0 引言

    太赫茲超高速無線網(wǎng)絡^[1]是一種新型的無線網(wǎng)絡，與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡不同,，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域網(wǎng)的研究大部分是考慮網(wǎng)內設備天線采用全向傳輸?shù)姆绞?sup>[2-3],，太赫茲無線個域網(wǎng)內,，在一定的功率范圍內，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，可使通信距離達到十多米^[4],。為了增大節(jié)點的通信距離,，在太赫茲無線個域網(wǎng)中，收發(fā)設備都需要采用定向天線進行波束賦形,。

    現(xiàn)有的超高速無線MAC協(xié)議標準中,，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層技術進行深入研究后,，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標準提出了基于碼本的波束賦形,，該波束賦形方法分為3個階段,，3個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],，太赫茲無線個域網(wǎng)內收發(fā)設備只能進行波束級別的掃描，波束賦形時間過長是個亟待解決的問題,。

    目前的太赫茲無線個域網(wǎng)MAC協(xié)議更多是對網(wǎng)內設備的處于動態(tài)的場景進行考慮,，然而對于網(wǎng)內設備是靜態(tài)的場景，如服務器機房內大型服務器間的數(shù)據(jù)傳輸,、家庭影院設備間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，仍然采用動態(tài)場景下的MAC協(xié)議是不合適的。動態(tài)場景下的MAC協(xié)議應用在靜態(tài)場景下會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)通常由一個微網(wǎng)協(xié)調設備(PicoNet Coordinator,，PNC)和多個普通設備(DEVice，DEV)組成,。PNC作為一種特殊的DEV,，負責整個網(wǎng)絡的同步，使DEV接入網(wǎng)絡,，安排DEV進行數(shù)據(jù)傳輸,。

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

1.2 問題描述

    (1)問題一：在太赫茲無線個域網(wǎng)中,，源DEV與目的DEV進行波束賦形時,，源DEV會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間過長的問題,，由此導致了數(shù)據(jù)較大的傳輸時延,，減小了網(wǎng)絡吞吐量。

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

2 FE-MAC協(xié)議

2.1 快速波束賦形機制

    針對問題一提出“快速波束賦形機制”,，該機制主要運行在CAP時段和CTAP時段，主要思想是：Beacon和CAP時段,，PNC完成與各個DEV的波束賦形并確定出各個DEV位置,，當DEV1需要對DEV2進行數(shù)據(jù)傳輸時，DEV1向PNC申請時隙,，PNC利用各個DEV的位置信息計算出DEV1與DEV2的相對位置關系,，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進行波束賦形,。

    具體方案如下：

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

    (2)在Regular S-CAP時段，有數(shù)據(jù)傳輸?shù)腄EV會向PNC申請時隙,，PNC通過位置信息表里的各個DEV的位置信息,，計算兩個DEV的相對位置關系。

    計算方法如下：

    ①如圖2所示,，當DEV1有數(shù)據(jù)向DEV2傳輸時,，DEV1、PNC,、DEV2可構成一個三角形,，假設DEV1的到達角為α，DEV2的到達角為β,，由幾何關系可得DEV1,、PNC、DEV2所形成的角為|α-β|,。

    ②假設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的到達角可以對DEV1的發(fā)射角進行計算：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所在該連線的左側右側還是線上，以此決定在DEV1在發(fā)射角δ上進行順時針運算還是逆時針運算,。

    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。

    如果位于同一側,，需要DEV1與DEV2的距離信息進行進一步判斷,，如果a>b說明DEV1離PNC較遠,，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象限,。

    (3)PNC在回復DEV1的數(shù)據(jù)請求幀時,，將象限信息放入請求回復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象限，則從這個象限里的扇區(qū)開始進行對DEV2的波束賦形,；如果象限信息里包含了兩個象限,，則取這兩個象限的中間部分進行波束賦形。

    該機制相較于現(xiàn)有太赫茲MAC協(xié)議遍歷每個扇區(qū)進行波束賦形的方式,，PNC對網(wǎng)絡中節(jié)點的相對位置進行計算,，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)絡控制開銷的前提下,，減少了進行波束賦形的控制開銷,，減小了數(shù)據(jù)傳輸時延。

2.2 自適應Beacon幀

    針對問題二提出“自適應Beacon幀”機制,，該機制運行在Beacon時段和CAP時段,，其主要思想是：在上一超幀的CAP時段，PNC可確定DEV在扇區(qū)內的分布情況,，當PNC向一個扇區(qū)內發(fā)送Beacon幀時,，Beacon幀的時隙信息分配字段放入該扇區(qū)內DEV參與的時隙信息。

    具體方案如下：

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

    (2)在Regular S-CAP時段，PNC通過DEV發(fā)送的信道時隙請求命令幀可確定需要進行數(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、時隙分配信息存儲在里面,。

    (3)在下一超幀的Beacon時段,，PNC向每個扇區(qū)發(fā)送Beacon幀前利用位置信息表先判斷該扇區(qū)內是否存在DEV,，如果不存在DEV，則Beacon幀去掉時隙分配信息字段,；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幀去掉時隙分配信息字段,；如果存在，則Beacon幀時隙分配字段放入這些DEV參與的時隙信息,。

    該機制采用自適應的方式對Beacon幀進行調整,，根據(jù)DEV在各個扇區(qū)的分布情況自適應地添加時隙分配信息，相較于現(xiàn)有太赫茲MAC協(xié)議每個扇區(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：假設網(wǎng)絡中有一個PNC和n個DEV(n>1)，每個DEV與其余DEV通信,，每個節(jié)點有m個扇區(qū),，波束賦形訓練幀長為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，因為L₁>L₂,，n-1>0,，所以C₁>C₂，證畢,。

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

    證明：假設在相同超幀時間內，則CTAP也相等,，設數(shù)據(jù)傳輸速率為Data_rate。

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

    因為采用了快速波束賦形機制，波束賦形時間減少,，所以T_B1>T_B2,，T_D1<T_D2；Amount₁<Amount₂,，證畢,。

4 仿真驗證

4.1 仿真參數(shù)設置

    該實驗通過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)議行了仿真驗證,，仿真中每個節(jié)點的業(yè)務量相同,，主要考察改變節(jié)點個數(shù)對各性能指標的影響，具體仿真參數(shù)設置如表1所示,。

4.2 仿真結果分析

    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%，這是因為“快速波束賦形”機制減少了波束賦形時間,，在相同的CTAP里有更多的時隙資源用于數(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)議采用自適應的Beacon幀,，減少了控制開銷,，有利于整體提升網(wǎng)絡的平均傳輸速率。

    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)務量飽和的情況下數(shù)據(jù)平均時延減小了約6.41%,，相較于ED-MAC協(xié)議數(shù)據(jù)平均時延減小了約2.12%。這是因為“快速波束賦形”機制縮短了波束賦形過程所用時間,，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，這是因為“快速波束賦形”機制提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r隙利用率,，更多的時隙資源用于數(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,，這是因為另外兩種協(xié)議采用了遍歷每個扇區(qū)的方式進行波束賦形,，F(xiàn)E-MAC協(xié)議采用“快速波束賦形”機制，縮小了波束賦形的范圍,，減少了節(jié)點間波束賦形的比特數(shù),，以更小的開銷完成波束賦形。

5 結束語

    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制和自適應Beacon幀機制,，通過縮小波束賦形范圍,，采用自適應Beacon幀的方法，降低了波束賦形的開銷,，減少了傳輸時延,，提高了網(wǎng)絡的吞吐量,。未來將對動態(tài)場景下的太赫茲MAC協(xié)議進行研究。

參考文獻

[1] SMULDERS P.The road to 100 Gb/s wireless and beyond：basic issues and key directions[J].Communications Magazine.IEEE,，2013,，51(12)：86-91.

[2] Cao Jianling，Cui Pingfu,，Liu Wenpeng,，et al.High throughput low-delay MAC protocol for terahertz ultra-high data-rate wireless networks[J].Systems Engineering and Electonics，2016,，38(3)：679-684.

[3] Ren Zhi,，Chen Cong，You Lei,，et al.High throughput and low delay MAC protocol for terahertz wireless personal area networks[J].Application Research of Computers,，2016，33(10)：3143-3146.

[4] PETROV V,，PYATTAEV A,，MOLTCHANOV D，et al.Terahertz band communications：applications,，research challenges,，and standardization activities[C].International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops.IEEE，2016：183-190.

[5] PRIEBE S.MAC layer concepts for THz communications[EB/OL].(2013-03-17)[2018-07-17].https：//mentor.ieee.org/802.15/dcn/13/15-13-0119-00-0thz-mac-layer-concepts-for-thz-communications.pdf.

[6] Huang Kaocheng,，Wang Zhaocheng.Terahertz terabitwireless communication[J].IEEE Microwave Magazine,，2011，12(4)：108-116.

作者信息:

邱鐘維,，任  智,，葛利嘉

(重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶400065)