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        高吞吐量低時(shí)延太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)M A C接入?yún)f(xié)議

        2016-09-20 08:20:58曹建玲崔平付劉文朋陳前斌重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶400065

        曹建玲,崔平付,劉文朋,任 智,陳前斌(重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400065)

        高吞吐量低時(shí)延太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)M A C接入?yún)f(xié)議

        曹建玲,崔平付,劉文朋,任 智,陳前斌
        (重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400065)

        針對(duì)現(xiàn)有能夠應(yīng)用于太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的能量和頻譜感知的媒介接入控制(energy and spectru m-aware media access control,ES-M A C)及IE E E802.15.3c協(xié)議存在的時(shí)隙申請(qǐng)量未及時(shí)更新、超幀結(jié)構(gòu)不合理及分配時(shí)隙時(shí)未合并同一對(duì)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)隙請(qǐng)求等問(wèn)題,提出了一種高吞吐量低時(shí)延M A C(high throughput low delay M A C,H L M A C)協(xié)議。通過(guò)設(shè)計(jì)一種新的超幀結(jié)構(gòu),使節(jié)點(diǎn)及時(shí)得到時(shí)隙分配信息,大大降低數(shù)據(jù)接入時(shí)延;通過(guò)更新時(shí)隙請(qǐng)求量和合并同一對(duì)節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙請(qǐng)求,增加了數(shù)據(jù)發(fā)送量,提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。理論分析表明了H L M A C協(xié)議的有效性,仿真結(jié)果顯示它比ES-M A C協(xié)議增加了65.7%的網(wǎng)絡(luò)吞吐量,同時(shí)降低了30%的接入時(shí)延。

        太赫茲;無(wú)線網(wǎng)絡(luò);媒介接入控制協(xié)議;超幀;低時(shí)延

        網(wǎng)址:w w w.sys-ele.co m

        0 引 言

        近年來(lái)隨著多媒體業(yè)務(wù)的快速發(fā)展,人們對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率要求越來(lái)越高[1]。根據(jù)Edholm定律[2]預(yù)測(cè)的無(wú)線通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率曲線圖[3]可以看出,到2020年左右無(wú)線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率將接近100 Gbit/s。為了支持超高速數(shù)據(jù)傳輸,可以提高頻譜利用率或增加網(wǎng)絡(luò)帶寬[3]。對(duì)于60 G Hz通信若要支持10 Gbps甚至幾百Gbps的傳輸速率,就要求頻譜利用率高達(dá)十幾bit/s/Hz,目前難以實(shí)現(xiàn)。太赫茲波[4]是位于毫米波和紅外光波之間的電磁波(如圖1所示),其波長(zhǎng)范圍為0.03~3 m m,頻率范圍為0.1~10 T Hz。太赫茲頻段可以提供較大的帶寬和較高的傳輸容量,但該頻段的電磁波在空氣中傳播時(shí)衰減較大且當(dāng)空氣中水分子較多時(shí)衰減尤其嚴(yán)重,因此其傳輸距離較短,主要應(yīng)用于室內(nèi)短距離無(wú)線通信方面,也可應(yīng)用于無(wú)線數(shù)據(jù)中心[6-7]。

        圖1 太赫茲波在電磁波譜中位置

        目前關(guān)于太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)媒介接入控制(media access control,M A C)協(xié)議的研究非常少。P H L A M[8]協(xié)議是聯(lián)合物理層信息設(shè)計(jì)的一種M A C協(xié)議。在該協(xié)議中,接收端協(xié)助發(fā)送端選擇符號(hào)速率和信道編碼機(jī)制,并通過(guò)協(xié)調(diào)使多個(gè)設(shè)備同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。該協(xié)議研究重點(diǎn)為物理層技術(shù)對(duì)M A C協(xié)議沒(méi)有具體介紹。文獻(xiàn)[9]中提出了一種基于能量和頻譜感知的(energy and spectru m-aware media access control,ES-M A C)協(xié)議。該協(xié)議基于脈沖物理層技術(shù)提出了一種新的符號(hào)壓縮調(diào)度算法,其利用符號(hào)間隔的可伸縮性實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)間并行無(wú)干擾的數(shù)據(jù)傳輸。文獻(xiàn)中提出了一種實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)生存期和吞吐量平衡的調(diào)度算法,但其主要考慮的是如何降低能耗,這與太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)焦點(diǎn)集中于提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量不同。

        由于在載波頻率和最大數(shù)據(jù)速率等指標(biāo)上比較接近,現(xiàn)有超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)M A C協(xié)議(如IE E E802.15.3c和IE E E802.11ad)可以考慮用于太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[10]。

        T G 3d(100G)任務(wù)組[11]對(duì)太赫茲頻段的無(wú)線鏈路特性進(jìn)行了大量研究[12 13],而對(duì)于M A C協(xié)議還沒(méi)有相關(guān)研究。為了解決該問(wèn)題,本文根據(jù)ES-M A C協(xié)議和T G 3d(100G)任務(wù)組前期研究成果,提出了一種高吞吐量低時(shí)延太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)M A C協(xié)議—H L M A C,通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種新的超幀結(jié)構(gòu),采用更新時(shí)隙請(qǐng)求量機(jī)制和合并時(shí)隙請(qǐng)求機(jī)制,有效地降低了數(shù)據(jù)接入時(shí)延,提升了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

        1 網(wǎng)絡(luò)模型及問(wèn)題描述

        1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

        太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[3,14]如圖2所示,網(wǎng)絡(luò)中的基本組成單元為節(jié)點(diǎn)(device,D E V),其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)為中心控制節(jié)點(diǎn)[14](piconet coordinator,P N C)。該網(wǎng)絡(luò)的信道資源被劃分為一系列的超幀,超幀由信標(biāo)幀、競(jìng)爭(zhēng)接入期(contention access period,C A P)和信道時(shí)間分配期(channel time allocation period,C T A P)3部分組成。在Beacon時(shí)期,P N C廣播包含全網(wǎng)基本信息的信標(biāo)幀;C A P時(shí)期主要用于發(fā)送命令幀,在該時(shí)期采用CS M A/C A接入方式;C TA P時(shí)期由信道時(shí)間分配(channeltime allocation,C TA)組成,主要用于設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù),該時(shí)期采用T D M A接入方式。

        圖2 太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組成

        1.2 問(wèn)題描述

        經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有太赫茲無(wú)線網(wǎng)絡(luò)ES-M A C協(xié)議[9]及能夠應(yīng)用于太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的CS M A/C A+T D M A混合接入方式存在以下問(wèn)題。

        (1)現(xiàn)有超幀結(jié)構(gòu)如圖3所示,該超幀結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致以下兩個(gè)問(wèn)題:①節(jié)點(diǎn)在第N個(gè)超幀的C A P時(shí)期發(fā)送的時(shí)隙請(qǐng)求只能在第N+1個(gè)超幀的Beacon中分配并廣播給全網(wǎng)中的設(shè)備,數(shù)據(jù)在第N+1個(gè)超幀中的C T A P時(shí)期發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn),數(shù)據(jù)從申請(qǐng)時(shí)隙到接入信道被延遲了一個(gè)超幀長(zhǎng)度,這引入了較大的時(shí)延,且超幀長(zhǎng)度越長(zhǎng)時(shí)延越大;②Becaon中分配的時(shí)隙請(qǐng)求量不能反應(yīng)此時(shí)節(jié)點(diǎn)最新的時(shí)隙請(qǐng)求量(為上一超幀C A P時(shí)期的請(qǐng)求量,中間相隔一個(gè)C T A P時(shí)期),若C T A P時(shí)期有剩余而此時(shí)仍使用上一超幀的時(shí)隙請(qǐng)求量會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)吞吐量,增大數(shù)據(jù)的接入時(shí)延。

        圖3 現(xiàn)有超幀結(jié)構(gòu)

        (2)現(xiàn)有協(xié)議在C A P時(shí)期發(fā)送時(shí)隙請(qǐng)求幀時(shí)存在以下問(wèn)題:①若發(fā)生碰撞則需退避重傳,但此時(shí)可能有新數(shù)據(jù)到達(dá),時(shí)隙請(qǐng)求量已發(fā)生變化,現(xiàn)有協(xié)議并未對(duì)其更新;②若在當(dāng)前超幀C A P時(shí)期剩余時(shí)隙內(nèi)無(wú)法發(fā)送該幀,則需掛起退避計(jì)數(shù)器,并在下一超幀C A P時(shí)期重啟退避計(jì)數(shù)器,當(dāng)退避計(jì)數(shù)器減為0時(shí)發(fā)送該幀。但此時(shí)時(shí)隙請(qǐng)求量已發(fā)生巨大變化,現(xiàn)有協(xié)議并未進(jìn)行相關(guān)操作。上述兩種情況會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)發(fā)送的時(shí)隙請(qǐng)求量不是最新,增大數(shù)據(jù)接入時(shí)延,降低網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

        (3)P N C在分配時(shí)隙時(shí),現(xiàn)有協(xié)議并未考慮到時(shí)隙請(qǐng)求列表內(nèi)有多個(gè)來(lái)自同一對(duì)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)隙請(qǐng)求的情況,若為每個(gè)時(shí)隙請(qǐng)求分配一個(gè)C T A則會(huì)增加C T A之間的保護(hù)時(shí)隙,從而產(chǎn)生時(shí)隙浪費(fèi)。

        2 H L M A C協(xié)議

        為解決第1.2節(jié)所述3個(gè)問(wèn)題,本文提出了一種新的M A C接入?yún)f(xié)議—高吞吐量低時(shí)延M A C(high throughputlow delay M A C,H L M A C)。通過(guò)設(shè)計(jì)一種新的超幀結(jié)構(gòu)、更新時(shí)隙請(qǐng)求量和合并時(shí)隙請(qǐng)求等機(jī)制H L M A C協(xié)議提升了網(wǎng)絡(luò)吞吐量,降低了數(shù)據(jù)接入時(shí)延。

        2.1 H L M A C協(xié)議包含的新機(jī)制

        (1)一種新的高效低時(shí)延超幀結(jié)構(gòu)

        為解決現(xiàn)有超幀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)接入時(shí)延較大及時(shí)隙請(qǐng)求量非最新的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種新的超幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

        圖4 H L M A C協(xié)議超幀結(jié)構(gòu)

        新的超幀結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示,調(diào)整了原超幀中各部分之間順序,其包含Beacon、C TA P和C A P 3部分。在Beacon時(shí)期發(fā)送時(shí)隙分配信息及超幀各部分長(zhǎng)度信息,接下來(lái)為C T A P時(shí)期,用來(lái)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù),最后為C A P時(shí)期,節(jié)點(diǎn)在該時(shí)期發(fā)送時(shí)隙請(qǐng)求幀??紤]到網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行初期需要在C A P時(shí)期進(jìn)行組網(wǎng)操作,此時(shí)C TA P時(shí)期內(nèi)沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送,若仍保留C TA P時(shí)期會(huì)產(chǎn)生資源浪費(fèi),所以在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行初期采用圖4(a)所示超幀結(jié)構(gòu)。該機(jī)制具體操作步驟如下。

        步驟1 Beacon時(shí)期,P N C檢查時(shí)隙請(qǐng)求列表,若為空,則表明此時(shí)為網(wǎng)絡(luò)組建初期或在本超幀內(nèi)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送,則使用如圖4(a)所示超幀結(jié)構(gòu),否則使用如圖4(b)所示超幀結(jié)構(gòu)。P N C將超幀結(jié)構(gòu)信息及信道時(shí)隙分配信息寫(xiě)入Beacon幀中廣播給網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn),轉(zhuǎn)步驟2。

        步驟2 節(jié)點(diǎn)接收到Beacon幀,取出其中各時(shí)期長(zhǎng)度信息及時(shí)隙分配信息。若存在C T A P時(shí)期,則節(jié)點(diǎn)進(jìn)入C T A P時(shí)期并根據(jù)收到的時(shí)隙分配信息在相應(yīng)C T A內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù),在C T A P時(shí)期結(jié)束后轉(zhuǎn)步驟3,否則直接轉(zhuǎn)步驟3。

        步驟3 節(jié)點(diǎn)進(jìn)入C A P時(shí)期,并采用CS M A/C A接入方式發(fā)送時(shí)隙請(qǐng)求幀申請(qǐng)時(shí)隙資源,該時(shí)隙請(qǐng)求會(huì)在本超幀C A P時(shí)期結(jié)束后,下一超幀開(kāi)始的Beacon幀中立即進(jìn)行分配。當(dāng)C A P時(shí)期結(jié)束,進(jìn)入下一超幀,轉(zhuǎn)步驟1。

        在該機(jī)制中,節(jié)點(diǎn)在第N個(gè)超幀的C A P時(shí)期發(fā)送時(shí)隙請(qǐng)求幀,在接下來(lái)的第N+1個(gè)超幀開(kāi)始的Beacon中立即廣播時(shí)隙分配信息(時(shí)隙請(qǐng)求和分配間隔很短),并在接下來(lái)的C T A P時(shí)期將數(shù)據(jù)發(fā)送出去,大大降低了數(shù)據(jù)接入時(shí)延。由于時(shí)隙請(qǐng)求和分配只間隔一個(gè)C A P時(shí)期加保護(hù)時(shí)間的長(zhǎng)度,因此Beacon中所分配的時(shí)隙請(qǐng)求量是此時(shí)節(jié)點(diǎn)最新的時(shí)隙請(qǐng)求量。

        (2)更新時(shí)隙請(qǐng)求量機(jī)制

        針對(duì)C A P時(shí)期節(jié)點(diǎn)重傳時(shí)隙請(qǐng)求幀未更新時(shí)隙請(qǐng)求量和跨超幀的時(shí)隙請(qǐng)求幀未更新時(shí)隙請(qǐng)求量的問(wèn)題,提出了一種更新時(shí)隙請(qǐng)求量機(jī)制,具體步驟如下。

        步驟1 節(jié)點(diǎn)進(jìn)入C A P時(shí)期,首先檢查是否有上一超幀C A P時(shí)期未發(fā)送的時(shí)隙請(qǐng)求幀,若有,則節(jié)點(diǎn)根據(jù)此時(shí)緩存內(nèi)數(shù)據(jù)量重新計(jì)算時(shí)隙請(qǐng)求量,若該時(shí)隙請(qǐng)求量與上次保存值相同則不進(jìn)行任何操作,執(zhí)行退避過(guò)程,發(fā)送該幀,否則解析此幀并更新該幀內(nèi)的時(shí)隙請(qǐng)求量,同時(shí)將該最新時(shí)隙請(qǐng)求量保存,進(jìn)入步驟2。若沒(méi)有上一超幀未發(fā)送的時(shí)隙請(qǐng)求幀則直接進(jìn)入步驟2。

        步驟2 若節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送,則準(zhǔn)備時(shí)隙請(qǐng)求幀并保存其時(shí)隙請(qǐng)求量。使用CS M A/C A機(jī)制發(fā)送時(shí)隙請(qǐng)求幀,若發(fā)送成功則在收到立即確認(rèn)幀后將保存的時(shí)隙請(qǐng)求量清零,否則保持不變。在發(fā)送時(shí)隙請(qǐng)求幀后若檢測(cè)到發(fā)生沖突(未收到立即確認(rèn)幀),則執(zhí)行重傳操作。在重傳開(kāi)始時(shí)節(jié)點(diǎn)根據(jù)此時(shí)緩存內(nèi)數(shù)據(jù)量重新計(jì)算時(shí)隙請(qǐng)求量,并判斷此時(shí)時(shí)隙請(qǐng)求量是否與保存值相同,若不同則解析該時(shí)隙請(qǐng)求幀,更新其中的時(shí)隙請(qǐng)求量為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)最新的請(qǐng)求量,同時(shí)保存最新的時(shí)隙請(qǐng)求量以備下次比較使用。若此幀發(fā)送成功則節(jié)點(diǎn)在收到立即確認(rèn)幀后將保存的時(shí)隙請(qǐng)求量清零,否則保持原值。若時(shí)隙請(qǐng)求量與保存值相同則按正常退避機(jī)制執(zhí)行,不進(jìn)行更新操作。

        (3)合并同一對(duì)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)隙請(qǐng)求

        在分配時(shí)隙時(shí)P N C為請(qǐng)求列表內(nèi)的每一個(gè)時(shí)隙請(qǐng)求分配一個(gè)C TA,相鄰C TA之間有保護(hù)時(shí)隙,因此C TA越多,保護(hù)時(shí)隙就越多,用于發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)隙就會(huì)減少。因此提出了合并同一對(duì)節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙請(qǐng)求,以減少C TA個(gè)數(shù)從而減少保護(hù)時(shí)隙個(gè)數(shù),增加用于發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)隙,其具體思路如下。

        初始化i為1,執(zhí)行如下步驟。

        步驟1 若i大于P N C請(qǐng)求列表內(nèi)時(shí)隙請(qǐng)求個(gè)數(shù)則結(jié)束算法,否則P N C取出時(shí)隙請(qǐng)求列表內(nèi)的第i個(gè)時(shí)隙請(qǐng)求,并保存其源地址SrcIDi、目的地址DestIDi和時(shí)隙請(qǐng)求量Ti,令j=i+1,轉(zhuǎn)步驟2。

        步驟2 若j小于等于P N C時(shí)隙請(qǐng)求列表內(nèi)時(shí)隙請(qǐng)求個(gè)數(shù),則P N C取出第j個(gè)時(shí)隙請(qǐng)求,保存其源地址SrcIDj、目的地址DestIDj和時(shí)隙請(qǐng)求量Tj,并比較SrcIDi、SrcIDj及DestIDi、DestIDj是否相同,若相同,則轉(zhuǎn)步驟3,否則j加1,轉(zhuǎn)步驟2;若j>P N C時(shí)隙請(qǐng)求列表內(nèi)時(shí)隙請(qǐng)求個(gè)數(shù)則i加1,轉(zhuǎn)步驟1。

        步驟3 第i個(gè)時(shí)隙請(qǐng)求與第j個(gè)時(shí)隙請(qǐng)求屬于同一對(duì)節(jié)點(diǎn),更新第i個(gè)時(shí)隙請(qǐng)求量Ti=Ti+Tj,并將第j個(gè)時(shí)隙請(qǐng)求從時(shí)隙請(qǐng)求列表內(nèi)刪除,轉(zhuǎn)步驟2。

        2.2 H L M A C協(xié)議操作步驟

        以下操作步驟從網(wǎng)絡(luò)組建初期開(kāi)始,具體如下。

        步驟1 Beacon時(shí)期,P N C檢查時(shí)隙請(qǐng)求列表,若為空,則表明此時(shí)為網(wǎng)絡(luò)組建初期或在本超幀內(nèi)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送,則采用圖4(a)所示超幀結(jié)構(gòu),取消C T A P時(shí)期,使C A P時(shí)期增長(zhǎng),并將C A P開(kāi)始時(shí)間寫(xiě)入Beacon,轉(zhuǎn)步驟3;若時(shí)隙請(qǐng)求列表不為空則表明本超幀內(nèi)有節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù),采用圖4(b)所示超幀結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)步驟2。

        步驟2 P N C檢查時(shí)隙請(qǐng)求列表內(nèi)所有請(qǐng)求,若存在同一對(duì)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)隙請(qǐng)求,則根據(jù)合并時(shí)隙請(qǐng)求機(jī)制進(jìn)行合并操作。操作完畢后P N C按請(qǐng)求列表內(nèi)信息進(jìn)行時(shí)隙分配,并將時(shí)隙分配信息及C A P開(kāi)始時(shí)間寫(xiě)入Beacon幀中,以告知節(jié)點(diǎn)何時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)及何時(shí)進(jìn)入C A P時(shí)期,轉(zhuǎn)步驟3。

        步驟3 節(jié)點(diǎn)收到Beacon幀,取出其中時(shí)隙分配信息和C A P開(kāi)始時(shí)間。若有C T A P時(shí)期則進(jìn)入C T A P時(shí)期,在相應(yīng)時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù),并在C T A P時(shí)期結(jié)束后進(jìn)入C A P時(shí)期轉(zhuǎn)步驟4,否則直接轉(zhuǎn)步驟4。

        步驟4 節(jié)點(diǎn)進(jìn)入C A P時(shí)期,若此時(shí)為網(wǎng)絡(luò)組建初期則發(fā)送關(guān)聯(lián)請(qǐng)求幀進(jìn)行關(guān)聯(lián)操作;若此時(shí)有未發(fā)送的時(shí)隙請(qǐng)求幀,則按照更新時(shí)隙請(qǐng)求量機(jī)制對(duì)時(shí)隙請(qǐng)求量進(jìn)行更新并重啟退避計(jì)數(shù)器開(kāi)始退避操作發(fā)送該幀;若沒(méi)有未發(fā)送的時(shí)隙請(qǐng)求幀,則檢查緩存內(nèi)是否有未發(fā)送的數(shù)據(jù),若有則準(zhǔn)備時(shí)隙請(qǐng)求幀,使用CS M A/C A機(jī)制發(fā)送該幀,轉(zhuǎn)步驟5。

        步驟5 在C A P時(shí)期,若節(jié)點(diǎn)在發(fā)送時(shí)隙請(qǐng)求幀時(shí)發(fā)生沖突,則按照更新時(shí)隙請(qǐng)求量機(jī)制進(jìn)行更新。只要在發(fā)送時(shí)隙請(qǐng)求幀時(shí)產(chǎn)生沖突需重傳,均進(jìn)行此操作。若C A P結(jié)束而此時(shí)時(shí)隙請(qǐng)求幀未發(fā)送,則將退避計(jì)數(shù)器掛起;轉(zhuǎn)步驟1進(jìn)入下一超幀。

        3 H L M A C協(xié)議理論分析

        關(guān)于H L M A C協(xié)議的性能,有如下引理,并通過(guò)數(shù)學(xué)證明進(jìn)行論證。

        性質(zhì)1 與IE E E802.15.3c相比,H L M A C協(xié)議能夠降低數(shù)據(jù)接入時(shí)延。

        證明 假設(shè)兩種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)模型及節(jié)點(diǎn)行為均相同。考慮數(shù)據(jù)從申請(qǐng)到發(fā)送期間接入時(shí)延計(jì)算公式為T(mén)a=Ts-Tr,即數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間Ts與接收時(shí)間Tr之差。兩種協(xié)議均在Beacon時(shí)期和C T A P時(shí)期接收數(shù)據(jù),因此數(shù)據(jù)接收時(shí)間可認(rèn)為相同,則接入時(shí)延可以表示為如圖5所示。

        圖5 接入時(shí)延對(duì)比圖

        對(duì)于IE E E802.15.3c中的超幀結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示,由于節(jié)點(diǎn)只能在第N個(gè)超幀的C A P時(shí)期申請(qǐng)時(shí)隙,并在第N+1個(gè)超幀的Beacon幀中將其時(shí)隙請(qǐng)求進(jìn)行分配并廣播給節(jié)點(diǎn),數(shù)據(jù)在第N+1個(gè)超幀的C T A P時(shí)期發(fā)送出去,因此其接入時(shí)延約為

        對(duì)于H L M A C協(xié)議超幀結(jié)構(gòu)的接入時(shí)延如圖5(b)所示。在該超幀結(jié)構(gòu)中,D E V在第N個(gè)超幀的C A P時(shí)期請(qǐng)求時(shí)隙,在第N+1個(gè)超幀的Beacon中將時(shí)隙分配信息廣播出去,并在接下來(lái)的C T A P時(shí)期發(fā)送數(shù)據(jù),但由于C A P時(shí)期與Beacon時(shí)期相鄰,因此其接入時(shí)延為

        在相同網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下由于IE E E802.15.3c、H L M A C協(xié)議各個(gè)時(shí)期長(zhǎng)度均相同,則由式(1)和式(2)知TAI>TA H,因此H L M A C協(xié)議能夠大大降低接入時(shí)延。證畢

        性質(zhì)2 與802.15.3c協(xié)議相比,H L M A C協(xié)議能夠增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

        證明 假設(shè)兩種協(xié)議中的時(shí)隙分配模型均相同考察網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能。在參考文獻(xiàn)[15]中作者提出了一種混合接入?yún)f(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量分析模型。設(shè)H L M A C及IE E E802.15.3c協(xié)議的吞吐量分別為SH,SI,則可得SI和SH分別如式(3)和式(4)所示。其中,M為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量,NC T Ai和N′C T Ai為超幀內(nèi)C T A個(gè)數(shù),μ和μ′為C T A內(nèi)傳輸?shù)膸瑐€(gè)數(shù),其與時(shí)隙請(qǐng)求量有關(guān),B為幀負(fù)載大小,Lsf為超幀長(zhǎng)度。

        在網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景和超幀長(zhǎng)度相同的條件下,兩種協(xié)議中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和幀負(fù)載均相同。由于H L M A C協(xié)議采用更新C A P時(shí)期的時(shí)隙請(qǐng)求量機(jī)制,使C T A內(nèi)發(fā)送的幀個(gè)數(shù)增加,因此有μ′>μ,則可得出SH>SI。證畢

        性質(zhì)3 H L M A C協(xié)議中有效時(shí)隙量≥IEEE802.15.3c中有效時(shí)隙量。

        證明 有效時(shí)隙量定義為C T A P時(shí)期可用于發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)隙長(zhǎng)度,即為C T A P時(shí)期內(nèi)所有C T A時(shí)隙之和,兩種協(xié)議中的有效時(shí)隙量概念定義相同。設(shè)H L M A C協(xié)議及IE E E802.15.3c協(xié)議中,P N C收到的時(shí)隙請(qǐng)求個(gè)數(shù)分別為RH和RI。兩種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景(業(yè)務(wù)量相同)、超幀長(zhǎng)度及各個(gè)時(shí)期長(zhǎng)度均相同,則應(yīng)有RH=RI,TI_C T A P= TH_C T A P,即兩種協(xié)議中PNC收到的時(shí)隙請(qǐng)求個(gè)數(shù)相同,C T A P長(zhǎng)度相同。P N C在分配時(shí)隙時(shí)為時(shí)隙請(qǐng)求列表內(nèi)的每個(gè)請(qǐng)求分配一個(gè)C T A,則時(shí)隙請(qǐng)求個(gè)數(shù)即為所分配的C T A個(gè)數(shù),則有效時(shí)隙量計(jì)算如式(5)所示。

        H L M A C協(xié)議中,P N C在進(jìn)行時(shí)隙分配前對(duì)時(shí)隙請(qǐng)求列表進(jìn)行了重新整理,合并了來(lái)自同一對(duì)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)隙請(qǐng)求,則有RH<=RI,則根據(jù)式(5)有TIa<=TH a。證畢

        由于有效時(shí)隙量越大,節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)就越多,吞吐量也就越高,由此也可證H L M A C協(xié)議網(wǎng)絡(luò)吞吐量高于IE E E 802.15.3c。

        4 仿真及結(jié)果分析

        選取ES-M A C協(xié)議、IE E E802.15.3c協(xié)議作為比較對(duì)象,通過(guò)改變網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量比較3種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量、數(shù)據(jù)接入時(shí)延等性能。

        4.1 仿真設(shè)置

        使用O P N E T14.5仿真工具對(duì)3種協(xié)議進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)。根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)量不同設(shè)置6個(gè)不同場(chǎng)景,在每個(gè)場(chǎng)景中分別運(yùn)行3種協(xié)議,每組實(shí)驗(yàn)又分別使用不同的隨機(jī)種子進(jìn)行仿真,并取其平均值作為最終結(jié)果。節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)模型采用泊松分布,主要仿真參數(shù)的設(shè)置如表1所示。

        表1 仿真參數(shù)設(shè)置

        4.2 仿真結(jié)果分析

        (1)網(wǎng)絡(luò)吞吐量

        改變網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別運(yùn)行3種協(xié)議得到了如圖6所示的節(jié)點(diǎn)數(shù)量與網(wǎng)絡(luò)吞吐量關(guān)系圖。由圖可知:隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加,3種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量逐漸增加最后趨于平穩(wěn),而H L M A C協(xié)議吞吐量高于IE E E802.15.3c和ES-M A C協(xié)議,這是由于H L M A C協(xié)議采用更新時(shí)隙請(qǐng)求量機(jī)制,增加了節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙請(qǐng)求量使其能夠在C T A P時(shí)期發(fā)送更多數(shù)據(jù);合并時(shí)隙請(qǐng)求機(jī)制能夠減少C T A之間保護(hù)時(shí)隙個(gè)數(shù),從而增加有效時(shí)隙以發(fā)送數(shù)據(jù)。

        圖6 網(wǎng)絡(luò)吞吐量對(duì)比

        (2)數(shù)據(jù)接入時(shí)延

        圖7為仿真得到的節(jié)點(diǎn)數(shù)量與數(shù)據(jù)接入時(shí)延關(guān)系圖。由圖可知:隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加,網(wǎng)絡(luò)負(fù)載逐漸增大,數(shù)據(jù)接入時(shí)延也逐漸上升,但H L M A C協(xié)議的接入時(shí)延比其他兩個(gè)協(xié)議均低,其主要原因是:①在新的超幀結(jié)構(gòu)中,數(shù)據(jù)的時(shí)隙申請(qǐng)和發(fā)送時(shí)間差值大大減小,數(shù)據(jù)在緩沖區(qū)內(nèi)的等待時(shí)間減少,從而降低了數(shù)據(jù)接入時(shí)延;②更新時(shí)隙請(qǐng)求量機(jī)制能夠使更多數(shù)據(jù)在本超幀內(nèi)及時(shí)發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)而不必推遲到下一超幀中發(fā)送,同樣能夠大大減小接入時(shí)延;③合并時(shí)隙請(qǐng)求機(jī)制,能夠增加CTAP時(shí)期的可用時(shí)隙,使更多數(shù)據(jù)在本超幀內(nèi)發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn),減小了數(shù)據(jù)接入信道的時(shí)間。

        圖7 數(shù)據(jù)接入時(shí)延對(duì)比

        (3)緩存包數(shù)

        仿真中設(shè)置3種協(xié)議的緩沖區(qū)大小為10 M B,得到節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)緩存包數(shù)影響的結(jié)果圖,如圖8所示。隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多,網(wǎng)絡(luò)負(fù)載加重,3種協(xié)議的緩存包數(shù)逐漸增多,最終趨于相同并穩(wěn)定在一定數(shù)值內(nèi)。由圖知H L M A C協(xié)議的緩存包數(shù)始終低于其余兩種協(xié)議,這是由于:①更新時(shí)隙請(qǐng)求量機(jī)制能夠及時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn),從而降低了緩存中的數(shù)據(jù)量;②合并時(shí)隙請(qǐng)求機(jī)制能夠減少C T A之間保護(hù)時(shí)隙,增加C T A P時(shí)期用于發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)隙量,從而使更多數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送出去,降低了緩存中數(shù)據(jù)量。

        圖8 緩存包數(shù)對(duì)比

        (4)數(shù)據(jù)接入成功率

        設(shè)置3種協(xié)議的緩存大小為10 M B,得到如圖9所示節(jié)點(diǎn)數(shù)量與接入成功率關(guān)系圖。由圖知,隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加,3種協(xié)議的數(shù)據(jù)接入成功率逐漸下降,但H L M A C協(xié)議的接入成功率高于其余兩種協(xié)議的接入成功率。這是由于:①更新時(shí)隙請(qǐng)求量機(jī)制能夠?qū)?shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn),降低了緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)量,從而減少了緩存中數(shù)據(jù)的溢出增加了數(shù)據(jù)接入成功率;②合并時(shí)隙請(qǐng)求機(jī)制,減少了C TA之間保護(hù)時(shí)隙,增加了數(shù)據(jù)發(fā)送量從而減少了緩存內(nèi)數(shù)據(jù)量,降低了緩存內(nèi)數(shù)據(jù)的溢出從而提高了數(shù)據(jù)接入成功率。

        圖9 數(shù)據(jù)接入成功率對(duì)比

        5 結(jié)束語(yǔ)

        針對(duì)現(xiàn)有能夠應(yīng)用于太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的ES-M A C 及IEEE802.15.3c協(xié)議存在的問(wèn)題,提出了一種新的M A C協(xié)議—H L M A C。H L M A C協(xié)議設(shè)計(jì)了一種新的超幀結(jié)構(gòu),更新了時(shí)隙請(qǐng)求量同時(shí)合并了同一對(duì)節(jié)點(diǎn)間時(shí)隙請(qǐng)求。理論分析和仿真結(jié)果表明了H L M A C協(xié)議降低了數(shù)據(jù)接入時(shí)延,提升了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。在未來(lái)工作中,我們將研究一種適用于太赫茲無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的自適應(yīng)幀聚合機(jī)制以降低太赫茲頻段的衰減對(duì)數(shù)據(jù)傳輸效率的影響。

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        High throughput low-delay M A C protocol for Terahertz ultra-high data-rate wireless networks

        C A O Jian-ling,C UI Ping-fu,LIU W en-peng,R E N Zhi,C H E N Qian-bin
        (Chongqing Key Lab of M obile Com m unications Technology,Chongqing University of Post and Com m unications,Chongqing 400065,China)

        To resolve the problems that not updating the time slots nu m ber in real time,unreasonable superframe structure and not merging the same pairs of nodes’channel time request in the existing media access control(M A C)protocol such as energy and spectru m-aware M A C(ES-M A C)protocol and IE E E802.15.3c w hich can be applied in Terahertz ultra-high data-rate wireless networks,a high throughput low-delay M A C protocol for Terahertz ultra-high data rate wireless networks called H L M A C is proposed.By designing a new superframe structure,nodes can get channeltime allocation information im mediately w hich can reduce access delay greatly.The network throughput can be im proved by updating the time slots nu m ber and merging the same pairs of nodes’channeltime request w hich willincrease the nu m ber of data sent by nodes.Theoretical analysis verifies the effectiveness of H L M A C and sim ulation results show that co m paring with the ES-M A C,H L M A C im proves network throughput by 65.7%and decreases the access delay by 30%.

        Terahertz;wireless networks;media access control(M A C)protocol;superframe;low-delay

        T P 393.04

        A

        10.3969/j.issn.1001-506 X.2016.03.31

        1001-506 X(2016)03-0679-06

        2015-04-03;

        2015-09-01;網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期:2015-09-16。

        網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址:http://w w w.cnki.net/kcms/detail/11.2422.T N.20150916.1551.006.html

        國(guó)家自然科學(xué)基金(60972068);教育部長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(IR T1299);重慶市科委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)(D2011-24);重慶市自然科學(xué)基金(cstc2012jjA40051);重慶市教委科研項(xiàng)目(KJ120510)資助課題

        曹建玲(1974-),女,副教授,碩士,主要研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法、太赫茲無(wú)線網(wǎng)絡(luò)M A C協(xié)議。

        E-mail:caojl@cqupt.edu.cn

        崔平付(1989-),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榛诓┺牡囊苿?dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法研究、太赫茲無(wú)線網(wǎng)絡(luò)M A C協(xié)議。

        E-mail:455414313@qq.com

        劉文朋(1988-),男,碩士,主要研究方向?yàn)樘掌潫o(wú)線網(wǎng)絡(luò)M A C協(xié)議。

        E-mail:573751336@qq.com

        任 智(1971-),男,教授,博士,主要研究方向?yàn)閷拵o(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

        E-mail:renzhi@cqupt.edu.cn

        陳前斌(1967-),男,教授,博士研究生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)閷拵o(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體信息處理與傳輸。

        E-mail:chenqb@cqupt.edu.cn

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