一種高效的太赫茲無線個域網定向MAC協議

任 智，呂昱輝，田潔麗，鄒明芮，徐兆坤

1(重慶郵電大學 移動通信技術重慶市重點實驗室，重慶 400065) 2(中國工程物理研究院 激光聚變研究中心，成都 610000) E-mail：lvyuhui_cqupt@126.com

1 引 言

無線個域網是一種自組織網絡，在該網絡中的任意兩個節點均可以直接進行通信.該網絡滿足了室內短距無線通信的需求.然而傳統的無線個域網所支持的帶寬在100MHz左右.根據香濃公式，在接收端信噪比一定的情況下，無線鏈路所支持的最大數據速率與帶寬成正比.隨著人們對數據速率的需求越來越高，提高信號所使用的帶寬成為一種最直接的方式.利用太赫茲頻段[1]進行通信成為一種潛在的解決方式，太赫茲無線個域網利用該頻段所擁有的巨大可用帶寬提供超高數據速率(≥10Gbps).

現有的關于太赫茲無線個域網的研究[2-4]大多是考慮全向傳輸的.而實際上，在允許的功率范圍內太赫茲的全向傳輸范圍小于1m[5].而傳統無線個域網的通信范圍在10m左右.太赫茲頻段的路徑損耗較高[6]，利用太赫茲頻段的通信必須使用定向天線[7]才能進行數據傳輸.因此，波束成形訓練過程是必須考慮的.文獻[8]對太赫茲頻段通信的場景做了簡要介紹，其中包含數據中心場景.在該場景中，節點間的通信鏈路不僅包括直視徑而且包含通過反射物的非直視徑.文獻[9]提出通過帶外信令的方式來解決太赫茲頻段波束成形耗時長的問題.但是，由于在數據中心場景下的數據鏈路不僅包含直視徑而且包含非直視徑，而該思路只適用于直視徑的波束成形.因此，對于數據中心場景下的太赫茲無線個域網通信需參考IEEE 802.15.3c(以下簡稱3c)標準[10]與IEEE802.11ad(以下簡稱ad)標準[11]的定向超幀結構.

文獻[12]介紹了波束成形訓練的具體過程，波束成形的目的是在定向傳輸的前提下實現收發雙方波束主瓣對準對方.主要通過空間掃描的方式實現.假設節點接收與發送均采用同一套天線系統，則網絡中節點的發送、接收方向個數均為a.首先節點A向a個方向發送訓練幀，在每個方向上重復發送a次.而節點B在每個方向循環接收訓練幀.A在一個方向發送的時間等于B循環接收一周的時間.然后，節點B在最佳波束方向向A發送訓練幀，同樣重復a次.而節點A在每個方向上循環接收訓練幀.最后節點A在最佳波束方向向B發送確認幀.至此，節點之間的波束成形訓練完成.

3c定向超幀結構中的信道資源根據時間被劃分為一個個超幀，該超幀由三部分構成：Beacon、CAP(Contention Access Period)及CTAP(Channel Time Allocation Period)，CAP由多個Association S-CAP、多個Regular S-CAP和一個Regular CAP組成，CTAP由多個CTA(Channel Time Allocation)組成.而ad定向超幀結構中的信道資源根據時間被劃分為一個個信標間隔，通常每個信標間隔由四部分構成：BTI(Beacon Transmission Interval)、A-BFT(Association Beamforming Training)、ATI(Announcement Transmission Interval)和DTI(Data Transfer Interval).而一個DTI又由多個CBAP(Contention-Based Access Period)和多個SP(Service Period)組成.

在3c和ad中，若節點A、B之前沒有進行過波束成形訓練且A有數據需要發送給B，則A向PNC申請兩個CTA/SP時隙，前一個CTA/SP時隙用于A、B之間的波束成形訓練(其他節點處于空閑狀態)，后一個CTA/SP時隙用于A、B之間的數據傳輸.這種波束成形訓練方式開銷較大，效率較低.

針對上述問題，Akhtar等人提出了一種針對802.11ad無線局域網的高效網絡級波束成形訓練機制(ENLBT-MAC)[13]，該機制主要是通過其他節點在波束成形訓練時隙掃描監聽的方式減小了波束成形開銷.

太赫茲通信的載波頻率遠高于60GHz，且傳播時的路徑衰減遠大于60GHz，收發端必須同時高度定向才能通信.將3c與ad的定向超幀結構直接引入數據中心場景下的太赫茲無線個域網中會導致較大的時延.因此有必要為該網絡設計一種全新的超幀結構，縮短節點間波束成形訓練所需的時間，節省不必要的波束成形訓練開銷.針對此問題，本文提出了一種高效的太赫茲無線個域網定向MAC協議，并進行仿真驗證.

2 網絡模型與問題描述

2.1 網絡模型

本文所討論的超幀結構如圖1、圖2，網絡中所有設備均在組網超幀結構入網，然后進入數據傳輸調度超幀結構進行定向數據傳輸.

圖1 組網超幀結構Fig.1 Network superframe structure

組網階段的主要功能是節點入網和節點間的波束成形訓練.該階段分為4個時段：Beacon時段用于PNC發送定向信標消息，Association S-CAP子時段用于節點發送關聯入網消息、PNC發送關聯回復消息，Beamforming CTAP時段用于全網波束成形訓練.數據傳輸階段的主要功能是數據傳輸.該階段分為三個時段：Beacon時段用于PNC發送定向信標消息，Regular S-CAP子時段用于節點發送CTA時隙申請消息，CTAP時段用于數據傳輸.

2.2 問題描述

a)在基于3c/ad的太赫茲無線個域網定向MAC協議中，節點間的波束成形訓練在CTAP/DTI時段中特定CTA/SP時隙完成.且在該時隙發送波束成形幀的設備有且只有兩個.該機制導致節點間波束成形訓練開銷過大.該問題會導致節點的入網時延增大，數據幀傳輸成功率變小，同時也增加了控制開銷.

圖2 數據傳輸調度超幀結構Fig.2 Data transmission scheduling superframe structure

b)在基于3c和ad太赫茲無線個域網定向MAC協議中，定向超幀的Beacon時段均被劃分成了若干個子時段，在每個子時段中心節點需要向特定扇區發送定向Beacon幀.此時位于中心節點其他扇區的已入網節點之間不能存在任何通信.節點間的數據傳輸必須在CTAP/SP時段進行.這種做法不僅降低了網絡的吞吐量、而且增加了數據的端到端時延.

3 ED-MAC協議

3.1 全網波束成形訓練機制

該機制的主要思想是：各DEV按照入網順序從后往前依次掃描發送波束訓練幀，其他DEV掃描接收.當第一個入網的DEV掃描發送完畢時，所有節點進入數據傳輸調度超幀.具體方案如下：

在組網階段的Beamforming CTAP時段開始前，節點已經全部入網.并且PNC按照入網順序依次給節點分配了DEVID.其他節點旋轉波束方向并嘗試接收特定節點發送的精簡波束成形訓練幀(幀格式如圖3)，收到訓練幀后首先提取幀中包含的DEVID與sequence_number.其次將DEVID、本節點當前扇區ID和收到信號的SNR/SINR存入定向天線映射表中.然后根據提取出來的DEVID與PNC分配給本機的比較，如果滿足式1，則節點根據提取出來的sequence_number值設置偏移計時器 (見表達式2、3).如果 沒溢出，繼續旋轉波束方向接收，并根據收到信號的SNR/SINR更新.如果 溢出，旋轉波束方向發送波束成形訓練幀.如果從訓練幀提取出來的DEVID為1，則設置 且當該計時器溢出時，節點進入數據傳輸階段.

圖3 精簡波束成形訓練幀幀格式Fig.3 Simplified beamforming training frame structure

DEVID-DEVIDs==1

(1)

(2)

tb=(Lb/tx_data_rate+PROPAGATION_DELAY+SIFS)

(3)

其中S1為節點的波束方向數，tb表示節點從發送一個訓練幀到發送下一個訓練幀所需要的時間.

該機制安排網絡中節點按照入網順序依次旋轉發送波束成形訓練幀、其他節點旋轉接收的方式減少了波束成形訓練的第二、三個步驟，同時也避免了以鏈路為單位而導致的重復訓練，極大地減少了波束成形訓練開銷.

3.2 機會性復用定向Beacon子時段

“機會性復用”的主要思想是：利用收發節點扇區對準的機會、在PNC發送Beacon消息的子時段里同時發送數據幀.具體方案如下：

圖4 機會性復用定向Beacon子時段示意圖Fig.4 Schematic diagram of the opportunistic reuse of directional Beacon sub-period

在數據傳輸階段，節點首先需要判斷本扇區是否可以復用.判斷方式是節點在S-CAP時段將波束方向對準PNC.如果一個節點A監聽到另一個節點S發送給PNC的時隙請求幀，則A確定自己可以復用PNC發送Beacon消息子時段，然后A計算出當前時刻距Beacon時段結束時刻的偏移時間T，并根據該偏移時間和S-CAP長度L算出節點S所在的扇區順序號，將該參數作為自己(節點A)在Beacon子時段的復用順序號.復用順序號Seq的計算公式如下：

Seq=?T/L」+1，?」代表向下取整函數

(4)

在接下來的超幀中，節點在PNC發送的時隙請求幀中捎帶復用標志(利用保留位).PNC收到時隙請求幀后，首先判斷下一超幀CTAP時段是否存在空閑時隙.如果否，則進一步判斷復用標志是否為“一”.如果是，再判斷目標列表是否存在與申請節點同扇區且距離PNC更遠的節點(根據收到關聯請求幀的信號強度判斷)并將該DEVID填進時隙請求回復幀的“Reason code”域.最后再判斷申請需要傳輸的幀長是否不大于Beacon幀的幀長.如果是，則回復一個可復用標志置“一”(保留位)的時隙請求回復幀.DEV收到后提取可復用標志.如果是一，則提取“Reason code”域作為目的節點并在下一超幀對應的Beacon子時段向該節點發送一個數據幀.該機制能夠有效提高網絡吞吐量、降低數據在MAC層的等待時延.

4 性能分析

引理1.與ENLBT-MAC協議相對比，全網波束成形訓練機制的控制開銷較小.

證明：假設網絡中每個節點都需要與其他m-1個節點(不包括PNC)進行通信，則ENLBT-MAC協議需要發送的控制開銷總數 的表達式為：

(5)

其中224為一個波束成形訓練幀的幀長.而在新機制中，整個網絡節點間波束成形訓練需要發送的訓練幀總數C2與網絡中節點數m正相關，其表達式為：

(6)

(7)

由上式可知，當且僅當m>1時，C1>C2，得證.

引理2.ED-MAC協議的網絡吞吐量不低于3c和ad.

證明：在3c和ad中，節點間發送數據均在CTAP/SP時段進行傳輸.假設一個超幀的時間為Duration，CTAP/SP占比為Ratio，數據傳輸速率為data_rate.為簡化計算，假設CTAP/SP時段沒有時隙浪費.則3c和ad協議一個超幀發送的數據總量Amountone-superframe的計算公式為：

Amountone-superframe=Duration×Ratio×data_rate

(8)

1s所包含的超幀個數Quantity的計算公式為：

(9)

網絡吞吐量Throughtput3c/ad的計算公式為：

Throughtput3c/ad=Amountone-superframe×Quantity

(10)

而ED-MAC的吞吐量有兩部分構成：①節點在CTAP時段發送的數據；②節點在Beacon時段發送的數據AmountBeacon.

ThroughtputHED-MAC=Throughtput3c/ad+AmountBeacon

(11)

AmountBeacon≥0

(12)

則ThroughtputHED-MAC≥Throughtput3c/ad，得證.

5 仿真驗證

該實驗通過OPNET仿真工具對ED-MAC協議、IEEE 802.15.3c協議、IEEE 802.11ad協議和ENLBT-MAC協議進行了仿真驗證，仿真中每個節點的業務量相同.主要考察改變節點個數對各性能指標的影響.仿真參數設置如表1所示.

表1 仿真參數設置Table 1 Simulation parameter setting

仿真結果分析：

1)MAC層吞吐量.MAC層吞吐量是指單位時間內MAC層成功接收到的比特數.圖5表明ED-MAC擁有更高的吞吐量，這是由于全網波束成形訓練機制減小了網絡初期對CTAP的占用，使得用于發送數據的CTA時隙增加.同時機會性復用定向Beacon子時段機制使得一個超幀發送的數據量增多，從而增加了MAC層吞吐量.

2)數據平均時延.數據時延是指源節點產生數據包到目的節點接收數據包之間的時間.而數據平均時延是對所有數據包的時延取平均.從圖6中可以看出：相較于IEEE 802.15.3c協議、IEEE 802.11ad協議和ENLBT-MAC協議，ED-MAC協議在業務量飽和情況下的數據平均時延減小了約6.67%.這是由于機會性復用定向Beacon子時段機制將原本在CTAP時段發送的數據提前至定向Beacon子時段進行發送，減小了對應數據包的數據時延，從而降低了整體的數據平均時延.

圖5 MAC層吞吐量Fig.5 MAC layer throughput圖6 數據幀平均時延Fig.6 Average data frame delay

3)波束成形訓練開銷.波束成形訓練開銷是指在網絡運行過程中，所有節點發送波束成形訓練幀的比特數之和.從圖7可以看出ED-MAC協議波束成形訓練開銷最低，主要是因為全網波束成形訓練機制減少了節點間波束成形訓練所需的比特數，以更小的開銷達到了與對比協議相同的波束成形訓練效果.

圖7 波束成形訓練開銷Fig.7 Beamforming training cost圖8 數據幀傳輸成功率Fig.8 Data frame transmission success rate

4)數據幀傳輸成功率.數據幀傳輸成功率是指網絡中所有節點成功接收到數據幀的個數比上所有節點發送的數據幀的個數.圖8表明ED-MAC在網絡滿負載的情況下擁有更高的成功率，這是由于全網波束成形訓練機制減小了網絡初期對CTAP的占用，使得用于發送數據的CTA時隙增加.同時機會性復用定向Beacon子時段機制使得一個超幀發送的數據量增多，從而增加了數據幀傳輸成功率.

6 結 語

本文針對現有的無線個域網MAC協議波束成形訓練開銷過大和滿負荷數據時延過大的情況，提出了一種高效的太赫茲無線個域網定向MAC協議，通過全網波束成形訓練機制、機會性復用定向Beacon子時段機制，降低了節點間波束成形訓練開銷、減少了數據平均時延，提高了數據幀傳輸成功率、MAC層吞吐量.我們未來將在定向并行傳輸方面繼續研究.