太赫茲網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下節(jié)點(diǎn)移動(dòng)感知的定向MAC 協(xié)議

任 智，郭 黎，王 磊，蘇 新

（重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065）

0 概述

在當(dāng)今信息化時(shí)代，人們對(duì)高帶寬和高速率的數(shù)據(jù)傳輸需求日益增加，而傳統(tǒng)無(wú)線通信（2G～5G）的數(shù)據(jù)傳輸速率［1-2］低于10 Gb/s。毫米波通信是第5 代移動(dòng)通信系統(tǒng)的替代方案之一［3］，盡管毫米波頻段的數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到GB 級(jí)［4-5］，但仍無(wú)法滿足未來(lái)無(wú)線通信中不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量需求。因此，研究人員開始關(guān)注尚未完全發(fā)掘的太赫茲頻段（0.1～10 THz）［6］，并致力于太赫茲無(wú)線通信［7-9］的研究。

太赫茲無(wú)線通信滿足5G 以上的超高速通信要求［10-12］。太赫茲波已成為第6 代通信技術(shù)（6G）的主要使用頻段，即使在未來(lái)繼續(xù)發(fā)展的第7 代通信技術(shù)中也需要太赫茲相關(guān)技術(shù)支持［13］。太赫茲相關(guān)技術(shù)的研究重點(diǎn)是太赫茲頻段媒體接入控制協(xié)議［14］，傳統(tǒng)MAC 協(xié)議采用全向天線，但考慮到太赫茲傳播損耗較大，所以研究者引入定向天線［15］以提高其傳輸性能。根據(jù)IEEE 802.15.3c 標(biāo)準(zhǔn)［16］，網(wǎng)絡(luò)中配備定向天線的設(shè)備在進(jìn)行通信時(shí)需要進(jìn)行波束賦形以獲取節(jié)點(diǎn)位置。在波束賦形過(guò)程若按照標(biāo)準(zhǔn)所提供的方法執(zhí)行，會(huì)產(chǎn)生n×n時(shí)間復(fù)雜度，帶來(lái)不必要的開銷，同時(shí)增大數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。經(jīng)典的ENLBT-MAC協(xié)議［17］改進(jìn)后是按照節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)順序進(jìn)行波束賦形，其時(shí)間復(fù)雜度為O（n）～O（n2），但也會(huì)帶來(lái)額外的控制開銷。

隨著頻率增大，波束變得越窄［18］，在60 GHz 的通信中，如此窄的波束用于波束賦形會(huì)產(chǎn)生浪費(fèi)。針對(duì)此問(wèn)題，文獻(xiàn)［19］提出快速波束賦形方案，首先在低頻段進(jìn)行信道掃描及信令交互，通過(guò)在2.4 GHz頻段確定方位角和發(fā)射角大致方位，然后在太赫茲頻段進(jìn)行定向數(shù)據(jù)傳輸，但該方案會(huì)增加設(shè)備成本。針對(duì)波束賦形產(chǎn)生的數(shù)據(jù)時(shí)延、Beacon 字段冗余等問(wèn)題，文獻(xiàn)［20］提出FED-MAC 協(xié)議，該協(xié)議只能對(duì)1/2 的區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，并沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)等情況。

本文提出太赫茲網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下節(jié)點(diǎn)移動(dòng)感知的定向MAC 協(xié)議。通過(guò)引入微微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)位置預(yù)估算法和動(dòng)態(tài)場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)位置感知機(jī)制，使協(xié)議在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)時(shí)只需要在目的節(jié)點(diǎn)所在范圍內(nèi)發(fā)送訓(xùn)練序列，從而減少不必要的控制開銷。同時(shí)通過(guò)計(jì)算多個(gè)設(shè)備（DEV）的運(yùn)動(dòng)軌跡并預(yù)測(cè)其在下一時(shí)刻的位置，使源DEV 和目的DEV 能在目的DEV 發(fā)生移動(dòng)后及時(shí)恢復(fù)已經(jīng)斷開的鏈路。

1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c問(wèn)題描述

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

太赫茲網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)景，為了滿足高速數(shù)據(jù)傳輸需求，需要制定相應(yīng)的各層通信協(xié)議，其中MAC 協(xié)議作為太赫茲網(wǎng)絡(luò)的核心協(xié)議，具有信道接入、信道資源分配等作用。太赫茲無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of network topology

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)微微網(wǎng)協(xié)調(diào)器（Piconet Coordinator，PNC）和多個(gè)設(shè)備（DEV）組成。本文討論的超幀結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 超幀結(jié)構(gòu)Fig.2 Super-frame structure

該超幀結(jié)構(gòu)與IEEE802.15.3c 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的超幀結(jié)構(gòu)一致，太赫茲無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間由多個(gè)超幀組成，每個(gè)超幀由以下3 部分組成：1）信標(biāo)時(shí)期（Beacon Period，BP）用于PNC 在每個(gè)波束方向上發(fā)送多個(gè)定向信標(biāo)幀，該幀包含分配給DEV 的時(shí)隙信息、網(wǎng)絡(luò)同步等信息；2）信道競(jìng)用時(shí)期（Contention Access Period，CAP）分為關(guān)聯(lián)S-CAP（Sub-Contention Access Period，S-CAP）和常規(guī)S-CAP 兩個(gè)子時(shí)段，關(guān)聯(lián)S-CAP 中每個(gè)S-CAP 子時(shí)段用于節(jié)點(diǎn)向PNC 申請(qǐng)入網(wǎng)，常規(guī)S-CAP 子時(shí)段的每個(gè)S-CAP 子時(shí)段用于節(jié)點(diǎn)向PNC 申請(qǐng)時(shí)隙；3）信道時(shí)隙分配時(shí)期（Channel Time Allocation Period，CTAP）由信道時(shí)隙（Channel Time Allocation，CTA）組成，部分CTA 用于節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，部分用于節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交互。

1.2 問(wèn)題描述

在使用定向天線的條件下，太赫茲無(wú)線個(gè)域網(wǎng)按照15.3c 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議執(zhí)行會(huì)出現(xiàn)以下2 個(gè)問(wèn)題：

1）配備定向天線的節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，在空間進(jìn)行循環(huán)往復(fù)掃描，以獲取其他節(jié)點(diǎn)的位置信息。在3c/ad 標(biāo)準(zhǔn)中，根據(jù)劃分的扇區(qū)，節(jié)點(diǎn)在每個(gè)扇區(qū)重復(fù)發(fā)送多個(gè)訓(xùn)練序列，以尋找目的節(jié)點(diǎn)，但目的節(jié)點(diǎn)只可能在源節(jié)點(diǎn)的某個(gè)范圍內(nèi)，對(duì)于其他方向的掃描和遍歷，只會(huì)增加節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)時(shí)長(zhǎng)。

2）在動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中，節(jié)點(diǎn)位置可能會(huì)發(fā)生變動(dòng)。在標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PNC 需要全方位、周期性地發(fā)送完整信標(biāo)消息，使得移動(dòng)后的節(jié)點(diǎn)能準(zhǔn)確接收到相應(yīng)配置信息和時(shí)隙分配信息。但信標(biāo)消息是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中最大的控制消息。若盲目性、周期性發(fā)送這些消息使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能變差，也會(huì)增加PNC 負(fù)載，進(jìn)而影響數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延和吞吐量。此外，節(jié)點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)后，源節(jié)點(diǎn)和該節(jié)點(diǎn)建立好的鏈路就會(huì)斷開，需要重新進(jìn)行節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，增大了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。

2 NMA-MAC 協(xié)議

針對(duì)上述存在的問(wèn)題，本文提出太赫茲網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)感知定向MAC（NMA-MAC）協(xié)議，該協(xié)議包含了微微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)快速發(fā)現(xiàn)和動(dòng)態(tài)場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)位置感知2 種新機(jī)制。

2.1 微微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)快速發(fā)現(xiàn)機(jī)制

在超幀CAP 時(shí)段，PNC 根據(jù)DEV 發(fā)送的時(shí)隙申請(qǐng)等消息，確定源DEV 以及目的DEV 所在位置，由此建立扇區(qū)-位置表，然后在物理層根據(jù)信號(hào)接收的強(qiáng)度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）機(jī)制計(jì)算出源DEV、目的DEV 的相對(duì)位置，最后將相對(duì)位置信息通過(guò)時(shí)隙申請(qǐng)回復(fù)幀告知給源DEV。此后，源DEV 與目的DEV 進(jìn)行相互發(fā)現(xiàn)時(shí)，只需根據(jù)相對(duì)位置信息對(duì)目的DEV 進(jìn)行相應(yīng)握手，即源DEV 在知道目的DEV 的大致方位時(shí)，只需要在該方向發(fā)送波束賦形訓(xùn)練幀，目的DEV 旋轉(zhuǎn)接收該訓(xùn)練幀。目的DEV 選擇接收信噪比最強(qiáng)的扇區(qū)作為最佳扇區(qū)，并在該扇區(qū)向源DEV 發(fā)送訓(xùn)練幀。此時(shí)源DEV 旋轉(zhuǎn)接收目的DEV 的訓(xùn)練幀，同樣選擇接收信噪比最強(qiáng)的扇區(qū)作為最佳扇區(qū)。這樣就完成了一次握手過(guò)程，避免了源DEV 在每個(gè)扇區(qū)重復(fù)發(fā)送多個(gè)訓(xùn)練幀，從而減少節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)時(shí)長(zhǎng)，使源DEV 和目的DEV 更快速地找到彼此位置。相比原有協(xié)議，在新機(jī)制下源DEV 不需要全方位搜索目的DEV，根據(jù)PNC 提供的信息，可以更快地發(fā)現(xiàn)目的DEV，從而減少節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)時(shí)間。

微微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)快速發(fā)現(xiàn)流程如圖3 所示，該機(jī)制在CAP 時(shí)段由PNC 執(zhí)行。

圖3 微微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)快速發(fā)現(xiàn)流程Fig.3 Rapid discovery procedure of piconet node

步驟1PNC 在CAP 時(shí)段判斷是否有節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)時(shí)隙，若有，則執(zhí)行下一步驟；若無(wú)，則結(jié)束本機(jī)制。

步驟2定向天線將無(wú)線空間以一定角度劃分成多個(gè)扇區(qū)［21］，每個(gè)設(shè)備扇區(qū)數(shù)量相同，PNC 根據(jù)每個(gè)扇區(qū)分布的DEV 數(shù)量，建立扇區(qū)-位置信息表。該表包含DEV 的編號(hào)ID、PNC 與DEV 的距離、DEV 所在扇區(qū)號(hào)、獲知DEV 距離的時(shí)刻、目的DEV 的ID、相對(duì)位置信息。若有節(jié)點(diǎn)向PNC 發(fā)送時(shí)隙申請(qǐng)，則PNC 根據(jù)這些信息以及通過(guò)物理層RSSI 機(jī)制，將相關(guān)信息存入扇區(qū)-位置信息表。PNC 判斷目的DEV與源DEV 是否進(jìn)行過(guò)波束賦形，若沒(méi)有，則轉(zhuǎn)至步驟3；若有，則轉(zhuǎn)至步驟5。

步驟3PNC 通過(guò)扇區(qū)-位置信息表計(jì)算出目的DEV 相對(duì)于源DEV 的位置，并將該位置信息填入扇區(qū)-位置表的相對(duì)位置信息中，轉(zhuǎn)至步驟4。

首先以PNC 為原點(diǎn)建立坐標(biāo)。1）若源DEV 與目的DEV 所在象限相對(duì)，則其相對(duì)位置為目的DEV所在的象限，如源DEV 在第一象限，目的DEV 在第三象限，則目的DEV 在以源DEV 為原點(diǎn)建立坐標(biāo)的第三象限。2）若源DEV 與目的DEV 所在象限相鄰，則其相對(duì)位置為源DEV 所在象限的相對(duì)象限與目的DEV 所在象限聯(lián)合的象限區(qū)域。3）若源DEV 與目的DEV 所在象限相同，假設(shè)源DEV 距PNC 距離為x，目的DEV 距PNC 的距離為y，則進(jìn)一步判斷：

1）源DEV 與目的DEV 在同一扇區(qū)，若xy，則相對(duì)位置為不包含源DEV、目的DEV 所在象限相對(duì)象限的其他象限。

2）若不在同一個(gè)扇區(qū)，且源DEV 的扇區(qū)號(hào)為n，目的DEV 的扇區(qū)號(hào)為m，假設(shè)源DEV、目的DEV 所在象限為α（1≤α≤4），其中規(guī)定若Amod 4=0，則A=4（mod 求余）。若xy,nm，由此PNC 可以判斷目的DEV 相對(duì)于源DEV 的象限為[(α+2)mod 4]∪[(α+3)mod 4]；若x>y,n

步驟4PNC 在回復(fù)DEV1 的時(shí)隙請(qǐng)求幀時(shí)，查看扇區(qū)-位置信息表，并將表中象限信息提取出來(lái)，在回復(fù)給DEV 的時(shí)隙請(qǐng)求時(shí)，將象限信息裝入回復(fù)幀的幀頭部MAC Header 的Index Stream 字段中，Index Stream 字段的前4 bit 分別對(duì)應(yīng)1～4 象限，每位上的0 表示該象限不用做波束賦形，1 表示需要做波束賦形，通過(guò)該字段將象限信息給DEV1，轉(zhuǎn)下一步。

步驟5在CTAP 時(shí)段，源DEV 根據(jù)PNC 回復(fù)消息，判斷Fragmentation Control 中的保留字段是否為1，若是，則按新的節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)機(jī)制進(jìn)行；若不是，則按原有節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)機(jī)制進(jìn)行。

2.2 動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下的節(jié)點(diǎn)位置感知機(jī)制

在默認(rèn)情況下，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)，為了使移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)能收到Beacon 消息，PNC 需要在每個(gè)方向循環(huán)發(fā)送該消息，從而使移動(dòng)后的節(jié)點(diǎn)還能與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行同步，但這會(huì)造成很嚴(yán)重的時(shí)延以及控制開銷。此外，源節(jié)點(diǎn)在沒(méi)有目的節(jié)點(diǎn)位置信息情況下，需要重新對(duì)目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)操作。新機(jī)制的主要思想是PNC 通過(guò)一種動(dòng)態(tài)算法計(jì)算出移動(dòng)后節(jié)點(diǎn)的位置，并且通過(guò)該位置信息針對(duì)性地發(fā)送Beacon 消息。另外，若該移動(dòng)的DEV 在下個(gè)超幀的CTAP 時(shí)段沒(méi)有參與數(shù)據(jù)收發(fā)，則PNC 向該DEV 所在位置發(fā)送Beacon 消息時(shí)，不需要在Beacon 消息中攜帶時(shí)隙分配信息。在下個(gè)CAP 時(shí)段，執(zhí)行新機(jī)制1，把目的DEV 的位置告知給源DEV，使得源DEV 可以在具體位置對(duì)目的DEV 進(jìn)行發(fā)現(xiàn)操作。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)時(shí)，首先，由PNC 建立扇區(qū)-DEV表，用于記錄某個(gè)扇區(qū)經(jīng)過(guò)移動(dòng)可能出現(xiàn)的DEV；然后，通過(guò)CAP 時(shí)段收集DEV 的相關(guān)信息（ID、與PNC距離、獲取時(shí)刻等），在CTAP 時(shí)段結(jié)束后，根據(jù)在CAP 時(shí)段收集到的信息，計(jì)算出該DEV 在本超幀結(jié)束時(shí)移動(dòng)后的大致位置，根據(jù)該位置信息更新扇區(qū)-DEV 表；最后，在下一超幀的Beacon 時(shí)段根據(jù)表中信息自適應(yīng)調(diào)整發(fā)送Beacon 幀的方向和Beacon 幀的內(nèi)容。

1）在當(dāng)前Beacon 時(shí)段，PNC 建立2 個(gè)扇區(qū)-DEV信息表，表1 記錄當(dāng)前超幀的各個(gè)扇區(qū)所對(duì)應(yīng)的DEV，表2 記錄當(dāng)前超幀結(jié)束時(shí)，各個(gè)扇區(qū)可能出現(xiàn)的經(jīng)過(guò)移動(dòng)后的DEV。如表1 中扇區(qū)號(hào)為0，記錄的ID 為1、3，表2 中扇區(qū) 為0，記 錄ID 為1、5，表 示DEV3 和DEV5 都發(fā)生過(guò)移動(dòng)。

2）在當(dāng)前CAP 時(shí)段，PNC 判斷是否有DEV 進(jìn)行時(shí)隙申請(qǐng)，若無(wú)，則結(jié)束本機(jī)制；若有，則PNC 建立位置-信息表。通過(guò)物理層RSSI機(jī)制確定DEV 所在扇區(qū)、與PNC 距離、獲取信息時(shí)刻，將這些信息填入表中，并在表中加入源DEV、目的DEV 的ID 信息，轉(zhuǎn)下一步。

3）若某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)，則在CTAP 的最后一個(gè)時(shí)隙開始，PNC 根據(jù)預(yù)先知道的節(jié)點(diǎn)最大運(yùn)動(dòng)速率vmax和每個(gè)扇區(qū)的角度α，以及上述步驟所得到的信息，計(jì)算出該節(jié)點(diǎn)可能運(yùn)動(dòng)到扇區(qū)的扇區(qū)號(hào)范圍。然后將該DEV 填入扇區(qū)-DEV 表2 內(nèi)所對(duì)應(yīng)的扇區(qū)號(hào)所在欄，同時(shí)在表1 中刪除該DEV。

扇區(qū)號(hào)范圍計(jì)算方法是以PNC為中心建立坐標(biāo)軸，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍半徑為X的圓，設(shè)每個(gè)扇區(qū)角度為α，DEV的扇區(qū)號(hào)為ε（0 ≤ε≤360/(α-1)），DEV 與PNC 的距離為R，則DEV 位于該扇區(qū)半徑為R的一段弧上，設(shè)獲取該DEV 時(shí)刻為t1，CTAP 時(shí)段的最后一個(gè)時(shí)隙，假設(shè)PNC獲取DEV 運(yùn)動(dòng)后的時(shí)刻為t2，已知DEV 最大運(yùn)動(dòng)速率為vmax，則DEV 在這段時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)的距離為L(zhǎng)=vmax×(t2-t1）。微微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4 所示。

圖4 微微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.4 Motion trajectory of piconet node

（1）若L≥R，說(shuō)明在沒(méi)超出網(wǎng)絡(luò)范圍的情況下，該DEV 可能運(yùn)動(dòng)到每個(gè)扇區(qū)，此時(shí)按照原有機(jī)制進(jìn)行Beacon 幀的發(fā)送。

（2）若L

該DEV 下次可能出現(xiàn)的扇區(qū)號(hào)范圍如式（1）、式（2）所示：

4）在下個(gè)Beacon 時(shí) 段，PNC 查找扇 區(qū)-DEV表2，若表為空，說(shuō)明沒(méi)有DEV 移動(dòng)，則結(jié)束本機(jī)制；若表不為空，說(shuō)明在前一個(gè)超幀結(jié)束時(shí)，DEV 發(fā)生移動(dòng)，且PNC 已經(jīng)計(jì)算如各個(gè)扇區(qū)DEV 的移動(dòng)情況，繼續(xù)執(zhí)行下一步。

5）PNC 根據(jù)表1 和表2，推斷DEV 的分布情況，然后向移動(dòng)后的DEV 所在扇區(qū)發(fā)送Beacon 幀，對(duì)于那些經(jīng)移動(dòng)后空置的扇區(qū)不發(fā)Beacon 幀。此外判斷該移動(dòng)后的DEV 是否申請(qǐng)過(guò)時(shí)隙，若沒(méi)有，則在Beacon 幀中刪除時(shí)隙分配信息。

6）若移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)是某個(gè)DEV 的目的DEV，則在下個(gè)CAP 時(shí)段，繼續(xù)執(zhí)行新機(jī)制1，PNC 將移動(dòng)后的節(jié)點(diǎn)位置告知給源DEV；否則結(jié)束本機(jī)制。

3 協(xié)議性能分析

關(guān)于新協(xié)議性能，給出如下引理及相關(guān)證明。

引理1節(jié)點(diǎn)間在進(jìn)行相互發(fā)現(xiàn)時(shí)，與IEEE80 2.15.3c 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議以及ENLBT-MAC 協(xié)議相比，NMA-MAC 協(xié)議節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)過(guò)程中所產(chǎn)生的控制開銷更小。

證明假設(shè)太赫茲無(wú)線個(gè)域網(wǎng)中有1 個(gè)PNC，每個(gè)PNC 的周圍有m個(gè)DEV（m>1），DEV 產(chǎn)生的每個(gè)控制幀幀長(zhǎng)為α，DEV 需要在Si（i=1，2，3）個(gè)扇區(qū)發(fā)送控制消息，每個(gè)扇區(qū)需要發(fā)送控制幀的總數(shù)為f。IEEE802.15.3c 協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)過(guò)程所產(chǎn)生的控制開銷為C1；ENLBT-MAC 協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)過(guò)程所產(chǎn)生的控制開銷為C2；NMA-MAC 協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)過(guò)程所產(chǎn)生的控制開銷為C3，如式（6）～式（8）所示：

由于協(xié)議所適用的網(wǎng)絡(luò)模型相同，在新機(jī)制的操作下，NMA-MAC 協(xié)議節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)過(guò)程中，不需要對(duì)全方位的扇區(qū)進(jìn)行遍歷，只需要對(duì)某個(gè)或某幾個(gè)扇區(qū)進(jìn)行遍歷，所以S3

引理2與IEEE802.15.3c 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議以及ENLBTMAC 協(xié)議相比，NMA-MAC 協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的傳輸成功率將會(huì)更高。

證明傳輸成功率是指網(wǎng)絡(luò)中目的節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)量與源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)量的比值。設(shè)IEEE802.15.3c 協(xié)議的 成功率 為P1，ENLBT-MAC 協(xié)議的成功率為P2，NMA-MAC 協(xié)議的成功率為P3，其中Nri（i=1，2，3）表示接收到幀的數(shù)量，Nsi（i=1，2，3）表示發(fā)送幀的數(shù)量，如式（9）～式（11）所示：

如果源節(jié)點(diǎn)持續(xù)向相同的方向發(fā)送數(shù)據(jù)幀，隨著源節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致目的節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)幀會(huì)越來(lái)越少。而在新機(jī)制的作用下，PNC 可以預(yù)先知道移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置，然后將位置信息告知給源DEV，此時(shí)源DEV 可以根據(jù)該消息調(diào)整發(fā)送方向。由此可以得出Nr1≤Nr2≤Nr3，從而P1≤P2≤P3，得證。

引理3與IEEE802.15.3c 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議以及ENLBTMAC 協(xié)議相比，NMA-MAC 協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的吞吐量將會(huì)更高。

證明吞吐量是指單位時(shí)間內(nèi)，目的節(jié)點(diǎn)收到的bit 數(shù)總和。超幀的長(zhǎng)度一定，設(shè)網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)為N，CTAP 時(shí)段源DEV 向目的DEV 發(fā)送幀的總長(zhǎng)為ldata，Pi為在太赫茲信道上發(fā)送數(shù)據(jù)幀的成功率，T為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間。設(shè)IEEE802.15.3c 協(xié)議的吞吐量為S1，ENLBT-MAC 協(xié)議的吞吐量為S2，NMA-MAC 協(xié)議的吞吐量為S3，如式（12）～（14）所示：

在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜透鞴?jié)點(diǎn)參數(shù)相同的情況下，ldata和T都是相同的，由引理2 可知，P1≤P2≤P3，從而S1≤S2≤S3，得證。

4 仿真分析

本文利用OPNET 仿真工具模擬實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)，并主要研究隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，對(duì)協(xié)議各性能指標(biāo)的影響。仿真參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置Table 1 Simulation parameters setting

4.1 控制開銷

不同協(xié)議的波束賦形控制開銷對(duì)比如圖5 所示。隨著節(jié)點(diǎn)增加，各協(xié)議控制開銷都有所上升，由于NMA-MAC 協(xié)議使用新的機(jī)制，使得運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的的控制開銷在網(wǎng)絡(luò)飽和情況降低30.86%，仿真結(jié)果和引理1 分析一致。由于IEEE802.15.3c 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議需要在每個(gè)方向遍歷，導(dǎo)致每個(gè)方向都會(huì)產(chǎn)生控制開銷；而ENLBT-MAC 協(xié)議根據(jù)入網(wǎng)順序進(jìn)行遍歷，產(chǎn)生的開銷會(huì)相應(yīng)減少，但仍然需要在每個(gè)方向進(jìn)行遍歷。NMA-MAC 協(xié)議使用新機(jī)制不需要在每個(gè)方向進(jìn)行遍歷，只在有節(jié)點(diǎn)的方向產(chǎn)生所需要的開銷，所以總開銷更小。

圖5 不同協(xié)議的波束賦形控制開銷對(duì)比Fig.5 Beamforming control cost comparison among different protocols

4.2 傳輸成功率

不同協(xié)議的消息傳輸成功率如圖6 所示。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)從10 增加到13 時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點(diǎn)發(fā)生了移動(dòng)。相比IEEE802.15.3c 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，NMA-MAVC 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)傳輸成功率增長(zhǎng)了4.575%，仿真結(jié)果和引理2 分析一致。由于存在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的情況，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)后，IEEE 802.15.3c 協(xié)議或ENLBT-MAC 協(xié)議的源節(jié)點(diǎn)在原方向發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)目的節(jié)點(diǎn)收不到該消息，在下個(gè)超幀中，源DEV 與目的DEV 需要重新進(jìn)行節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，此時(shí)源節(jié)點(diǎn)重復(fù)發(fā)送了相同數(shù)據(jù)，而目的節(jié)點(diǎn)只接收到一次數(shù)據(jù)。而NMA-MAC 協(xié)議下源節(jié)點(diǎn)通過(guò)PNC 預(yù)先知道目的DEV 的位置，只需要向移動(dòng)后的方向發(fā)送一次數(shù)據(jù)，從而提升數(shù)據(jù)消息傳輸成功率。

圖6 不同協(xié)議的消息傳輸成功率對(duì)比Fig.6 Message transmission success rate comparison among different protocols

4.3 吞吐量

不同協(xié)議的吞吐量對(duì)比如圖7 所示。相比IEEE802.15.3c 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，NMA-MAC 協(xié)議的吞吐量增加了13.28%，仿真結(jié)果與引理3 分析一致。3 種協(xié)議在節(jié)點(diǎn)沒(méi)有發(fā)生移動(dòng)的情況下，吞吐量的走勢(shì)是差不多的，若節(jié)點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)，使得IEEE802.15.3c 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和ENLBT-MAC 協(xié)議的吞吐量發(fā)生短暫下降，而后節(jié)點(diǎn)需要重新進(jìn)行波束賦形重新發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)，吞吐量又逐漸開始上升。在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)后，NMA-MAC 協(xié)議通過(guò)計(jì)算獲取移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置，然后動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)送方向，其吞吐量不會(huì)呈下降的趨勢(shì)。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，各協(xié)議的吞吐量逐漸趨于平穩(wěn)狀態(tài)。

圖7 不同協(xié)議MAC 層吞吐量對(duì)比Fig.7 MAC layer throughput comparison among different protocols

4.4 平均時(shí)延

不同協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延如圖8 所示。從圖8 可以看出，在不同節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景下3 種協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延的差別不是很大。隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)增加，由于申請(qǐng)時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)逐漸增多，而超幀的長(zhǎng)度是不變的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)被安排的時(shí)隙也會(huì)推后，因此時(shí)延逐漸增加。而NMAMAC 協(xié)議通過(guò)減少在部分扇區(qū)的掃描時(shí)間，從而調(diào)整常規(guī)S-CAP 的長(zhǎng)度，PNC 有足夠時(shí)間處理節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙申請(qǐng)，可以縮短數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延。

圖8 不同協(xié)議平均時(shí)延對(duì)比Fig.8 Average delay comparison among different protocols

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種太赫茲網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)感知定向MAC 協(xié)議。在分析節(jié)點(diǎn)波束賦形的過(guò)程中，采用軟件建模方式模擬微微網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，引入微微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)快速發(fā)現(xiàn)和動(dòng)態(tài)場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)位置感知機(jī)制，并使用歸一化方法分析網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)。仿真結(jié)果表明，相比IEEE802.15.3c 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和ENLBT-MAC協(xié)議，NAM-MAC 協(xié)議能有效提高吞吐量和消息傳輸成功率，降低數(shù)據(jù)平均時(shí)延。后續(xù)將利用定向天線空分復(fù)用的特點(diǎn)，對(duì)太赫茲定向并行傳輸協(xié)議做進(jìn)一步優(yōu)化。