一種可靠高時隙利用率的太赫茲無線個域網(wǎng)MAC協(xié)議

任 智,嚴 炎,周海東,葛理威

(重慶郵電大學 移動通信技術重慶市重點實驗室,重慶 400065)

1 引 言

太赫茲(terahertz,THz)波[1,2]是一種頻率為0.1THz～10THz的電磁波,其波長介于毫米波和紅外光波之間.太赫茲通信[3,4]使用太赫茲波進行通信,極大的帶寬使其能夠支持10 Gbps的數(shù)據(jù)傳輸[5],能夠滿足人們?nèi)找嬖鲩L的高速無線上網(wǎng)需求,將成為未來無線通信的重要手段[6].在實際通信環(huán)境中,太赫茲波受大氣衰減較為嚴重[7],其傳播距離一般較短,故其更適用于室內(nèi)近距離高速無線通信.

太赫茲無線個域網(wǎng)[8]是一種無需基礎設施的自組織網(wǎng)絡,各個設備之間能夠直接進行通信,由于其采用太赫茲波進行通信,故能夠實現(xiàn)多個設備之間超高速率數(shù)據(jù)交換,在未來具有廣泛的應用前景.

太赫茲無線網(wǎng)絡媒介接入控制(media access control,MAC)協(xié)議作為太赫茲無線通信的關鍵技術之一[9],其有關標準還處于研究制定階段.現(xiàn)有的超高速無線MAC協(xié)議標準中[10],適用于高載波頻率的協(xié)議有IEEE 802.15.3c 和 IEEE 802.11.ad,他們都用于載波頻率為60GHz的無線通信.Sebastian Priebe[11]在對太赫茲無線通信MAC層技術進行深入研究后,明確指出了IEEE 802.15.3c開銷相對較少,更適用于太赫茲無線通信.EJ Kim[12]提出了一種基于各扇區(qū)內(nèi)無線通信設備的數(shù)量來動態(tài)調(diào)整相應CAP時段的方法.該方法提高了節(jié)點競爭信道時隙的效率及設備間的公平性,能更好地利用時隙資源.H Assasa[13]對幀聚合技術進行了一定的研究,在幀聚合條件下提出了適當?shù)却龣C制,在滿足最小幀聚合大小或最大等待時長,即發(fā)送數(shù)據(jù)包,相比于以往的不等待機制提高了信道資源的利用率.曹建玲等[14]針對現(xiàn)有IEEE 802.15.3c協(xié)議中存在的時隙請求量未及時更新、超幀結構不合理等問題,提出了一種高吞吐量低時延的MAC(high throughput low delay MAC,HLMAC)協(xié)議,通過設計一種新的超幀結構,將CAP時段放置到CTAP時段之后,使節(jié)點及時得到時隙分配信息,大大降低了數(shù)據(jù)的接入時延.

本文以HLMAC協(xié)議為基礎,在其上進行改進以適用于太赫茲無線通信.針對現(xiàn)有太赫茲MAC協(xié)議存在的時隙資源浪費、標準幀聚合傳輸不可靠等問題,提出了一種可靠高時隙利用率的太赫茲MAC協(xié)議,減少了時隙資源的浪費,提高了傳輸?shù)目煽啃?

2 網(wǎng)絡模型與問題描述

2.1 網(wǎng)絡模型

本研究基于現(xiàn)有的IEEE 802.15.3c 協(xié)議,使用CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)和TDMA(Time Division Multiple Access)混合接入方式,在其基礎上進行修訂以形成新的MAC協(xié)議,使其適用于太赫茲無線通信.在新的協(xié)議中網(wǎng)絡時間被劃分為多個長度可不等的超幀,每個超幀又包含有先后順序的3個子幀:BP(Beacon period)、CTAP(Channel time allocation period)、CAP(Channel access period).每個CTAP又被分為多個CTA(Channel Time Allocation,通常1個DEV被分配一個CTA),每個CTA由多個TU(Time Unit)組成.太赫茲無線個域網(wǎng)超幀結構如圖1所示.

圖1 太赫茲無線個域網(wǎng)超幀結構圖Fig.1 T-WPANs′ frame structure

太赫茲無線個域網(wǎng)通常由一個PNC(Piconet coordinator)和多個DEV(Device)組成.DEV是網(wǎng)絡中的基本通信單位,能夠進行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收;PNC作為一種特殊的DEV,負責管理整個網(wǎng)絡的接入等功能.

PNC在每個超幀的BP時段廣播包含網(wǎng)絡同步信息和時隙分配信息的Beacon幀,收到Beacon信息的DEV會進行網(wǎng)絡時間同步,且能獲得自己在CTAP時段的時隙分配情況.在CTAP時段,采用TDMA方式接入信道,已獲得時隙資源的DEV在屬于自己的時隙中發(fā)送數(shù)據(jù).在CAP時段,使用的是CSMA/CA的接入方式,有數(shù)據(jù)待發(fā)的DEV競爭接入信道向PNC發(fā)送時隙請求消息,PNC在收到請求后回復相應的ACK消息并在下一超幀的Beacon時段廣播時隙分配信息.

2.2 問題描述

通過研究發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有的太赫茲無線MAC協(xié)議接入方法存在以下問題:

1)由于太赫茲波在大氣中受水分子影響嚴重,導致太赫茲無線通信傳播距離較短,受到干擾較為嚴重.在太赫茲無線通信過程中,DEV存在未收到Beacon消息或解析出錯的情況,這均會導致已經(jīng)分配了時隙的DEV無法獲得自己被分配的時隙位置,無法在相應的時段內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù),其他節(jié)點也不會使用這部分時隙,造成這部分時隙資源無法被使用,導致時隙資源浪費.

2)在現(xiàn)有相關接入方法的標準幀聚合機制中,子幀頭部和子幀其他部分(幀體、幀尾)被分開,子幀頭部聚集到一起放于幀聚合的“MAC子頭部”域,子幀頭部包含子幀幀體的長度信息,若該子幀幀體長度信息損壞,則對應的子幀幀體無法正確提取,此時即使后續(xù)子幀的頭部和幀體沒有差錯,也會導致后續(xù)子幀幀體無法正確提取,導致子幀不必要的重傳.

3 RHSU-MAC協(xié)議

針對以上問題,提出了一種可靠高時隙利用率的太赫茲無線個域網(wǎng)MAC協(xié)議—RHSU-MAC協(xié)議.該協(xié)議能夠更充分地利用未被使用的空閑時隙,且能提高標準幀聚合解析的可靠性,減少不必要的重傳.

3.1 RHSU-MAC協(xié)議新機制

1)PNC基于監(jiān)聽使用CTA時隙

“PNC基于監(jiān)聽使用CTA時隙”新機制的基本思路是:PNC若在一個超幀中有數(shù)據(jù)待發(fā)但并未獲得時隙,則它在CTAP時段的每個CTA開始時進行監(jiān)聽,若在第一個TU內(nèi)若沒有聽到節(jié)點發(fā)出的信號,則可判斷該CTA時隙未被使用,那么PNC可利用該CTA中剩余的時隙進行數(shù)據(jù)發(fā)送;若在第一個TU內(nèi)聽到節(jié)點發(fā)出的信號,則可判斷該CTA時隙已被使用,等下一個CTA開始再繼續(xù)監(jiān)聽.這樣在PNC有數(shù)據(jù)待發(fā)送時,能充分利用CTA時隙資源,促進吞吐量的提高.該機制具體操作步驟如下:

步驟1.在CTAP時段,PNC判斷:自己是否還有數(shù)據(jù)待發(fā)且在當前超幀沒有獲得時隙？如果是,則執(zhí)行下一步;如果否,則結束本新機制的操作.

步驟2.PNC在當前CTA時段的第一個TU監(jiān)聽無線信號,PNC判斷:是否收聽到DEV發(fā)送的信號？如果是,則PNC停止監(jiān)聽直到當前CTA結束,轉步驟1;如果否,執(zhí)行下一步.

步驟3.PNC利用該CTA剩余的時隙資源(從該CTA的第二個TU開始到該CTA結束)發(fā)送數(shù)據(jù).

步驟4.PNC判斷:自己是否還有數(shù)據(jù)需要發(fā)送且CTAP時段尚未結束？如果是,轉步驟1;如果否,結束本新機制的操作.

2)多維度雙向子幀幀體提取

“多維度雙向子幀幀體提取”新機制的基本思路是:收到標準聚合幀的節(jié)點先按幀頭到幀尾方向(正向)依次從子幀頭部提取出子幀幀體長度值,然后根據(jù)該值在聚合幀的“子幀域”(存放各子幀幀體和幀尾的域)提取出子幀幀體及幀尾,并進行差錯校驗;如果校驗出錯,則根據(jù)網(wǎng)絡允許的子幀幀體的最大和最小長度,去提取幀體并進行差錯校驗;如果校驗出錯,則根據(jù)“子幀域”長度的組成情況確定可能出現(xiàn)的長度值,按照該長度值去提取幀體并進行差錯校驗;如果校驗出錯,則按幀尾到幀頭方向(反向)、按相反的順序,根據(jù)子幀頭部的幀體長度值、幀體的最大和最小長度、幀體可能出現(xiàn)的長度值三個維度取提取子幀幀體并進行差錯校驗.

“多維度雙向子幀幀體提取”新機制由PNC和DEV執(zhí)行,主要操作步驟如下:

步驟1.各參數(shù)的設置及其初始化.設置“幀體提取方向標志”、“按幀體最大長度提取標志”、“按幀體最小長度提取標志”、“幀體可能長度”等變量,進行初始化.

步驟2.節(jié)點在組裝標準聚合幀時,當子幀頭部和幀體已經(jīng)全部裝入后,將子幀幀體按從大到小的順序(缺省建議從大到小,若有具體需求從小到大也可)進行位置調(diào)整,子幀幀頭的位置也做相應調(diào)整.

步驟3.節(jié)點收到標準聚合幀后,根據(jù)聚合幀的長度和結構計算出“子幀域”的長度,提取子幀數(shù)量,并設置對應變量的值.

步驟4.根據(jù)子幀頭部內(nèi)的子幀幀體長度值進行幀體提取.若當前節(jié)點使用取出的幀尾對子幀幀體進行差錯校驗結果錯誤,則執(zhí)行下一步;否則,一直進行步驟4,直到子幀全部提取完畢,結束本新機制.

步驟5.根據(jù)步驟1中變量的值,分別按幀體最大長度、最小長度及可能長度對子幀幀體進行提取,若提取子幀校驗結果正確,則轉步驟4;否則,結束本新機制.

該新機制從三個維度(幀體長度字段值、幀體最大和最小長度、幀體可能長度)、兩個方向(正、反方向)入手,盡可能多地提取出標準聚合幀中的子幀幀體,減少了子幀重傳的數(shù)量,增強數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?提高數(shù)據(jù)幀傳輸成功率和吞吐量.

3.2 性能分析

將HLMAC協(xié)議作為比較對象,對RHSU-MAC協(xié)議進行理論分析驗證.

引理1.相較于HLMAC協(xié)議,RHSU-MAC協(xié)議能提升吞吐量.

證明:RHSU-MAC與HLMAC采用了相同的超幀結構,可設HLMAC和RHSU-MAC的網(wǎng)絡吞吐量分別為SH和SR,則可得SH和SR分別如式(1)和式(2)所示.

(1)

(2)

引理2.RHSU-MAC協(xié)議有效時隙資源量≥HLMAC協(xié)議有效時隙資源量.

證明:有效時隙資源量定義為一個超幀內(nèi)用于發(fā)送數(shù)據(jù)的時隙長度,即CTAP時段內(nèi)的有效CTA之和.設RHSU-MAC協(xié)議和HLMAC協(xié)議的有效時隙資源量分別為TR和TH,則可得有效時隙資源量公式分別如式(3)和式(4)所示.

TH=TH_CTAP-RH·TGuard_time-TH_UCTA

(3)

TR=TR_CTAP-RR·TGuard_time-TR_UCTA

(4)

兩種協(xié)議使用的超幀結構及網(wǎng)絡場景均相同,則超幀各時段長度相同,PNC收到的時隙請求個數(shù)也相同,則有TH_CTAP=TR_CTAP,RH=RR.PNC為每個請求的DEV都分配一個CTA,TGuard_time為CTA間保護時間間隔.TH_UCTA和TR_UCTA為未被使用的CTA數(shù),在RHSU-MAC協(xié)議中,PNC在CTAP時段有數(shù)據(jù)待發(fā)時,可以監(jiān)聽并使用空閑的CTA時隙,設p為PNC在CTAP時段有數(shù)據(jù)發(fā)送的概率(p>=0),則存在公式(5):

TR_UCTA=TH_UCTA·(1-p)

(5)

可知,TR_UCTA<=TH_UCTA,則有TR>=TH.證畢

4 MAC協(xié)議的實現(xiàn)與結果分析

4.1 MAC協(xié)議實現(xiàn)整體框架

本設計基于Xilinx KC705開發(fā)板,使用vivado開發(fā)軟件,將MAC協(xié)議按照功能劃分為幀生成模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、幀解析模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、控制管理模塊等.其中,控制管理模塊作為MAC協(xié)議運行的核心部分,協(xié)調(diào)和管理其他模塊的運行.太赫茲MAC協(xié)議模塊向上使用PCIE模塊與上位機通信,向下使用GTX模塊實現(xiàn)物理層傳輸功能.具體系統(tǒng)框圖如圖2所示.

圖2 MAC協(xié)議實現(xiàn)的系統(tǒng)框圖Fig.2 System block diagram of the MAC protocol

利用FPGA高速并行的特點,將MAC協(xié)議燒錄到KC705開發(fā)板實現(xiàn)MAC協(xié)議功能,使用DMA(直接內(nèi)存存取)方式可不通過CPU而直接與系統(tǒng)內(nèi)存交換數(shù)據(jù),進行高速數(shù)據(jù)讀取,達到驗證協(xié)議的目的.實現(xiàn)中所用到的主要參數(shù)如表1所示.

表1 主要參數(shù)設置
Table 1 Main parameters

參數(shù)數(shù)值 GTX最大傳輸(Gb/s)3.1104 PCIe最大傳輸速率(Gb/s)4 超幀長度(ms)1 TU長度(ns)192 子幀頭部出錯率0.00125 發(fā)送緩存大小(KB)512

4.2 結果分析

在Centos 7 環(huán)境下使用iperf網(wǎng)絡性能測試軟件對 RHSU-MAC協(xié)議和 HLMAC協(xié)議的網(wǎng)絡吞吐量、丟包率等性能進行比較分析.

1)網(wǎng)絡吞吐量

如圖3所示,兩種協(xié)議的吞吐量隨著測試時間增加而逐漸增長并趨于平穩(wěn),測試得到的RHSU-MAC協(xié)議的網(wǎng)絡吞吐量達到1.75Gbps,相較于HLMAC協(xié)議的1.64Gbps的傳輸速率,優(yōu)化后的MAC協(xié)議在網(wǎng)絡吞吐量方面有了明顯提升.主要是由于PNC基于監(jiān)聽使用CTA時隙機制能夠充分利用網(wǎng)絡中的剩余時隙,從而提升吞吐量;同時多維度雙向子幀幀體提取機制減少了數(shù)據(jù)幀不必要的重傳,也促進了吞吐量的提升.

2)丟包率

如圖4所示,RHSU-MAC協(xié)議丟包率低于HLMAC協(xié)議,且隨著測試帶寬的增加差距越明顯.主要是由于PNC基于監(jiān)聽使用CTA時隙機制能更充分地利用時隙資源,能在測試帶寬相同的情況下更多地發(fā)送數(shù)據(jù),減少因時隙資源不足超時引起的丟包.同時多維度雙向子幀幀體提取機制同樣減少了不必要的重傳,減少了重傳所需時隙資源的開銷,從而使得更多的時隙資源用于數(shù)據(jù)發(fā)送,使丟包率降低.

3)平均時延抖動

如圖5所示,在測試帶寬達到一定大之后(網(wǎng)絡飽和),RHSU-MAC 協(xié)議的平均時延抖動明顯低于HLMAC協(xié)議.主要由于在網(wǎng)絡飽和狀態(tài)下,PNC使用新機制能利用未使用的空閑時隙發(fā)送數(shù)據(jù),不必等到下一超幀才發(fā)送數(shù)據(jù),減少了數(shù)據(jù)在緩存區(qū)的等待時間,數(shù)據(jù)間的時延差也相應減少.多維度雙向子幀幀體提取機制使數(shù)據(jù)重傳次數(shù)降低,減少了重傳數(shù)據(jù)與非重傳數(shù)據(jù)間的時延差值,即降低了平均時延抖動.

圖3 網(wǎng)絡吞吐量對比Fig.3 Comparison of Network layer throughput

圖4 丟包率對比Fig.4 Comparison of packet loss rate

圖5 平均時延抖動對比Fig.5 Comparison of average time delay jitter

5 結 論

本文主要針對現(xiàn)有太赫茲MAC協(xié)議存在的時隙資源浪費、標準幀聚合傳輸不可靠等問題,提出了一種可靠高時隙利用率的太赫茲MAC協(xié)議—RHSU-MAC.提出了PNC基于監(jiān)聽使用CTA時隙和多維度雙向子幀幀體提取兩種新機制,采用FPGA上板測試的方式驗證了新的MAC協(xié)議在性能方面的明顯提升.在未來的工作中,將以RHSU-MAC協(xié)議為基礎,繼續(xù)優(yōu)化時隙資源利用率,提升網(wǎng)絡吞吐量.