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(dá)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(jī)、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(jìn)行物物相連而實(shí)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(biāo)是提出一種適用于300 GHz頻段及以上的標(biāo)準(zhǔn)化的無線接入?yún)f(xié)議。在收發(fā)機(jī)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(shí)現(xiàn)太赫茲無線通信標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)能夠達(dá)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(diǎn)(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。

    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(biāo)(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(jìn)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]。

1.2 問題描述

    （1）標(biāo)準(zhǔn)幀聚合機(jī)制即源節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。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(jī)制將它們?nèi)恐貍鳎瑫?dǎo)致較明顯的冗余開銷。

    （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(diǎn)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(diǎn)以為PNC沒有為其分配時隙的假象，導(dǎo)致PNC為節(jié)點(diǎn)分配的時隙資源的連續(xù)浪費(fèi)。

    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(jī)制

    （1）幀聚合內(nèi)容按需重傳

    該機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(rèn)時隙利用

    該機(jī)制的主要思路是：若源節(jié)點(diǎn)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(diǎn)分配的時隙信息），若其中包含有該節(jié)點(diǎn)ID的CTA塊，則節(jié)點(diǎn)認(rèn)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸操作。

    “無確認(rèn)時隙利用”新機(jī)制能夠保證源節(jié)點(diǎn)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(fèi)，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(jìn)機(jī)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(jìn)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(diǎn)以TDMA的接入方式與目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(diǎn)（節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)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(jìn)行廣播。節(jié)點(diǎn)A接收到該beacon幀之后會提取其中的CTA IE，此時節(jié)點(diǎn)A會啟用新提出的無確認(rèn)時隙利用機(jī)制來確認(rèn)自己的時隙分配情況。轉(zhuǎn)步驟(6)。

    (6)在CTAP時段，節(jié)點(diǎn)A會利用新提出的幀聚合內(nèi)容按需重傳新機(jī)制，以標(biāo)準(zhǔn)聚合幀的方式向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送聚合幀，目的節(jié)點(diǎn)收到聚合幀后以塊確認(rèn)的方式進(jìn)行確認(rèn)。

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(jìn)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(xiàn)[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：

    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R_BER；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l_i比特。故任一子幀頭部出錯概率為：

    然后利用泰勒公式：

    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(jìn)行仿真驗證，通過改變節(jié)點(diǎn)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。

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(diǎn)數(shù)的增加而增加，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)增加到一定程度后趨于平穩(wěn)。在節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(rèn)時隙利用機(jī)制使得已經(jīng)分配的CTAP時隙資源不會被浪費(fèi)而用于數(shù)據(jù)傳輸，增大了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

    （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(diǎn)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(jī)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。

    （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(jī)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(diǎn)重傳整個聚合幀，只是對后半部分子幀進(jìn)行重傳，明顯地降低數(shù)據(jù)重傳率。

    （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(diǎn)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(diǎn)數(shù)的增加，系統(tǒng)總業(yè)務(wù)量增加，信道會基本達(dá)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(rèn)時隙利用機(jī)制使得為節(jié)點(diǎn)分配的時隙資源不會被浪費(fèi)，節(jié)點(diǎn)可以合理利用該時段，明顯提高時隙利用率。

5 結(jié)論

    本文針對標(biāo)準(zhǔn)幀聚合機(jī)制以及時隙申請方式進(jìn)行了詳細(xì)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(jìn)行了理論分析；最后，利用OPNET Modeler 14.5仿真工具進(jìn)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(diǎn)實(shí)驗室，重慶400065）