文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.182502
中文引用格式: 任智,,徐兆坤,康健. 太赫茲高時(shí)隙利用率快速定向MAC協(xié)議[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2019,,45(3):55-58,62.
英文引用格式: Ren Zhi,,Xu Zhaokun,,Kang Jian. High slot utilization rate and fast directional MAC protocol for Terahertz[J]. Application of Electronic Technique,2019,,45(3):55-58,,62.
0 引言
太赫茲無(wú)線個(gè)域網(wǎng)是一種自組織網(wǎng)絡(luò),其通信頻率范圍為0.1 THz~10 THz[1],。與傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相比,,太赫茲無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的最大優(yōu)勢(shì)在于其具有巨大的可用帶寬,可以支持10 Gb/s的數(shù)據(jù)速率,,這可以滿足人們?cè)絹?lái)越高的需求,。
在關(guān)于太赫茲無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的現(xiàn)有研究[2-3]中,大多數(shù)考慮的是全向傳輸?shù)膱?chǎng)景,。在功率受限的條件下,,太赫茲頻段的高路徑衰減使其全向傳輸?shù)木嚯x只能達(dá)到1 m[4]左右,這嚴(yán)重影響了它在實(shí)際中的應(yīng)用,。而通過(guò)波束賦形技術(shù),,源目的節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)定向通信,即源節(jié)點(diǎn)在對(duì)準(zhǔn)接收節(jié)點(diǎn)的方向上發(fā)送數(shù)據(jù),。目的節(jié)點(diǎn)在對(duì)準(zhǔn)源節(jié)點(diǎn)的方向上接收數(shù)據(jù),,這可以顯著提高太赫茲頻段的通信距離。因此,波束賦形技術(shù)在太赫茲無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的應(yīng)用顯得尤為重要,。文獻(xiàn)[5]提出了基于碼本的60 GHz波束賦形協(xié)議,。該協(xié)議將節(jié)點(diǎn)間的波束賦形訓(xùn)練過(guò)程分為3個(gè)級(jí)別:準(zhǔn)全向級(jí)別、扇區(qū)級(jí)別,、波束級(jí)別,。這3個(gè)級(jí)別的定向增益依次增大,而覆蓋范圍依次減小,。為了達(dá)到相同的傳播距離,,3個(gè)級(jí)別采用的編碼調(diào)制方案也不同,定向增益大的級(jí)別使用更高階調(diào)制方案,。上一級(jí)別確定后,,下一級(jí)別再根據(jù)需求啟動(dòng)。上一級(jí)別是前提,,下一級(jí)別是細(xì)分,。不同級(jí)別劃分的方法避免了大量的不必要的同步開(kāi)銷。文獻(xiàn)[6]提出了一種適用于室內(nèi)THz通信的快速波束掃描策略,。該策略的主要思路是收發(fā)端首先通過(guò)2.4 GHz頻段進(jìn)行粗略的掃描,,確定大概方位后再進(jìn)行THz頻段的精細(xì)掃描。在該文中,,2.4 GHz頻段的定向波束寬度被設(shè)置為36°,,而THz頻段的定向波束寬度被設(shè)置為12°。發(fā)送端在進(jìn)行粗略掃描時(shí)要進(jìn)行離開(kāi)角度估計(jì)(Angle of Depature estimation,,AoD),,接收端在進(jìn)行粗略掃描時(shí)要進(jìn)行到達(dá)角度估計(jì)(Angle of Arrival estimation,AoA),。粗略掃描結(jié)束后,,收發(fā)兩端得到了關(guān)于對(duì)方的大概方位信息,然后收發(fā)兩端根據(jù)大概的方位信息縮小THz頻段的波束掃描范圍,,從而達(dá)到減少波束賦形時(shí)長(zhǎng)的目的,。這種方法雖然減少了波束賦形的時(shí)間,但是增加了硬件成本,。
針對(duì)上述問(wèn)題,,KIM E J等人提出基于IEEE 802.15.3c(以下簡(jiǎn)稱3c)標(biāo)準(zhǔn)的CAP自適應(yīng)分配機(jī)制[7](ACAP-MAC)。ACAP-MAC優(yōu)化了3c協(xié)議的CAP時(shí)段劃分,,主要思想是取消了沒(méi)有節(jié)點(diǎn)的Regular S-CAP時(shí)段,,以及根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)量動(dòng)態(tài)分配該時(shí)段,避免了不必要的時(shí)段浪費(fèi),。但是,,該協(xié)議在節(jié)點(diǎn)間波束賦形訓(xùn)練和單節(jié)點(diǎn)扇區(qū)時(shí)段分配方面沒(méi)有進(jìn)行優(yōu)化。
本文提出了一種太赫茲無(wú)線個(gè)域網(wǎng)高時(shí)隙利用率快速定向MAC協(xié)議(High Slot Utilization Rate and Fast Directional MAC Protocol,HUFD-MAC),,可有效提高時(shí)隙利用率,,減少網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷,降低波束賦形用時(shí),。
1 網(wǎng)絡(luò)模型與問(wèn)題分析
1.1 網(wǎng)絡(luò)模型
本文基于3c標(biāo)準(zhǔn)研究太赫茲無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的波束賦形問(wèn)題,,其超幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。
在Beacon時(shí)期,,PNC首先向各個(gè)方向廣播攜帶網(wǎng)絡(luò)基本信息的Beacon幀,,微網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)循環(huán)旋轉(zhuǎn)接收Beacon幀。未入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)會(huì)在對(duì)應(yīng)的Association S-CAP時(shí)段進(jìn)行關(guān)聯(lián)操作,,加入該微微網(wǎng)(Piconet),。已入網(wǎng)且有數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)會(huì)在Regular S-CAP時(shí)段向PNC請(qǐng)求時(shí)隙,Regular CAP可以用于節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)幀傳輸,,CAP各時(shí)期均采用CSMA/CA接入方式,。CTAP包括CTAs(Channel Time Allocations)和MCTAs(Management CTAs)兩種。CTAs主要用于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送同步/異步數(shù)據(jù)流,、命令幀等信息,,采用TDMA的接入方式,提供具有QoS保證的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù),。而MCTAs在某些情況下可替代CAP傳輸命令幀,,但該時(shí)期主要是用來(lái)進(jìn)行DEV和PNC之間通信。
1.2 問(wèn)題分析
(1)在ACAP-MAC協(xié)議中,,Regular S-CAP中各個(gè)子時(shí)段長(zhǎng)度是按照式(1)分配的,。
其中,mj表示扇區(qū)j中的節(jié)點(diǎn)數(shù),,mtotal表示所有扇區(qū)的節(jié)點(diǎn)總數(shù),stotal_CAP表示在3c中Regular S-CAP的時(shí)段總長(zhǎng),,sj表示分配給扇區(qū)j的子時(shí)段時(shí)長(zhǎng),。通過(guò)改變Regular S-CAP start time字段和S-CAP duration字段的值來(lái)實(shí)現(xiàn)這種自適應(yīng)的扇區(qū)時(shí)段分配??紤]到扇區(qū)j中只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況,,則由式(1)求得分配給扇區(qū)j的子時(shí)段時(shí)長(zhǎng)為:
此時(shí)會(huì)出現(xiàn)一種情況:按照式(2)計(jì)算出來(lái)的sj大于節(jié)點(diǎn)與PNC交互時(shí)隙請(qǐng)求消息的時(shí)間。在這種情況下,,均會(huì)存在時(shí)隙的浪費(fèi)情況,。
(2)在現(xiàn)有波束訓(xùn)練過(guò)程中,在收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的波束訓(xùn)練幀后,,目的節(jié)點(diǎn)會(huì)向源節(jié)點(diǎn)所在扇區(qū)發(fā)出多個(gè)波束訓(xùn)練幀,,以便讓源節(jié)點(diǎn)成功接收其中的一個(gè)。而在能夠準(zhǔn)確計(jì)算源節(jié)點(diǎn)接收扇區(qū)的情況下,目的節(jié)點(diǎn)只需要在對(duì)應(yīng)的時(shí)刻向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)波束訓(xùn)練幀,,該幀便能被源節(jié)點(diǎn)成功接收,。因此,現(xiàn)有波束訓(xùn)練操作存在冗余的控制開(kāi)銷和時(shí)間消耗,。
2 HUFD-MAC協(xié)議
2.1 利用冗余單節(jié)點(diǎn)扇區(qū)傳輸下行數(shù)據(jù)
該機(jī)制的基本思路是:PNC利用分配給單節(jié)點(diǎn)扇區(qū)的多余時(shí)長(zhǎng)傳輸下行數(shù)據(jù),。具體方案如下:
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在單節(jié)點(diǎn)扇區(qū)且分配給該扇區(qū)的時(shí)長(zhǎng)大于節(jié)點(diǎn)與PNC交互時(shí)隙請(qǐng)求消息所需的時(shí)間時(shí),PNC在該扇區(qū)發(fā)送one-device標(biāo)志位置1的Beacon幀,。節(jié)點(diǎn)收到Beacon幀,,并提取one-device字段,如果值為1且在當(dāng)前超幀對(duì)應(yīng)的Association S-CAP時(shí)段沒(méi)有收到PNC對(duì)于其他節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)回復(fù)(表明在同一扇區(qū)沒(méi)有其他節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)),,則在Regular S-CAP start time到期時(shí)直接向PNC發(fā)送時(shí)隙請(qǐng)求幀,。PNC利用單節(jié)點(diǎn)扇區(qū)的Regular S-CAP時(shí)段進(jìn)行下行數(shù)據(jù)的傳輸。Beacon幀Regular S-CAP info字段格式如圖2所示,。
2.2 基于時(shí)間信息減少目的節(jié)點(diǎn)發(fā)幀
該機(jī)制的基本思路是:數(shù)據(jù)幀目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的波束訓(xùn)練幀序號(hào),、發(fā)送一個(gè)波束訓(xùn)練幀的時(shí)間、節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)一個(gè)波束訓(xùn)練幀的時(shí)間等信息,,計(jì)算源節(jié)點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)監(jiān)聽(tīng)過(guò)程中轉(zhuǎn)到自己所在扇區(qū)的準(zhǔn)確時(shí)刻,,然后在該時(shí)刻向數(shù)據(jù)幀源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)波束訓(xùn)練幀。具體方案如下:
目的節(jié)點(diǎn)在收到了源節(jié)點(diǎn)的波束訓(xùn)練幀后會(huì)從中提取天線信息和序號(hào),,并根據(jù)式(3)計(jì)算其位于源節(jié)點(diǎn)的扇區(qū)號(hào),。
其中,ts表示供節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)波束訓(xùn)練幀所用時(shí)間(包括幀間間隔),,tr表示供節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)一個(gè)波束訓(xùn)練幀所用時(shí)間(包括幀間間隔),;tp、m分別表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的波束訓(xùn)練幀的時(shí)刻和該波束訓(xùn)練幀的序號(hào),,n表示扇區(qū)總數(shù),。目的節(jié)點(diǎn)在ta時(shí)刻向源節(jié)點(diǎn)所在扇區(qū)發(fā)送一個(gè)帶有序號(hào)和自己天線信息的波束訓(xùn)練幀。至此,,本新機(jī)制操作結(jié)束,,流程圖如圖3所示。
2.3 性能分析
引理1:HUFD-MAC協(xié)議的吞吐量不低于3c和ACAP-MAC,。
證明:在3c和ACAP-MAC中,,節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的發(fā)送/接收均在CTAP時(shí)段進(jìn)行。而在HUFD-MAC中,,節(jié)點(diǎn)不僅可以在CTAP時(shí)段傳輸數(shù)據(jù),,還可以在CAP時(shí)段機(jī)會(huì)性地傳輸數(shù)據(jù)。假設(shè)一個(gè)超幀長(zhǎng)為L(zhǎng),,CTAP的占比為R,,數(shù)據(jù)傳輸速率為D,。為簡(jiǎn)化計(jì)算,假設(shè)CTAP時(shí)段全部用于發(fā)送數(shù)據(jù),,則3c和ACAP-MAC一個(gè)超幀傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量A1的計(jì)算公式為式(5),,每秒包含的超幀個(gè)數(shù)Q的計(jì)算公式為式(6):
由式(5)和式(6)可知,3c和ACAP-MAC的網(wǎng)絡(luò)吞吐量T1為:
引理2:HUFD-MAC為一次節(jié)點(diǎn)間波束賦形訓(xùn)練所用的開(kāi)銷低于ACAP-MAC,。
證明:假設(shè)節(jié)點(diǎn)的扇區(qū)數(shù)均為S,,則在ACAP-MAC中節(jié)點(diǎn)間的波束賦形訓(xùn)練開(kāi)銷CACAP分為兩個(gè)部分:CACAP1和CACAP2。
其中,,CHUFD1表示HUFD-MAC協(xié)議波束賦形訓(xùn)練第一階段所用的開(kāi)銷,,CHUFD2表示HUFD-MAC協(xié)議波束賦形訓(xùn)練第二階段所用的開(kāi)銷。
由式(9)~式(12)可得:
由CBF>0,,S>1可得:CACAP>CHUFD,,得證。
3 仿真分析
本文通過(guò)OPNET仿真工具比較HUFD-MAC,、3c以及ACAP-MAC協(xié)議的性能,,仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。
3.1 MAC層吞吐量
MAC層吞吐量是指單位時(shí)間內(nèi)MAC層成功接收到的比特?cái)?shù),。圖4表明HUFD-MAC擁有更高的吞吐量,,這是因?yàn)椋?1)該協(xié)議利用冗余單節(jié)點(diǎn)扇區(qū)傳輸下行數(shù)據(jù)使得PNC可以不占用CTAP時(shí)段發(fā)送部分下行數(shù)據(jù),這樣更多其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以在CTAP時(shí)段發(fā)送,;(2)該協(xié)議基于時(shí)間信息減小了節(jié)點(diǎn)間波束賦形訓(xùn)練的冗余開(kāi)銷,,使得更多的數(shù)據(jù)得以發(fā)送。
3.2 數(shù)據(jù)平均時(shí)延
數(shù)據(jù)時(shí)延是指源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包到目的節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包的時(shí)間,,而數(shù)據(jù)包平均時(shí)延是所有數(shù)據(jù)包的時(shí)延總和取均值,。圖5表明HUFD-MAC協(xié)議的數(shù)據(jù)平均時(shí)延最低,其主要原因是:(1)利用冗余單節(jié)點(diǎn)扇區(qū)傳輸下行數(shù)據(jù)機(jī)制使得PNC的部分?jǐn)?shù)據(jù)得以提前發(fā)送,;(2)基于時(shí)間信息減少了目的節(jié)點(diǎn)發(fā)幀數(shù)量,,縮短了節(jié)點(diǎn)間波束賦形訓(xùn)練的時(shí)間,從而使得本應(yīng)在后發(fā)送的數(shù)據(jù)可以提前發(fā)送,。
3.3 歸一化控制開(kāi)銷
歸一化控制開(kāi)銷是指所有控制幀所占的比特?cái)?shù)與控制幀和數(shù)據(jù)幀總共所占比特?cái)?shù)的比值,。圖6表明HUFD-MAC的歸一化控制開(kāi)銷最小,這是因?yàn)樵搮f(xié)議采用了基于時(shí)間信息減少目的節(jié)點(diǎn)發(fā)幀機(jī)制,,這顯著減小了節(jié)點(diǎn)間波束賦形發(fā)送的訓(xùn)練幀數(shù)量,從而使得控制開(kāi)銷所占比例降低,。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文針對(duì)現(xiàn)有定向MAC協(xié)議存在冗余單節(jié)點(diǎn)扇區(qū)時(shí)段分配,、波束賦形訓(xùn)練開(kāi)銷過(guò)大以及用時(shí)過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題,提出了一種太赫茲無(wú)線個(gè)域網(wǎng)高時(shí)隙利用率快速定向MAC協(xié)議(HUFD-MAC),。該協(xié)議采用冗余單節(jié)點(diǎn)扇區(qū)傳輸下行數(shù)據(jù)以及基于時(shí)間信息減少發(fā)送波束訓(xùn)練幀數(shù)量的機(jī)制,,有效提高時(shí)隙利用率,,減少網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷,降低波束賦形用時(shí),。
參考文獻(xiàn)
[1] Zhang Jian,,Deng Xianjin,Wang Cheng,,et al.Terahertz high speed wireless communications:systems,,techniques and demonstrations[J].Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology,2014,,12(1):1-13.
[2] 劉文朋.太赫茲無(wú)線個(gè)域網(wǎng)MAC協(xié)議研究[D].重慶:重慶郵電大學(xué),,2015.
[3] 任智,陳蔥,,游磊,,等.一種高吞吐量低時(shí)延的太赫茲無(wú)線個(gè)域網(wǎng)MAC協(xié)議[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2016,,33(10):3143-3146.
[4] Wang Pu,,MIQUEL J J,ABBAS M M G,,et al.Energy and spectrum-aware MAC protocol for perpetual wireless nanosensor networks in the Terahertz band[J].Ad Hoc Networks,,2013,11(8):2541-2555.
[5] WANG J,,ZHOU L,,PYO C W,et al.Beam codebook based beamforming protocol for multi-Gbps millimeter-wave WPAN systems[J].2009 IEEE Journal Selected Areas in Communications,,2009,,27(8):1390-1399.
[6] BILE P,SEBASTIAN P,,THOMAS K.Fast beam searching concept for indoor Terahertz communications[C].The 8th European Conference on Antennas and Propagation(EuCAP 2014).Netherlands:IEEE Press,,2014:639-643.
[7] KIM E J,JUNG J J.Adaptive CAP assignment approach for IEEE 802.15.3c[J].Computer Science and Its Applications,,2015,,330(1):149-154.
作者信息:
任 智,徐兆坤,,康 健
(重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,,重慶400065)