太赫茲網(wǎng)絡(luò)中基于中繼的高效雙信道MAC協(xié)議

姚玉坤，趙子軍，李其超，王 磊

（重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065）

0 引 言

隨著人們對(duì)高帶寬的連接需求越來越大，即使是5G通信也無法滿足未來十年數(shù)據(jù)流量的飛速增長［1］，在此前提下人們開始探索太赫茲（Terahertz，THz）波段。頻率為0.1～10.0THz的THz波波長范圍在紅外光波和毫米波之間［2－3］。THz波可以支撐數(shù)十Gbit／s的數(shù)據(jù)速率，具有很大的應(yīng)用潛力。隨著THz通信技術(shù)不斷提高，人們把重點(diǎn)放在了底層的介質(zhì)訪問控制（Media Access Control，MAC）協(xié)議［4－8］。

IEEE802.15.3c［9］協(xié)議在波束對(duì)準(zhǔn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的控制開銷，在設(shè)計(jì)THz MAC協(xié)議時(shí)，一種技術(shù)方案便是利用雙信道來進(jìn)行波束對(duì)準(zhǔn)。Peng等人提出一種雙信道接入方法，在較低頻段的信道進(jìn)行控制消息交互，在THz信道使用定向天線進(jìn)行精細(xì)掃描并傳輸數(shù)據(jù)［10］；Temel等人也提出了一種雙信道的定向MAC協(xié)議，但由于控制消息交互過程與位置信息估計(jì)過程分開進(jìn)行，導(dǎo)致在探測(cè)階段的時(shí)延過大［11］。

Yao等人在上述研究基礎(chǔ)上提出一種輔助波束成型 MAC協(xié)議（Assisted Beamforming MAC Protocol for Terahertz Communication Networks，TAB－MAC），其基本思想是在2.4GHz的 WiFi信道用全向天線進(jìn)行控制幀交互，在THz信道用定向天線進(jìn)行數(shù)據(jù)幀傳輸［12］。TAB－MAC在一定程度上解決了THz波傳輸距離受限的問題，使得通信雙方定向天線的波束對(duì)準(zhǔn)變得較為快速，但其仍存在消息傳輸成功率低以及冗余控制開銷問題，本文針對(duì)這些問題，提出了一種THz無線網(wǎng)絡(luò)中基于中繼的高效雙信道 MAC 協(xié)議 （High Efficient Dual－Channel MAC Protocol Based on Relay，HEBRMAC）。

1 網(wǎng)絡(luò)模型與問題描述

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

TAB－MAC是一種在THz無線個(gè)域網(wǎng)中運(yùn)行的雙信道MAC協(xié)議，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 TAB－MAC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖中錨節(jié)點(diǎn)（Anchor Node，AN）與常規(guī)節(jié)點(diǎn)（Regular Node，RN）是網(wǎng)絡(luò)中的主要節(jié)點(diǎn)。其中AN 采用 全 球定 位 系 統(tǒng) （Global Positioning System，GPS）設(shè)備來獲取自身坐標(biāo)信息，且AN在2.4GHz的 WiFi信道中通過周期性的廣播信標(biāo)幀幫助RN確定位置坐標(biāo)。RN是網(wǎng)絡(luò)中用來傳輸控制幀和數(shù)據(jù)（DATE）幀的節(jié)點(diǎn)，工作在 WiFi和THz信道。若要確定一個(gè)RN在三維空間的位置，則至少需要4個(gè)AN的幫助，且這4個(gè)AN不能共線。當(dāng)RN的位置確定后，通信雙方源與目的節(jié)點(diǎn)定向天線的波束對(duì)準(zhǔn)工作將變得簡單。

TAB－MAC的基本思想是在 WiFi信道進(jìn)行控制幀交互，在THz信道進(jìn)行數(shù)據(jù)幀傳輸。其具體的消息交互過程如圖2所示。

有數(shù)據(jù)發(fā)送需求的源節(jié)點(diǎn)首先會(huì)以載波偵聽多路訪問／沖突避免（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid，CSMA／CA）方式在 WiFi信道中競(jìng)爭信道資源，若獲得信道資源，則源節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求發(fā)送 （Request To Send，RTS）幀給目的節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)收到后，則回復(fù)允許發(fā)送（Clear To Send，CTS）幀以交互。這里的RTS幀包含了源節(jié)點(diǎn)的位置以及天線信息，CTS幀包含了目的節(jié)點(diǎn)的位置以及天線信息。當(dāng)RTS／CTS幀交互完成后，通信雙方便有了對(duì)方的位置和天線信息。源節(jié)點(diǎn)根據(jù)這些信息調(diào)整THz定向天線對(duì)準(zhǔn)目的節(jié)點(diǎn)，而目的節(jié)點(diǎn)也根據(jù)接收到的信息調(diào)整THz定向天線對(duì)準(zhǔn)源節(jié)點(diǎn)，緊接著進(jìn)入THz信道。在THz信道時(shí)，為測(cè)試定向天線是否都各自對(duì)準(zhǔn)，源節(jié)點(diǎn)會(huì)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)發(fā)送測(cè)試（Test To Send，TTS）幀，若目的節(jié)點(diǎn)正確收到，則給源節(jié)點(diǎn)回復(fù)確認(rèn)（ACKnowledgement，ACK）幀，源節(jié)點(diǎn)收到ACK幀后向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀。目的節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)幀后，用一個(gè)ACK幀進(jìn)行確認(rèn)回復(fù)。

圖3所示為RTS、CTS和TTS等交互幀的幀結(jié)構(gòu)。

圖2 TAB－MAC消息交互過程

圖3 交互幀結(jié)構(gòu)

由于WiFi技術(shù)是基于802.11相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的，故而TAB－MAC控制幀都借鑒了現(xiàn)有的802.11協(xié)議以達(dá)到與現(xiàn)有MAC協(xié)議相兼容的效果。圖3中，Duration字段為預(yù)約信道時(shí)間；地址信息字段包含接收站點(diǎn)地址（Receiver Address，RA）（6字節(jié)）或發(fā)送站點(diǎn)地址（Transmitter Address，TA）（6 字節(jié)），RTS幀的地址信息字段包含RA和TA，CTS幀的地址信息字段只包含RA；X、Y和Z為位置信息字段，表示一個(gè)RN在三維空間的位置；天線信息字段包含天線的波束寬度及指向信息；TTS幀的幀主體部分?jǐn)y帶了4個(gè)字節(jié)的無用數(shù)據(jù)字段。MAC尾部是幀校驗(yàn)序列（Frame Check Sequence，F(xiàn)CS），以實(shí)現(xiàn)無比特差錯(cuò)的傳輸。

1.2 問題描述

通過對(duì)TAB－MAC的分析研究，提出以下問題：

（1）TAB－MAC是一種雙信道 MAC協(xié)議，在WiFi信道時(shí)，節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍可以達(dá)到幾百米，而在THz信道時(shí)，由于THz波的高衰減特性，即使采用了高增益的定向天線，節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍也只能在10m左右。故而，當(dāng)通信雙方節(jié)點(diǎn)相距＞10m時(shí)，在WiFi信道基本能成功傳輸控制消息，而在THz信道傳輸數(shù)據(jù)消息時(shí)，由于傳輸范圍不夠，而導(dǎo)致數(shù)據(jù)消息傳輸成功率大大降低。

（2）TAB－MAC中為了便于定向天線進(jìn)行波束對(duì)準(zhǔn)，故而在RTS／CTS幀中添加了節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)（即X、Y和Z）以及天線信息字段。但對(duì)于已經(jīng)成功通信的節(jié)點(diǎn)，在位置與天線信息不變的前提下，在準(zhǔn)備進(jìn)行第二次通信時(shí)不必再交互位置與天線信息，而且不必發(fā)送TTS幀來確保THz定向天線的波束對(duì)準(zhǔn)，TAB－MAC在這種情況下帶來了冗余的控制開銷以及額外的通信交互過程。

2 HE－BRMAC

針對(duì)以上問題，本文在THz無線個(gè)域網(wǎng)條件下提出了HE－BRMAC。該協(xié)議分為中繼輔助和自適應(yīng)減少控制開銷機(jī)制，能有效解決通信雙方節(jié)點(diǎn)THz傳輸距離不夠的問題，并且減少了不必要的控制開銷，提高了消息傳輸成功率，也提升了網(wǎng)絡(luò)整體的吞吐量。

2.1 中繼輔助機(jī)制

2.1.1 中繼輔助機(jī)制場(chǎng)景

本文所針對(duì)的是無線個(gè)域網(wǎng)通信場(chǎng)景。為便于更加詳細(xì)地?cái)⑹?.2節(jié)中的問題（1），下面給出二維平面中整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)洌鐖D4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

現(xiàn)階段THz通信在使用高增益定向天線后所能支持的THz鏈路僅在10m左右［1］。圖4中C1是一個(gè)半徑為10m的圓形區(qū)域，也是本文所針對(duì)的無線個(gè)域網(wǎng)場(chǎng)景。假設(shè)此時(shí)有一源節(jié)點(diǎn)S準(zhǔn)備與目的節(jié)點(diǎn)D通信。C2是源節(jié)點(diǎn)S的通信范圍，其通信半徑為10m，C1范圍之外的C2陰影部分不做考慮。在競(jìng)爭得到信道資源后，S在WiFi信道上全向發(fā)送RTS幀，當(dāng)D收到后，則對(duì)RTS幀中S的位置坐標(biāo)進(jìn)行提取，并根據(jù)位置坐標(biāo)計(jì)算與S的距離，若該距離＞10m，則判斷S與D在彼此通信范圍之外，不能進(jìn)行數(shù)據(jù)幀傳輸，此時(shí)啟動(dòng)中繼輔助機(jī)制。

2.1.2 中繼節(jié)點(diǎn)選擇

目的節(jié)點(diǎn)在收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)來的RTS幀后，啟動(dòng)中繼輔助機(jī)制，此時(shí)不會(huì)向源節(jié)點(diǎn)回復(fù)CTS幀，而是回復(fù)中繼請(qǐng)求幀（Relay Request Frame，RRF），其幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 RRF幀結(jié)構(gòu)

RRF幀結(jié)構(gòu)與CTS幀類似，目的節(jié)點(diǎn)在用RRF幀回應(yīng)源節(jié)點(diǎn)的同時(shí)，其他空閑的RN開始判斷自身節(jié)點(diǎn)是否可以作為中繼節(jié)點(diǎn)。

首先其他節(jié)點(diǎn)提取RTS幀中的位置信息，并計(jì)算與源節(jié)點(diǎn)之間的距離；其次，其他節(jié)點(diǎn)提取RRF幀中的位置信息，計(jì)算與目的節(jié)點(diǎn)之間的距離。若與源和目的節(jié)點(diǎn)的距離均＜10m，則滿足作為中繼節(jié)點(diǎn)的條件，這樣的中繼節(jié)點(diǎn)集用R＝｛R1，R2，R3，…｝來表示。所有的備選中繼節(jié)點(diǎn)的范圍如圖6中的A區(qū)域所示。A區(qū)域?yàn)樵垂?jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)通信范圍相交的區(qū)域，A區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)均可作為備選中繼節(jié)點(diǎn)。

若其他空閑的RN判斷自身節(jié)點(diǎn)與源和目的節(jié)點(diǎn)的距離均＜10m，則在收到RRF幀后開始啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)器率先減至0的備選中繼節(jié)點(diǎn)稱為唯一中繼節(jié)點(diǎn)，計(jì)時(shí)器初始值為

式中：SIFS為短幀間間隔；M點(diǎn)為源和目的節(jié)點(diǎn)相連線段與C2區(qū)域的相交點(diǎn)；dMD為M與D點(diǎn)間距離，可計(jì)算得到；dSD為源和目的節(jié)點(diǎn)間距離；dRD為某備選中繼節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)間距離；RSSD為目的節(jié)點(diǎn)收到RTS幀的接收信號(hào)強(qiáng)度；RSSR為某中繼節(jié)點(diǎn)收到RRF幀的接收信號(hào)強(qiáng)度；ε1與ε2為權(quán)重因子，兩者之和為1。

圖6 中繼節(jié)點(diǎn)范圍

式（1）主要考慮了距離與接收信號(hào)強(qiáng)度兩方面因素對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)確認(rèn)的影響，其中以距離因素占主導(dǎo)。dMD可看作是一個(gè)距離閾值，備選中繼與目的節(jié)點(diǎn)間距離不能小于這個(gè)閾值，否則這樣的備選中繼節(jié)點(diǎn)勢(shì)必在源節(jié)點(diǎn)通信范圍外，不適合作為中繼節(jié)點(diǎn)。RSSD也可看作是一個(gè)接收信號(hào)強(qiáng)度閾值，由于RSSD表征了目的節(jié)點(diǎn)收到RTS幀的接收信號(hào)強(qiáng)度（本文假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)的發(fā)射和接收條件一樣），備選中繼節(jié)點(diǎn)所得的RSSR若大于這個(gè)值，則表明備選中繼節(jié)點(diǎn)離目的節(jié)點(diǎn)間的距離可能會(huì)比源節(jié)點(diǎn)離目的節(jié)點(diǎn)間的距離大，或者信道質(zhì)量不佳信號(hào)衰弱嚴(yán)重，即當(dāng)備選中繼節(jié)點(diǎn)測(cè)得RSSR＞RSSD時(shí)，這樣的備選中繼節(jié)點(diǎn)也不適合作為中繼節(jié)點(diǎn)。

式（1）表明了離目的節(jié)點(diǎn)越近的備選中繼節(jié)點(diǎn)越有可能成為唯一中繼節(jié)點(diǎn)。且由于各備選中繼節(jié)點(diǎn)在接收RRF幀時(shí)，信號(hào)的衰弱程度和噪聲均不一樣，所測(cè)得接收信號(hào)強(qiáng)度RSSR自然也不一樣，這都導(dǎo)致了即使存在dRD相同的備選中繼節(jié)點(diǎn)也會(huì)因?yàn)榻邮招盘?hào)強(qiáng)度不一樣而使最后TR值不一樣。

計(jì)時(shí)器最先減至0的備選中繼節(jié)點(diǎn)稱為中繼節(jié)點(diǎn)，并立即發(fā)送中繼廣播（Relay Broadcast Frame，RBF）幀，其他備選中繼節(jié)點(diǎn)收到RBF幀后，關(guān)閉計(jì)時(shí)器并靜默。RBF幀的幀結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 RBF幀的幀結(jié)構(gòu)

2.1.3 中繼輔助機(jī)制步驟

中繼輔助機(jī)制的基本思想如下：在 WiFi信道時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)在收到由源節(jié)點(diǎn)發(fā)來的RTS幀后，判斷源和目的節(jié)點(diǎn)間距離是否＞10m，若是，則目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送RRF幀。在一段時(shí)間后，選出的中繼節(jié)點(diǎn)開始全向發(fā)送RBF幀且轉(zhuǎn)入THz信道，并將THz定向天線的方向?qū)?zhǔn)源節(jié)點(diǎn)。此時(shí)源和目的節(jié)點(diǎn)在收到RBF幀后，提取RBF幀中中繼節(jié)點(diǎn)的位置信息，將THz定向天線方向也對(duì)準(zhǔn)中繼節(jié)點(diǎn)，同時(shí)進(jìn)入THz信道。中繼節(jié)點(diǎn)在THz信道上直接發(fā)送TTS幀給源節(jié)點(diǎn)，若源節(jié)點(diǎn)收到，則證明天線方向已對(duì)準(zhǔn)并直接發(fā)送數(shù)據(jù)幀給中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)收到后回復(fù)源節(jié)點(diǎn)ACK幀，并隨之發(fā)送TTS幀給目的節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)收到后回復(fù)ACK幀給中繼節(jié)點(diǎn)，再由中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀給目的節(jié)點(diǎn)，最后收到數(shù)據(jù)幀的目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)ACK幀給中繼節(jié)點(diǎn)。

在上述過程中，為消除RBF幀帶來的額外控制開銷，本文在原TAB－MAC的基礎(chǔ)上做了一些精簡。原TAB－MAC中，在THz信道時(shí)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送TTS幀給目的節(jié)點(diǎn)，若源節(jié)點(diǎn)收到由目的節(jié)點(diǎn)發(fā)來的ACK幀，則開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀給目的節(jié)點(diǎn)。在本文中，中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送RBF幀后，緊接著進(jìn)入THz信道給源節(jié)點(diǎn)發(fā)送TTS幀，源節(jié)點(diǎn)收到TTS幀后便直接發(fā)送數(shù)據(jù)幀給中繼節(jié)點(diǎn)，在源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)的通信過程中省略了ACK幀，一定程度上消除了由RBF幀帶來的額外控制開銷，但由于RBF幀共20字節(jié)，而在802.11相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)里，ACK幀為14字節(jié)，所以，本文還精簡了TTS幀。

由于TTS幀的作用主要是測(cè)試THz定向天線的方向是否對(duì)準(zhǔn)，所以幀結(jié)構(gòu)內(nèi)的4字節(jié)無用數(shù)據(jù)字段以及2字節(jié)序號(hào)控制字段可以省略。若節(jié)點(diǎn)要在THz信道發(fā)送TTS幀，則生成一個(gè)不含數(shù)據(jù)字段的 TTS幀——ND－TTS（No Date Test To Send）幀。ND－TTS幀結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 ND－TTS幀結(jié)構(gòu)

通過省略ACK幀以及精簡TTS幀，在一個(gè)通信過程內(nèi)消除了RBF幀帶來的額外控制開銷。中繼輔助機(jī)制的具體步驟如下：

步驟1：在 WiFi信道時(shí)，若目的節(jié)點(diǎn)收到由源節(jié)點(diǎn)全向發(fā)來的RTS幀，則提取RTS幀中源節(jié)點(diǎn)的位置信息，計(jì)算與源節(jié)點(diǎn)的距離。若距離＞10m，則全向回復(fù)RRF幀。在RRF幀中，Duration字段為短幀間間隔SIFS時(shí)間（由式（1）可知，TR最大值為SIFS），位置信息字段（即X、Y和Z）為目的節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)。若源與目的節(jié)點(diǎn)距離＜10m，則執(zhí)行原TAB－MAC，本新機(jī)制結(jié)束。

步驟2：若其他節(jié)點(diǎn)收到由源節(jié)點(diǎn)發(fā)來的RTS幀，則提取源和目的節(jié)點(diǎn)的地址與源節(jié)點(diǎn)的位置信息，并保存在本地。

步驟3：若其他節(jié)點(diǎn)收到由目的節(jié)點(diǎn)發(fā)來的RRF幀，則依據(jù)接收信號(hào)測(cè)得接收信號(hào)強(qiáng)度RSS值，且提取RRF幀中目的節(jié)點(diǎn)的位置信息，并判斷是否滿足與源和目的節(jié)點(diǎn)間的距離都＜10m的條件，若滿足，則根據(jù)式（1）設(shè)置計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)器最先減至0的節(jié)點(diǎn)稱為中繼節(jié)點(diǎn)，發(fā)送RBF幀通告全網(wǎng)，并根據(jù)源節(jié)點(diǎn)的位置信息將THz定向天線對(duì)準(zhǔn)源節(jié)點(diǎn)，在等待SIFS時(shí)間后，發(fā)送ND－TTS幀給源節(jié)點(diǎn)；若不滿足條件，則刪除存于本地的源和目的節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息并保持靜默直至占用信道時(shí)間結(jié)束。

步驟4：若源節(jié)點(diǎn)收到中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)來的RBF幀，則提取RBF幀中中繼節(jié)點(diǎn)的地址與位置信息，調(diào)整THz定向天線方向?qū)?zhǔn)中繼節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)入THz信道。

步驟5：若目的節(jié)點(diǎn)收到中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)來的RBF幀，則提取RBF幀中中繼節(jié)點(diǎn)的地址與位置信息，調(diào)整THz定向天線方向?qū)?zhǔn)中繼節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)入THz信道。

步驟6：若備選中繼節(jié)點(diǎn)收到中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)來的RBF幀，則立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器，并保持靜默，直至占用信道時(shí)間結(jié)束。

步驟7：若源節(jié)點(diǎn)在THz信道收到中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)來的ND－TTS幀，則向中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀。

步驟8：若在THz信道中繼節(jié)點(diǎn)收到由源節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)幀，則回復(fù)其ACK幀，且在回復(fù)ACK幀后，等待SIFS時(shí)間，然后向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)ND－TTS幀。

步驟9：若目的節(jié)點(diǎn)在THz信道收到由中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)來的ND－TTS幀，則回應(yīng)其ACK幀。

步驟10：若目的節(jié)點(diǎn)在THz信道完整收到由中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)幀，則回應(yīng)其ACK幀。

2.2 自適應(yīng)減少控制開銷機(jī)制

在TAB－MAC中，一旦節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送，在獲得信道資源后必須進(jìn)行控制幀交互的過程。若之前已成功通信的源和目的節(jié)點(diǎn)想要進(jìn)行第2次通信，且源和目的節(jié)點(diǎn)的位置與天線信息沒有變化，那么在第2次通信過程中，控制幀就無需攜帶位置與天線信息字段。

本新機(jī)制主要從以下3種情況做了改進(jìn)：若源與目的節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備進(jìn)行第2次通信，在源與目的節(jié)點(diǎn)的位置和天線信息都沒有變化的情況下，可以直接在THz信道發(fā)送數(shù)據(jù)幀，而不需要TTS幀。若源與目的節(jié)點(diǎn)有一方的位置和天線信息發(fā)生了變化，則可以使用一種已省略了位置和天線信息的控制幀來代替原RTS和CTS幀進(jìn)行交互，并且TTS幀依然可以由目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)送，收到TTS幀的源節(jié)點(diǎn)直接發(fā)送數(shù)據(jù)幀，與TAB－MAC相比省略了一個(gè)ACK幀。若源與目的節(jié)點(diǎn)的位置與天線信息都發(fā)生了變化，那么使用原 RTS／CTS幀來交互，但TTS幀仍可由目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送，省略了一個(gè)ACK幀。

本文提出的自適應(yīng)減少控制開銷機(jī)制具體步驟如下：

步驟1：每個(gè)節(jié)點(diǎn)在MAC層維護(hù)一張節(jié)點(diǎn)信息存儲(chǔ)表，其表項(xiàng)共6項(xiàng)：源地址、源位置、源天線、目的地址、目的位置和目的天線信息。

步驟2：若某源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送，則先檢查節(jié)點(diǎn)信息存儲(chǔ)表中是否有目的節(jié)點(diǎn)表項(xiàng)。若無，則創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)信息存儲(chǔ)表，“源地址信息”為源節(jié)點(diǎn)站點(diǎn)地址；“源位置信息”為當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)；“源天線信息”為當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)天線信息；“目的地址信息”為NULL；“目的位置信息”為NULL；“目的天線信息”為NULL（由于此時(shí)源節(jié)點(diǎn)沒有收到目的節(jié)點(diǎn)任何幀，故而填NULL）。若有目的節(jié)點(diǎn)表項(xiàng)，轉(zhuǎn)步驟3。

步驟3：若源節(jié)點(diǎn)的信息存儲(chǔ)表中有目的節(jié)點(diǎn)的表項(xiàng)，則判斷當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)的位置和天線信息是否與節(jié)點(diǎn)信息存儲(chǔ)表中“源位置信息”和“源天線信息”相同。若相同，說明源節(jié)點(diǎn)位置沒有變化，則發(fā)送一個(gè)省略了位置與天線信息的RTS幀——OLA－RTS（Omit the Location and Antenna－Request To Send）幀。若不相同，則更新節(jié)點(diǎn)信息存儲(chǔ)表，將當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)的位置與天線信息更新，并發(fā)送RTS幀。

步驟4：若其他節(jié)點(diǎn)（通過站點(diǎn)地址可判斷自身節(jié)點(diǎn)是否為目的節(jié)點(diǎn)）收到RTS或OLA－RTS幀，對(duì)節(jié)點(diǎn)信息存儲(chǔ)表不作處理。

步驟5：若目的節(jié)點(diǎn)收到RTS幀，則檢查節(jié)點(diǎn)信息存儲(chǔ)表中是否有源節(jié)點(diǎn)表項(xiàng)。若無，則創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)信息存儲(chǔ)表，“源地址信息”為源節(jié)點(diǎn)站點(diǎn)地址；“源位置信息”為源節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)；“源天線信息”為源節(jié)點(diǎn)天線信息；“目的地址信息”為目的節(jié)點(diǎn)地址；“目的位置信息”為目的節(jié)點(diǎn)位置信息；“目的天線信息”為目的節(jié)點(diǎn)天線信息。若有源節(jié)點(diǎn)表項(xiàng)，轉(zhuǎn)步驟7。

步驟6：若目的節(jié)點(diǎn)收到OLA－RTS幀，轉(zhuǎn)步驟7。

步驟7：若目的節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)信息存儲(chǔ)表中有源節(jié)點(diǎn)表項(xiàng)，則判斷當(dāng)前目的節(jié)點(diǎn)的位置和天線信息是否與節(jié)點(diǎn)信息存儲(chǔ)表中“目的位置信息”和“目的天線信息”相同。若相同，說明目的節(jié)點(diǎn)位置沒有變化，則發(fā)送一個(gè)省略了位置與天線信息的CTS幀——OLA－CTS（Omit the Location and Antenna－Clear To Send）幀。若不相同，則更新節(jié)點(diǎn)信息存儲(chǔ)表，將當(dāng)前目的節(jié)點(diǎn)的位置與天線信息更新，并發(fā)送CTS幀。

步驟8：若源節(jié)點(diǎn)在發(fā)送OLA－RTS幀后，又收到目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)的OLA－CTS幀，則說明源和目的節(jié)點(diǎn)的位置和天線信息均沒有變化，那么進(jìn)入THz信道直接發(fā)送數(shù)據(jù)幀。

步驟9：若源節(jié)點(diǎn)在發(fā)送OLA－RTS幀后，收到目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)的CTS幀，則更新節(jié)點(diǎn)信息存儲(chǔ)表，并將THz定向天線的方向?qū)?zhǔn)目的節(jié)點(diǎn)。

步驟10：若源節(jié)點(diǎn)在發(fā)送RTS幀后，收到目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)的CTS或OLA－CTS幀，則更新節(jié)點(diǎn)信息存儲(chǔ)表，并將THz定向天線方向?qū)?zhǔn)目的節(jié)點(diǎn)。

步驟11：若目的節(jié)點(diǎn)收到OLA－RTS幀后，又發(fā)送OLA－CTS幀，則立即轉(zhuǎn)入THz信道準(zhǔn)備接收源節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)幀。

步驟12：若目的節(jié)點(diǎn)收到由源節(jié)點(diǎn)發(fā)來的OLA－RTS幀，并回應(yīng)了其CTS幀，或目的節(jié)點(diǎn)收到RTS幀，回應(yīng)了其CTS／OLA－CTS幀，那么就將THz定向天線方向?qū)?zhǔn)源節(jié)點(diǎn)，并等待SIFS時(shí)間，在THz信道向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送ND－TTS幀。

步驟13：若源節(jié)點(diǎn)在THz信道收到目的節(jié)點(diǎn)發(fā)來的ND－TTS幀，那么發(fā)送數(shù)據(jù)幀給目的節(jié)點(diǎn)。

步驟14：若目的節(jié)點(diǎn)完整收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)幀，那么回復(fù)ACK幀。

在自適應(yīng)減少控制開銷機(jī)制中，OLA－RTS與OLA－CTS幀的幀結(jié)構(gòu)分別如圖9和10所示。

圖9 OLA－RTS幀結(jié)構(gòu)

圖10 OLA－CTS幀結(jié)構(gòu)

3 仿真驗(yàn)證

本文采用OPNET軟件進(jìn)行仿真，主要的工作重心在MAC層，應(yīng)用層、傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層將采用透?jìng)餍问健１疚膶AB－MAC作為參考協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)條件相同的情況下，比較分析 HE－BRMAC與TAB－MAC在MAC層的消息傳輸成功率、吞吐量和信道利用率等性能。

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

主要仿真參數(shù)如表1所示。

表1 主要仿真參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 消息傳輸成功率

消息傳輸成功率對(duì)比如圖11所示。由圖可知，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)增加，消息傳輸成功率逐漸下降，這主要是由兩點(diǎn)原因?qū)е碌模海?）當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)逐漸增加時(shí)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量會(huì)越來越大，而隨著業(yè)務(wù)到達(dá)的增加，網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生碰撞的幾率也會(huì)增多，這將直接導(dǎo)致消息傳輸成功率的下降。（2）隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，將會(huì)有更多的節(jié)點(diǎn)處于WiFi信道能通信而THz信道不能通信的情況，這也將導(dǎo)致傳輸成功率的降低。但HE－BRMAC的成功率始終要比TAB－MAC協(xié)議高，這是因?yàn)?HE－BRMAC采用了中繼輔助機(jī)制，能有效應(yīng)對(duì)在THz信道不能成功傳輸數(shù)據(jù)的問題，因而在一定程度上提高了消息傳輸成功率。

圖11 消息傳輸成功率對(duì)比

3.2.2 MAC層吞吐量

MAC層吞吐量對(duì)比如圖12所示。由圖可知，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)增加時(shí)，MAC層吞吐量會(huì)逐漸提升，這主要是因?yàn)樵趩挝粫r(shí)間內(nèi)，THz的高數(shù)據(jù)傳輸速率可以支持更多的節(jié)點(diǎn)成功通信。當(dāng)然，吞吐量最后會(huì)處于一個(gè)平穩(wěn)狀態(tài)，這是因?yàn)槊恳环NMAC協(xié)議所能提供的業(yè)務(wù)量都有一個(gè)上限。但HE－BRMAC的吞吐量始終高于TAB－MAC協(xié)議，主要有以下原因：（1）HE－BRMAC采用中繼輔助機(jī)制，即使通信雙方距離較遠(yuǎn)也能成功通信，從而提升了MAC層吞吐量；（2）HE－BRMAC采用了自適應(yīng)減少控制開銷機(jī)制，減少了發(fā)送控制幀所需時(shí)間，在相同時(shí)間內(nèi)能發(fā)送更多的數(shù)據(jù)幀，也提高了MAC層吞吐量。

圖12 MAC層吞吐量對(duì)比

3.2.3 信道利用率

信道利用率對(duì)比如圖13所示。由圖可知，HEBRMAC的信道利用率在一定程度上要優(yōu)于TABMAC。這主要是因?yàn)樵贖E－BRMAC中，自適應(yīng)減少控制開銷機(jī)制將RTS、CTS和TTS幀都進(jìn)行了精簡，甚至在一定條件下可省略一個(gè)ACK幀，大幅度減少了控制開銷，即減少了發(fā)送控制幀所需時(shí)間，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的一個(gè)總時(shí)間條件下，變相地增加了發(fā)送數(shù)據(jù)幀利用信道的時(shí)間，從而有利于信道利用率的提升。

圖13 信道利用率對(duì)比

4 結(jié)束語

本文主要針對(duì)TAB－MAC中存在的消息傳輸成功率低和控制開銷過大的問題做出改進(jìn)，提出了HE－BRMAC。HE－BRMAC分為中繼輔助和自適應(yīng)減少控制開銷機(jī)制。通過中繼輔助機(jī)制，使得原本因?yàn)門Hz通信范圍不夠而不能傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)成功進(jìn)行了通信，為了避免RBF幀帶來的額外控制開銷，還對(duì)TTS幀進(jìn)行了精簡，以及省略了ACK幀。通過自適應(yīng)減少控制開銷機(jī)制，在源和目的節(jié)點(diǎn)第2次通信的情景下，將RTS、CTS和TTS幀進(jìn)行了精簡，并在源和目的節(jié)點(diǎn)不改變位置信息的特殊條件下，省略了TTS及ACK幀。HE－BRMAC在MAC層吞吐量、消息傳輸成功率和信道利用率等性能上較TAB－MAC均有提升，并已通過仿真驗(yàn)證。我們?cè)诤竺娴墓ぷ髦校瑢⒗^續(xù)研究中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)THz網(wǎng)絡(luò)的作用，譬如在非視距環(huán)境下如何利用中繼來避過障礙物，從而使得吞吐量能進(jìn)一步提升。