姚玉坤，周 楊，張本俊，付澤亮，朱其政

(重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065)

0 引 言

太赫茲(0.1～10 THz)頻段提供從幾十GHz到幾THz的大帶寬，可以滿足未來10年中100 Gb/s甚至1 Tb/s數(shù)據(jù)速率的增長需求[1-2]。太赫茲通信網(wǎng)絡傳輸速率雖大，但其特殊的物理特性容易造成較大的路徑損耗，因此，如何有效克服太赫茲信道路徑損耗成為當前亟待解決的一大難題。

隨著對太赫茲通信技術(shù)研究的不斷深化，人們考慮到利用定向傳輸?shù)姆椒▉砀纳铺掌澛窂綋p耗問題。目前，研究人員設計出了利用介質(zhì)訪問控制(Media Access Control,MAC)協(xié)議[3-5]來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，其中，Yao等[6]人提出了一種輔助波束對準的太赫茲雙信道MAC協(xié)議(Assisted Beamforming MAC Protocol for Terahertz Communication Network，TAB-MAC)，該協(xié)議可成功在WiFi信道上進行波束對準，并在太赫茲信道上進行數(shù)據(jù)傳輸。文獻[7]在上述研究的基礎上提出了一種多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)太赫茲通信協(xié)議網(wǎng)絡的多波束按需功率分配MAC協(xié)議(Multi-Beam On-Demand Power Allocation MAC Protocol for MIMO Terahertz Communication Network,MBPA-MAC)，該協(xié)議允許多對節(jié)點同時進行數(shù)據(jù)傳輸，相較于現(xiàn)有的TAB-MAC協(xié)議，該協(xié)議提升了網(wǎng)絡吞吐量，但仍然存在冗余控制開銷和波束重疊干擾等問題。

針對以上問題，本文提出一種太赫茲網(wǎng)絡中基于中繼協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)的雙信道MAC協(xié)議，包括“動態(tài)幀聚合”“基于位置信息自適應協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)”和“精簡RTS(Request To Send)/CTS(Clear To Send)幀”機制?！皠討B(tài)幀聚合”機制將多個發(fā)往同一目的節(jié)點的數(shù)據(jù)幀進行幀聚合，聚合后的幀集合共用一個物理頭部，從而減少了物理頭部開銷，而聚合子幀的長度可根據(jù)實時誤碼率進行動態(tài)調(diào)整。采用“基于位置信息自適應協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)”機制，當任意兩對節(jié)點間存在波束重疊干擾時，可通過自適應協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)機制來解決波束重疊干擾問題。采用“精簡RTS/CTS幀”機制，當源節(jié)點與目的節(jié)點為二次通信節(jié)點且位置信息不變時，省略RTS/CTS幀中發(fā)送節(jié)點MAC地址。

1 網(wǎng)絡模型和問題描述

1.1 網(wǎng)絡模型

MBPA-MAC協(xié)議是一種應用在MIMO太赫茲通信網(wǎng)絡場景下的雙信道MAC協(xié)議，該協(xié)議允許多對節(jié)點同時進行數(shù)據(jù)傳輸。其網(wǎng)絡模型如圖1所示，其中，A、B、C、D、E為通信節(jié)點。節(jié)點A可同時與節(jié)點B和節(jié)點D進行數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)點B可同時與節(jié)點C和節(jié)點A進行數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)點C與節(jié)點D為網(wǎng)絡中正在預約信道的一對節(jié)點。

圖1 MBPA-MAC協(xié)議網(wǎng)絡模型圖

圖1中每個節(jié)點都配備了用于定位自身位置信息的GPS模塊，并配備了2.4 GHz的WiFi全向天線和由16個天線子陣組成的太赫茲多波束天線陣列。其中，WiFi全向天線用于在WiFi信道上進行太赫茲信道的波束對準，太赫茲天線子陣列主要用于在THz信道上進行數(shù)據(jù)傳輸。

針對不同情況，MBPA-MAC的協(xié)議包含兩種交互流程，第一種交互流程如圖2(a)所示，其源節(jié)點剩余功率不足以與目的節(jié)點通信；第二種交互流程如圖2(b)所示，其源節(jié)點剩余功率足夠與目的節(jié)點通信。具體思想為：有數(shù)據(jù)傳輸請求的源節(jié)點向目的節(jié)點發(fā)送RTS幀；目的節(jié)點接收到RTS幀后回復源節(jié)點CTS幀；源節(jié)點根據(jù)節(jié)點雙方位置信息判斷源節(jié)點剩余功率是否足夠與目的節(jié)點通信，若不足，則向目的節(jié)點回復TNR幀，目的節(jié)點接收到TNR幀后回復源節(jié)點ACK幀，至此通信結(jié)束；若足夠，則源節(jié)點與目的節(jié)點在太赫茲信道進行TTT/ACK、DATA/ACK幀的交互。

(a)功率不足時

(b)功率足夠時圖2 MBPA-MAC協(xié)議交互過程

RTS/CTS幀格式如圖3所示，Duration字段為持續(xù)時間，RA為接收節(jié)點MAC地址，TA為發(fā)送節(jié)點MAC地址，X和Y為節(jié)點橫坐標和縱坐標。

圖3 RTS/CTS幀格式

1.2 問題描述

通過對MBPA-MAC協(xié)議的深入研究，發(fā)現(xiàn)以下問題：

問題1：節(jié)點將數(shù)據(jù)幀從MAC層傳向物理層時，對每個數(shù)據(jù)幀都添加相應的物理頭部，當源節(jié)點向同一目的節(jié)點發(fā)送多個數(shù)據(jù)幀時，可以使這些數(shù)據(jù)幀共用一個物理頭部，因此MBPA-MAC協(xié)議的數(shù)據(jù)幀傳輸過程中存在冗余的控制開銷。

問題2：MBPA-MAC協(xié)議允許多對節(jié)點同時進行數(shù)據(jù)傳輸，這就可能存在任意兩對節(jié)點之間存在波束重疊干擾，從而導致數(shù)據(jù)傳輸成功率降低，進而減少網(wǎng)絡吞吐量。

問題3：成功進行過數(shù)據(jù)交互的一對節(jié)點再次進行數(shù)據(jù)傳輸時，在自身位置不變的前提下可以將發(fā)送節(jié)點的MAC地址字段省略，因此RTS幀和CTS幀中發(fā)送節(jié)點的MAC地址字段存在冗余。

2 HE-RCFMAC協(xié)議

針對以上問題存在的缺點和不足，本文提出一種太赫茲網(wǎng)絡中基于中繼協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)的雙信道MAC協(xié)議，該協(xié)議進行了如下改進：

(1)提出“動態(tài)幀聚合”機制，將多個發(fā)往同一目的節(jié)點的數(shù)據(jù)幀進行幀聚合，聚合后的幀集合共用一個物理頭部，從而減少了物理頭部開銷，而聚合子幀的長度可根據(jù)實時誤碼率進行動態(tài)調(diào)整；

(2)提出“基于位置信息自適應協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)”機制，當任意兩對節(jié)點間存在波束重疊干擾時，可通過自適應協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)機制來解決波束重疊干擾問題；

(3)提出“精簡RTS/CTS幀”機制，當源節(jié)點與目的節(jié)點為二次通信節(jié)點且位置信息不變時，省略RTS/CTS幀中發(fā)送節(jié)點MAC地址。

通過以上三種機制，可有效減少控制開銷，提高數(shù)據(jù)傳輸成功率、信道利用率以及網(wǎng)絡吞吐量，進而加快數(shù)據(jù)傳輸。

2.1 動態(tài)幀聚合機制

為解決問題1，本文提出了“動態(tài)幀聚合”機制。

2.1.1 動態(tài)幀聚合機制思路

源節(jié)點將發(fā)往同一目的節(jié)點的數(shù)據(jù)幀按如圖4所示的聚合幀格式進行數(shù)據(jù)幀聚合，其中，第一個聚合幀的子幀長度為允許的最大子幀長度。

圖4 HE-RCFMAC協(xié)議聚合幀格式

圖4中，Rsvd為保留位，MPDU length為子幀長度，CRC為Delimiter字段前16位的校驗位，Unique pattern為模式選項，Padding為0～3字節(jié)的補齊位。

目的節(jié)點收到聚合幀后通過公式(1)計算當前聚合幀的誤幀率：

(1)

式中：PnFER為當前的誤幀率，Nerr為當前聚合幀中錯誤的子幀個數(shù)，Ntotal為當前聚合幀總的子幀格式。

若目的節(jié)點計算當前誤幀率大于設定的最大容忍誤幀率時，根據(jù)公式(2)計算當前的誤碼率[8]，否則直接回復源節(jié)點ACK幀。

(2)

式中：PnBER為當前誤碼率，Lfs為當前子幀的長度，PnFER為當前的誤幀率。

通過公式(3)計算滿足設定誤幀率條件下的新子幀長度，并將新子幀長度信息寫入ACK幀發(fā)送給源節(jié)點：

(3)

源節(jié)點根據(jù)ACK幀中的子幀長度信息改變下一個聚合幀的子幀長度。

2.1.2 動態(tài)幀聚合機制操作步驟

Step1 源節(jié)點最初按照最大聚合子幀長度對數(shù)據(jù)幀進行幀聚合，并將其發(fā)送給目的節(jié)點，轉(zhuǎn)Step 2。

Step2 目的節(jié)點接收到聚合數(shù)據(jù)幀后，獲取一個聚合幀傳輸過程中錯誤的子幀個數(shù)和總的子幀個數(shù)，再通過公式(1)計算出當前誤幀率，轉(zhuǎn)Step 3。

Step3 將計算出的誤幀率PnFER與設定最大容忍誤幀率PFER-MAX進行比較，若前者大，轉(zhuǎn)Step 4；若后者大，則不需要改變幀長度，直接回復源節(jié)點ACK幀，轉(zhuǎn)Step 6。

Step4 根據(jù)公式(2)計算當前的誤碼率，轉(zhuǎn)Step 5。

Step5 根據(jù)公式(3)求得滿足設定的誤幀率條件下的新子幀長度，將新子幀長度寫入ACK幀，并將其回復給源節(jié)點，轉(zhuǎn)Step 6。

Step6 源節(jié)點接收到ACK幀后按要求改變聚合子幀長度，轉(zhuǎn)Step 2。

2.2 基于位置信息自適應協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)機制

為解決問題2，本文提出了“基于位置信息自適應協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)”機制，該機制可分為“預判波束干擾”和“自適應協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)”兩種機制。

圖1的網(wǎng)絡場景中存在波束重疊干擾。源節(jié)點A與目的節(jié)點B為正在通信的一對節(jié)點，源節(jié)點C與目的節(jié)點D為正在預約信道的一對節(jié)點，當預約信道結(jié)束后，節(jié)點C將與節(jié)點D在THz信道進行數(shù)據(jù)交互，由于此時節(jié)點A、B與節(jié)點C、D之間波束存在交集，進而將會產(chǎn)生波束重疊干擾。因此，本文提出“預判波束干擾機制”和“自適應中繼協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)機制”來解決該問題。

2.2.1 預判波束干擾機制

由上文可知，此時目的節(jié)點D未發(fā)送控制幀(控制幀中含有位置信息)，因此，其他節(jié)點A、B、C并不能獲取節(jié)點D的位置信息，而節(jié)點A、B、C都在不同時刻發(fā)送了控制幀，目的節(jié)點D能夠在WiFi信道上通過控制幀獲取A、B、C三個節(jié)點的位置信息。因此，本機制將通過目的節(jié)點D判斷節(jié)點A、B與節(jié)點C、D之間是否存在交點，以此判斷兩對節(jié)點間是否存在干擾，具體思路如下：

目的節(jié)點D根據(jù)其他三個節(jié)點的位置信息建立如圖5所示坐標系。

圖5 坐標系示意圖

圖5中包含三個矢量CA、AB和DA，通過矢量積CA×AB、DA×AB的大小即可判斷C、D和A、B之間是否存在交點，具體判斷方法如下：

CA×AB矢量積可表示為式(4)：

(4)

DA×AB矢量積可表示為式(5)：

(5)

(1)若TE1>0、TE2>0或TE1<0、TE2<0，則線段CD必定在線段AB的同側(cè)，兩線段無交點。

(2)若TE1=0，且TE2=0，則兩線段重合，此時，通過判斷X3、X4是否在X1X1時)區(qū)間內(nèi)確定兩線段是否有交點(若是，則兩線段有交點，否則兩線段無交點)。

(3)若TE1=0，TE2≠0或TE1≠0，TE2=0，則兩線段可能存在交點，若存在交點，則交點為C或D。此時，通過判斷X3、X4是否在X1X1時)區(qū)間內(nèi)確定兩線段是否有交點(若是，則兩線段有交點，否則兩線段無交點)。

(4)若TE1>0且TE2<0或TE1<0且TE2>0，則兩線段可能有交點。

上述情況中，情況(1)、(2)、(3)可立即確定兩線段是否存在交點；情況(4)則需根據(jù)式(6)、(7)的計算結(jié)果作進一步判定。

(6)

(7)

(1)若TE3=0或TE4=0，則確定交點為A或B。

(2)若TE3>0，TE4>0或TE3<0，TE4<0，則表明兩線段無交。經(jīng)過第一次判斷可排除重合的情況，因此，式(6)、(7)不可能同時為零。

該機制具體操作步驟如下：

Step1 目的節(jié)點(下述簡稱節(jié)點D)接收到源節(jié)點(下述簡稱節(jié)點C)發(fā)送的RTS幀后，提取RTS幀中的位置信息，轉(zhuǎn)Step 2。

Step2 節(jié)點D將場景中的一對通信節(jié)點、節(jié)點D和節(jié)點C四個節(jié)點構(gòu)成如圖5所示的坐標系，并通過上述判斷方法判斷兩對節(jié)點間是否存在干擾，轉(zhuǎn)Step 3。

Step3 若通過Step 2判斷完所有正在通信的節(jié)點與節(jié)點C、D的位置關系，轉(zhuǎn)Step 4;否則,轉(zhuǎn)Step 2。

Step4 若節(jié)點D判斷與節(jié)點C的通信不會與網(wǎng)絡場景中的其他正在通信的節(jié)點產(chǎn)生干擾，則進行正常通信，否則采用自適應中繼協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)機制。

2.2.2 自適應中繼協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)機制

本文采用“自適應中繼協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)機制”解決兩對節(jié)點間存在的波束重疊干擾問題，思路如下：

中繼節(jié)點計算時間T1、T2，并判斷其大小。若T1

當采用中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時，若中繼節(jié)點有數(shù)據(jù)需要發(fā)送給源節(jié)點，則在中繼節(jié)點與目的節(jié)點進行數(shù)據(jù)交互的同時向源節(jié)點傳遞自身將要發(fā)送的數(shù)據(jù)；若中繼節(jié)點有數(shù)據(jù)需要傳輸給目的節(jié)點，則中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)完數(shù)據(jù)后向目的節(jié)點發(fā)送自身將要數(shù)據(jù)。由此可進一步省略一次或者兩次的RTS/CTS幀交互。

該機制具體操作步驟如下：

Step1 目的節(jié)點D在WiFi信道中廣播中繼請求幀(Relay Request Frame，RRF)，轉(zhuǎn)Step 2。

Step2 其他節(jié)點收到目的節(jié)點發(fā)送的RRF幀，根據(jù)源節(jié)點位置信息(從RTS幀中獲取)、目的節(jié)點位置信息(從RRF幀中獲取)和自身位置信息判斷自身與源節(jié)點和目的節(jié)點之間的通信是否與其他正在通信的節(jié)點造成干擾。若不會，則成為備選中繼，同時啟動計時器，轉(zhuǎn)Step 3。

計時器的初始值[9]計算公式如式(8)所示：

(8)

式中：TSIFS為短幀間間隔，hsi為源節(jié)點與中繼節(jié)點之間的信道特性，hid為中繼節(jié)點與目的節(jié)點之間的信道特性。

Step3 計時器首先降為0的備選中繼成為唯一中繼節(jié)點，由中繼節(jié)點判斷兩個時間T1和T2的大小(計算該時間時不需要考慮中繼節(jié)點自身需要發(fā)送數(shù)據(jù)的情況)。若T1

T1、T2計算公式如式(9)、(10)所示：

T1=TRRF+TSR-DATA+TRD-DATA+

(9)

T2=TRRNF+TTTT+TSD-DATA+

(10)

式中：TRRF為傳輸中繼廣播幀所需時間，TSR-DATA為源節(jié)點向中繼節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)幀所需時間，TRD-DATA為中繼節(jié)點向目的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀所需時間，TTTT為傳輸TTT幀所需時間，LDATA為總數(shù)據(jù)長度，Lone為一個最大聚合幀長度，TACK為傳輸ACK幀所需時間，TRRNF為傳輸RRNF幀所需時間，TSD-DATA為源節(jié)點直接向目的節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)幀所需時間，TIT(Interference Time，IT)為干擾時間。

Step4 若中繼節(jié)點自身有數(shù)據(jù)需要發(fā)送給源節(jié)點或目的節(jié)點，則將發(fā)送數(shù)據(jù)所需時間和中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)所需時間累加后寫入中繼廣播幀(Relay Broadcast Frame，RBF)中，并將其發(fā)送，其余備選中繼節(jié)點接收到中繼廣播幀后計時器停止。源節(jié)點接收到RBF幀后，與中繼節(jié)點在THz信道上進行TTT/ACK、DATA/ACK幀交互，中繼節(jié)點接收數(shù)據(jù)完成后，與目的節(jié)點在THz信道進行TTT/ACK、DATA/ACK幀交互。若中繼節(jié)點自身有數(shù)據(jù)發(fā)送給源節(jié)點，則在中繼節(jié)點與目的節(jié)點進行數(shù)據(jù)交互的同時向源節(jié)點傳輸自身將要發(fā)送的數(shù)據(jù)；若中繼節(jié)點自身有數(shù)據(jù)傳輸給目的節(jié)點，則在中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)完源節(jié)點發(fā)送給目的節(jié)點的數(shù)據(jù)后向目的節(jié)點傳輸自身即將發(fā)送的數(shù)據(jù)。

Step5 中繼節(jié)點在WiFi信道上向源節(jié)點回復RRNF幀，其余備選中繼節(jié)點接收到RRNF幀后計時器停止，源節(jié)點在等待干擾時間結(jié)束后與目的節(jié)點在THz信道上進行TTT/ACK、DATA/ACK幀交互。

2.3 精簡RTS/CTS幀機制

為解決問題3，本文提出“精簡RTS/CTS幀”機制，該機制思路如下：

當源節(jié)點與目的節(jié)點為二次通信且源節(jié)點位置不變時，向目的節(jié)點發(fā)送省略發(fā)送節(jié)點MAC地址字段的RTS幀，否則發(fā)送完整的RTS幀。若此時目的節(jié)點位置也無變化，則向源節(jié)點回復省略發(fā)送節(jié)點MAC地址字段的CTS幀，否則，回復完整CTS幀。

該機制具體操作步驟如下：

Step1 每個節(jié)點維護一張信息存儲表，表內(nèi)容共兩項，分別是節(jié)點MAC地址和節(jié)點位置信息(X,Y)。信息存儲表在源與目的節(jié)點首次通信時填寫，并在源節(jié)點或目的節(jié)點位置改變時更新。

Step2 有數(shù)據(jù)發(fā)送請求的源節(jié)點判斷與目的節(jié)點是否為二次通信(通過查看信息存儲表得知)且自身位置是否沒有發(fā)生變化，若是，則發(fā)送省略發(fā)送節(jié)點MAC地址字段的RTS幀；否則，發(fā)送完整的RTS幀，轉(zhuǎn)Step 3。

Step3 目的節(jié)點接收到RTS幀后，判斷RTS幀中是否省略了發(fā)送節(jié)點MAC地址字段，若是，則將信息存儲表中與RTS幀中位置信息對應的MAC地址提取后寫入CTS幀中；否則，直接將RTS幀中發(fā)送節(jié)點的MAC地址字段提取后寫入CTS幀中，轉(zhuǎn)Step 4。

Step4 目的節(jié)點判斷是否與源節(jié)點為二次通信(通過查看信息存儲表得知)且自身位置是否沒有發(fā)生變化，若是，則向源節(jié)點回復省略發(fā)送節(jié)點MAC地址字段的CTS幀；否則，發(fā)送完整的CTS幀。信息存儲表如表1所示。

表1 信息存儲表

3 仿真驗證

本文使用Microsoft Visual Stdiuo 2010開發(fā)環(huán)境軟件、OPNET仿真軟件和當前流行的C/C++編程語言進行實驗。在相同的網(wǎng)絡場景下，比較了HE-RCFMAC、MBPA-MAC以及TAB-MAC協(xié)議的性能。

3.1 仿真參數(shù)設置

主要仿真參數(shù)如表2所示。

表2 主要仿真參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 MAC層吞吐量

MAC層吞吐量的仿真結(jié)果如圖6所示，由圖可知當節(jié)點數(shù)量逐漸增大時，MAC層吞吐量不斷地增加，主要因為在整個網(wǎng)絡中將會有更多的節(jié)點參與通信；最后，由于每種協(xié)議的業(yè)務量達到上限，MAC層吞吐量會趨于平穩(wěn)。從圖中還可以看出，HE-RCFMAC協(xié)議MAC層吞吐量始終高于MBPA-MAC協(xié)議和TAB-MAC協(xié)議。主要原因在于，“動態(tài)幀聚合”和“精簡RTS/CTS幀”這兩個機制都在不同程度上減少了控制開銷和測試時延，從而在相同的信道時間內(nèi)可以發(fā)送更多的數(shù)據(jù)；“基于位置信息自適應協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)”機制能夠提高數(shù)據(jù)傳輸成功率，從而在相同時間內(nèi)能夠成功傳遞更多有效數(shù)據(jù)。最終，以上三種機制都在不同程度上提高了網(wǎng)絡吞吐量。

圖6 MAC層吞吐量

3.2.2 數(shù)據(jù)傳輸成功率

數(shù)據(jù)傳輸成功率的仿真結(jié)果如圖7所示，由圖可知數(shù)據(jù)傳輸成功率隨節(jié)點數(shù)的增加而降低，原因在于隨著節(jié)點數(shù)的增加，使數(shù)據(jù)碰撞加劇。另外，圖中顯示HE-RCFMAC協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸成功率始終高于MBPA-MAC協(xié)議，主要原因在于，HE-RCFMAC采用的基于位置信息自適應協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)機制可有效避免由于多對節(jié)點同時進行數(shù)據(jù)傳輸可能帶來的波束重疊干擾問題，從而在一定程度上提高數(shù)據(jù)傳輸成功率。HE-RCFMAC協(xié)議成功率也始終高于TAB-MAC協(xié)議，主要原因在于，TAB-MAC協(xié)議中當兩節(jié)點間的距離未超出WiFi頻段的通信距離而超出了THz頻段的通信距離，此時在THz頻段發(fā)送的數(shù)據(jù)將會丟失，導致成功率的下降，而HE-RCFMAC協(xié)議提前根據(jù)兩節(jié)點距離判斷是否通信，若超出了THz頻段的通信距離則不會進行通信，因此HE-RCFMAC協(xié)議避免了這個問題，從而提高了數(shù)據(jù)傳輸成功率。

圖7 數(shù)據(jù)傳輸成功率

3.2.3 信道利用率

太赫茲頻段的信道利用率的仿真結(jié)果如圖8所示，由圖可知當節(jié)點數(shù)越多時，將會有更多的節(jié)點參與通信，因此信道利用率隨節(jié)點數(shù)的增加而增大，但HE-RCFMAC協(xié)議的信道利用率始終高于MBPA-MAC協(xié)議和TAB-MAC協(xié)議，主要原因在于以下兩點：一是在網(wǎng)絡運行總時間相同的情況下，HE-RCFMAC協(xié)議執(zhí)行了“自適應中繼協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)”機制，若中繼節(jié)點有數(shù)據(jù)需要發(fā)送給源節(jié)點或目的節(jié)點，則可以省略一至兩次的RTS/CTS幀交互過程，從而減小了控制幀交互的時間，這就使得更多的網(wǎng)絡運行時間在THz信道上用于數(shù)據(jù)傳輸，從而提高了信道利用率；二是“精簡RTS/CTS幀”和“動態(tài)幀聚合”機制都在不同程度上減少了控制開銷，進而減小了發(fā)送控制幀所需時間占總信道時間的比例，從而提高了信道利用率。

圖8 信道利用率

4 結(jié)束語

本文主要針對MBPA-MAC協(xié)議中存在控制開銷冗余和波束重疊干擾等問題進行了改進，提出了一種HE-RCFMAC協(xié)議。HE-RCFMAC協(xié)議包括“動態(tài)幀聚合”“基于位置信息自適應協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)”和“精簡RTS/CTS幀”機制三種機制。通過動態(tài)幀聚合機制，可有效減小了數(shù)據(jù)幀物理頭部的控制開銷問題；通過基于位置信息自適應協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)機制，可以有效避免由于多對節(jié)點同時進行數(shù)據(jù)傳輸所可能帶來的波束重疊干擾問題，并且當采用中繼轉(zhuǎn)發(fā)時，還可以機會性的省略一至兩次的RTS/CTS控制幀的交互；通過精簡RTS/CTS幀機制，可在源節(jié)點與目的節(jié)點第二次通信且位置信息沒變的情況下省略發(fā)送節(jié)點的MAC地址，有效減少控制開銷。最后，通過仿真驗證了HE-RCFMAC協(xié)議的有效性。

在后續(xù)的研究中，將進一步優(yōu)化MIMO太赫茲網(wǎng)絡雙信道MAC協(xié)議，譬如一對節(jié)點在非視距環(huán)境下如何通信，從而進一步提高其性能。