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