周 遜，霍 兵，任 智

1(重慶郵電大學(xué) 移動通信技術(shù)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)

1 引 言

如今，對于短距離無線通信的數(shù)據(jù)速率需求已達到數(shù)10Gbps[1]，而現(xiàn)有的無線通信技術(shù)由于帶寬的限制無法滿足此需求.太赫茲(terahertz，THz)波段(0.1THz-10THz)的帶寬可以提供太比特每秒級別數(shù)據(jù)的速率[2，3]來滿足不斷增長的數(shù)據(jù)速率的需求.但由于太赫茲波在空氣中易衰減特性，現(xiàn)有的無線MAC協(xié)議無法適用于太赫茲通信網(wǎng)絡(luò)[4].

目前已有一些針對太赫茲波的特點[5，6]而提出使用波束形成定向發(fā)送數(shù)據(jù)[7]的雙信道MAC協(xié)議.Sara等人提出利用不同頻段的信道進行數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)確認(rèn)來提高信道的利用率[8].Yao等人提出一種用于提高太赫茲通信距離的MAC協(xié)議[9](Assisted Beamforming MAC Protocol for Terahertz Communication Networks，TAB-MAC)，該協(xié)議使用全向2.4GHz WIFI信道交換控制信息，實際的數(shù)據(jù)傳輸使用THz頻段定向傳輸.Han等人提出用3D量化的角度空間將接入點(access point，AP)的服務(wù)區(qū)域劃分為多個角度時隙[10]提高通信質(zhì)量的方法.文獻[11]提出將地址字段從MAC幀中移除，進一步降低控制信令的負(fù)載的方法.文獻[12]采用中繼協(xié)作提升通信成功率的方法.Wang等人提出使用多對互不干擾的節(jié)點并行傳輸?shù)姆绞教岣呔W(wǎng)絡(luò)的吞吐量[13].文獻[14]提出的EF-MAC協(xié)議通過目的節(jié)點向源節(jié)點發(fā)送測試幀機制來減少一個確認(rèn)幀，從而減少部分控制開銷和測試時延.

由上述分析可知，現(xiàn)有的太赫茲MAC協(xié)議通信性能優(yōu)化研究雖然取得了一些成果，但還存在信息控制開銷需要進一步降低和網(wǎng)絡(luò)吞吐量需要提高的問題.

針對以上問題，本文提出了一種低控制開銷的太赫茲無線個域網(wǎng)雙信道MAC協(xié)議.

2 網(wǎng)絡(luò)模型與問題描述

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

本文研究所采用的EF-MAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點由定位輔助節(jié)點和用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)某Ｒ?guī)節(jié)點組成.MAC協(xié)議交互采用的幀結(jié)構(gòu)設(shè)置如圖2所示，在請求發(fā)送幀(Request To Send，RTS)和允許發(fā)送幀(Clear To Send，CTS)中使用3個2字節(jié)(用X、Y、Z表示三維空間中的位置信息)的位置字段攜帶節(jié)點的位置信息，4字節(jié)的波束信息字段表示波束的相關(guān)信息(波束寬度和指向).

圖1 網(wǎng)絡(luò)模型圖Fig.1 Network model

圖2 MAC幀格式圖Fig.2 MAC frame format

MAC協(xié)議的交互過程為：如果源節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)給目的節(jié)點，在第1階段，首先通過2.4GHz WIFI全向天線發(fā)送一個RTS幀廣播其請求.目的節(jié)點收到RTS幀后，若當(dāng)前未與其他節(jié)點進行通信則發(fā)送一個CTS幀給源節(jié)點完成信道預(yù)約機制并相互交換彼此的位置信息.在第2階段，源節(jié)點和目的節(jié)點根據(jù)收到的對方節(jié)點的位置信息調(diào)整各自的太赫茲天線以形成特定的波束方向相互對準(zhǔn).在太赫茲頻段，目的節(jié)點通過太赫茲定向天線發(fā)送測試(Test To Send，TTS)幀給源節(jié)點，源節(jié)點收到測試幀后確認(rèn)信道的互易性，開始進行高速數(shù)據(jù)傳輸.數(shù)據(jù)傳輸完成后，目的節(jié)點通過回復(fù)源節(jié)點一個確認(rèn)(Acknowledgement，ACK)幀確認(rèn)并結(jié)束兩節(jié)點通信的過程.

2.2 問題描述

在深入研究現(xiàn)有的太赫茲雙信道MAC協(xié)議后，發(fā)現(xiàn)其存在網(wǎng)絡(luò)吞吐量較低及信息控制開銷較大的問題：

1)在通信網(wǎng)絡(luò)中如果源節(jié)點(節(jié)點A)有發(fā)送數(shù)據(jù)給目的節(jié)點(節(jié)點B)的需要，且同時節(jié)點B也需發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點A，依照原有的協(xié)議需要進程兩次通信過程才能完成兩個節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信.而節(jié)點A與節(jié)點B在太赫茲天線對準(zhǔn)后，通過使用不同的波束同時進行雙向通信，可以降低信息控制開銷，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量.

2)在現(xiàn)有MAC協(xié)議交互機制中通過節(jié)點位置信息調(diào)整太赫茲定向天線，增加了信息控制開銷.在已經(jīng)進行通信的兩節(jié)點再次數(shù)據(jù)傳輸時需要重新進行RTS/CTS的交互流程，信息控制開銷進一步增加.

3 提高MAC協(xié)議性能的新機制

為了解決上述問題，現(xiàn)基于太赫茲雙信道MAC協(xié)議，提出LCO-MAC協(xié)議降低信息交互的控制開銷的同時提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量.

3.1 點對點全雙工通信機制

由于太赫茲波束極窄，與傳統(tǒng)的低頻段波束間干擾不同，其波束間的干擾很小.在現(xiàn)有的消除天線自干擾技術(shù)[15]發(fā)展的基礎(chǔ)上，可以在使用定向波束發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，天線陣列的其他區(qū)域接收對方節(jié)點通過波束形成發(fā)送的數(shù)據(jù).其基本思想為：源節(jié)點在發(fā)送RTS幀給目的節(jié)點進行信道預(yù)約時，目的節(jié)點在信道空閑并有數(shù)據(jù)需要發(fā)送給源節(jié)點時，通過發(fā)送雙工通信請求(request-clear to send，R-CTS)幀進入雙工通信流程.與原有的單波束通信協(xié)議相比，在有同時進行雙向通信需求的節(jié)點間通信時，可通過一次信息控制幀的交互完成信道預(yù)約，省去了一個信息控制交互流程；兩個節(jié)點雙向通信的時間為其中用時的較大者，而原來單波束通信時兩個節(jié)點互相發(fā)送數(shù)據(jù)所用的時間為兩個節(jié)點兩次通信的時間之和.新增加的R-CTS幀的幀格式如圖3所示.將幀中地址信息字段中的目的地址的值填充為該節(jié)點要回復(fù)的發(fā)送RTS幀預(yù)約信道的節(jié)點的地址信息.

圖3 R-CTS幀格式圖Fig.3 Request-clear to send frame format

圖4 太赫茲點對點全雙工通信機制Fig.4 THz point to point full duplex communication mechanism

太赫茲點對點全雙工通信機制的具體操作流程如圖4所示，其主要操作步驟為：

1)若節(jié)點A需要發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點B，則節(jié)點A首先通過WIFI全向天線廣播RTS幀進行信道預(yù)約.

2)節(jié)點B在WIFI頻段接收到來自節(jié)點A的RTS幀后，若當(dāng)前節(jié)點通信狀態(tài)為空閑且同時需要發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點A時，則發(fā)送R-CTS幀給節(jié)點A并根據(jù)WIFI頻段控制幀的到達角(angle of arrival，AOA)，將THz頻段的定向天線轉(zhuǎn)向合適的角度；若節(jié)點B無數(shù)據(jù)發(fā)送需求，則遵循原來的MAC協(xié)議建立點對點半雙工通信鏈路.

3)節(jié)點A收到來自節(jié)點B的R-CTS幀后，根據(jù)WIFI頻段控制幀的到達角，將THz頻段的定向天線轉(zhuǎn)向合適的角度對準(zhǔn)節(jié)點B，發(fā)送TTS幀給節(jié)點B測試信道1的連通性.

4)節(jié)點B收到來自節(jié)點A通過信道1發(fā)送的TTS幀后，發(fā)送TTS幀給節(jié)點A測試信道2的連通性.

5)節(jié)點A收到來自節(jié)點B發(fā)送的TTS幀后確定信道1聯(lián)通，并回復(fù)給節(jié)點B一個ACK幀告知節(jié)點B信道2已聯(lián)通.

6)在信道連通后，節(jié)點A、B通過不同的信道發(fā)送數(shù)據(jù)至目的節(jié)點.兩個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)所用時間為其中用時的較大者.待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，目的節(jié)點回復(fù)一個ACK幀給源節(jié)點完成通信的進程.

3.2 自適應(yīng)省略CTS/TTS幀發(fā)送

該機制的基本思路為：每個節(jié)點在數(shù)據(jù)通信的過程中建立一張“波束對準(zhǔn)方向表”用來儲存已經(jīng)通信過的節(jié)點間的太赫茲天線波束的對準(zhǔn)方向.“波束對準(zhǔn)方向表”的格式如表1所示，在兩節(jié)點的太赫茲鏈路連通后，節(jié)點將對方節(jié)點的地址及太赫茲定向天線的對準(zhǔn)位置分別儲存在表1中，在下一次與相同的節(jié)點進行數(shù)據(jù)通信時首先查閱該表，根據(jù)表中信息調(diào)整天線位置并測試信道的連通性.如果節(jié)點移動導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化，則需重新進行原有的控制信息交互流程，并在通信鏈路成功建立后更新表1中的相關(guān)節(jié)點的信息.

表1 波束對準(zhǔn)方向表

該機制的具體操作步驟如下：

在每次通信前，如果通信的目的節(jié)點所需的太赫茲波束方向在維護的表中，則源節(jié)點發(fā)送一個RTS幀后，直接使用波束方向表中的信息將太赫茲天線調(diào)整至所需的方向，目的節(jié)點收到源節(jié)點發(fā)送的RTS幀，將RTS幀的到達角信息與“波束對準(zhǔn)方向表”中信息對比，如果信息一致，則直接將太赫茲天線調(diào)整至對準(zhǔn)源節(jié)點的位置并通過太赫茲信道發(fā)送一個ACK幀確認(rèn).源節(jié)點收到目的節(jié)點發(fā)送的ACK幀后表明太赫茲信道已經(jīng)聯(lián)通，則直接使用太赫茲頻段進行定向數(shù)據(jù)傳輸.改進后的機制與現(xiàn)有的協(xié)議相比省去一個CTS和TTS幀的發(fā)送，降低信息控制開銷；否則，重新進入原來的RTS/CTS交互流程進行信道預(yù)約.

4 性能分析

為確定本文提出的協(xié)議的有效性，本文采用EF-MAC協(xié)議作為比較對象，對本文提出的LCO-MAC協(xié)議帶來的性能改善進行理論分析驗證.

引理1.與EF-MAC協(xié)議相比，本文提出的協(xié)議提升了網(wǎng)絡(luò)吞吐量.

則EF-MAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量期望SEF-MAC可由下式得出：

(1)

LCO-MAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量期望S為：

(2)

引理2.與EF-MAC協(xié)議相比，本文提出的協(xié)議減少了信息控制開銷.

證明：假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的個數(shù)為n，其中兩個節(jié)點中需要同時通信的節(jié)點的個數(shù)為m(m

(3)

LCO-MAC協(xié)議的信息控制開銷C為：

(4)

在通信場景不變和參數(shù)設(shè)置一致的情況下，由于兩個節(jié)點中需要同時通信的節(jié)點的個數(shù)為m，采用本文所提出的協(xié)議可同時進行通信，只需一次RTS/CTS交互流程，所以同時通信的節(jié)點的信息控制開銷為采用原來的EF-MAC協(xié)議通信的控制開銷的1/2，剩余n-m個節(jié)點與其他節(jié)點通信帶來的控制開銷相同.因此CEF-MAC

5 仿 真

本文采用仿真軟件OPNET14.5進行仿真驗證，將本文提出的LCO-MAC協(xié)議與TAB-MAC協(xié)議和EF-MAC協(xié)議的性能進行了比較.

5.1 仿真統(tǒng)計量

本文從以下仿真統(tǒng)計量參數(shù)方面進行了仿真性能驗證：

1)控制信息交互開銷

指網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間通信控制信息交互所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量，單位為bit，公式為：

(5)

式中，O為控制信息交互開銷；n表示節(jié)點間通信控制信息交互次數(shù)；di表示第i次節(jié)點信息交互的數(shù)據(jù)量.

2)網(wǎng)絡(luò)吞吐量

指單位時間內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點成功傳送至目的節(jié)點的比特數(shù)，單位為Gbps，公式為：

(6)

式中，S為網(wǎng)絡(luò)吞吐量；n表示節(jié)點個數(shù)；T表示網(wǎng)絡(luò)運行時間；Di表示時間T內(nèi)第i個節(jié)點所接收的數(shù)據(jù)量.

3)信道利用率

指網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)幀傳輸時間占網(wǎng)絡(luò)通信時間的比例，公式為：

(7)

式中，η為信道利用率；n表示網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間通信的次數(shù)；Ti表示第i次節(jié)點間通信的數(shù)據(jù)幀傳輸時間；T為網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點通信的總時長.

5.2 仿真參數(shù)設(shè)置

本文在基于仿真參數(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)置的主要仿真參數(shù)如表2所示.

表2 主要仿真參數(shù)表Table 2 Table of main simulation parameter

5.3 仿真結(jié)果分析

5.3.1 控制信息交互開銷

3種協(xié)議的控制信息交互開銷仿真結(jié)果如圖5所示.LCO-MAC協(xié)議的控制信息開銷與EF-MAC協(xié)議相比降低了12.6%.主要原因是雙向通信節(jié)點在同時需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，省略了一個RTS/CTS信息控制幀交互過程，降低了通信過程中節(jié)點交互的控制開銷.已經(jīng)通信過的節(jié)點再次通信時，若節(jié)點位置未變時采用本文提出的“自適應(yīng)省略CTS/TTS”幀發(fā)送機制省去了一個CTS幀，可進一步降低控制開銷.

圖5 控制信息交互開銷Fig.5 Controls overhead

5.3.2 網(wǎng)絡(luò)吞吐量

3種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量仿真結(jié)果如圖6所示.隨著節(jié)點數(shù)的增加，通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量逐漸增大.與EF-AMC協(xié)議相比，本文提出的LCO-MAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量提升了11.3%.這是由于本文提出的雙工通信機制在節(jié)點雙向通信時省略了一個RTS/CTS交互流程，相同的通信時間內(nèi)傳輸?shù)耐ㄐ艛?shù)據(jù)更多.對于已經(jīng)通信過的節(jié)點在再次通信且節(jié)點相對位置未改變的情況下，省去了CTS和TTS幀的發(fā)送，使得數(shù)據(jù)傳輸時間增大，進而提高了整個網(wǎng)絡(luò)的單位時間成功發(fā)送的數(shù)據(jù)量，網(wǎng)絡(luò)吞吐量提高.

圖6 網(wǎng)絡(luò)吞吐量Fig.6 Network throughput

5.3.3 信道利用率

3種協(xié)議的信道利用率仿真結(jié)果如圖7所示，隨著節(jié)點數(shù)的增加，信道利用率逐漸增加，最終趨于飽和.與EF-MAC協(xié)議相比，LCO-MAC協(xié)議的信道利用率提升了12%.主要原因是本文提出的方法在存在雙向通信節(jié)點時，省略了一個RTS/CTS交互過程，使得THz信道數(shù)據(jù)通信的時間增加.對于已經(jīng)通信過的節(jié)點，在再次通信且節(jié)點位置未變時省去了一個CTS和TTS幀，增加了THz信道數(shù)據(jù)發(fā)送在整個節(jié)點通信時間的比例，從而使信道利用率提高.

圖7 信道利用率Fig.7 Channel utilization

6 結(jié)束語

本文針對現(xiàn)有太赫茲通信網(wǎng)絡(luò)雙信道MAC協(xié)議中所存在的信息控制開銷較大影響網(wǎng)絡(luò)性能的問題，提出了降低控制開銷的太赫茲無線個域網(wǎng)雙信道MAC協(xié)議——LCO-MAC.LCO-MAC協(xié)議通過點對點全雙工通信機制，對于有雙向通信的節(jié)點存在時可以省略一次信息控制交互流程和自適應(yīng)省略允許發(fā)送幀/測試幀機制，降低信息交互過程的控制開銷，提高網(wǎng)絡(luò)性能.最后通過OPNET軟件將該方法與TAB-MAC和EF-MAC協(xié)議的性能進行了仿真比較，可以得出本文所提出的協(xié)議相較于其他兩種協(xié)議在性能上有所改善.未來的工作中，本文將進一步考慮如何實現(xiàn)太赫茲網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點通信的多輸入輸出問題的解決.