任 智，李維政，何 亮，劉奕君

1(重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065)

2(重慶郵電大學(xué) 移動通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

1 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)等高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的發(fā)展，未來的無線速率需求可能會達(dá)到數(shù)10Gbps.現(xiàn)如今所許可的通信頻段無法滿足這個(gè)需求[1]，太赫茲波是介于無線電波與光波之間的電磁波，頻率范圍在0.1Thz到10.0Thz之間，支持100Gbps以上的傳輸速率[2-4]，是未來超高速通信的備選頻段[5-7].由于其頻率特性，方向性好，在水中易衰減，所以更適合短距離通信，一般通信范圍在10米以內(nèi)[8]，多應(yīng)用于無線個(gè)域網(wǎng)(Wireless Personal Area Network，WPAN)和無線局域網(wǎng)(Wireless local area network，WLAN)[9].

太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)MAC協(xié)議以最新的802.15.3[10]為標(biāo)準(zhǔn)，定向部分以802.15.3c[11](簡稱3c)的MAC部分為重要參考，曹建玲等人提出[12]更改太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)MAC協(xié)議的超幀結(jié)構(gòu)，將競爭接入時(shí)期提前，合并同一對節(jié)點(diǎn)間的時(shí)隙請求，可以降低時(shí)延，避免組網(wǎng)初期的時(shí)隙浪費(fèi).Akhtar A[13]提出了一種基于波束賦形監(jiān)聽機(jī)制的MAC協(xié)議(ENLBT-MC)，其思想是一旦某一節(jié)點(diǎn)處于波束賦形時(shí)期，其它節(jié)點(diǎn)則監(jiān)聽波束賦形幀，后續(xù)與這一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸前就不需要進(jìn)行波束賦形.在移動場景下，上一個(gè)節(jié)點(diǎn)的波束賦形結(jié)果不一定適用于下一個(gè)超幀，所以這種方法存在風(fēng)險(xiǎn)，一旦相對扇區(qū)產(chǎn)生變化，數(shù)據(jù)就會發(fā)送失敗，直至分配的CTAP結(jié)束.Han C等人[14]提出了角分復(fù)用存儲波束賦形結(jié)果的方法，用存儲來減少后續(xù)再次進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄊx形開銷，與ENLBT-MAC類似，存儲下來的波束賦形結(jié)果可以應(yīng)用于同一個(gè)超幀內(nèi)，CTA比較靠近的時(shí)候，比較適用于靜態(tài)節(jié)點(diǎn).動態(tài)情況下，移動節(jié)點(diǎn)出錯(cuò)概率比較大，反而會造成數(shù)據(jù)無法正確接收，協(xié)議要嚴(yán)格控制節(jié)點(diǎn)之間的對準(zhǔn)效果，就要在數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕诩皶r(shí)更新波束賦形結(jié)果.邱鐘維[15]提到在太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)定向MAC協(xié)議的開發(fā)實(shí)現(xiàn)中，為了增大時(shí)隙利用率，往往會將超幀長度設(shè)置為接近最大值，因此超幀時(shí)間比較長，上一超幀的結(jié)果不適用于下一超幀.AD-MAC[16]提出了各時(shí)期的復(fù)用機(jī)制及靜態(tài)場景下的全網(wǎng)波束賦形機(jī)制，前者源節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息時(shí)其它節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行空分復(fù)用，但是目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)消息時(shí)仍然可能發(fā)生碰撞.后者按照節(jié)點(diǎn)序號，采用一對所有節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行波束賦形，一次完成所有節(jié)點(diǎn)之間的波束賦形.比較冗余，對于動態(tài)節(jié)點(diǎn)來說時(shí)效性比較差.FLL-MAC針對目前的太赫茲MAC協(xié)議理論研究，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)中的參數(shù)，提出了公平低時(shí)延的時(shí)隙分配機(jī)制.解決了太赫茲定向MAC協(xié)議存在的時(shí)隙分配不公平、同一超幀內(nèi)多次數(shù)據(jù)交互的移動節(jié)點(diǎn)的波束賦形問題，數(shù)據(jù)交互重復(fù)率為50%的時(shí)候可以減少約25%的波束賦形開銷，100%重復(fù)率時(shí)最大可減少近50%的波束賦形開銷；提出了新的標(biāo)準(zhǔn)幀聚合重傳機(jī)制，可以避免因無法解析子幀導(dǎo)致的整個(gè)聚合幀的重傳，可減小重傳開銷，降低時(shí)延；提出了入網(wǎng)和時(shí)隙請求的結(jié)合機(jī)制，減小了信息請求的碰撞概率，可有效降低時(shí)延.后兩者在設(shè)置多節(jié)點(diǎn)和5%左右的錯(cuò)誤率的情況下可降低約18%的時(shí)延.

2 網(wǎng)絡(luò)模型及問題描述

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)定向MAC協(xié)議在802.15.3c的基礎(chǔ)上制定最終的標(biāo)準(zhǔn).太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)定向MAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)模型中存在一個(gè)中心控制節(jié)點(diǎn)(Piconet coordinator，PNC)和多個(gè)普通節(jié)點(diǎn)(Device，DEV).所有節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)或者數(shù)據(jù)交互都需要經(jīng)過PNC的同意.

時(shí)間上分為多個(gè)連續(xù)的超幀(superframe)，如圖1，每個(gè)超幀的時(shí)間根據(jù)超幀內(nèi)的數(shù)據(jù)量變化.超幀由3個(gè)時(shí)段組成，分別是信標(biāo)時(shí)期(Beacon Period，BP)，競爭接入時(shí)期(Contention Access Period，CAP)和信道時(shí)隙分配時(shí)期(Channel Time Allocation Period，CTAP)，Beacon時(shí)期PNC發(fā)送上一超幀期間節(jié)點(diǎn)申請的時(shí)隙分配等信息給微微網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，CAP時(shí)期各節(jié)點(diǎn)申請入網(wǎng)以及申請時(shí)隙，CTAP各節(jié)點(diǎn)在自己所申請到的時(shí)隙(CTA)內(nèi)進(jìn)行波束賦形和數(shù)據(jù)傳輸.

圖1 超幀結(jié)構(gòu)圖

2.2 問題描述

1)a：目前的太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)研究中對于CTAP時(shí)隙分配的改進(jìn)很少，大多數(shù)采取的機(jī)制都是PNC循環(huán)接收DEV發(fā)送的時(shí)隙請求幀，接收到后根據(jù)CTAP的時(shí)間順序，按需的給DEV分配時(shí)隙.CAP時(shí)期各節(jié)點(diǎn)在Regular S-CAP申請時(shí)隙，PNC循環(huán)接收時(shí)隙請求幀，收到時(shí)隙請求幀后回復(fù)時(shí)隙請求回復(fù)幀給各節(jié)點(diǎn)按需分配CTA.如果按照標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)隙分配機(jī)制分配的話，位于后面扇區(qū)的節(jié)點(diǎn)分配到的時(shí)隙比較少，這種情況有失公平性.

b：原機(jī)制還不適用于多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間相互進(jìn)行通信的情況，例如微網(wǎng)內(nèi)A與B、B與C、C與D、D與A之間都要進(jìn)行通信，那么傳輸數(shù)據(jù)之前總共需要進(jìn)行4次波束賦形，同一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行多次波束賦形.所以現(xiàn)有的時(shí)隙分配機(jī)制存在不合理之處，忽略了多節(jié)點(diǎn)互相通信的情況.

2)標(biāo)準(zhǔn)幀聚合的重傳機(jī)制中，聚合幀的確可以省去很大一部分的物理層開銷，但是幀越大越容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，而出現(xiàn)錯(cuò)誤就需要重傳，對于聚合幀中的MAC子頭部出現(xiàn)問題的情況，例如MAC子頭部長度字段出錯(cuò)的情況，就無法提取對應(yīng)的子幀，相應(yīng)的后面的子幀也無法正確提取.子標(biāo)頭其它字段出錯(cuò)也會出現(xiàn)相同的問題.標(biāo)準(zhǔn)是直接進(jìn)行整個(gè)幀的重傳，這樣的重傳機(jī)制效率極低，降低了數(shù)據(jù)吞吐量.

3)根據(jù)3c標(biāo)準(zhǔn)中的節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)和時(shí)隙申請規(guī)則，在超幀的Association S-CAP時(shí)段，PNC首先需要旋轉(zhuǎn)天線方向依次掃描每個(gè)扇區(qū)，并停留一段時(shí)間以便接收來自該扇區(qū)的DEV發(fā)送的入網(wǎng)請求幀.如果接收到，那么就發(fā)送入網(wǎng)請求回復(fù)幀，然后經(jīng)過一個(gè)保護(hù)時(shí)隙進(jìn)入下一個(gè)扇區(qū)，直到遍歷完所有的扇區(qū)，進(jìn)入Regular S-CAP時(shí)段.這一時(shí)期PNC仍然類似于關(guān)聯(lián)時(shí)期，依次掃描每個(gè)扇區(qū)，循環(huán)一周接收時(shí)隙請求幀，收到則回復(fù)時(shí)隙請求回復(fù)幀，直到結(jié)束.如果一個(gè)扇區(qū)節(jié)點(diǎn)比較多的話，那么就有多個(gè)節(jié)點(diǎn)的請求消息發(fā)生碰撞的可能，且可能性存在于兩個(gè)階段.

3 FLL-MAC協(xié)議

針對上述問題，提出了一種公平低時(shí)延的太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)定向MAC協(xié)議，協(xié)議將時(shí)隙請求階段的過程由一次申請一次及時(shí)回復(fù)改成一輪申請一次循環(huán)回復(fù)，根據(jù)按需分配時(shí)隙的不公平問題，提出公平分配機(jī)制.根據(jù)多節(jié)點(diǎn)相互進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的情況，將重復(fù)節(jié)點(diǎn)的CTA聚集在一起，采用一對多的波束賦形方式減去冗余的波束賦形操作.根據(jù)聚合幀子幀頭部傳輸錯(cuò)誤的情況提出重傳聚合幀子頭部的方法，結(jié)合了入網(wǎng)和時(shí)隙請求過程以減少碰撞的可能性.

3.1 公平低時(shí)延時(shí)隙分配機(jī)制

針對問題描述1中的b案例的解決方法是：1)A同時(shí)對B和D進(jìn)行波束賦形訓(xùn)練，等待A發(fā)送完波束訓(xùn)練幀；2)B和D依次循環(huán)發(fā)送波束訓(xùn)練回復(fù)幀，A記下來B和D所在扇區(qū)號；3)A先與B進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；4)A轉(zhuǎn)換天線方向至D所在扇區(qū)，接收D所發(fā)送過來的數(shù)據(jù);5)C同時(shí)對B和D進(jìn)行波束賦形訓(xùn)練;6)參考A與B、D的步驟.這個(gè)過程與標(biāo)準(zhǔn)波束賦形機(jī)制的區(qū)別在于重復(fù)節(jié)點(diǎn)同時(shí)對多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行波束賦形訓(xùn)練，首先發(fā)送波束賦形訓(xùn)練幀的節(jié)點(diǎn)不固定于源節(jié)點(diǎn)，從這個(gè)例子中可以得出，可以節(jié)省兩個(gè)第一輪波束賦形的時(shí)間，也就是2n×n個(gè)時(shí)間單位(一個(gè)時(shí)間單位為發(fā)送一個(gè)波束賦形幀的時(shí)間，n代表扇區(qū)個(gè)數(shù)).

CTAP時(shí)期所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙分配都是由PNC來分配，然后在下個(gè)超幀的Beacon時(shí)期將信息發(fā)布出去，所以需要在時(shí)隙分配機(jī)制這里做一個(gè)算法改進(jìn)，公平低時(shí)延時(shí)隙分配機(jī)制步驟為：

步驟1.時(shí)隙請求開始階段，PNC存儲之前超幀未分配的時(shí)隙請求信息，結(jié)束轉(zhuǎn)步驟2.

步驟2.PNC操作：循環(huán)一周，在每個(gè)扇區(qū)接收時(shí)隙請求命令并存儲下來各節(jié)點(diǎn)所需的時(shí)隙長度，每個(gè)扇區(qū)停留時(shí)間為原時(shí)間的一半.DEV操作：在PNC轉(zhuǎn)至自己所在扇區(qū)時(shí)發(fā)送時(shí)隙請求幀，采用CSMA/CA競爭接入機(jī)制；時(shí)隙請求結(jié)束后轉(zhuǎn)步驟3.

步驟3.PNC按照各節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙請求量，先按平均分配原則給所有PNC同意分配時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)分配CTA，分配結(jié)束后如果存在節(jié)點(diǎn)的CTA申請量低于平均水平，轉(zhuǎn)步驟4，否則轉(zhuǎn)步驟5.

步驟4.CTA申請量低于平均水平的節(jié)點(diǎn)把多的CTA平均分配給其它節(jié)點(diǎn)，結(jié)束轉(zhuǎn)步驟5.

步驟5.PNC計(jì)算重復(fù)節(jié)點(diǎn)CTA的聚集優(yōu)先級，首先選出重復(fù)次數(shù)最多的節(jié)點(diǎn)，如果選出了多個(gè)節(jié)點(diǎn)，重復(fù)次數(shù)相同，那么先申請的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級更高.結(jié)束轉(zhuǎn)步驟6.

步驟6.將選出的重復(fù)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)CTA聚集在一起，然后去掉其它重復(fù)節(jié)點(diǎn)中包含的上述相關(guān)CTA.結(jié)束后判斷是否還有重復(fù)節(jié)點(diǎn)，是轉(zhuǎn)步驟5，否則轉(zhuǎn)步驟7.

步驟7.按照單對節(jié)點(diǎn)或者多對節(jié)點(diǎn)中最早申請時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙申請先后順序，將CTA或者聚集CTA放入CTAP時(shí)隙，結(jié)束轉(zhuǎn)步驟8.

步驟8.PNC遍歷所有扇區(qū)，發(fā)送每個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙請求回復(fù)命令，遍歷結(jié)束轉(zhuǎn)步驟9.

步驟9.下一超幀的CTAP時(shí)段，按照CTA順序，各節(jié)點(diǎn)判斷自己是否為重復(fù)節(jié)點(diǎn)，是則轉(zhuǎn)步驟10，否則轉(zhuǎn)步驟11.

步驟10.重復(fù)節(jié)點(diǎn)針對它的源節(jié)點(diǎn)或者目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行第一輪波束賦形訓(xùn)練，循環(huán)一周結(jié)束后重復(fù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入第2輪波束賦形接收時(shí)期；重復(fù)節(jié)點(diǎn)的源、目的節(jié)點(diǎn)按照申請時(shí)的順序，在各自CTA內(nèi)依次循環(huán)發(fā)送波束賦形回復(fù)幀進(jìn)行第2輪波束賦形，然后在各自CTA內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.CTAP結(jié)束進(jìn)入下下個(gè)超幀，未結(jié)束轉(zhuǎn)步驟9.

步驟11.未重復(fù)節(jié)點(diǎn)的源節(jié)點(diǎn)先進(jìn)行第一輪波束賦形，然后目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行第二輪波束賦形.結(jié)束后在剩余CTA內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.CTAP結(jié)束進(jìn)入下下個(gè)超幀，未結(jié)束轉(zhuǎn)步驟9.

這種機(jī)制不僅可以公平的分配CTAP的時(shí)隙給各個(gè)DEV，而且還可以節(jié)省重復(fù)節(jié)點(diǎn)的波束賦形時(shí)間，考慮到無線個(gè)域網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)大多數(shù)都是移動節(jié)點(diǎn)，尤其是達(dá)到波束級波束賦形的時(shí)候，每個(gè)扇區(qū)角度很小，導(dǎo)致微小的移動都會影響扇區(qū)，所以波束賦形和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間間隔不宜過長.

3.2 幀聚合子幀重傳機(jī)制

針對3c標(biāo)準(zhǔn)中聚合幀MAC子標(biāo)頭傳輸錯(cuò)誤的情況，提出重傳子標(biāo)頭的機(jī)制，其思想是源節(jié)點(diǎn)重傳MAC子標(biāo)頭給目的節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)新的MAC子標(biāo)頭解析MAC子標(biāo)頭錯(cuò)誤的聚合幀.將每個(gè)子頭部的保留字段設(shè)置為1，表示此重傳幀為重傳子標(biāo)頭，子幀長度等信息仍然是之前子標(biāo)頭錯(cuò)誤的聚合幀的信息，負(fù)載為空.重傳聚合幀只有頭部以及尾部的FCS檢驗(yàn)序列，子幀錯(cuò)誤時(shí)重傳錯(cuò)誤的子幀.

如下設(shè)計(jì)為新的聚合幀重傳機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了哪部分錯(cuò)誤，重傳哪部分的功能.具體步驟如下：

步驟1.目的節(jié)點(diǎn)收到聚合幀后，解析聚合幀幀頭，如果子標(biāo)頭錯(cuò)誤，轉(zhuǎn)步驟3；否則轉(zhuǎn)步驟2.

步驟2.目的節(jié)點(diǎn)提取子幀頭部內(nèi)容，如果子幀頭部保留字段為1，那么提取緩存區(qū)子幀，不為1則提取子幀.然后進(jìn)行CRC循環(huán)冗余檢驗(yàn)，如果錯(cuò)誤轉(zhuǎn)步驟4；否則轉(zhuǎn)步驟7.

步驟3.目的節(jié)點(diǎn)緩存子標(biāo)頭錯(cuò)誤的聚合幀幀體，并發(fā)送塊確認(rèn)幀給源節(jié)點(diǎn)，請求重傳子標(biāo)頭，轉(zhuǎn)步驟6.

步驟4.目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送塊確認(rèn)幀給源節(jié)點(diǎn)，請求重傳錯(cuò)誤子幀，轉(zhuǎn)步驟5.

步驟5.源節(jié)點(diǎn)接收到塊確認(rèn)幀后提取錯(cuò)誤子幀序號，重傳錯(cuò)誤的子幀，轉(zhuǎn)步驟2.

步驟6.源節(jié)點(diǎn)提取塊確認(rèn)幀中的內(nèi)容，重傳沒有負(fù)載的聚合幀.聚合幀子幀頭部的保留字段置1，表示重傳幀為重傳子標(biāo)頭，其它字段與前一個(gè)錯(cuò)誤幀子標(biāo)頭相同，轉(zhuǎn)步驟1.

步驟7.目的節(jié)點(diǎn)給源節(jié)點(diǎn)發(fā)送塊確認(rèn)幀，源節(jié)點(diǎn)收到后解析，然后發(fā)送下一個(gè)聚合幀，目的節(jié)點(diǎn)等待接受下一個(gè)聚合幀.

新聚合幀重傳機(jī)制流程圖如圖2所示，采用這種機(jī)制重傳可以避免因子標(biāo)頭傳輸錯(cuò)誤無法解析子幀而進(jìn)行的全部子幀重傳.降低了時(shí)延，增大了吞吐量.

圖2 重傳機(jī)制流程圖

3.3 入網(wǎng)時(shí)隙請求結(jié)合機(jī)制

該方法的思路是將在同一超幀內(nèi)入網(wǎng)和請求時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)(統(tǒng)稱A類節(jié)點(diǎn))合并到同一個(gè)時(shí)期，這個(gè)操作由DEV和PNC共同完成，標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)時(shí)期是非常復(fù)雜的，如果能省去這個(gè)過程，對時(shí)隙浪費(fèi)會有一定的減少，并且當(dāng)節(jié)點(diǎn)很多的時(shí)候可以減小入網(wǎng)和時(shí)隙請求過程中碰撞的概率.

時(shí)隙請求時(shí)期每個(gè)時(shí)隙請求幀的幀長是有限制的，如圖3所示為入網(wǎng)時(shí)隙請求過程幀格式，CTRqB代表的是時(shí)隙請求信息，每一個(gè)CTRqB代表這個(gè)節(jié)點(diǎn)與某一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)隙請求塊.關(guān)聯(lián)時(shí)隙請求命令格式如a所示，原入網(wǎng)請求命令字段的長度相對于時(shí)隙請求命令來說較短，只有22個(gè)字節(jié).所以如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)想在時(shí)隙請求階段既入網(wǎng)也申請時(shí)隙.那么就把入網(wǎng)請求幀的主體信息放到時(shí)隙請求幀的第一個(gè)時(shí)隙請求塊的位置，然后重新定義一種新的命令類型，關(guān)聯(lián)時(shí)隙請求命令.標(biāo)準(zhǔn)中命令類型字段長度為2字節(jié)，0x001D-0x00FF為保留字段，定義0x001D為入網(wǎng)時(shí)隙請求命令.

圖3 CAP命令格式

如圖3中b，因?yàn)槿刖W(wǎng)請求回復(fù)命令比較長，且末尾有供應(yīng)商特殊字段可以延伸.而時(shí)隙請求命令比較短，所以把時(shí)隙回復(fù)字段加入到供應(yīng)商字段之前.同樣，回復(fù)命令類型為入網(wǎng)時(shí)隙請求回復(fù)命令，定義0x001E為入網(wǎng)時(shí)隙請求回復(fù)命令.

4 性能分析

對比ENLBT-MAC協(xié)議和802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)LL-MAC所提出了“公平低時(shí)延時(shí)隙分配機(jī)制”、“幀聚合子幀重傳機(jī)制”以及“入網(wǎng)時(shí)隙請求結(jié)合機(jī)制”3種機(jī)制.此部分從理論上對FLL-MAC協(xié)議進(jìn)行性能分析.

推論1.在動態(tài)場景下，F(xiàn)LL-MAC協(xié)議的波束賦形開銷比ENLBT-MAC協(xié)議低.

證明：設(shè)SFLL為FLL-MAC的波束賦形開銷，Y表示重復(fù)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)交互次數(shù)，N表示重復(fù)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，y表示重復(fù)次數(shù)，波束賦形幀長為l，n表示扇區(qū)個(gè)數(shù)，ENLBT-MAC協(xié)議在完全動態(tài)情況下反而會增加波束賦形開銷.在i%節(jié)點(diǎn)移動的情形下，當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)占比比較大的時(shí)候，F(xiàn)LL-MAC的波束賦形開銷相對來說要小很多.對比3c標(biāo)準(zhǔn)、ADM-MAC和ENLBT-MAC協(xié)議的波束賦形開銷，重復(fù)節(jié)點(diǎn)波束賦形總開銷分別為：

S3c=Y·l(n2+n)

(1)

SEN=Y·l(i%·(n2+2n)+(1-i%)·n)

=i%Y·l·n2+(1+i%)·Y·l·n

(2)

SFLL=(Y-y)·l(i%·(n2+2n)+(1-i%)·n)

=i%(Y-y)·l·n2+(1+i%)·Y·l·n

(3)

假設(shè)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為4，兩對節(jié)點(diǎn)通信的情況下，根據(jù)概率論得知重復(fù)概率為PFLL，計(jì)算可得PFLL約為51.56%，而重復(fù)次數(shù)為1或2，概率比為1∶2.

(4)

當(dāng)重復(fù)節(jié)點(diǎn)達(dá)到50%的重復(fù)率時(shí)，波束賦形的總開銷減少了將近25%.而當(dāng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為4個(gè)以上時(shí)，并且通信節(jié)點(diǎn)對大于2時(shí)，波束賦形總開銷相比ENLBT-MAC減少了大約20%，重復(fù)節(jié)點(diǎn)占比較大時(shí)，幾乎可以減少50%的波束賦形開銷.

推論2.FLL-MAC協(xié)議的時(shí)隙分配更加公平.

證明：“公平低時(shí)延時(shí)隙分配機(jī)制”中提出的節(jié)點(diǎn)先請求時(shí)隙PNC再統(tǒng)一分配的機(jī)制可以公平的給每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配CTA，保證每對節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸速率大致相同.其它協(xié)議的時(shí)隙分配機(jī)制中先申請的節(jié)點(diǎn)先分配CTA，顯然無法滿足速率相同的需求.

推論3.FLL-MAC協(xié)議的入網(wǎng)和時(shí)隙請求成功率更大.

證明：“入網(wǎng)時(shí)隙請求結(jié)合機(jī)制”省去了A類節(jié)點(diǎn)的單獨(dú)入網(wǎng)請求過程，設(shè)P1代表FLL-MAC協(xié)議的A類節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)隙請求的碰撞概率，P2代表ENLBT-MAC和3c的A類節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)隙請求碰撞概率.P3代表FLL-MAC協(xié)議的其它節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)請求的碰撞概率，P4代表ENLBT-MAC和3c的其它節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)請求碰撞概率.扇區(qū)個(gè)數(shù)為n，入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為N1，時(shí)隙請求節(jié)點(diǎn)數(shù)為N2，同時(shí)入網(wǎng)和請求時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)數(shù)為N3.當(dāng)前超幀內(nèi)發(fā)生碰撞的概率為：

(5)

(6)

(7)

(8)

從P1和P2的表達(dá)式明顯可以得出P1

5 仿真驗(yàn)證

本文的驗(yàn)證平臺是OPNET14.5通信仿真網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，對比FLL-MAC協(xié)議、802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)以及ENLBT-MAC協(xié)議的性能進(jìn)行仿真分析.仿真中設(shè)置的數(shù)據(jù)傳輸對象是隨機(jī)的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)與其它節(jié)點(diǎn)的通信概率相同.

5.1 仿真流程設(shè)置

流程1.定義進(jìn)程模型，MAC層進(jìn)程模型包含Init、Beacon、CAP、CTAP這4個(gè)狀態(tài)機(jī)，分別對應(yīng)初始化和超幀的3個(gè)階段.

流程2.定義的節(jié)點(diǎn)模型分為5層，應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、MAC層和物理層，物理層設(shè)置有定向天線模塊以發(fā)送定向數(shù)據(jù)，傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層采用透傳模式.

流程3.構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型，3種協(xié)議的場景設(shè)置都一樣，在一個(gè)10×10m內(nèi)放置多個(gè)節(jié)點(diǎn)，PNC放置在場景中心，其它節(jié)點(diǎn)環(huán)繞在PNC周圍以每秒10m的速度隨機(jī)或者順時(shí)針移動.

流程4.收集統(tǒng)計(jì)量、仿真調(diào)試，OPNET軟件可直接統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸總量以及對應(yīng)的時(shí)間，通過計(jì)算節(jié)點(diǎn)發(fā)送和另一節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)的時(shí)間差計(jì)算發(fā)送和接收時(shí)延.統(tǒng)計(jì)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)包發(fā)送和接收個(gè)數(shù)來確定仿真成功率.設(shè)置固定的錯(cuò)包率來對比重傳效率.ENLBT-MAC在3c的基礎(chǔ)上修改了核心代碼，而FLL-MAC是在ENLBT-MAC的基礎(chǔ)上修改了時(shí)隙分配代碼、幀聚合代碼，以及競爭接入時(shí)期的代碼.3種協(xié)議的對比是在一套協(xié)議仿真模型下進(jìn)行的，通過對比各自的統(tǒng)計(jì)量，觀察控制幀的時(shí)序來調(diào)試仿真代碼.

流程5.仿真結(jié)果分析，通過對統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算，得出吞吐量、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延以及波束賦形開銷.

5.2 仿真參數(shù)設(shè)置

表1所示為具體的參數(shù)設(shè)置.

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

收發(fā)信機(jī)設(shè)置數(shù)據(jù)率為10Gbps，發(fā)送功率為40W，帶寬為3GHz，最小頻率為0.14THz，采用調(diào)制方式為qam64；天線設(shè)置主瓣形狀為錐形，張角為5度，主瓣內(nèi)天線增益為20dB.

應(yīng)用層設(shè)置產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的時(shí)間為0.5s，間隔時(shí)間為0.0005s，數(shù)據(jù)包大小為700MB.

5.3 仿真結(jié)果分析

5.3.1 網(wǎng)絡(luò)吞吐量

網(wǎng)絡(luò)吞吐量如圖4所示，仿真設(shè)置節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)每次加4，而重復(fù)節(jié)點(diǎn)的比例穩(wěn)定設(shè)置為50%，相比ENLBT-MAC，F(xiàn)LL-MAC的數(shù)據(jù)吞吐量提升了大約7%，具體與數(shù)據(jù)包大小有關(guān).FLL-MAC與ENLBT-MAC協(xié)議和802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)對比起來之所以能夠有效提升是因?yàn)椋?)FLL-MAC協(xié)議在動態(tài)場景下存在多個(gè)重復(fù)節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，其波束賦形效率更加高，且不會出現(xiàn)因?yàn)椴ㄊ较驔]對準(zhǔn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)接收不到的情況.2)采用“幀聚合重傳機(jī)制”可以使因?yàn)樽訕?biāo)頭錯(cuò)誤導(dǎo)致的重傳幀的大小減小.雖然出錯(cuò)的概率很小，但是一旦子標(biāo)頭出錯(cuò)，在原機(jī)制下重傳所有子幀是非常耗時(shí)的.

圖4 MAC層數(shù)據(jù)吞吐量

5.3.2 波束賦形開銷

波束賦形開銷如圖5所示，在50%重復(fù)率的情況下，F(xiàn)LL-MAC相比ENLBT-MAC可減少20%左右的波束賦形開銷.FLL-MAC協(xié)議與ENLBT-MAC協(xié)議、802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)相比能夠節(jié)省波束賦形開銷的原因是FLL-MAC協(xié)議在某些節(jié)點(diǎn)多次通信的時(shí)候，可以節(jié)省這些節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行的波束賦形次數(shù)，這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)只需要進(jìn)行一次波束賦形操作.把重復(fù)的節(jié)點(diǎn)分配到的CTA排在一起，可以避免節(jié)點(diǎn)運(yùn)動導(dǎo)致波束方向?qū)?zhǔn)失效.

圖5 波束賦形開銷

5.3.3 平均時(shí)延

數(shù)據(jù)平均時(shí)延如圖6所示，F(xiàn)LL-MAC相比ENLBT-MAC可降低18%左右.ENLBT-MAC和802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)相比，由于FLL-MAC協(xié)議波束賦形所花的時(shí)間更少、開銷更低，幀碰撞概率更小，重傳幀更小，所以能夠更快地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.其次，由于CTAP分配機(jī)制的公平分配原則，不會出現(xiàn)一個(gè)超幀內(nèi)某對節(jié)點(diǎn)分配的CTA很多，而其它節(jié)點(diǎn)分配不到CTA或分配的CTA極少的情況.這樣的結(jié)果就是所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延是大致相同的.

圖6 數(shù)據(jù)平均時(shí)延

6 結(jié)束語

本文針對現(xiàn)有的節(jié)點(diǎn)重復(fù)波束賦形、時(shí)隙分配不公平等問題，提出了一種公平低時(shí)延的太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)定向MAC協(xié)議.包含“公平低時(shí)延時(shí)隙分配機(jī)制”、“幀聚合子幀重傳機(jī)制”以及“入網(wǎng)時(shí)隙請求結(jié)合機(jī)制”.機(jī)制一先申請?jiān)俜峙涞臋C(jī)制統(tǒng)一分配一個(gè)超幀內(nèi)的CTA，并將重復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的節(jié)點(diǎn)的CTA放在一起，對多節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行波束賦形.機(jī)制二重傳子標(biāo)頭避免子標(biāo)頭錯(cuò)誤導(dǎo)致的傳輸子幀.機(jī)制3結(jié)合A類節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)和時(shí)隙請求過程，減少碰撞概率并減少控制開銷.針對太赫茲MAC協(xié)議仍然存在的問題和可優(yōu)化處，可以從空分復(fù)用等方面進(jìn)行研究.