周 遜，周海東，任 智，鄒明芮，李光彬

(1．重慶郵電大學移動通信技術重慶市重點實驗室，重慶400065; 2．中國工程物理研究院激光聚變研究中心，四川綿陽621900)(*通信作者電子郵箱352202778@qq．com)

0 引言

太赫茲(Terahertz，THz)波［1－2］是位于毫米波和遠紅外光波之間的電磁波，其波長范圍為0．03～3 mm，相應頻率范圍為0．1～10 THz。太赫茲波處于宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過渡區(qū)，它是人類最后一個尚未完全認知利用的頻段［3］。太赫茲的頻段較寬，且大部分尚未被分配使用，能夠承載數(shù)Gb/s的數(shù)據(jù)量，具有廣泛的應用前景;但是太赫茲波在空氣中傳播時衰減較大，并且當空氣中水分子較多時衰減尤其嚴重。太赫茲波的衰減特性決定了其在短距離超高速無線通信方面有巨大的應用潛力，尤其是室內(nèi)短距離無線通信方面［4］，因此太赫茲可以很好地應用在無線個域網(wǎng)中。

太赫茲無線個域網(wǎng)［5］是一種短距離超高速無線通信網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡采用太赫茲頻段作為載波進行無線通信，該頻段具有超大連續(xù)可用帶寬，能夠提供高達10 Gb/s及其以上的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以滿足人們對日益增長的數(shù)據(jù)傳輸速率的需求。

接入方法工作在網(wǎng)絡中的MAC(Medium Access Control)層，主要承擔著信道的接入控制，在通信體系架構中起著重要的作用。近年來，人們對于太赫茲無線個域網(wǎng)雙信道接入方法的研究，已經(jīng)取得了一定進展，相關的研究工作仍在繼續(xù)進行:Jornet等［6］較早在太赫茲無線個域網(wǎng)接入方法上進行研究，提出了一種基于物理層感知的、用于納米傳感網(wǎng)的太赫茲無線網(wǎng)絡接入方法(PHysical Layer Aware MAC protocol for Electromagnetic nanonetworks，PHLAME)，結合物理層脈沖通信的特點，可以使節(jié)點在任意時刻發(fā)送數(shù)據(jù)。由于采用重復編碼機制、低權重編碼機制和不同的符號速率機制，因此它可以有效減少數(shù)據(jù)幀發(fā)生碰撞，提高網(wǎng)絡吞吐量。Wang等［7］在現(xiàn)有技術的基礎上，提出一種能量和頻譜感知的接入方法(Dynamic Scheduling Scheme based on TDMA，DSS-TDMA)，其中網(wǎng)絡的節(jié)點由一般的納米傳感器節(jié)點和邏輯地位更高、具有無線個域網(wǎng)控制功能的控制器節(jié)點組成，DSS-TDMA是一種基于時分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)和隨機接入(Random Access，RA)的太赫茲無線個域網(wǎng)MAC協(xié)議，對以后研究和設計太赫茲無線個域網(wǎng)MAC協(xié)議提供了重要的指導思想;Lin等［8］提出了一種具備能量控制的脈沖級別波束切換的太赫茲微微網(wǎng)接入方法，他們認為太赫茲波段的MAC協(xié)議應該關注“傳輸調(diào)度”而不是“競爭接入”，主要原因是太赫茲波段能夠提供極大的傳輸帶寬。為了解決太赫茲波段的高路徑衰減問題，可以考慮使用波束賦形中的可控窄帶波束部分。

目前關于太赫茲無線個域網(wǎng)雙信道MAC協(xié)議研究較少:文獻［9］提出了一種利用帶外信令的增強型組網(wǎng)機制，通過在低頻段進行信道掃描及信令交互來確定節(jié)點間彼此的大致方位，在太赫茲頻段使用高增益天線進行精確掃描，掃描結束之后再進行太赫茲通信。文獻［10］也利用了這種帶外信令對太赫茲數(shù)據(jù)傳輸進行優(yōu)化，在太赫茲信道進行持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸，如果有數(shù)據(jù)發(fā)生了碰撞，則重傳在傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)信道進行，但重傳的數(shù)據(jù)如何在接收端進行重組有待去研究。文獻［11］在參考 IEEE802．11ac［12］的基礎上提出了一種太赫茲輔助波束賦形MAC協(xié)議(Assisted Beamforming MAC protocol for Terahertz communication network，TAB-MAC)，其基本思想是在WiFi(IEEE802．11系列協(xié)議)工作的頻段2．4 GHz信道(低頻段)用全向天線來交換控制信息，在太赫茲信道(高頻段)用定向天線進行真正的數(shù)據(jù)傳輸。該協(xié)議能夠解決太赫茲通信距離受限問題，但存在信道利用率不高、數(shù)據(jù)傳輸時延較大等問題。針對此問題，本文提出了一種高效快速的太赫茲無線個域網(wǎng)雙信道MAC協(xié)議(Efficient and Fast dualchannelMAC protocolforterahertzwirelesspersonalarea networks，EF-MAC)。

1 網(wǎng)絡模型與問題描述

1．1 網(wǎng)絡模型

TAB-MAC協(xié)議網(wǎng)絡中的節(jié)點由錨節(jié)點(Anchor Node，AN)和常規(guī)節(jié)點(Regular Node，RN)組成:錨節(jié)點用來幫助常規(guī)節(jié)點獲取自身節(jié)點的位置信息;常規(guī)節(jié)點用來發(fā)送數(shù)據(jù)。錨節(jié)點通過手動配置或者配備全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)定位模塊來獲取自己的位置信息;常規(guī)節(jié)點配備雙收發(fā)器，其中一臺收發(fā)器工作在Wifi信道交互控制信息，另一臺收發(fā)器工作在太赫茲信道進行數(shù)據(jù)傳輸。常規(guī)節(jié)點和錨節(jié)點在WiFi信道使用全向天線進行交互信息，常規(guī)節(jié)點之間在太赫茲信道使用定向天線進行數(shù)據(jù)傳輸。TAB-MAC協(xié)議的網(wǎng)絡模型如圖1所示。

TAB-MAC方法使用了請求發(fā)送(Request To Send，RTS)幀、允許發(fā)送(Clear To Send，CTS)幀和測試(Test To Send，TTS)幀三種幀，它們具有類似的幀結構，如圖2所示。為了兼容現(xiàn)有的MAC方法，幀的首部和尾部結構設計參照了802．11ac標準。RTS和CTS幀有著相同的幀體結構，其中包括3個2字節(jié)的位置字段，用來確定普通節(jié)點在三維空間中的位置信息，以及4字節(jié)的波束賦形天線信息(包含波束帶寬和指向);測試幀是一個短的數(shù)據(jù)幀，它的幀體是一個長度為4字節(jié)的數(shù)據(jù)字段。

圖1 網(wǎng)絡模型Fig．1 Network model

圖2 幀格式Fig．2 Frame format

TAB-MAC協(xié)議的交互過程如圖3所示。在WiFi信道:有數(shù)據(jù)發(fā)送需求的源節(jié)點用全向天線向目的節(jié)點發(fā)送一個請求發(fā)送(RTS)幀，RTS幀中包含源節(jié)點的位置信息;目的節(jié)點收到RTS幀之后，若信道空閑，等待一段時間短幀間間隔(Short Interframe Space，SIFS)之后，就向源節(jié)點回送一個允許發(fā)送(CTS)幀，CTS幀中包含目的節(jié)點的位置信息;源節(jié)點和目的節(jié)點根據(jù)彼此交換的信息，調(diào)整太赫茲波束成形天線，使用定向天線相互對準，然后切換到太赫茲信道。在太赫茲信道:源節(jié)點準備進行數(shù)據(jù)傳輸，首先源節(jié)點會向目的節(jié)點發(fā)送一個測試(TTS)幀(為了確保源節(jié)點和目的節(jié)點的定向天線相互對準)，目的節(jié)點收到TTS幀會向源節(jié)點回送一個確認幀(Acknowledgement，ACK)，源節(jié)點收到ACK之后才可以向目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀。目的節(jié)點對收到的多個數(shù)據(jù)幀使用一個確認幀進行確認。

圖3 TAB-MAC協(xié)議Fig．3 TAB-MAC protocol

1．2 問題描述

綜上所述，人們對太赫茲無線個域網(wǎng)雙信道接入方法的研究已經(jīng)開展了一段時間，在WiFi信道傳輸控制信息、太赫茲信道傳輸數(shù)據(jù)等方面取得了一定的進展，但深入研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有TAB-MAC協(xié)議存在如下問題:

問題1 在太赫茲信道上進行數(shù)據(jù)傳輸之前，為了保障可靠傳輸，源節(jié)點首先會在太赫茲信道上向目的節(jié)點發(fā)送一個測試幀，目的節(jié)點收到測試幀后會在太赫茲信道上向源節(jié)點回復一個ACK幀，源節(jié)點收到ACK幀之后才會向目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀。這在一定程度上可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，但也引入了冗余控制開銷和一定的數(shù)據(jù)傳輸延遲。

問題2 根據(jù)現(xiàn)有相關雙信道接入方法，在WiFi信道的RTS/CTS幀交互過程中，源節(jié)點發(fā)給目的節(jié)點的RTS幀裝有源節(jié)點的位置信息，目的節(jié)點發(fā)給源節(jié)點的CTS幀裝有目的節(jié)點的位置信息。如果源或目的節(jié)點通過之前的RTS/CTS幀交互過程已獲得對方節(jié)點的位置信息且對方節(jié)點的位置沒有發(fā)生改變，那么RTS或CTS幀中的位置信息就沒有必要進行傳送，在這種情況下，RTS或CTS幀會存在控制信息(即位置信息)的冗余。

2 EF-MAC協(xié)議

針對1．2節(jié)問題，提出一種高效快速的太赫茲無線個域網(wǎng)雙信道MAC協(xié)議——EF-MAC。該協(xié)議較好地解決了上述問題，從而能夠降低控制開銷，從整體上加快數(shù)據(jù)傳送，降低數(shù)據(jù)的平均延遲。

2．1 EF-MAC協(xié)議的新機制

2．1．1 目的節(jié)點向源節(jié)點發(fā)送測試幀

為了解決上述問題1，本文提出了“目的節(jié)點向源節(jié)點發(fā)送測試幀”新機制，該新機制的基本思路是:在通常和大多數(shù)情況下，人們把太赫茲無線個域網(wǎng)使用的太赫茲信道視為是對稱的，因此可以由目的節(jié)點在太赫茲信道上向源節(jié)點發(fā)送測試幀且該測試幀不用回復ACK幀，這樣做同樣能達到測試太赫茲信道能否正常通信的效果。于是便能夠少收發(fā)一個ACK幀，降低控制開銷，而且有利于減小數(shù)據(jù)傳輸延遲。

本文提出的“目的節(jié)點向源節(jié)點發(fā)送測試幀”新機制的主要操作如下:

1)如果一個節(jié)點的WiFi-MAC部分(本文所述的具有THz-WiFi雙信道通信能力的太赫茲無線個域網(wǎng)在節(jié)點的MAC層分為THz-MAC和WiFi-MAC兩部分)收到另一個節(jié)點發(fā)給它的RTS幀(當前節(jié)點地址=RTS幀“RA”字段值)且回復CTS幀之后，等待一段時間(等待時間的缺省值建議為RTT/4;往返時間(Round Trip Time，RTT)，可以通過公式“RTT=收到CTS的時間－發(fā)出RTS的時間計算”)，然后將源節(jié)點(發(fā)送RTS幀的節(jié)點)位置信息、從RTS幀中提取的天線信息和“發(fā)送測試幀”信息(一種在節(jié)點內(nèi)部傳送的信息，供WiFi-MAC部分用于通知THz-MAC部分發(fā)送測試幀，建議缺省長度為1字節(jié)并用值代表信息類型)傳送給本節(jié)點的THz-MAC部分。

2)如果一個節(jié)點的THz-MAC部分收到了WiFi-MAC部分傳來的另一個節(jié)點位置信息、天線信息和“發(fā)送測試幀”信息，則先使用該位置信息和天線信息調(diào)整天線方向和狀態(tài)，使天線發(fā)射方向?qū)柿硪还?jié)點;然后，生成一個測試幀，將相關信息裝入其中，并用單播方式將該測試幀發(fā)送給另一個節(jié)點。

3)如果一個節(jié)點的WiFi-MAC部分在發(fā)送RTS幀后收到CTS幀，則將CTS幀發(fā)送節(jié)點的位置信息、CTS幀中的天線信息和“調(diào)節(jié)天線接收方向”信息(一種在節(jié)點內(nèi)部傳送的信息，供WiFi-MAC部分用于通知THz-MAC部分調(diào)節(jié)天線接收方向，建議缺省長度為1字節(jié)并用值代表信息類型)傳送給THz-MAC部分。

4)如果一個節(jié)點的THz-MAC部分收到了WiFi-MAC部分傳來的另一個節(jié)點位置信息、天線信息和“調(diào)節(jié)天線接收方向”信息，則使用該位置信息和天線信息調(diào)整天線方向和狀態(tài)，使天線接收方向?qū)柿硪粋€節(jié)點。

5)如果一個節(jié)點的THz-MAC部分收到另一個節(jié)點在太赫茲信道上發(fā)來的測試幀，則在太赫茲信道上向該節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀。

6)如果一個節(jié)點的THz-MAC部分發(fā)送測試幀之后，等待一段時間(等待時間為T1，可以根據(jù)公式T1=收到的第一個數(shù)據(jù)幀時間－發(fā)送測試幀的時間計算得到)沒有收到另一個節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)幀(包含測試幀丟包情況)，則重傳測試幀。

7)如果一個節(jié)點的THz-MAC部分重傳測試幀達到最大重傳次數(shù)M(M=5)還沒有收到另一個節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，則將“重新進行RTS/CTS交互”信息(一種在節(jié)點內(nèi)部傳送的信息，供THz-MAC部分用于通知WiFi-MAC部分重新進行RTS/CTS交互，建議缺省長度為1字節(jié)并用值代表信息類型)傳送給WiFi-MAC部分。

2．1．2 自適應取消節(jié)點位置信息的收發(fā)

為了解決上述問題2，本文提出了“自適應取消節(jié)點位置信息的收發(fā)”新機制，該新機制的基本思路是:在每個RTS/CTS幀交互過程中，每個節(jié)點都對“對方節(jié)點是否知道自己的位置”“對方節(jié)點知道的自己位置”這兩項信息進行記錄;在后續(xù)再次與對方節(jié)點進行RTS/CTS幀交互時，如果對方節(jié)點已知自己的位置且自己的位置未發(fā)生變化，便不再將自己的位置信息發(fā)送給對方，從而能夠在整體上減少位置信息的傳送，降低控制開銷。

本文提出的“自適應取消節(jié)點位置信息的收發(fā)”新機制的主要操作如下:

1)每個節(jié)點都在自己的MAC層的WiFi-MAC部分建立一張新類型的表——節(jié)點位置感知表，用以記錄其他節(jié)點是否知道自己的位置以及知道的是哪個位置;節(jié)點位置感知表每條表項有4個字段:節(jié)點地址(或節(jié)點ID)、節(jié)點位置(可以用XYZ坐標)、節(jié)點是否知道自己位置(建議用“1”表示知道、用“0”表示不知道;初始值和缺省值為“0”)、節(jié)點知道的自己位置;節(jié)點位置感知表表項的數(shù)量根據(jù)實際情況確定，可以變化。

2)如果一個節(jié)點在WiFi信道向另一個節(jié)點發(fā)送了RTS幀且收到了對方節(jié)點廣播的CTS幀，由于RTS幀包含當前節(jié)點的位置信息，因此當前節(jié)點便知道對方節(jié)點已獲知自己的位置信息，于是，在節(jié)點位置感知表中建立或更新(如果位置表丟失則進行重新建立位置感知表，如果未有對方節(jié)點的表項則進行建立，如果原來已有對方節(jié)點的表項則進行更新)對應于對方節(jié)點的表項:“節(jié)點地址”字段填入對方節(jié)點地址，“節(jié)點位置”字段填入對方節(jié)點位置(從CTS幀中獲得)，“節(jié)點是否知道自己位置”字段填“1”，“節(jié)點知道的自己位置”填入自己發(fā)出的RTS幀中的位置信息(如果RTS幀被簡化，未包含位置信息，則填入節(jié)點當前位置信息)。

3)如果一個節(jié)點在THz信道向另一個節(jié)點發(fā)送了測試幀后收到了對方節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)幀，則當前節(jié)點的THz-MAC部分便知道對方節(jié)點已獲知自己的位置信息;于是，當前節(jié)點的THz-MAC部分便發(fā)送一個長度為1字節(jié)(其值表示信息類型)的“對方已知自己位置”信息給WiFi-MAC部分。

4)如果一個節(jié)點的WiFi-MAC部分收到自己的THz-MAC部分傳來的“對方已知自己位置”信息，則在節(jié)點位置感知表中建立或更新(如果位置表丟失則進行重新建立位置感知表，如果未有對方節(jié)點的表項則進行建立，如果原來已有對方節(jié)點的表項則進行更新)對應于對方節(jié)點的表項:“節(jié)點地址”字段填入對方節(jié)點地址(從最近收到的RTS幀中“TA”字段獲得)，“節(jié)點是否知道自己位置”字段填“1”，“節(jié)點知道的自己位置”填入CTS幀中的位置信息(如果CTS幀被簡化，未包含位置信息，則填入節(jié)點當前位置信息)。

5)如果一個節(jié)點在WiFi信道收到了其他節(jié)點發(fā)送的RTS幀，則從RTS幀中提取出位置信息，然后在節(jié)點位置感知表中建立或更新(如果位置表丟失則進行重新建立位置感知表，如果未有對方節(jié)點的表項則進行建立，如果原來已有對方節(jié)點的表項則進行更新)對應于對方節(jié)點的表項:“節(jié)點位置”字段填入對方節(jié)點位置。

6)如果一個節(jié)點要向另一個節(jié)點發(fā)送RTS幀，它先查詢自己WiFi-MAC部分的節(jié)點位置感知表，判斷“有對方節(jié)點的表項”“對方節(jié)點表項中‘節(jié)點是否知道自己位置’字段的值為1”“對方節(jié)點表項中的位置信息和當前自己的位置信息相同”三個條件是否同時成立;如果是，則使用一種不帶節(jié)點位置信息的新類型 RTS幀——WL-RTS幀(Without Location Request To Send，通過幀類型字段的值與RTS幀相區(qū)別)，不廣播自己的位置信息;否則(包含位置感知表丟失)，使用常用的RTS幀類型，廣播自己的位置信息。

7)如果一個節(jié)點要向另一個節(jié)點發(fā)送CTS幀，它先查詢自己WiFi-MAC部分的節(jié)點位置感知表，判斷“有對方節(jié)點的表項”“對方節(jié)點表項中‘節(jié)點是否知道自己位置’字段的值為1”“對方節(jié)點表項中的位置信息和當前自己的位置信息相同”三個條件是否同時成立:如果是，則使用一種不帶節(jié)點位置信息的新類型 CTS幀——WL-CTS幀(Without Location Clear To Send，通過幀類型字段的值與CTS幀相區(qū)別)，不廣播自己的位置信息;否則(包含位置感知表丟失)，使用常用的CTS幀類型，廣播自己的位置信息。

8)如果一個節(jié)點的WiFi-MAC部分收到了發(fā)給自己的、不帶位置信息的WL-RTS或WL-CTS幀(通過幀類型字段的值來識別)，則只從中提取持續(xù)時間和波束賦形天線信息，不做提取位置信息的操作;然后，查詢自己節(jié)點位置感知表來獲得對方節(jié)點的位置信息，并將該信息傳送給本節(jié)點的THz-MAC部分。

“自適應取消節(jié)點位置信息的收發(fā)”新機制中WL-RTS和WL-CTS幀結構如圖4和圖5所示。

圖4 WL-RTS幀結構Fig．4 WL-RTS frame format

圖5 WL-CTS幀結構Fig．5 WL-CTS frame format

2．2 EF-MAC協(xié)議的基本操作

TAB-MAC協(xié)議主要是在WiFi信道傳輸控制信息，在太赫茲信道進行真正的數(shù)據(jù)傳輸，主要分為WiFi信道和太赫茲信道兩種模式，因此EF-MAC協(xié)議也是在這兩種模式下，具體步驟如下:

1)WiFi信道。本文提出的太赫茲無線個域網(wǎng)雙信道接入?yún)f(xié)議在WiFi信道的主要操作是廣播及接收信標消息，由錨節(jié)點和常規(guī)節(jié)點執(zhí)行，具體步驟如下:

步驟1 錨節(jié)點周期性地廣播信標信號，常規(guī)節(jié)點根據(jù)收到的信標信號來獲取自己的位置信息。

步驟2 如果源或目的節(jié)點之前已經(jīng)進行過RTS/CTS幀交互過程，則采用本文提出的“自適應取消節(jié)點位置信息的收發(fā)”機制;否則采用原協(xié)議。

步驟3 源和目的節(jié)點根據(jù)彼此交互的信息，使用定向天線對準，然后切換到太赫茲信道，準備數(shù)據(jù)傳輸。

2)太赫茲信道。太赫茲信道的核心操作是源節(jié)點和目的節(jié)點之間進行數(shù)據(jù)傳輸。源節(jié)點和目的節(jié)點執(zhí)行如下操作步驟:

步驟1 源節(jié)點和目的節(jié)點切換到太赫茲信道，則采用本文提出的“目的節(jié)點向源節(jié)點發(fā)送測試幀”新機制，由目的節(jié)點向源節(jié)點發(fā)送測試幀。

步驟2 源節(jié)點收到目的節(jié)點發(fā)送的測試幀后，立即向目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀，目的節(jié)點對收到的多個數(shù)據(jù)幀使用一個確認幀進行確認。

2．3 EF-MAC協(xié)議的性能分析

為確定EF-MAC協(xié)議的有效性，本文采用TAB-MAC協(xié)議作為對比對象，對其進行理論分析驗證。

引理1 與TAB-MAC協(xié)議相比，EF-MAC協(xié)議有更小的測試時延。

原TAB-MAC協(xié)議測試時延如下所示:

其中:Tswitch為切換時間，它代表從WiFi信道全向天線切換到太赫茲信道波束成形天線所用的時間;TTTS是發(fā)送一個TTS幀(測試幀)所用的時間;TACK是發(fā)送ACK幀所用的時間;Tsifs是短幀間間隔時間;Tprop是傳播時延。

“目的向源節(jié)點發(fā)送測試幀”新機制的測試時延如下:

根據(jù)式(1)和(2)可知，Ttest2＜Ttest1，則EF-MAC協(xié)議測試時延小于原協(xié)議。減少的測試時延用Tdecrease表示，如式(3)所示:根據(jù)式(3)可知EF-MAC協(xié)議的測試時延與TAB-MAC協(xié)議相比減少了發(fā)送ACK幀時間和一個傳播時延。

引理2 與TAB-MAC協(xié)議相比，EF-MAC協(xié)議能夠提升網(wǎng)絡平均吞吐量。

假設網(wǎng)絡中有N個源節(jié)點且發(fā)送數(shù)據(jù)幀的長度都為L，每個源節(jié)點發(fā)送K個數(shù)據(jù)幀，目的節(jié)點正確收到數(shù)據(jù)幀的概率為PS，定義網(wǎng)絡中的平均吞吐量為目的節(jié)點接收總的數(shù)據(jù)幀與節(jié)點之間平均端到端時延之比。目的節(jié)點收到數(shù)據(jù)幀的長度為L×K×PS，故網(wǎng)絡的平均吞吐量S如式(4)所示:

其中:T表示源節(jié)點在WiFi信道RTS/CTS交互過程所用的時間t1或t2、測試時延Ttest1或Ttest2與數(shù)據(jù)幀發(fā)送給目的節(jié)點所需要的傳輸時延的時間之和。EF-MAC協(xié)議采用自適應取消節(jié)點位置信息收發(fā)機制，與TAB-MAC協(xié)議相比減少了RTS/CTS幀交互過程所用的時間，由引理1可知，EF-MAC協(xié)議的測試時延Ttest2小于TAB-MAC協(xié)議的測試時延Ttest1，兩種協(xié)議的數(shù)據(jù)時延相等，因此可得EF-MAC協(xié)議的總時間開銷T相對較小，所以可得EF-MAC協(xié)議的吞吐量高于原協(xié)議的吞吐量。

3 仿真驗證

3．1 仿真統(tǒng)計量

1)信道利用率。信道利用率是指數(shù)據(jù)幀傳輸時間占信道總時間的比例，它體現(xiàn)出MAC協(xié)議的工作效率，其計算公式如下:

式中:Ti為第i個數(shù)據(jù)幀傳輸時延，T為網(wǎng)絡通信總的時長。數(shù)據(jù)幀傳輸時間所占比例越大，說明信道資源無效時隙浪費越少，MAC層工作效率越高。

2)數(shù)據(jù)平均時延。數(shù)據(jù)時延一般指數(shù)據(jù)開銷自產(chǎn)生到正確接收中間所用的時間。平均時延則是對所有的時延值取平均，計算公式如下:

式中:di為第i個數(shù)據(jù)時延，它包括層間處理、MAC層排隊、傳輸以及傳播耗時，一般不考慮目的節(jié)點處理時延，當數(shù)據(jù)出錯需要重傳時，重傳耗時也包含在內(nèi);而N為當前網(wǎng)絡中MAC層已正確接收的數(shù)據(jù)幀個數(shù)。

3)MAC層吞吐量。MAC層吞吐量是指MAC層單位時間內(nèi)向上層提交數(shù)據(jù)的總量，單位取比特每秒(b/s)，計算公式如下:

式中:Drec為各節(jié)點MAC層正確接收的數(shù)據(jù)開銷大小，T為網(wǎng)絡通信總的時間，在仿真中即數(shù)據(jù)產(chǎn)生開始時刻到當前時刻。MAC層吞吐量不僅受物理層條件限制，還受MAC協(xié)議工作效率的影響。

4)緩存數(shù)據(jù)量。緩存數(shù)據(jù)量指的是節(jié)點緩存中數(shù)據(jù)的個數(shù)，在仿真中，為了避免統(tǒng)計過程中出現(xiàn)的隨機性，統(tǒng)計時采用的是多次統(tǒng)計取平均值的方法，計算公式如下:

式中:pj為第j次統(tǒng)計時節(jié)點緩存中數(shù)據(jù)個數(shù)，M為總的統(tǒng)計次數(shù)。

3．2 參數(shù)設置數(shù)學量

仿真中采用仿真工具OPNET14．5對所述算法進行仿真驗證，主要的仿真參數(shù)如表1所示。

表1 主要仿真參數(shù)Tab．1 Simulation main parameters

4 仿真結果及分析

4．1 信道利用率

如圖6所示，信道利用率隨節(jié)點數(shù)的增加而增大，然后會趨于平穩(wěn)保持不變。當網(wǎng)絡達到飽和時，EF-MAC協(xié)議信道利用率與另兩種協(xié)議相比較高。信道利用率提高的主要原因為:1)EF-MAC協(xié)議由目的節(jié)點向源節(jié)點發(fā)送測試幀，減少了測試時延，從而增大傳輸數(shù)據(jù)幀占總的信道時間比例，提高信道利用率;2)“自適應取消節(jié)點位置信息的收發(fā)”機制如果源或目的節(jié)點通過之前的RTS/CTS幀交互過程已獲得對方節(jié)點的位置信息且對方節(jié)點的位置沒有發(fā)生改變，那么RTS或CTS幀中的位置信息就沒有必要進行傳送，減少控制幀占總的信道時間比例，提高信道利用率。

圖6 三種協(xié)議信道利用率對比Fig．6 Comparison of channel utilization among three protocols

4．2 數(shù)據(jù)平均時延

如圖7所示，數(shù)據(jù)平均時延隨著節(jié)點數(shù)的增加而增大。從整體上看EF-MAC協(xié)議數(shù)據(jù)平均時延較另兩種協(xié)議有所降低。時延降低的主要原因為:1)“目的節(jié)點向源節(jié)點發(fā)送測試幀”機制減少了一個傳播時延和一個發(fā)送確認幀時間，從而減少數(shù)據(jù)傳輸時延;2)“自適應取消節(jié)點位置信息的收發(fā)”機制中如果源或目的節(jié)點通過之前的RTS/CTS幀交互過程已獲得對方節(jié)點的位置信息且對方節(jié)點的位置沒有發(fā)生改變，可以省去RTS或CTS幀中的位置信息，從而減少冗余控制開銷，降低數(shù)據(jù)傳輸時延。

圖7 三種協(xié)議數(shù)據(jù)平均時延對比Fig．7 Comparison of data average delay among three protocols

4．3 MAC 層吞吐量

如圖8所示，從總體上看，隨著節(jié)點數(shù)的增加，MAC層吞吐量會逐漸增大然后趨于穩(wěn)定(隨著節(jié)點數(shù)的增加，協(xié)議所支持的業(yè)務量達到上限)，隨后會有下降趨勢(隨著節(jié)點數(shù)的增多，發(fā)生碰撞的概率會變大)。EF-MAC協(xié)議在網(wǎng)絡飽和的情況下吞吐量明顯高于TAB-MAC協(xié)議，這主要原因在于:1)“目的節(jié)點向源節(jié)點發(fā)送測試幀”新機制中源節(jié)點收到測試幀后可以立即發(fā)送數(shù)據(jù)幀，減少控制開銷，可以減少測試時延，從而在相同的信道時間內(nèi)可以發(fā)送更多的數(shù)據(jù)幀;2)“自適應取消節(jié)點位置信息的收發(fā)”機制中如果源或目的節(jié)點通過之前的RTS/CTS幀交互過程已獲得對方節(jié)點的位置信息且對方節(jié)點的位置沒有發(fā)生改變，可以省去RTS或CTS幀中的位置信息，從而減少冗余控制開銷，降低數(shù)據(jù)傳輸時延，提高網(wǎng)絡吞吐量。

圖8 三種協(xié)議MAC層吞吐量對比Fig．8 Comparison of MAC layer throughput among three protocols

4．4 緩存數(shù)據(jù)量

如圖9所示，EF-MAC協(xié)議緩存數(shù)據(jù)量較另兩種協(xié)議較低，緩存數(shù)據(jù)量降低的主要原因是:1)“目的節(jié)點向源節(jié)點發(fā)送測試幀”新機制中源節(jié)點收到測試幀后可以立即發(fā)送數(shù)據(jù)幀，減少控制開銷，數(shù)據(jù)能以最快的速度轉(zhuǎn)發(fā)出去，保證緩存中的數(shù)據(jù)量始終維持在較低的水平;2)“自適應取消節(jié)點位置信息的收發(fā)”機制中如果源或目的節(jié)點通過之前的RTS/CTS幀交互過程已獲得對方節(jié)點的位置信息且對方節(jié)點的位置沒有發(fā)生改變，可以省去RTS或CTS幀中的位置信息，能夠提高信道利用率，促進數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，從而降低緩存數(shù)據(jù)量。

圖9 三種協(xié)議緩存數(shù)據(jù)量對比Fig．9 Comparison of cached data volume among three protocols

5 結語

本文主要針對太赫茲無線個域網(wǎng)中現(xiàn)有TAB-MAC協(xié)議在設計時存在數(shù)據(jù)傳輸時延較大、信道利用率較低問題，提出一種適用于太赫茲無線個域網(wǎng)的高效快速的雙信道接入?yún)f(xié)議——EF-MAC。EF-MAC協(xié)議通過采用目的節(jié)點向源節(jié)點發(fā)送測試幀機制，源節(jié)點收到測試幀后可以立即發(fā)送數(shù)據(jù)幀，可以有效減小數(shù)據(jù)傳輸時延;采用“自適應取消節(jié)點位置信息的收發(fā)”機制，如果源或目的節(jié)點通過之前的RTS/CTS幀交互過程已獲得對方節(jié)點的位置信息且對方節(jié)點的位置沒有發(fā)生改變，可以省去RTS或CTS幀中的位置信息。最后通過仿真驗證了EF-MAC協(xié)議的有效性。在以后的研究中，本文將進一步研究如何實現(xiàn)太赫茲無線個域網(wǎng)雙信道MAC協(xié)議的空分復用，實現(xiàn)多對節(jié)點并行傳輸。