劉穎出，李 寧

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊050081)

0 引言

太赫茲通信是未來6G通信的核心技術(shù)之一，可以應用在衛(wèi)星通信、航天通信、數(shù)據(jù)鏈、芯片間通信、氣象觀測、醫(yī)療等多個領(lǐng)域。近年來國內(nèi)外學者重點關(guān)注太赫茲通信系統(tǒng)的研發(fā)工作，并取得了一系列重要成果[1]。

日本NTT公司早在2010年便實現(xiàn)了一套最遠距離達5.8 km的太赫茲無線傳輸系統(tǒng)，通信速率為10 Gbit/s，工作頻段為120 GHz，發(fā)射功率達到了16 dBm[2]。2017年，德國Braunschweig太赫茲通信實驗室基于單片微波集成電路的模擬前端，在300 GHz載波頻率下傳輸數(shù)據(jù)速率高達64 Gbit/s的寬帶復合調(diào)制信號，最大發(fā)射機符號速率為32 Gbit/s[3]。日本研究團隊也于2017年完成了基于80 nm InP工藝的HEMT的300 GHz無線通信系統(tǒng)，在2.22 m距離下，利用16QAM調(diào)制方式，實現(xiàn)了100 Gbit/s的通信速率[4-5]。

在國內(nèi)，同樣有許多研究機構(gòu)和高校針對太赫茲通信系統(tǒng)進行了研發(fā)。2017年，電子科技大學研究團隊實現(xiàn)了在室外200 m距離下，利用QPSK調(diào)制方式，達到了3.52 Gbit/s的速率[6-8]。同年，中物院微太研究中心成功研制出可在21 km距離內(nèi)通信的太赫茲通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用16QAM調(diào)制方式，工作頻率為140 GHz，可實現(xiàn)5 Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，達到國際領(lǐng)先水平[9-10]。

總體而言，針對太赫茲通信系統(tǒng)的研究已經(jīng)十分廣泛，然而，對于太赫茲通信組網(wǎng)的研究卻并不太多。太赫茲通信組網(wǎng)的核心在于MAC層協(xié)議和算法的設(shè)計。由于太赫茲波的超高頻率，導致其具有極強的方向性，使得波束對準及組網(wǎng)難度大大增加。目前有兩種主流的技術(shù)路線，第一種是采用雙信道方式，將命令幀搭載到較低頻段(如2.4 GHz)進行傳輸，使得通信節(jié)點雙方能快速進行波束對準，之后在太赫茲頻段進行數(shù)據(jù)幀的收發(fā)，但缺點在于通信節(jié)點需要搭載全向和定向兩種天線，成本高昂，不易于小型化，這一思路的典型代表協(xié)議為TAB-MAC、MRA-MAC等[11-12]。第二種方式是通信全程均在太赫茲波段進行，同時采用天線扇區(qū)級掃描、快速波束賦形對準等技術(shù)，降低網(wǎng)絡通信時延，其代表協(xié)議有FED-MAC、RHSU-MAC等[13-14]，該種技術(shù)路線主要基于IEEE802.15.3c協(xié)議。

本文依據(jù)上文提到的第二種思路，即只采用一種信道的方式，依托OPNET仿真平臺，完成了CSMA/CA與TDMA相結(jié)合的太赫茲無線網(wǎng)絡超高速定向MAC協(xié)議模塊的開發(fā)，詳細闡述了設(shè)計思想和關(guān)鍵算法實現(xiàn)，并最終搭建了多節(jié)點太赫茲通信組網(wǎng)模型，涵蓋超幀時段劃分、波束賦形與對準、天線建模、天線扇區(qū)級掃描以及幀設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)。

1 基于OPNET的太赫茲通信組網(wǎng)模型設(shè)計

本文使用的OPNET仿真平臺為14.5版本，支持太赫茲信道下的數(shù)據(jù)傳輸和定向天線建模。同時，本文采用了從3個層次逐層建模的方法，從高到低依次為網(wǎng)絡模型、節(jié)點模型、進程模型，分別由網(wǎng)絡節(jié)點和信道環(huán)境、各協(xié)議模塊和狀態(tài)機組成。仿真模型包括開發(fā)進程模型、定義節(jié)點模型、構(gòu)建網(wǎng)絡模型以及最終收集統(tǒng)計量等步驟，同時建立了定向天線模型，并最終實現(xiàn)了太赫茲信道的數(shù)據(jù)傳輸及多點組網(wǎng)系統(tǒng)仿真。

1.1 網(wǎng)絡模型

本文設(shè)計的網(wǎng)絡模型如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 網(wǎng)絡模型Fig.1 Network model

圖2 收信機信道模型Fig.2 Channel model of the receiver

圖3 發(fā)信機信道模型Fig.3 Channel model of the transmitter

該模型包含DEV和PNC兩種節(jié)點，其中DEV為普通通信節(jié)點，而PNC為中心協(xié)調(diào)節(jié)點，負責廣播Beacon幀、分配時隙、維護網(wǎng)絡信息以及與其他節(jié)點進行數(shù)據(jù)交互等。各個節(jié)點為固定節(jié)點且各節(jié)點均處于同一水平面。信道環(huán)境設(shè)計為圖2和圖3所示，均采用64QAM調(diào)制解調(diào)方式，通過11個管道階段分別計算接收功率、信噪比、誤碼率等參數(shù)，最終根據(jù)誤碼率以及糾錯門限判斷是否丟包。其中接收功率計算方式為[15-16]：

Pr=Pin×Dtx×Ls×Drx,

(1)

式中，Pin為帶內(nèi)發(fā)射功率，Dtx為發(fā)射天線增益，Ls為自由空間下的路徑損耗，Drx為接收天線增益。由此可計算出接收功率，并進一步得到SNR：

(2)

式中，Pr為接收功率，Pb和Pi分別為背景噪聲和內(nèi)部噪聲。而處理增益計算方式為：

(3)

式中，Bw為帶寬，Dr為傳輸速率。最終可得到有效SNR為[17]：

RSNR=SNR+Pt。

(4)

OPNET仿真核心根據(jù)RSNR和調(diào)制方式計算出誤碼率BER，進而再得到錯誤分布，同時與錯誤門限ECC進行對比，判斷是否丟包。

1.2 節(jié)點模型

本文設(shè)計的節(jié)點模型由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層組成，如圖4所示。

圖4 節(jié)點模型Fig.4 Node model

物理層由定向天線模塊、接收機和發(fā)射機組成，其中論文獨立設(shè)計的定向天線模型如圖5所示。為確保精確性，以z軸為基準，在0°～180°范圍內(nèi)將天線分成210個切片，分別按照增益曲線進行建模。從圖中可以看出，主瓣方向為z軸方向，其余方向均有增益不等的旁瓣；接收機和發(fā)射機主要作用為信道建模，模塊存儲了信道的各項參數(shù)供仿真核心進行管道階段的計算；數(shù)據(jù)鏈路層的核心為太赫茲MAC模塊，也是本文設(shè)計的核心底層模塊，該模塊制定了網(wǎng)絡節(jié)點的通信規(guī)則、幀收發(fā)方式、資源調(diào)度、檢錯重傳、波束賦形等多項核心功能；網(wǎng)絡層負責對源產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行封裝并對接收到的幀進行拆封；傳輸層負責對數(shù)據(jù)進行傳輸；應用層包含src和sink兩個模塊，分別負責產(chǎn)生數(shù)據(jù)和記錄收到的數(shù)據(jù)并更新統(tǒng)計量。為保證仿真的真實性，設(shè)計的src模塊以隨機時間產(chǎn)生隨機大小的數(shù)據(jù)包，并逐層下發(fā)，同時sink模塊記錄收到的數(shù)據(jù)包信息并實時更新統(tǒng)計量。

圖5 定向天線模型Fig.5 Directional antenna model

1.3 進程模型

太赫茲MAC進程模型為本文設(shè)計和開發(fā)工作的重點，其底層狀態(tài)機設(shè)計如圖6所示。

圖6 太赫茲MAC進程模型Fig.6 Terahertz MAC process model

從圖6可以看出，本文共設(shè)計開發(fā)了4個狀態(tài)機。其中Init強制狀態(tài)的主要工作是初始化節(jié)點的各項參數(shù)和標志位、分配必要的鏈表所需內(nèi)存等。Beacon、CAP和CTAP非強制狀態(tài)機對應了超幀的3個時段,該超幀模型如圖7所示[18]。Beacon狀態(tài)機對應超幀中的Beacon時段，且在該時段下PNC負責定向輪詢廣播Beacon幀。該幀中包含此超幀必要的時間戳信息、ID信息及時隙分配信息。CAP狀態(tài)機對應超幀中的CAP時段。該時段進一步又細分為關(guān)聯(lián)CAP時段和常規(guī)CAP時段。在關(guān)聯(lián)CAP時段中，DEV根據(jù)緩沖區(qū)的情況執(zhí)行關(guān)聯(lián)入網(wǎng)操作；在常規(guī)CAP時段，有數(shù)據(jù)發(fā)送需求的DEV將以CSMA/CA方式競爭時隙資源，同時PNC會根據(jù)時隙使用情況進行時隙資源分配；CTAP狀態(tài)機對應超幀中的CTAP時段。在該時段下，需發(fā)送數(shù)據(jù)的DEV進行波束賦形訓練后，開始在各自的CTA中傳輸數(shù)據(jù)。

圖7 超幀結(jié)構(gòu)Fig.7 Superframe structure

1.3.1 Beacon

設(shè)計的Beacon狀態(tài)機算法如圖8所示。為了方便未來軟硬件結(jié)合及代碼移植，將狀態(tài)機內(nèi)的實現(xiàn)代碼封裝到函數(shù)中，并放在了狀態(tài)轉(zhuǎn)移線上。

圖8 Beacon狀態(tài)機算法流程Fig.8 Algorithm flow of Beacon state

該算法的實現(xiàn)難點在于用程序模擬實現(xiàn)天線掃描。本文提出了一種設(shè)置參考坐標的方式，使得天線在固定時刻能夠?qū)⒔?jīng)緯度等指向參數(shù)進行更新，使得其與參考坐標一致。以幾何坐標理論，得到經(jīng)緯度計算公式：

(5)

(6)

dlatitude和dlongitude分別為天線的維度和經(jīng)度指向坐標；tlatitude和tlongitude為天線當下指向的經(jīng)緯度參數(shù)；ddistance為固定值，取決于要設(shè)置的參考點與節(jié)點間的距離；θ為天線旋轉(zhuǎn)角度。通過設(shè)定不同的θ值，便可以將掃描范圍分成不同數(shù)量的扇區(qū)。此外，如圖6所示，除了天線扇區(qū)掃描外，Beacon狀態(tài)機還具有廣播Beacon幀、處理從上層和下層接收的幀以及狀態(tài)跳轉(zhuǎn)等功能，分別由Scan_channel、Send_beacon、Up_arrivl以及Low_arrivl等函數(shù)實現(xiàn)。

1.3.2 CAP

本文設(shè)計的CAP狀態(tài)機算法如圖9、圖10所示，分為CAP關(guān)聯(lián)算法和CAP常規(guī)算法兩部分，分別對應超幀中的CAP關(guān)聯(lián)子時段和常規(guī)子時段。在不同的時段，PNC逐扇區(qū)掃描，以接收可能的請求幀，并實時更新維護關(guān)聯(lián)列表和時隙請求列表；DEV節(jié)點會在不同時段檢查自己的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，判斷自己是否需要關(guān)聯(lián)入網(wǎng)和請求時隙。為了充分利用時隙資源，設(shè)計了一種動態(tài)分配時隙資源的算法。首先PNC根據(jù)式(7)來計算所需分配的時隙量TCTAP，其中，TCTA是每個CTA持續(xù)時長，SIFS為保護時隙，ceil為向上取整。當剩余時隙大于零小于所需時隙時，PNC依然會給DEV分配，并在回復幀中通知DEV分配情況。DEV緩存區(qū)剩余數(shù)據(jù)幀將在下個超幀中繼續(xù)分配，如此一來便能充分利用每個超幀中的時隙資源。

(7)

圖9 關(guān)聯(lián)CAP狀態(tài)機算法流程Fig.9 Algorithm flow of S-CAP state

圖10 常規(guī)CAP狀態(tài)機算法流程Fig.10 Algorithm flow of S-CAP state

1.3.3 CTAP

本文設(shè)計的CTAP狀態(tài)機算法模型如圖11所示。為了盡可能降低波束賦形所占的時間，根據(jù)源節(jié)點的不同，優(yōu)化了算法流程，即當源節(jié)點為PNC時，省略了部分波束賦形步驟，縮短了波束賦形時間。CTAP狀態(tài)機主要的工作是進行數(shù)據(jù)幀的傳輸，為了減少重傳次數(shù)，在每個數(shù)據(jù)幀發(fā)送后，目的節(jié)點都會返回一個ACK響應。

圖11 CTAP算法模型Fig.11 Algorithm flow of CTAP state

2 仿真分析

本文基于OPNET14.5搭建的多節(jié)點太赫茲組網(wǎng)仿真環(huán)境參數(shù)如表1所示，分別對beacon幀接收情況、波束賦形情況進行了驗證，并對網(wǎng)絡的成功率和吞吐量進行了仿真。如圖12所示，由于在本次仿真中只包含4個普通DEV，因此只有4個DEV會收到beacon幀。仿真結(jié)果顯示收到的beacon幀只有4個不同扇區(qū)號，表示這4個DEV分別位于PNC的4個不同扇區(qū)，與理論分析相符；波束賦形情況如圖13所示，左邊較為密集的部分表示源DEV發(fā)出的訓練幀數(shù)量，右邊的部分表示目的DEV向源DEV發(fā)送的波束訓練幀數(shù)量。從圖中可以看出，源DEV在每一個扇區(qū)發(fā)送的訓練幀數(shù)量變化都是從1到72，一共變化72次，說明源DEV在72個扇區(qū)都發(fā)送了訓練幀，并且每個扇區(qū)發(fā)送了72個，而目的DEV只對準源DEV所在扇區(qū)連續(xù)發(fā)送了72個訓練幀，與所設(shè)計的理論過程相符。

表1 仿真參數(shù)

圖12 接收Beacon幀情況Fig.12 Receive Beacon frame situation

圖13 波束賦形情況Fig.13 Beamforming situation

吞吐量和成功率仿真結(jié)果如圖14和圖15所示。從仿真結(jié)果看，除去初始化階段，網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)發(fā)送成功率呈快速上升趨勢，最終達到100%，證明本文設(shè)計的仿真模型在數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃苑矫媸禽^為優(yōu)秀的，并且吞吐量最高可達到10 Gbit/s。

圖14 網(wǎng)絡幀接收成功率Fig.14 Network frame receiving success rate

圖15 網(wǎng)絡吞吐量Fig.15 Throughput of network

3 結(jié)束語

基于OPNET仿真平臺，采用分三層建模的思路設(shè)計并開發(fā)了太赫茲通信組網(wǎng)仿真模型，降低了建模的邏輯復雜度，提高了建模效率；在設(shè)計節(jié)點模型時參考了現(xiàn)有通信協(xié)議七層架構(gòu)并做了簡化，分層次分模塊進行底層算法編寫，這使得該節(jié)點模型的設(shè)計變得較為靈活，可拓展性大大加強；在設(shè)計MAC協(xié)議模塊時，將所有算法均編寫和封裝進功能函數(shù)中，相對于在狀態(tài)機中實現(xiàn)，能夠極大增強算法的可移植性，同時大幅降低狀態(tài)機數(shù)量，增強了算法的可讀性和邏輯性；算法實現(xiàn)上，優(yōu)化了波束賦形方面，能夠在部分通信場景下降低波束賦形的時間開銷，同時在時隙分配方面，本文設(shè)計的算法采用按需分配、盡力分配的設(shè)計思路，一定程度地避免了時隙浪費。

此外，本文詳細闡述了仿真設(shè)計思路和核心算法流程，并進行了仿真分析，也為后續(xù)研究提供一種仿真設(shè)計思路。通過仿真結(jié)果可以看出，設(shè)計的天線掃描、波束賦形、幀收發(fā)等算法和開發(fā)的MAC協(xié)議模塊、天線模塊符合設(shè)計預期，且網(wǎng)絡性能良好，可以用于模擬真實環(huán)境下太赫茲通信組網(wǎng)的各個過程。在未來的研究中，將以此為基礎(chǔ)，不斷完善太赫茲通信組網(wǎng)仿真模型，優(yōu)化MAC協(xié)議模塊，進一步發(fā)揮OPNET仿真平臺的效用。