《電子技術(shù)應(yīng)用》
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高吞吐量低時延的太赫茲無線個域網(wǎng)MAC協(xié)議
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第1期
任 智,游 磊,陳 蔥,,呂煜輝
重慶郵電大學(xué) 移動通信重點實驗室,,重慶400065
摘要: 針對現(xiàn)有太赫茲無線個域網(wǎng)MAC協(xié)議存在的基于動態(tài)均衡思想的網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、不合理的競爭窗口導(dǎo)致退避時間過長,以及所分配CTA長度大于節(jié)點的時隙請求量時會導(dǎo)致時隙剩余3個問題,提出了一種高吞吐量低時延的太赫茲無線個域網(wǎng)MAC協(xié)議——HTLL-MAC(High Throughput and Low Latency MAC protocol)。HTLL-MAC協(xié)議通過基于動態(tài)均衡思想的接入機制提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性,,引入動態(tài)更改重傳競爭窗口方法縮短了退避所需時間,并且啟用CTA剩余時隙機制充分利用剩余時隙,,從而達到增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量,、降低數(shù)據(jù)傳輸時延的效果。理論分析驗證了HTLL-MAC協(xié)議的有效性,。仿真結(jié)果表明,,相較于IEEE 802.15.3c和HTLD-MAC的MAC層,吞吐量提高了6.15%,,數(shù)據(jù)平均時延降低了32.53%,。
中圖分類號: TN92
文獻標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.01.032
中文引用格式: 任智,游磊,,陳蔥,,等. 高吞吐量低時延的太赫茲無線個域網(wǎng)MAC協(xié)議[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,,43(1):121-124,,128.
英文引用格式: Ren Zhi,You Lei,,Chen Cong,,et al. A high throughput and low latency MAC protocol for terahertz wireless personal area networks[J].Application of Electronic Technique,2017,,43(1):121-124,,128.
A high throughput and low latency MAC protocol for terahertz wireless personal area networks
Ren Zhi,You Lei,,Chen Cong,,Lv Yuhui
Chongqing Key Lab of Mobile Communications,Chongqing University of Posts and Telecommunications,,Chongqing 400065,,China
Abstract: To address the problems existing in the present MAC protocol for terahertz wireless personal area networks, including the network is unstable based on dynamic equilibrium, unreasonable contention window causes the back-off time too long, and it will result in channel time slots remaining when the length of the CTA node allocated is greater than the requested amount, a high throughput and low latency MAC protocol for terahertz wireless personal area networks, HTLL-MAC, is proposed. Through accessing mechanism of dynamic equilibrium to improve the stability of network, introducing dynamically changing retransmission back-off contention window method to shorten the time required, and adopting CTA remaining timeslots mechanism to make full use of the remaining time slots, proposed algorithm achieves the effect of increasing network throughput and lowering latency. Theoretical analysis verifies the effectiveness of HTLL-MAC. Simulation results show that HTLL-MAC increases the network throughput in MAC layer 26.95%, and lowers average data latency 28.02% under the same conditions.
Key words : Terahertz;wireless personal area networks,;MAC protocol,;throughput;latency

0 引言

    太赫茲[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),,它是人類最后一個尚未完全認(rèn)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(luò),,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?jǐn)?shù)十Gb/s乃至1 Tb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。現(xiàn)有的太赫茲無線個域網(wǎng)都是在結(jié)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(yīng)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(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[7]基于IEEE 802.15.3c對太赫茲環(huán)境特點進行研究,設(shè)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(diào)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(luò)吞吐量最大化及接入時延最小化,其超幀結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

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1 網(wǎng)絡(luò)模型與問題描述

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

    太赫茲無線個域網(wǎng)通常由多個DEV(Device)和一個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(gòu)成:信標(biāo)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。

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    PNC在每個超幀的BP時期全向廣播Beacon幀,,包含網(wǎng)絡(luò)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(guān)MAC協(xié)議仍然存在方案設(shè)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(shè)網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(luò)中滿足超幀時隙資源量TCTAP大于TR且時隙請求個數(shù)NR等于網(wǎng)絡(luò)總關(guān)聯(lián)節(jié)點個數(shù)NA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(jié)束,,這極大地增加了數(shù)據(jù)時延,,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(dǎo)致大量信道資源浪費在執(zhí)行退避過程上,。

    (3)現(xiàn)有相關(guān)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(shè)置一個變量tb存放Beacon幀發(fā)送時間,,同時在收到時隙請求后及時更新tb,且在立即確認(rèn)時把tb寫入未利用字段Fragmentation control中,,節(jié)點通過提取tb值判斷CAP時段是否結(jié)束,。

    PNC收到時隙請求后,得出當(dāng)前時隙請求總量Rtotal,,計算出滿足此請求量所需的CTAP長度TCTAP,。為便于計算,假設(shè)每個CTA都具有相同的長度TCTA,,超幀長度為TS,,Beacon幀傳輸時間為TB,信道保護時隙為TG,,TCTAP計算公式如下所示:

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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tupdate,,并賦值給tb,。在立即確認(rèn)幀的頭部字段Fragmentation control中寫入Beacon幀的預(yù)計發(fā)送時間,即tb的值,。

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    該接入機制能夠充分發(fā)揮動態(tài)均衡超幀結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢,,在初期網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點少業(yè)務(wù)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(fù)載高時縮短CAP時段,,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(dāng)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(shè)網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)前已關(guān)聯(lián)節(jié)點數(shù)量為Nassoc,,已成功發(fā)送時隙請求節(jié)點數(shù)量為NS,機制執(zhí)行標(biāo)識fc,,每次進入新超幀CAP時段之前,,節(jié)點都初始化NS=0,fc=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(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行交互,,本超幀不再執(zhí)行該機制,設(shè)置fc=0,;若該幀為立即確認(rèn)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(shè)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(fù)一個立即確認(rèn)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(rèn),;若節(jié)點發(fā)出請求后未收到PNC確認(rèn),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(shè)置重傳競爭窗口前判斷fc,若fc=0,,則重傳競爭窗口依然設(shè)置為原本的退避窗口BWold,,否則重傳競爭窗口BWnew根據(jù)式(4)得出。

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    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(guān)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(nèi)緩存中新產(chǎn)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(zhǔn)當(dāng)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(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,,源節(jié)點發(fā)送一個空數(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(dāng)前CTA剩余時隙TCTA-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(dāng)前CTA結(jié)束。

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式中,,Taggr為聚合幀傳輸耗時,,Tblk-ack為塊確認(rèn)幀傳輸耗時。

    該方法充分利用了CTA剩余時隙,,又不會產(chǎn)生冗余開銷,,同時對新數(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(shè)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(nèi)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:

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其中,,Brec為各節(jié)點MAC層正確接收的數(shù)據(jù)開銷大小,Ts為網(wǎng)絡(luò)通信總時長,,在仿真中即數(shù)據(jù)產(chǎn)生開始時間到當(dāng)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(chǎn)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:

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其中,di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(dāng)數(shù)據(jù)出錯重傳時,重傳耗時也包括在內(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:

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其中Ti為第i個數(shù)據(jù)幀傳輸時延,,TS為網(wǎng)絡(luò)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(shè)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。

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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(jié)構(gòu)的接入機制根據(jù)時隙請求量設(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(dāng)前網(wǎng)絡(luò)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(wù)量也就越大,。

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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(zhuǎn)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,。

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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為:(1)新接入機制根據(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,。

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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(luò)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(xué) 移動通信重點實驗室,,重慶400065)

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