(guān)系可得DEV1、PNC、DEV2所形成的角為|α-β|。

    ②假設(shè)DEV1與PNC的距離是a，DEV2與PNC的距離是b，由正余弦定理可得γ：

    ③PNC根據(jù)DEV1的到達(dá)角可以對DEV1的發(fā)射角進(jìn)行計(jì)算：如果α的范圍是0°≤α<180°，則δ=α+180°；如果α的范圍是180°≤α<360°，則δ=α-180°。

    ④PNC通過與DEV1連線的延長線判斷DEV2的相對位置。通過連線和延長線判斷DEV2所在該連線的左側(cè)右側(cè)還是線上，以此決定在DEV1在發(fā)射角δ上進(jìn)行順時(shí)針運(yùn)算還是逆時(shí)針運(yùn)算。

    ⑤通過ε的值PNC可以得出DEV2所位于DEV1的象限。對DEV1、PNC、DEV2三者共線和不共線分情況進(jìn)行討論，如果DEV1、PNC、DEV2三者不共線，通過ε的值即可判斷出DEV2所位于DEV1的象限；如果DEV1、PNC、DEV2三者共線，考慮DEV1、DEV2是否位于PNC的同一側(cè)。

    如果位于同一側(cè)，需要DEV1與DEV2的距離信息進(jìn)行進(jìn)一步判斷，如果a>b說明DEV1離PNC較遠(yuǎn)，則根據(jù)δ的值取象限信息即可；如果a<b說明DEV離PNC較近，則取δ所在象限對稱的象限。對于ε可能取0°、90°、180°、270°的情況，象限取該角度所在的兩個(gè)象限。

    (3)PNC在回復(fù)DEV1的數(shù)據(jù)請求幀時(shí)，將象限信息放入請求回復(fù)幀里的保留字段里捎帶給DEV1。

    (4)DEV1獲取了象限信息后，則做出判斷，如果該象限信息只包含一個(gè)象限，則從這個(gè)象限里的扇區(qū)開始進(jìn)行對DEV2的波束賦形；如果象限信息里包含了兩個(gè)象限，則取這兩個(gè)象限的中間部分進(jìn)行波束賦形。

    該機(jī)制相較于現(xiàn)有太赫茲MAC協(xié)議遍歷每個(gè)扇區(qū)進(jìn)行波束賦形的方式，PNC對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的相對位置進(jìn)行計(jì)算，源DEV利用該相對位置信息縮小了對目的DEV的波束賦形范圍，在不影響波束賦形效果和不增加額外的網(wǎng)絡(luò)控制開銷的前提下，減少了進(jìn)行波束賦形的控制開銷，減小了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。

2.2 自適應(yīng)Beacon幀

    針對問題二提出“自適應(yīng)Beacon幀”機(jī)制，該機(jī)制運(yùn)行在Beacon時(shí)段和CAP時(shí)段，其主要思想是：在上一超幀的CAP時(shí)段，PNC可確定DEV在扇區(qū)內(nèi)的分布情況，當(dāng)PNC向一個(gè)扇區(qū)內(nèi)發(fā)送Beacon幀時(shí)，Beacon幀的時(shí)隙信息分配字段放入該扇區(qū)內(nèi)DEV參與的時(shí)隙信息。

    具體方案如下：

    (1)在Association S-CAP時(shí)段，PNC在每個(gè)扇區(qū)監(jiān)聽關(guān)聯(lián)請求信息時(shí)，確定DEV在各個(gè)扇區(qū)的分布情況，建立位置信息表，該表用于存儲(chǔ)每個(gè)扇區(qū)存在的DEV ID號。

    (2)在Regular S-CAP時(shí)段，PNC通過DEV發(fā)送的信道時(shí)隙請求命令幀可確定需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑碊EV和目的DEV，建立數(shù)據(jù)傳輸表，將源DEV和目的DEV的ID號、時(shí)隙分配信息存儲(chǔ)在里面。

    (3)在下一超幀的Beacon時(shí)段，PNC向每個(gè)扇區(qū)發(fā)送Beacon幀前利用位置信息表先判斷該扇區(qū)內(nèi)是否存在DEV，如果不存在DEV，則Beacon幀去掉時(shí)隙分配信息字段；如果存在，則利用數(shù)據(jù)傳輸表判斷該扇區(qū)內(nèi)的DEV是否存在目的DEV或源DEV。如果不存在目的DEV或源DEV，則Beacon幀去掉時(shí)隙分配信息字段；如果存在，則Beacon幀時(shí)隙分配字段放入這些DEV參與的時(shí)隙信息。

    該機(jī)制采用自適應(yīng)的方式對Beacon幀進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)DEV在各個(gè)扇區(qū)的分布情況自適應(yīng)地添加時(shí)隙分配信息，相較于現(xiàn)有太赫茲MAC協(xié)議每個(gè)扇區(qū)都發(fā)送完整Beacon幀的方式，減少了控制開銷，提升網(wǎng)絡(luò)的整體傳輸速率。

3 性能分析

    定理1：與基于802.15.3c的太赫茲MAC協(xié)議相對比，F(xiàn)E-MAC協(xié)議控制開銷較小。

    證明：假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)PNC和n個(gè)DEV(n>1)，每個(gè)DEV與其余DEV通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有m個(gè)扇區(qū)，波束賦形訓(xùn)練幀長為224 bit，802.15.3c中Beacon幀長為L₁，F(xiàn)E-MAC協(xié)議中Beacon幀長為L₂。

    802.15.3cMAC協(xié)議總的控制開銷C₁為：

    由式(4)可知，因?yàn)長₁>L₂，n-1>0，所以C₁>C₂，證畢。

    定理2：FE-MAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量高于基于802.15.3c 的太赫茲MAC協(xié)議。

    證明：假設(shè)在相同超幀時(shí)間內(nèi)，則CTAP也相等，設(shè)數(shù)據(jù)傳輸速率為Data_rate。

    802.15.3c太赫茲MAC協(xié)議進(jìn)行波束賦時(shí)間為T_B1，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間為T_D1，數(shù)據(jù)傳輸總量Amount₁為： 

    因?yàn)椴捎昧丝焖俨ㄊx形機(jī)制，波束賦形時(shí)間減少，所以T_B1>T_B2，T_D1<T_D2；Amount₁<Amount₂，證畢。

4 仿真驗(yàn)證

4.1 仿真參數(shù)設(shè)置

    該實(shí)驗(yàn)通過OPNET仿真工具，將基于802.15.3c的太赫茲MAC協(xié)議、FE-MAC協(xié)議和ED-MAC協(xié)議行了仿真驗(yàn)證，仿真中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)量相同，主要考察改變節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)對各性能指標(biāo)的影響，具體仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

4.2 仿真結(jié)果分析

    圖3表明FE-MAC協(xié)議相較于802.15.3c太赫茲MAC協(xié)議吞吐量增加約為6.53%，相較于ED-MAC協(xié)議吞吐量增加約為3.12%，這是因?yàn)椤翱焖俨ㄊx形”機(jī)制減少了波束賦形時(shí)間，在相同的CTAP里有更多的時(shí)隙資源用于數(shù)據(jù)傳輸。802.15.3cMAC協(xié)議和ED-MAC協(xié)議采用完整Beacon幀，ED-MAC協(xié)議采用自適應(yīng)的Beacon幀，減少了控制開銷，有利于整體提升網(wǎng)絡(luò)的平均傳輸速率。

    圖4表明相較于基于802.15.3c的太赫茲MAC協(xié)議，F(xiàn)E-MAC協(xié)議在業(yè)務(wù)量飽和的情況下數(shù)據(jù)平均時(shí)延減小了約6.41%，相較于ED-MAC協(xié)議數(shù)據(jù)平均時(shí)延減小了約2.12%。這是因?yàn)椤翱焖俨ㄊx形”機(jī)制縮短了波束賦形過程所用時(shí)間，在整體上降低控制開銷，有利于縮短數(shù)據(jù)幀的傳輸延遲。

    圖5表明，相較于另外兩種協(xié)議，F(xiàn)E-MAC協(xié)議有更高傳輸成功率，這是因?yàn)椤翱焖俨ㄊx形”機(jī)制提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)隙利用率，更多的時(shí)隙資源用于數(shù)據(jù)幀的傳輸，使得數(shù)據(jù)幀的傳送成功率得到了提升。

    圖6表明FE-MAC協(xié)議比另外兩種協(xié)議的波束賦形開銷顯著減少，這是因?yàn)榱硗鈨煞N協(xié)議采用了遍歷每個(gè)扇區(qū)的方式進(jìn)行波束賦形，F(xiàn)E-MAC協(xié)議采用“快速波束賦形”機(jī)制，縮小了波束賦形的范圍，減少了節(jié)點(diǎn)間波束賦形的比特?cái)?shù)，以更小的開銷完成波束賦形。

5 結(jié)束語

    本文針對太赫茲MAC協(xié)議中波束賦形開銷過大、傳輸時(shí)延較大、Beacon幀冗余的問題，提出了一種靜態(tài)場景下的快速波束賦形機(jī)制和自適應(yīng)Beacon幀機(jī)制，通過縮小波束賦形范圍，采用自適應(yīng)Beacon幀的方法，降低了波束賦形的開銷，減少了傳輸時(shí)延，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。未來將對動(dòng)態(tài)場景下的太赫茲MAC協(xié)議進(jìn)行研究。

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作者信息:

邱鐘維，任  智，葛利嘉

(重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶400065)