高效低时延的太赫兹无线个域网双信道MAC协议

周海东，周 逊,2，任 智，严 炎，葛理威

1(重庆邮电大学 移动通信技术重庆市重点实验室，重庆 400065)2(中国工程物理研究院 激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900)

1 引 言

信息交互方式的发生的改变促使数据流量快速增加，而当前移动数据流量已占据主流.层出不穷的新应用对无线速率提出更高要求，预计到2020年左右，人们对短距离无线通信的数据速率需求将达到数10Gbps[1].现有无线通信技术受限于带宽难以满足此需求，这促使人们探索更高的频率波段，在这种环境下，太赫兹(terahertz，THz)波段(0.1THz-10THz)已被提升为一个关键的无线技术来满足这一需求[2].

太赫兹(terahertz,THz)波[3-5]是位于毫米波和远红外光波之间的电磁波,其频率范围为0.1THz-10THz，相应波长范围为0.03mm-3mm.太赫兹波处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，它是人类最后一个尚未完全认知利用的频段.相比于60GHz及以下频段，太赫兹频段大部分尚未被分配使用，具有较大的开发潜力，因此相关的太赫兹通信技术被看做是5G通信的关键技术之一[6].在实际的无线通信中，空气中的水分子对太赫兹通信的影响较大，水分子会造成太赫兹波特别大的大气衰减，因此它的通信距离范围受到限制，考虑到太赫兹波具有特性，太赫兹频段比较适合短距离无线通信[7].

太赫兹无线个域网(Terahertz Wireless Personal Area Networks (THz-WPANs)是一种数据速率可以达到几十Gbps并且以太赫兹波作为载波的自组织网络[8,9].THz-WPANs是一种通信范围较小的网络，通常是由多个具有太赫兹无线通信的节点组成.与传统无线个域网最主要的区别是，它能够为不断出现的新型业务提过超过10Gbps的数据传输保证.

接入方法工作在网络中的MAC层，其主要功能是承担着信道的接入控制，在通信体系架构中起着非常重要的作用.最近几年，太赫兹无线个域网双信道MAC协议的研究已经获得了一定进展，相关的研究工作仍在继续进行.Jornet等人提出了一种太赫兹电磁纳米网络接入协议-PHLAME(a PHysical Layer Aware MAC protocol for Electromagnetic nanonetworks)[10].PHLAME协议包含握手和数据传输两个阶段，其结合物理层脉冲通信的特点，使节点在任意时刻发送数据，其中，采用不同节点使用不同的符号速率机制，能够有效避免数据帧发生碰撞，提高网络性能.Shahram Mohrehkesh等人提出一种由接收节点开始、集能感知的接入协议RIH-MAC(Receiver-Initiated Harvesting-aware MAC).RIH-MAC协议要求只有接收节点具有足够的能量，数据传输才会成功，其还要求发送端和接收端在时间上同步，将网络运行时间分为等长的时隙，这可以显著减小数据帧之间碰撞的概率和能量的消耗[11].Pu Wang等人针对纳米传感网络提出一种频谱感知的接入协议--DSS-TDMA(a Dynamic Scheduling Scheme based on TDMA)[12].DSS-TDMA协议中网络的节点是由一般的纳米传感器节点和更高逻辑地位、具备无线个域网控制功能的控制器节点组成，其将网络的运行时间划分为三部分，分别是每个帧包含的下行链路、上行链路以及随机接入.DSS-TDMA提出这种基于TDMA+RA(时分多址+随机接入)的太赫兹无线个域网MAC协议对未来研究和设计THz-WPANs接入协议具有重要的指导意义.

目前关于THz-WPANs双信道MAC协议研究比较少，Peng等人提出了一种利用带外信令的增强型组网方案：通过在低频信道进行信道扫描和信令交互来确定节点的大致位置，然后在在太赫兹信道实现使用高增益天线进行精确扫描，最后扫描完成才进行太赫兹通信[13]；Yao等人参考了IEEE802.11ac[14]协议，并提出了一种TAB-MAC[15]协议，其基本思路是控制信息的交换在WiFi(2.4GHz)信道用全向天线进行，真正的数据传输在太赫兹信道用定向天线进行实现，该协议可以解决太赫兹通信距离受限问题，但存在信道利用率较低，数据传输延迟较大等问题.针对这些问题，本文提出了一种高效低时延的THz-WPANs双信道MAC协议.

2 网络模型与问题描述

2.1 网络模型

TAB-MAC协议的网络模型如图1所示.网络中的节点由锚节点(Anchor node)和常规节点(Regular node)构成，锚节点可以帮助常规节点获得自身节点的位置坐标信息，常规节点可以在太赫兹信道发送数据.锚节点可以通过配备GPS定位模块或手动配置来获得自己的位置坐标信息，常规节点通过配置波束成形天线阵列在太赫兹信道进行通信.

锚节点在WiFi波段周期性的广播信标信号，常规节点根据收到的信标帧信号来定位自身节点的位置信息，定位一个常规节点在两个维度的位置坐标需要三个不在一条直线上的锚节点，定位一个常规节点在三维空间的位置至少需要4个不在一条直线的锚节点.常规节点的太赫兹波束成形天线适当的调整之后，两个常规节点之间在太赫兹信道才可以建立连接，由于常规节点可以定位自身节点的位置坐标信息，这使调整天线变的简单.

TAB-MAC协议的主要思路是在WiFi信道用全向天线来交互控制信息，在太赫兹信道用定向天线进行数据传输，如下图2所示.在WiFi信道，有数据需要发送的源节点用全向天线向目的节点发送一个RTS(Request To Send，请求发送)帧(包含源节点的位置信息)，目的节点收到RTS帧，若信道空闲，等待一个SIFS(Short Interframe Space，短帧间间隔)时间之后，就向源节点回复一个CTS(Clear To Send，允许发送)帧(包含目的节点的位置信息)，源节点和目的节点根据相互交互的信息，调整太赫兹波束成形天线使用定向天线相互对准，然后切换到太赫兹信道；在太赫兹信道，首先源节点会向目的节点发送一个TTS(Test To Send，测试)帧(为了确保源节点和目的节点的定向天线相互对准)，目的节点收到TTS帧会向源节点回复一个ACK(ACKnowledgement, 确认)帧，源节点收到ACK帧之后才能够向目的节点发送数据帧.目的节点对收到的多个数据帧仅使用一个ACK帧进行确认.

图1 网络模型Fig.1 Network model

图2 TAB-MAC协议Fig.2 TAB-MAC protocol

测试帧的帧格式如图3所示.测试帧是一个短的数据帧，它的帧体是一个长度为4字节的数据字段.

图3 测试帧格式Fig.3 Test To Send frame format

2.2 问题描述

通过深入研究发现，现有太赫兹无线个域网双信道MAC协议存在信道利用率不高以及数据传输时延较大问题：

1)在WiFi信道如果源节点(假定为A)向目的节点(假定为B)发送RTS帧，节点B收到RTS帧之后，如果此时节点B也有数据需要向节点A发送，根据现有的太赫兹无线个域网双信道接入方法，节点A向节点B传输数据完成之后，节点B才能够与节点A进行RTS/CTS帧交互，而节点A向节点B发送完数据之后，A节点和B节点在太赫兹信道定向天线还处在对准状态，因此可以直接进行数据传输，省去了RTS/CTS帧交互过程以及测试时延.

2)在太赫兹信道引入测试帧是为了测试源节点和目的节点之间的定向天线是否处于对准状态，测试帧中的4字节数据字段为无用数据，因此可以考虑去掉，进一步减少控制开销.

3 ELD-MAC

针对以上问题，提出一种高效低时延的接入协议--ELD-MAC.该协议较好地解决了上述问题，同时提高信道利用率，减少网络控制开销，降低数据传输时延，提升网络性能.

3.1 自适应省略RTS/CTS帧交互过程

"自适应省略RTS/CTS帧交互过程"新机制的基本思路为：如果目的节点B在向源节点A回复CTS帧之前有数据需要发送给源节点A，则计算出发送那些数据所需总的时间值，加上RTS帧中携带的"持续期"字段的值，将两者的和装入CTS帧的"持续期"字段中，然后广播该CTS帧；A、B节点之外的其它节点(假设太赫兹无线个域网所有节点都可以直接通信)收到该CTS帧后，它们都会在这段时间内在太赫兹信道保持静默；节点A发送数据结束后，节点B可以将自己的数据发送给节点A.这样使用一个RTS/CTS帧交互过程，节点A、B都可以把自己要发送的数据帧发送给对方节点，从而省去一个RTS/CTS交互过程以及测试时延，降低了控制开销和数据传输时延.

"自适应省略RTS/CTS帧交互过程"新机制的操作流程如图4所示.

图4 自适应省略RTS/CTS帧交互过程
Fig.4 Adaptive ellipsis RTS/CTS frame interaction process

3.2 精简测试帧

在太赫兹信道引入测试帧时为了测试源节点和目的节点之间的定向天线是否处于对准状态，测试帧中的4字节数据字段为无用数据，该数据字段为冗余的控制开销，增大了数据传输时延，不利于网络吞吐量的提高.

"精简测试帧"新机制的基本思路为：去掉测试帧中4字节的无用数据字段，来减少控制开销，同样可以测试源节点和目的节点之间的定向天线是否处于对准状态."精简测试帧"帧结构示意图如图5所示 .Duration:持续时间；RA:the address of the STA receiving the TTS frame，TTS帧接收站点地址；TA:the address of the STA transmitting the TTS frame，TTS帧发送站点地址；FCS: Frame Check Sequence，帧校验序列.

图5 精简测试帧格式
Fig.5 Simplified test frame format

3.3 ELD-MAC协议操作流程

下面按照WiFi信道和太赫兹信道的顺序，具体介绍提出的太赫兹无线个域网双信道MAC协议的操作流程.

3.3.1 WiFi信道

步骤1.锚节点周期性的广播信标信号，常规节点收到信标信号然后来确定自身节点的位置信息.

步骤2.有数据发送需求的源节点向目的节点发送RTS帧，目的节点收到RTS帧，如果目的节点也有数据向源节点发送，则采用本文提出的"自适应省略RTS/CTS帧交互过程"机制，否则采用原协议，即目的节点向源节点回送一个CTS帧.

步骤3.源和目的节点根据RTS/CTS交互的信息，调整太赫兹波束成形天线，使用定向天线对准，然后切换到太赫兹信道.

3.3.2 太赫兹信道

步骤1.源节点向目的节点发送一个精简测试帧，目的节点收到精简测试帧向源节点回送一个ACK帧.

步骤2.源节点收到对精简测试帧的确认帧之后，立即向目的节点发送数据帧，目的节点对收到的多个数据帧仅用一个ACK帧进行确认.

3.4 性能分析

为确定ELD-MAC协议的有效性，本文采用TAB-MAC协议作为比较对象，对其进行理论分析验证.

定理1.与TAB-MAC协议相比，在太赫兹信道ELD-MAC协议有更小的测试时延.

证明:原TAB-MAC协议和ELD-MAC协议测试时延如公式(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为切换时间，它的值为WiFi信道切换到太赫兹信道所用的时间，TACK为发送ACK帧所用的时间，Tsifs为短帧间间隔时间，Tprop为传播时延.在相同的场景和参数设置下，TAB-MAC协议和ELD-MAC协议在Tswitch、TACK、Tsifs、Tprop保持一致，TTTS-T和TTTS-E分别为TAB-MAC协议和ELD-MAC协议发送一个测试帧所用的时间.由于ELD-MAC协议采用精简测试帧机制，省去了4字节的无用数据字段，因此TTTS-T>TTTS-E，可知，Ttest2

定理2.与TAB-MAC协议相比，ELD-MAC协议能够提升网络吞吐量.

证明:设第i个节点需要发送数据的概率为pi，TAB-MAC协议与ELD-MAC协议的网络吞吐量分别为ST、SE，则TAB-MAC协议的网络吞吐量期望ST可由下式(3)得出：

(3)

式中S为TAB-MAC协议的网络吞吐量随机变量，Si为第i个节点的网络吞吐量变量，Nasc为当前已关联节点的总数，Li为第i个节点待发送数据的大小，Psucc为节点在太赫兹信道成功发送一个数据帧的概率，Ti为第i个节点在WiFi信道建立连接和在太赫兹信道发送数据帧总的时间.相应地，ELD-MAC网络吞吐量SE如式(4)所示：

(4)

4 仿真验证

4.1 仿真统计量及参数设置

4.1.1 仿真统计量

1)信道利用率

信道利用率是指数据帧传输时间占信道总时间的比例，它体现出MAC协议的工作效率，其计算公式如下所示：

(5)

其中Ti为第i个数据帧传输时延，T为网络通信总时长.数据帧传输时间所占比例越高，说明信道资源无效浪费所占比例越少，MAC层工作效率越高.

2)数据平均时延

数据时延一般指数据开销自产生到正确接收中间所用的时间.平均时延则是对所有的时延值取平均，其计算公式如下所示：

(6)

其中di为第i个数据时延，包括层间处理、MAC层排队、传输以及传播耗时，一般不考虑目的节点处理时延，当数据出错重传时，重传耗时也包括在内；而N为当前网络中MAC层已正确接收的数据个数.

3)MAC层吞吐量

MAC层吞吐量为MAC层单位时间内向上层提供数据的总量，单位取比特每秒(b/s)，其计算公式如下所示：

(7)

其中，Drec为各节点MAC层正确接收的数据开销大小，T为网络通信总时长，在仿真中即数据产生开始时间到当前时刻.MAC层吞吐量不仅受物理层条件限制，而且还受MAC协议工作效率的影响.

4.1.2 参数设置

主要的仿真参数如表1所示.

表1 主要仿真参数表1Table 1 Simulation main parameters

4.2 仿真结果分析

4.2.1 信道利用率

如图6所示，当网络达到饱和时，ELD-MAC协议信道利用率提高了11.39%.信道利用率提高的主要原因为：

图6 信道利用率对比
Fig.6 Comparison of channel utilization

1)"自适应省略RTS/CTS帧交互过程"新机制，对于存在反向信道传输数据的节点，能够省去RTS/CTS交互过程，减少控制开销，从而增大传输数据帧占总的信道时间比例，提高信道利用率；

2)"精简测试帧"机制，省去测试帧4字节的无用数据字段，减少了控制帧占总的信道时间比例，从而提高信道利用率.

4.2.2 数据平均时延

如图7所示，ELD-MAC协议数据平均时延至少降低了12.63%.时延降低的主要原因为："自适应省略RTS/CTS帧交互过程"新机制对于存在反向信道传输数据的节点省略了RTS/CTS交互过程以及测试时延，加快了数据传输，从而降低数据传输时延.

图7 数据平均时延对比
Fig.7 Comparison of data′s average delay

4.2.3 MAC层吞吐量

如图8所示，ELD-MAC协议在网络饱和的情况下吞吐量提高了10.96%，这主要原因在于：

图8 MAC层吞吐量对比
Fig.8 Comparison of MAC layer throught

1)"自适应省略RTS/CTS帧交互过程"新机制，对于存在反向信道传输数据的节点，能够省去RTS/CTS交互过程，减少冗余控制开销，从而在相同的信道时间内能够发送更多的正常数据；

2)"精简测试帧"机制省去4字节无用数据字段，减少了发送测试帧所用的时间以及接收时间，降低数据传输时延，从而提高网络吞吐量.

5 结 论

本文主要针对现有相关太赫兹无线个域网双信道MAC协议存在信道利用率较低以及数据传输时延大问题，提出一种适用于太赫兹无线个域网的高效低时延的双信道接入协议--ELD-MAC.ELD-MAC通过采用"自适应省略RTS/CTS帧交互过程"新机制，对于存在反向信道传输数据的节点，能够省去RTS/CTS交互过程，减少控制开销；采用"精简测试帧"机制，省去测试帧4字节的无用数据字段，减少冗余控制开销从而达到提高信道利用率、降低数据传输时延、提升网络性能的效果.最后通过仿真验证ELD-MAC协议的有效性.在未来的研究中，本文将进一步研究如何实现太赫兹无线个域网双信道的MAC协议的空分复用，结合空分复用对信道资源进行更高效的分配，使网络吞吐量得到显著提升.