高效低時延的太赫茲無線個域網雙信道MAC協議

周海東，周 遜,2，任 智，嚴 炎，葛理威

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，四川 綿陽 621900)

1 引 言

信息交互方式的發生的改變促使數據流量快速增加，而當前移動數據流量已占據主流.層出不窮的新應用對無線速率提出更高要求，預計到2020年左右，人們對短距離無線通信的數據速率需求將達到數10Gbps[1].現有無線通信技術受限于帶寬難以滿足此需求，這促使人們探索更高的頻率波段，在這種環境下，太赫茲(terahertz，THz)波段(0.1THz-10THz)已被提升為一個關鍵的無線技術來滿足這一需求[2].

太赫茲(terahertz,THz)波[3-5]是位于毫米波和遠紅外光波之間的電磁波,其頻率范圍為0.1THz-10THz，相應波長范圍為0.03mm-3mm.太赫茲波處于宏觀經典理論向微觀量子理論的過渡區，它是人類最后一個尚未完全認知利用的頻段.相比于60GHz及以下頻段，太赫茲頻段大部分尚未被分配使用，具有較大的開發潛力，因此相關的太赫茲通信技術被看做是5G通信的關鍵技術之一[6].在實際的無線通信中，空氣中的水分子對太赫茲通信的影響較大，水分子會造成太赫茲波特別大的大氣衰減，因此它的通信距離范圍受到限制，考慮到太赫茲波具有特性，太赫茲頻段比較適合短距離無線通信[7].

太赫茲無線個域網(Terahertz Wireless Personal Area Networks (THz-WPANs)是一種數據速率可以達到幾十Gbps并且以太赫茲波作為載波的自組織網絡[8,9].THz-WPANs是一種通信范圍較小的網絡，通常是由多個具有太赫茲無線通信的節點組成.與傳統無線個域網最主要的區別是，它能夠為不斷出現的新型業務提過超過10Gbps的數據傳輸保證.

接入方法工作在網絡中的MAC層，其主要功能是承擔著信道的接入控制，在通信體系架構中起著非常重要的作用.最近幾年，太赫茲無線個域網雙信道MAC協議的研究已經獲得了一定進展，相關的研究工作仍在繼續進行.Jornet等人提出了一種太赫茲電磁納米網絡接入協議-PHLAME(a PHysical Layer Aware MAC protocol for Electromagnetic nanonetworks)[10].PHLAME協議包含握手和數據傳輸兩個階段，其結合物理層脈沖通信的特點，使節點在任意時刻發送數據，其中，采用不同節點使用不同的符號速率機制，能夠有效避免數據幀發生碰撞，提高網絡性能.Shahram Mohrehkesh等人提出一種由接收節點開始、集能感知的接入協議RIH-MAC(Receiver-Initiated Harvesting-aware MAC).RIH-MAC協議要求只有接收節點具有足夠的能量，數據傳輸才會成功，其還要求發送端和接收端在時間上同步，將網絡運行時間分為等長的時隙，這可以顯著減小數據幀之間碰撞的概率和能量的消耗[11].Pu Wang等人針對納米傳感網絡提出一種頻譜感知的接入協議--DSS-TDMA(a Dynamic Scheduling Scheme based on TDMA)[12].DSS-TDMA協議中網絡的節點是由一般的納米傳感器節點和更高邏輯地位、具備無線個域網控制功能的控制器節點組成，其將網絡的運行時間劃分為三部分，分別是每個幀包含的下行鏈路、上行鏈路以及隨機接入.DSS-TDMA提出這種基于TDMA+RA(時分多址+隨機接入)的太赫茲無線個域網MAC協議對未來研究和設計THz-WPANs接入協議具有重要的指導意義.

目前關于THz-WPANs雙信道MAC協議研究比較少，Peng等人提出了一種利用帶外信令的增強型組網方案：通過在低頻信道進行信道掃描和信令交互來確定節點的大致位置，然后在在太赫茲信道實現使用高增益天線進行精確掃描，最后掃描完成才進行太赫茲通信[13]；Yao等人參考了IEEE802.11ac[14]協議，并提出了一種TAB-MAC[15]協議，其基本思路是控制信息的交換在WiFi(2.4GHz)信道用全向天線進行，真正的數據傳輸在太赫茲信道用定向天線進行實現，該協議可以解決太赫茲通信距離受限問題，但存在信道利用率較低，數據傳輸延遲較大等問題.針對這些問題，本文提出了一種高效低時延的THz-WPANs雙信道MAC協議.

2 網絡模型與問題描述

2.1 網絡模型

TAB-MAC協議的網絡模型如圖1所示.網絡中的節點由錨節點(Anchor node)和常規節點(Regular node)構成，錨節點可以幫助常規節點獲得自身節點的位置坐標信息，常規節點可以在太赫茲信道發送數據.錨節點可以通過配備GPS定位模塊或手動配置來獲得自己的位置坐標信息，常規節點通過配置波束成形天線陣列在太赫茲信道進行通信.

錨節點在WiFi波段周期性的廣播信標信號，常規節點根據收到的信標幀信號來定位自身節點的位置信息，定位一個常規節點在兩個維度的位置坐標需要三個不在一條直線上的錨節點，定位一個常規節點在三維空間的位置至少需要4個不在一條直線的錨節點.常規節點的太赫茲波束成形天線適當的調整之后，兩個常規節點之間在太赫茲信道才可以建立連接，由于常規節點可以定位自身節點的位置坐標信息，這使調整天線變的簡單.

TAB-MAC協議的主要思路是在WiFi信道用全向天線來交互控制信息，在太赫茲信道用定向天線進行數據傳輸，如下圖2所示.在WiFi信道，有數據需要發送的源節點用全向天線向目的節點發送一個RTS(Request To Send，請求發送)幀(包含源節點的位置信息)，目的節點收到RTS幀，若信道空閑，等待一個SIFS(Short Interframe Space，短幀間間隔)時間之后，就向源節點回復一個CTS(Clear To Send，允許發送)幀(包含目的節點的位置信息)，源節點和目的節點根據相互交互的信息，調整太赫茲波束成形天線使用定向天線相互對準，然后切換到太赫茲信道；在太赫茲信道，首先源節點會向目的節點發送一個TTS(Test To Send，測試)幀(為了確保源節點和目的節點的定向天線相互對準)，目的節點收到TTS幀會向源節點回復一個ACK(ACKnowledgement, 確認)幀，源節點收到ACK幀之后才能夠向目的節點發送數據幀.目的節點對收到的多個數據幀僅使用一個ACK幀進行確認.

圖1 網絡模型Fig.1 Network model

圖2 TAB-MAC協議Fig.2 TAB-MAC protocol

測試幀的幀格式如圖3所示.測試幀是一個短的數據幀，它的幀體是一個長度為4字節的數據字段.

圖3 測試幀格式Fig.3 Test To Send frame format

2.2 問題描述

通過深入研究發現，現有太赫茲無線個域網雙信道MAC協議存在信道利用率不高以及數據傳輸時延較大問題：

1)在WiFi信道如果源節點(假定為A)向目的節點(假定為B)發送RTS幀，節點B收到RTS幀之后，如果此時節點B也有數據需要向節點A發送，根據現有的太赫茲無線個域網雙信道接入方法，節點A向節點B傳輸數據完成之后，節點B才能夠與節點A進行RTS/CTS幀交互，而節點A向節點B發送完數據之后，A節點和B節點在太赫茲信道定向天線還處在對準狀態，因此可以直接進行數據傳輸，省去了RTS/CTS幀交互過程以及測試時延.

2)在太赫茲信道引入測試幀是為了測試源節點和目的節點之間的定向天線是否處于對準狀態，測試幀中的4字節數據字段為無用數據，因此可以考慮去掉，進一步減少控制開銷.

3 ELD-MAC

針對以上問題，提出一種高效低時延的接入協議--ELD-MAC.該協議較好地解決了上述問題，同時提高信道利用率，減少網絡控制開銷，降低數據傳輸時延，提升網絡性能.

3.1 自適應省略RTS/CTS幀交互過程

"自適應省略RTS/CTS幀交互過程"新機制的基本思路為：如果目的節點B在向源節點A回復CTS幀之前有數據需要發送給源節點A，則計算出發送那些數據所需總的時間值，加上RTS幀中攜帶的"持續期"字段的值，將兩者的和裝入CTS幀的"持續期"字段中，然后廣播該CTS幀；A、B節點之外的其它節點(假設太赫茲無線個域網所有節點都可以直接通信)收到該CTS幀后，它們都會在這段時間內在太赫茲信道保持靜默；節點A發送數據結束后，節點B可以將自己的數據發送給節點A.這樣使用一個RTS/CTS幀交互過程，節點A、B都可以把自己要發送的數據幀發送給對方節點，從而省去一個RTS/CTS交互過程以及測試時延，降低了控制開銷和數據傳輸時延.

"自適應省略RTS/CTS幀交互過程"新機制的操作流程如圖4所示.

圖4 自適應省略RTS/CTS幀交互過程
Fig.4 Adaptive ellipsis RTS/CTS frame interaction process

3.2 精簡測試幀

在太赫茲信道引入測試幀時為了測試源節點和目的節點之間的定向天線是否處于對準狀態，測試幀中的4字節數據字段為無用數據，該數據字段為冗余的控制開銷，增大了數據傳輸時延，不利于網絡吞吐量的提高.

"精簡測試幀"新機制的基本思路為：去掉測試幀中4字節的無用數據字段，來減少控制開銷，同樣可以測試源節點和目的節點之間的定向天線是否處于對準狀態."精簡測試幀"幀結構示意圖如圖5所示 .Duration:持續時間；RA:the address of the STA receiving the TTS frame，TTS幀接收站點地址；TA:the address of the STA transmitting the TTS frame，TTS幀發送站點地址；FCS: Frame Check Sequence，幀校驗序列.

圖5 精簡測試幀格式
Fig.5 Simplified test frame format

3.3 ELD-MAC協議操作流程

下面按照WiFi信道和太赫茲信道的順序，具體介紹提出的太赫茲無線個域網雙信道MAC協議的操作流程.

3.3.1 WiFi信道

步驟1.錨節點周期性的廣播信標信號，常規節點收到信標信號然后來確定自身節點的位置信息.

步驟2.有數據發送需求的源節點向目的節點發送RTS幀，目的節點收到RTS幀，如果目的節點也有數據向源節點發送，則采用本文提出的"自適應省略RTS/CTS幀交互過程"機制，否則采用原協議，即目的節點向源節點回送一個CTS幀.

步驟3.源和目的節點根據RTS/CTS交互的信息，調整太赫茲波束成形天線，使用定向天線對準，然后切換到太赫茲信道.

3.3.2 太赫茲信道

步驟1.源節點向目的節點發送一個精簡測試幀，目的節點收到精簡測試幀向源節點回送一個ACK幀.

步驟2.源節點收到對精簡測試幀的確認幀之后，立即向目的節點發送數據幀，目的節點對收到的多個數據幀僅用一個ACK幀進行確認.

3.4 性能分析

為確定ELD-MAC協議的有效性，本文采用TAB-MAC協議作為比較對象，對其進行理論分析驗證.

定理1.與TAB-MAC協議相比，在太赫茲信道ELD-MAC協議有更小的測試時延.

證明:原TAB-MAC協議和ELD-MAC協議測試時延如公式(1)和公式(2)所示：

Ttest1=Tswitch+TTTS-T+TACK+Tsifs+2Tprop

(1)

Ttest2=Tswitch+TTTS-E+TACK+Tsifs+2Tprop

(2)

其中Tswitch為切換時間，它的值為WiFi信道切換到太赫茲信道所用的時間，TACK為發送ACK幀所用的時間，Tsifs為短幀間間隔時間，Tprop為傳播時延.在相同的場景和參數設置下，TAB-MAC協議和ELD-MAC協議在Tswitch、TACK、Tsifs、Tprop保持一致，TTTS-T和TTTS-E分別為TAB-MAC協議和ELD-MAC協議發送一個測試幀所用的時間.由于ELD-MAC協議采用精簡測試幀機制，省去了4字節的無用數據字段，因此TTTS-T>TTTS-E，可知，Ttest2

定理2.與TAB-MAC協議相比，ELD-MAC協議能夠提升網絡吞吐量.

證明:設第i個節點需要發送數據的概率為pi，TAB-MAC協議與ELD-MAC協議的網絡吞吐量分別為ST、SE，則TAB-MAC協議的網絡吞吐量期望ST可由下式(3)得出：

(3)

式中S為TAB-MAC協議的網絡吞吐量隨機變量，Si為第i個節點的網絡吞吐量變量，Nasc為當前已關聯節點的總數，Li為第i個節點待發送數據的大小，Psucc為節點在太赫茲信道成功發送一個數據幀的概率，Ti為第i個節點在WiFi信道建立連接和在太赫茲信道發送數據幀總的時間.相應地，ELD-MAC網絡吞吐量SE如式(4)所示：

(4)

4 仿真驗證

4.1 仿真統計量及參數設置

4.1.1 仿真統計量

1)信道利用率

信道利用率是指數據幀傳輸時間占信道總時間的比例，它體現出MAC協議的工作效率，其計算公式如下所示：

(5)

其中Ti為第i個數據幀傳輸時延，T為網絡通信總時長.數據幀傳輸時間所占比例越高，說明信道資源無效浪費所占比例越少，MAC層工作效率越高.

2)數據平均時延

數據時延一般指數據開銷自產生到正確接收中間所用的時間.平均時延則是對所有的時延值取平均，其計算公式如下所示：

(6)

其中di為第i個數據時延，包括層間處理、MAC層排隊、傳輸以及傳播耗時，一般不考慮目的節點處理時延，當數據出錯重傳時，重傳耗時也包括在內；而N為當前網絡中MAC層已正確接收的數據個數.

3)MAC層吞吐量

MAC層吞吐量為MAC層單位時間內向上層提供數據的總量，單位取比特每秒(b/s)，其計算公式如下所示：

(7)

其中，Drec為各節點MAC層正確接收的數據開銷大小，T為網絡通信總時長，在仿真中即數據產生開始時間到當前時刻.MAC層吞吐量不僅受物理層條件限制，而且還受MAC協議工作效率的影響.

4.1.2 參數設置

主要的仿真參數如表1所示.

表1 主要仿真參數表1Table 1 Simulation main parameters

4.2 仿真結果分析

4.2.1 信道利用率

如圖6所示，當網絡達到飽和時，ELD-MAC協議信道利用率提高了11.39%.信道利用率提高的主要原因為：

圖6 信道利用率對比
Fig.6 Comparison of channel utilization

1)"自適應省略RTS/CTS幀交互過程"新機制，對于存在反向信道傳輸數據的節點，能夠省去RTS/CTS交互過程，減少控制開銷，從而增大傳輸數據幀占總的信道時間比例，提高信道利用率；

2)"精簡測試幀"機制，省去測試幀4字節的無用數據字段，減少了控制幀占總的信道時間比例，從而提高信道利用率.

4.2.2 數據平均時延

如圖7所示，ELD-MAC協議數據平均時延至少降低了12.63%.時延降低的主要原因為："自適應省略RTS/CTS幀交互過程"新機制對于存在反向信道傳輸數據的節點省略了RTS/CTS交互過程以及測試時延，加快了數據傳輸，從而降低數據傳輸時延.

圖7 數據平均時延對比
Fig.7 Comparison of data′s average delay

4.2.3 MAC層吞吐量

如圖8所示，ELD-MAC協議在網絡飽和的情況下吞吐量提高了10.96%，這主要原因在于：

圖8 MAC層吞吐量對比
Fig.8 Comparison of MAC layer throught

1)"自適應省略RTS/CTS幀交互過程"新機制，對于存在反向信道傳輸數據的節點，能夠省去RTS/CTS交互過程，減少冗余控制開銷，從而在相同的信道時間內能夠發送更多的正常數據；

2)"精簡測試幀"機制省去4字節無用數據字段，減少了發送測試幀所用的時間以及接收時間，降低數據傳輸時延，從而提高網絡吞吐量.

5 結 論

本文主要針對現有相關太赫茲無線個域網雙信道MAC協議存在信道利用率較低以及數據傳輸時延大問題，提出一種適用于太赫茲無線個域網的高效低時延的雙信道接入協議--ELD-MAC.ELD-MAC通過采用"自適應省略RTS/CTS幀交互過程"新機制，對于存在反向信道傳輸數據的節點，能夠省去RTS/CTS交互過程，減少控制開銷；采用"精簡測試幀"機制，省去測試幀4字節的無用數據字段，減少冗余控制開銷從而達到提高信道利用率、降低數據傳輸時延、提升網絡性能的效果.最后通過仿真驗證ELD-MAC協議的有效性.在未來的研究中，本文將進一步研究如何實現太赫茲無線個域網雙信道的MAC協議的空分復用，結合空分復用對信道資源進行更高效的分配，使網絡吞吐量得到顯著提升.