古金東　任智　陳春宇　劉洋

摘 要：為了使兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)能快速完成協(xié)調(diào)融合以及提升融合后網(wǎng)絡(luò)的性能，提出一種高效快速融合的雙LAN太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)MAC協(xié)議——EFC-MAC（efficient and fast convergence of MAC protocols）。首先，針對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)選舉機(jī)制不完善以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)融合機(jī)制存在不足之處的問(wèn)題，提出了在第一個(gè)網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行申請(qǐng)入網(wǎng)時(shí)就開(kāi)始進(jìn)行網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)的選舉，并將選舉結(jié)果在下一超幀的BP時(shí)段進(jìn)行通告的機(jī)制，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)是否已經(jīng)完成了協(xié)調(diào)融合而決定是否申請(qǐng)CTA以轉(zhuǎn)發(fā)heartbeat消息的機(jī)制，使網(wǎng)絡(luò)能高效快速完成融合；然后，針對(duì)網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)公共時(shí)隙方式不夠靈活的問(wèn)題，提出根據(jù)P-CTAP所剩時(shí)隙量來(lái)動(dòng)態(tài)申請(qǐng)CTA的機(jī)制，提升了網(wǎng)絡(luò)的性能；最后，針對(duì)網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)切換機(jī)制尚不明確的問(wèn)題，提出了采用一個(gè)CAP時(shí)段長(zhǎng)度完成網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)切換的機(jī)制。仿真結(jié)果表明，所提協(xié)議有效提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，提升了時(shí)隙利用率以及降低了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。

關(guān)鍵詞：太赫茲波；網(wǎng)絡(luò)融合；網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)；協(xié)調(diào)超幀

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-3695（2023）10-035-3114-06

doi：10.19734/j.issn.1001-3695.2023.03.0089

Efficient and fast convergence of dual-LAN terahertz wireless LAN MAC protocol

Gu Jindonga，b，c，Ren Zhia，b，c，Chen Chunyua，b，c，Liu Yanga，b，c

（a.School of Communication & Information Engineering，b.Key Laboratory of Mobile Communications Technology of Chongqing，c.Enginee-ring Research Center of Mobile Communications of the Ministry of Education，Chongqing University of Posts & Telecommunications，Chongqing 400065，China）

Abstract：In order to make two independently operated terahertz wireless LANs quickly complete coordinated convergence and improve the performance of the converged network，this paper proposed an efficient and fast convergence of MAC protocols（EFC-MAC） .Firstly，in view of the imperfection of the existing bridge node election mechanism and the shortcomings of the network coordination and convergence mechanism，this paper proposed a mechanism to start the election of bridge nodes when the first network node applied for network access，and announced the election results in the BP period of the next superframe，and other mechanism to decide whether to apply for CTA to forward heartbeat messages according to whether the network had completed coordinated convergence.So that the network could complete convergence efficiently and quickly.Then，aiming at the problem that the application method of public time slots by network nodes are not flexible enough，this paper proposed a me-chanism to dynamically apply for CTA according to the amount of time slot remaining in P-CTAP，which improved the performance of the network.Finally，aiming at the problem that the bridge node switching mechanism is not clear，this paper proposed a mechanism to complete the bridge node switching by using a CAP period length.Simulation results show that the proposed protocol can effectively improve network throughput，improve slot utilization and reduce data transmission delay.

Key words：terahertz waves；network convergence；bridge nodes；reconcile superframe

0 引言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們已經(jīng)邁入了5G時(shí)代，目前看來(lái)，大多數(shù)應(yīng)用程序所需的網(wǎng)絡(luò)帶寬在短期內(nèi)得到了滿足［1］。然而，隨著人工智能、VR、云計(jì)算、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)以及元宇宙等技術(shù)的快速發(fā)展，一些頗具前景的應(yīng)用需要無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)10 Gbps以上的數(shù)據(jù)傳輸速率［2］，因此，現(xiàn)有的低頻段頻譜資源支持的數(shù)據(jù)傳輸速率顯然不能滿足這些新興技術(shù)的需要，于是，不得不開(kāi)始探尋一種新的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信方式以滿足無(wú)線數(shù)據(jù)流量日益增長(zhǎng)的需要。截至目前，現(xiàn)有的無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)難以支持高達(dá)數(shù)10 Gbps大小的數(shù)據(jù)傳輸速率［3］。因此，太赫茲技術(shù)成為了未來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)鍵候選技術(shù)［4］。由于太赫茲波是非電離的［5］，所以它較易被空氣當(dāng)中的極性分子吸收，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的大氣衰減，當(dāng)空氣中的水分子變多時(shí)，太赫茲波的信號(hào)衰減愈發(fā)嚴(yán)重，這些因素就決定了太赫茲波非常適用于室內(nèi)短距離無(wú)線通信［6］。太赫茲波在電磁波譜上的位置如圖1所示。目前，眾多學(xué)者研究的太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)能夠通信的范圍十分有限，通常只有20 m左右，因此眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者希望將多個(gè)同時(shí)運(yùn)行的太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)進(jìn)行協(xié)調(diào)融合，來(lái)拓展整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信范圍。

文獻(xiàn)［1］針對(duì)多PAN太赫茲無(wú)線個(gè)域網(wǎng)中某些節(jié)點(diǎn)在CTAP時(shí)段可能存在鄰近干擾的問(wèn)題，提出了網(wǎng)邊節(jié)點(diǎn)的概念，并引入了常規(guī)節(jié)點(diǎn)報(bào)告的機(jī)制。各DEV節(jié)點(diǎn)在入網(wǎng)前偵聽(tīng)信道結(jié)束后，主動(dòng)發(fā)送關(guān)聯(lián)請(qǐng)求幀請(qǐng)求入網(wǎng)，其中，關(guān)聯(lián)請(qǐng)求幀的command type字段使用保留值來(lái)表明自己的節(jié)點(diǎn)類型。由于太赫茲無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)（節(jié)點(diǎn)緩慢移動(dòng)）網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可能會(huì)逐漸發(fā)生變化，所以當(dāng)各節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)自己的節(jié)點(diǎn)類型發(fā)生變化后，在CAP時(shí)段發(fā)送時(shí)隙請(qǐng)求幀時(shí)，應(yīng)使用合適的command type字段來(lái)報(bào)告自己的節(jié)點(diǎn)類型。

文獻(xiàn)［2］基于太赫茲無(wú)線個(gè)域網(wǎng)，提出了一種有序公平時(shí)隙分配機(jī)制。該機(jī)制首先將各節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙請(qǐng)求量升序排列，接著計(jì)算位于第一個(gè)位置節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙請(qǐng)求數(shù)是否小于等于CTAP時(shí)段剩余時(shí)隙數(shù)的均值，如果是，則直接分配，否則，就將CTAP時(shí)段剩余時(shí)隙數(shù)的均值分配給該節(jié)點(diǎn)，之后再對(duì)下一個(gè)位置節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙請(qǐng)求進(jìn)行同樣的操作。該機(jī)制可保證申請(qǐng)時(shí)隙的各節(jié)點(diǎn)都可獲得CTA的分配，一定程度上能提升接入信道的公平性和增大網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

文獻(xiàn)［3］針對(duì)太赫茲無(wú)線個(gè)域網(wǎng)，提出了一種新穎的超幀結(jié)構(gòu)，將CAP時(shí)段與CTAP時(shí)段調(diào)換位置，同時(shí)CAP時(shí)段的CTRq幀如果發(fā)生了重傳，在重傳之前應(yīng)更新時(shí)隙請(qǐng)求量。文獻(xiàn)還提出了合并同一對(duì)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)隙請(qǐng)求，以減少CTA保護(hù)時(shí)隙的個(gè)數(shù)。該文獻(xiàn)提出的幾種機(jī)制降低了數(shù)據(jù)平均時(shí)延以及提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。新超幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

文獻(xiàn)［4］基于太赫茲的體內(nèi)無(wú)線納米傳感器網(wǎng)絡(luò)，提出了一種根據(jù)數(shù)據(jù)的緊急性和節(jié)點(diǎn)的能量消耗聯(lián)合計(jì)算優(yōu)先級(jí)的新機(jī)制，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)服務(wù)優(yōu)先級(jí)來(lái)分配傳輸階段的時(shí)隙，避免了節(jié)點(diǎn)之間的沖突。經(jīng)過(guò)仿真表明，該機(jī)制可有效降低平均時(shí)延以及提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

文獻(xiàn)［5］針對(duì)信道時(shí)間不能被完全利用的問(wèn)題，提出了一種基于動(dòng)態(tài)隊(duì)列長(zhǎng)度的時(shí)隙分配機(jī)制。在該機(jī)制中，各個(gè)DEV節(jié)點(diǎn)主動(dòng)向PNC節(jié)點(diǎn)發(fā)送包含本節(jié)點(diǎn)MAC層數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列長(zhǎng)度大小的時(shí)隙請(qǐng)求幀。然而，這種載有數(shù)據(jù)隊(duì)列長(zhǎng)度信息的時(shí)隙請(qǐng)求幀只能以間隔的方式發(fā)送，因此，PNC節(jié)點(diǎn)不能及時(shí)更新最新的隊(duì)列長(zhǎng)度。于是，該機(jī)制利用歷史到達(dá)的數(shù)據(jù)隊(duì)列大小，動(dòng)態(tài)地計(jì)算出數(shù)據(jù)隊(duì)列大小的概率函數(shù)。然后，PNC節(jié)點(diǎn)根據(jù)這些概率函數(shù)來(lái)給各DEV節(jié)點(diǎn)分配信道時(shí)間。仿真結(jié)果表明，該機(jī)制可以提高信道時(shí)間的利用率。

1 雙LAN太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型

1.1 系統(tǒng)模型與超幀結(jié)構(gòu)

雙LAN太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型主要由兩個(gè)WLAN構(gòu)成，如圖3所示，每個(gè)WLAN由一個(gè)PNC和一些DEV節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，其中PNC節(jié)點(diǎn)可以與本網(wǎng)內(nèi)的所有DEV節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單跳通信，DEV節(jié)點(diǎn)隨機(jī)散落在局域網(wǎng)中，相距較近的DEV節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行單跳通信，而相距較遠(yuǎn)的則需要通過(guò)PNC進(jìn)行中繼通信。DEV節(jié)點(diǎn)分為網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)以及網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)，只能偵聽(tīng)到一個(gè)WLAN廣播的beacon幀的DEV節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)，而能偵聽(tīng)到兩個(gè)WLAN廣播的beacon幀的DEV節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)通過(guò)選舉機(jī)制可以決策出網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)載有協(xié)調(diào)超幀信息的控制消息使兩個(gè)同時(shí)運(yùn)行的太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)完成協(xié)調(diào)融合以及轉(zhuǎn)發(fā)跨LAN的數(shù)據(jù)幀。

太赫茲網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行時(shí)間被劃分為無(wú)數(shù)個(gè)超幀。雙LAN太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)在最初的運(yùn)行階段是兩個(gè)并行的WLAN，均使用普通超幀結(jié)構(gòu)。兩個(gè)WLAN在進(jìn)行協(xié)調(diào)融合之后，均采用協(xié)調(diào)超幀結(jié)構(gòu)。普通超幀結(jié)構(gòu)和協(xié)調(diào)超幀結(jié)構(gòu)分別如圖4和5所示。

每個(gè)普通超幀由四個(gè)具有時(shí)間先后順序的時(shí)段構(gòu)成，即信標(biāo)幀時(shí)段（beacon period，BP）、競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)段（contention access period，CAP）及信道時(shí)間分配時(shí)段（channel time allocation period，CTAP）。BP時(shí)段用于PNC節(jié)點(diǎn)向本W(wǎng)LAN內(nèi)的所有DEV節(jié)點(diǎn)廣播beacon幀；在CAP時(shí)段，WLAN內(nèi)所有DEV節(jié)點(diǎn)以CSMA的方式競(jìng)爭(zhēng)接入信道，以向PNC發(fā)送關(guān)聯(lián)請(qǐng)求幀請(qǐng)求關(guān)聯(lián)入網(wǎng)或發(fā)送CTRq幀申請(qǐng)下一超幀的時(shí)隙資源；CTAP時(shí)段用于節(jié)點(diǎn)間以TDMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)流的傳輸。

每個(gè)協(xié)調(diào)超幀仍由四個(gè)具有時(shí)間先后順序的階段構(gòu)成，即信標(biāo)幀隊(duì)列時(shí)段（beacon alignment period，BAP）、競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)段（contention access period，CAP）、常規(guī)信道時(shí)間分配時(shí)段（normal channel time allocation period，N-CTAP）和公共信道時(shí)間分配時(shí)段（public channel time allocation period，P-CTAP）。比較特殊的是，信標(biāo)幀隊(duì)列階段劃分為了兩個(gè)具有時(shí)間先后順序的beacon時(shí)段，用于兩個(gè)WLAN內(nèi)的PNC先后向各自網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有DEV節(jié)點(diǎn)發(fā)送beacon幀，beacon幀中主要包含了協(xié)調(diào)融合后網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)信息、各個(gè)時(shí)段的起始時(shí)刻及時(shí)長(zhǎng)和CTAP時(shí)段CTA的分配情況；協(xié)調(diào)超幀CAP時(shí)段和普通超幀的CAP時(shí)段所起的作用大致類似；協(xié)調(diào)超幀的CTAP時(shí)段被細(xì)分為了N-CTAP時(shí)段和P-CTAP時(shí)段，而P-CTAP時(shí)段又進(jìn)一步劃分成P-CTAP1時(shí)段和P-CTAP2時(shí)段，兩個(gè)WLAN的N-CTAP時(shí)段在時(shí)間上是并行的，用于傳輸網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流，P-CTAP1、P-CTAP2在時(shí)間上是串行的，分別用于傳輸WLAN1、WLAN2內(nèi)涉及到網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流。

1.2 雙LAN太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)調(diào)融合分析

由于太赫茲超高的頻率會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的路徑損耗，所以太赫茲波非常適合于短距離通信。在太赫茲網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)之間的通信距離最遠(yuǎn)為10 m，因此單個(gè)太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)的最大覆蓋范圍為20 m，太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖6所示。

太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)是一種具有超高速數(shù)據(jù)傳輸速率的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，然而單個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離十分有限，同時(shí)，當(dāng)兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的太赫茲無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍出現(xiàn)交叉重疊時(shí)，位于重疊區(qū)域的節(jié)點(diǎn)會(huì)受到干擾。因此，太赫茲無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)調(diào)融合的需求變得勢(shì)在必行。

雙LAN太赫茲無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)融合方式主要是位于重疊區(qū)域的網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)在收到兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的普通超幀的beacon幀信息后，經(jīng)計(jì)算將兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)的普通超幀經(jīng)計(jì)算合并為協(xié)調(diào)超幀，并通告給兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的PNC節(jié)點(diǎn)，之后，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)均使用協(xié)調(diào)超幀。

1.3 現(xiàn)有協(xié)議相關(guān)機(jī)制介紹

文獻(xiàn)［6］提出了一種基于網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)的超幀統(tǒng)一機(jī)制。該機(jī)制主要是讓網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)在收到兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的普通超幀的beacon幀后，計(jì)算出協(xié)調(diào)超幀信息，然后以CSMA的方式在CAP時(shí)段將載有協(xié)調(diào)超幀信息的heartbeat消息發(fā)送給兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的PNC節(jié)點(diǎn)以完成協(xié)調(diào)融合。

文獻(xiàn)［7］提出了一種基于能量有效的網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制。該機(jī)制主要是定義了一種可以攜帶自身剩余能量值信息的特殊時(shí)隙請(qǐng)求幀，使網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)在CAP時(shí)段進(jìn)行申請(qǐng)時(shí)隙的同時(shí)，可以主動(dòng)向高級(jí)PNC匯報(bào)自身剩余能量值信息，高級(jí)PNC根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的剩余能量值大小選擇好網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)后通過(guò)時(shí)隙請(qǐng)求回復(fù)幀向所有網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)作出通告。

文獻(xiàn)［7］提出了一種網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙分配機(jī)制。該機(jī)制主要是只讓高級(jí)PNC為網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸分配時(shí)隙。

現(xiàn)有IEEE 802.15.3標(biāo)準(zhǔn)并未對(duì)網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)的切換方式作出說(shuō)明，相關(guān)的太赫茲MAC協(xié)議也未對(duì)其進(jìn)行過(guò)研究。

2 問(wèn)題描述

經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有雙LAN太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)MAC協(xié)議仍存在方案設(shè)計(jì)不完善，造成網(wǎng)絡(luò)吞吐量低、數(shù)據(jù)平均時(shí)延大以及時(shí)隙利用率低等問(wèn)題，具體如下：

2.1 網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)選舉機(jī)制不完善

a）一個(gè)超幀的最大長(zhǎng)度約為0.06 s，而每個(gè)DEV節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)前都要主動(dòng)偵聽(tīng)信道至少一個(gè)最大超幀長(zhǎng)度的時(shí)間，所以DEV節(jié)點(diǎn)在請(qǐng)求入網(wǎng)時(shí)，已經(jīng)判斷出了自身是否為網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)。因此，網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)在時(shí)隙申請(qǐng)階段才發(fā)送攜帶自身能量信息的特殊CTRq幀，會(huì)造成選舉網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)所需的耗時(shí)較大。

b）在CAP時(shí)段，只有DEV節(jié)點(diǎn)在有數(shù)據(jù)傳輸需求時(shí)才會(huì)發(fā)送CTRq幀，所以高級(jí)PNC節(jié)點(diǎn)究竟在本超幀的CAP時(shí)段的哪個(gè)時(shí)刻才結(jié)束網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)的選舉過(guò)程便成了一個(gè)不可預(yù)知的問(wèn)題。

c）按照現(xiàn)有機(jī)制，假設(shè)能量值分別為10、20的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先以CSMA的方式競(jìng)爭(zhēng)到了信道，高級(jí)PNC便會(huì)選取能量值為20的節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)，但之后能量值為1 000的節(jié)點(diǎn)才在本超幀的CAP時(shí)段靠后的位置競(jìng)爭(zhēng)到了信道，這會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)并未選取到最合適的網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)。

d）CAP時(shí)段占整個(gè)普通超幀的時(shí)長(zhǎng)不足5%，除了網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)要發(fā)送CTRq幀以外，其余網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)也要申請(qǐng)時(shí)隙，而且網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)在收到兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的beacon幀后極易錯(cuò)過(guò)某一網(wǎng)絡(luò)的CAP時(shí)段，因此在本超幀的CAP時(shí)段同時(shí)完成網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)選舉和網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)融合過(guò)程不太可能，現(xiàn)有機(jī)制不必要地過(guò)早選舉出了網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)。

2.2 現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)融合機(jī)制不夠完善

a）CTAP時(shí)段大約占整個(gè)超幀時(shí)長(zhǎng)的95%，因此當(dāng)網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)先后收到兩個(gè)WLAN的beacon幀后，其中一個(gè)WLAN已經(jīng)進(jìn)入CTAP時(shí)段的可能性極大，這種情況如圖7所示。由于普通超幀是不定長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，故網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)在封裝heartbeat消息時(shí)需要等待最新的兩個(gè)beacon幀接收完畢，所以網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)在以CSMA方式轉(zhuǎn)發(fā)heartbeat消息時(shí)，若某一WLAN已經(jīng)進(jìn)入了CTAP時(shí)段，則存在本超幀以及接下來(lái)幾個(gè)超幀均不能成功轉(zhuǎn)發(fā)heartbeat消息的可能性，導(dǎo)致兩個(gè)WLAN不能快速完成協(xié)調(diào)融合。

b）現(xiàn)有heartbeat消息格式存在冗余且某些字段不能適用于太赫茲網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)融合過(guò)程的所有情況。現(xiàn)有heartbeat消息首部格式及消息負(fù)載分別如圖8和9所示。

2.3 網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)公共CTA時(shí)未考慮兩個(gè)WLAN所剩公共時(shí)隙的負(fù)載均衡

由于網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)要通過(guò)高級(jí)PNC進(jìn)行網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)的選舉，所以網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)在申請(qǐng)關(guān)聯(lián)入網(wǎng)時(shí)，就都會(huì)加入到高級(jí)PNC所在的WLAN中，導(dǎo)致該WLAN的P-CTAP時(shí)段負(fù)載過(guò)重甚至超載，而另一P-CTAP可能相對(duì)空閑，如圖10所示，這在一定程度上抑制了MAC層吞吐量、降低了時(shí)隙利用率以及增大了數(shù)據(jù)平均時(shí)延。

3 EFC-MAC協(xié)議新機(jī)制

為解決上述問(wèn)題，本章提出EFC-MAC協(xié)議新機(jī)制，其包含基于剩余能量值的網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)高效選舉機(jī)制、基于動(dòng)態(tài)申請(qǐng)時(shí)隙的雙LAN高效協(xié)調(diào)融合機(jī)制、基于公共時(shí)段剩余時(shí)隙量動(dòng)態(tài)申請(qǐng)時(shí)隙的負(fù)載均衡機(jī)制以及基于剩余能量值的網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)切換機(jī)制這四種新機(jī)制。仿真表明，這四種新機(jī)制能有效提高M(jìn)AC層吞吐量、提升時(shí)隙利用率以及降低平均數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。

3.1 基于剩余能量值的網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)高效選舉機(jī)制

針對(duì)2.1節(jié)中網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)選舉開(kāi)始及結(jié)束時(shí)刻均不恰當(dāng)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降的問(wèn)題，本文提出了基于剩余能量值的網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)高效選舉機(jī)制以選舉出最合適的網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)。

基于剩余能量值的網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)高效選舉機(jī)制的主要步驟如下所示：

a）各節(jié)點(diǎn)在入網(wǎng)前先偵聽(tīng)信道至少一個(gè)最大超幀長(zhǎng)度，判斷出自身是否為網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)，若是，則轉(zhuǎn)步驟b）；否則，退出該機(jī)制。

b）網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)在請(qǐng)求關(guān)聯(lián)入網(wǎng)時(shí)，定義一種攜帶自身剩余能量值大小的特殊關(guān)聯(lián)請(qǐng)求幀，command type字段使用保留值0x0026，該幀的MAC頭部及有效載荷分別如圖11和12所示，轉(zhuǎn)步驟c）。

c）從高級(jí)PNC第一次收到網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)入網(wǎng)請(qǐng)求幀所在時(shí)刻起，高級(jí)PNC選取本超幀CAP時(shí)段內(nèi)請(qǐng)求入網(wǎng)中剩余能量值最大的一個(gè)網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)，并在下一超幀以廣播一種特殊的beacon幀的方式來(lái)把選舉結(jié)果通知給所有網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)，該特殊beacon幀中frame control字段的frame type使用保留值101，其MAC頭部如圖13所示，轉(zhuǎn)步驟d）。

d）網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)選舉機(jī)制執(zhí)行完畢。

3.2 基于動(dòng)態(tài)申請(qǐng)時(shí)隙的雙LAN高效協(xié)調(diào)融合機(jī)制

針對(duì)2.2節(jié)中雙LAN太赫茲網(wǎng)絡(luò)在經(jīng)歷多個(gè)普通超幀后仍可能完成不了協(xié)調(diào)融合以及現(xiàn)有heartbeat消息格式存在冗余且不能適用于太赫茲網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)融合過(guò)程的所有情況的問(wèn)題，本文提出了基于動(dòng)態(tài)申請(qǐng)時(shí)隙的雙LAN高效協(xié)調(diào)融合機(jī)制。

將現(xiàn)有heartbeat消息去除了冗余字段以及修改部分字段的語(yǔ)義后，定義出了新heartbeat消息，command type字段使用保留值0x0028，MAC頭部和有效載荷分別如圖14和15所示。

基于剩余能量值的網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)高效選舉機(jī)制的主要步驟如下：

a）網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)在先后收到兩個(gè)PNC廣播的beacon幀后，首先計(jì)算出協(xié)調(diào)超幀的起始時(shí)刻以及各時(shí)段時(shí)長(zhǎng)，接著把這些信息同各WLAN內(nèi)DEV個(gè)數(shù)等信息一同封裝入heartbeat消息中，然后以CSMA的方式競(jìng)爭(zhēng)接入信道以廣播heartbeat消息，直至有一個(gè)普通超幀結(jié)束，轉(zhuǎn)步驟b）。

b）網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的beacon幀，判斷出在上一普通超幀是否成功向該WLAN轉(zhuǎn)發(fā)了heartbeat消息，如果是，則轉(zhuǎn)步驟e）；否則，轉(zhuǎn)步驟c）。

c）網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)向未完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)融合的WLAN以發(fā)送特殊CTRq幀的方式申請(qǐng)一個(gè)位置靠后的TU來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)heartbeat消息，該特殊CTRq幀通過(guò)使用command type保留值0x0033來(lái)通知PNC在分配時(shí)隙時(shí)將該節(jié)點(diǎn)的CTA放在CTAP時(shí)段靠后的位置。轉(zhuǎn)步驟d）。

d）網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)在成功申請(qǐng)到時(shí)隙的下一超幀到來(lái)時(shí)，持續(xù)偵聽(tīng)信道，當(dāng)收到兩個(gè)PNC廣播的beacon幀后，重新計(jì)算出協(xié)調(diào)超幀的開(kāi)始時(shí)刻并更新heartbeat消息。在CTAP時(shí)段到來(lái)后，網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)根據(jù)beacon幀中CTA分配信息，計(jì)算出自身進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹗紩r(shí)刻，當(dāng)這一時(shí)刻到來(lái)后，立刻廣播heartbeat消息。轉(zhuǎn)步驟e）。

e）該WLAN完成了網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)融合過(guò)程，等待正式進(jìn)入?yún)f(xié)調(diào)超幀時(shí)期。

3.3 基于公共時(shí)段剩余時(shí)隙量動(dòng)態(tài)申請(qǐng)時(shí)隙的負(fù)載均衡機(jī)制

針對(duì)2.3節(jié)中網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)在申請(qǐng)時(shí)隙時(shí)未考慮兩個(gè)LAN中的各自P-CTAP時(shí)段所剩時(shí)隙量的問(wèn)題，本文提出了基于公共時(shí)段剩余時(shí)隙量動(dòng)態(tài)申請(qǐng)時(shí)隙的負(fù)載均衡機(jī)制。

該機(jī)制定義tspare為 P-CTAP1或P-CTAP2時(shí)段全部空閑時(shí)對(duì)應(yīng)的TU個(gè)數(shù)大小，tCTRq為CTRq幀中請(qǐng)求的TU個(gè)數(shù)大小。該機(jī)制的主要步驟如下所示。

a）網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)、PNC1、PNC2初始化m1、m2的大小分別為本超幀P-CTAP1時(shí)段剩余時(shí)隙的對(duì)應(yīng)的TU個(gè)數(shù)與tspare之和、P-CTAP2時(shí)段剩余時(shí)隙的對(duì)應(yīng)的TU個(gè)數(shù)與tspare之和。轉(zhuǎn)步驟b）。

b）網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)在CAP時(shí)段申請(qǐng)彼此之間通信所需的時(shí)隙前，先比對(duì)m1、m2的大小。如果m1≥m2，則向PNC1發(fā)送CTRq幀，command type字段使用保留值0x0022；否則，向PNC2發(fā)送CTRq幀，command type字段使用保留值0x0023。轉(zhuǎn)步驟c）。

c）PNC1若收到command type字段值為0x0022的CTRq幀，判斷m1≥tspare的結(jié)果是否為真，若是，轉(zhuǎn)步驟d）；否則，直接將申請(qǐng)的時(shí)隙分配到下一超幀的P-CTAP1時(shí)段，轉(zhuǎn)步驟f）。若PNC1收到command type字段為0x0023的CTRq幀，則直接丟棄，轉(zhuǎn)步驟f）。PNC2若收到command type字段值為0x0023的CTRq幀，判斷m2≥tspare的結(jié)果是否為真，若是，轉(zhuǎn)步驟e）；否則，直接將時(shí)隙分配在下一超幀P-CTAP2時(shí)段，轉(zhuǎn)步驟f）。若收到command type字段為0x0022的CTRq幀，則直接丟棄，轉(zhuǎn)步驟f）。

d）PNC1判斷m1-tspare≤tCTRq的結(jié)果是否為真，如果是，則將t=m1-tspare的大小分配在本超幀的P-CTAP1時(shí)段，將tCTRq-t的值分配到下一超幀的P-CTAP1時(shí)段；否則，直接將申請(qǐng)的全部時(shí)隙分配在本超幀的P-CTAP1時(shí)段。令m1-=tCTRq。轉(zhuǎn)步驟f）。

e）PNC2判斷m2-tspare≤tCTRq的結(jié)果是否為真，如果是，則將t=m2-tspare的大小分配在本超幀的P-CTAP2時(shí)段，將tCTRq-t的值分配到下一超幀的P-CTAP2時(shí)段；否則，直接將申請(qǐng)的全部時(shí)隙分配在本超幀的P-CTAP2時(shí)段。令m2-=tCTRq。轉(zhuǎn)步驟f）。

f）網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)在CAP時(shí)段收到CTRp幀后，查看該幀的frame control字段的b15保留值是否為1，如果是，轉(zhuǎn)步驟g）；如果否，則直接忽略，轉(zhuǎn)步驟l）。

g）網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)查看PNID的值，如果PNID是WLAN1的網(wǎng)絡(luò)號(hào)，轉(zhuǎn)步驟h）；否則，轉(zhuǎn)步驟i）。

h）網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)判斷m1-tspare>0是否為真，如果是，轉(zhuǎn)步驟j）；否則，忽略，轉(zhuǎn)步驟l）。

i）網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)判斷m2-tspare>0是否為真，如果是，轉(zhuǎn)步驟k）；否則，忽略，轉(zhuǎn)步驟l）。

j）網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)判斷m1-tspare> tCTRq的結(jié)果是否為真，如果是，則將tCTRq和目的ID插入到L1的尾部，并讓m1-=tCTRq；否則，只將m1-tspare的值和目的ID插入到L1的尾部，并令m1=tspare。轉(zhuǎn)步驟l）。

k）網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)判斷m2-tspare> tCTRq的結(jié)果是否為真，如果是，則將tCTRq和目的ID插入到L2的尾部，并讓m2-=tCTRq；否則，只將m2-tspare的值和目的ID插入到L2的尾部，并令m2=tspare。轉(zhuǎn)步驟l）。

l）在P-CTAPi（i=1，2）的剩余時(shí)段，網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)按照Li（i=1，2）中鏈表項(xiàng)的順序來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。假設(shè)P-CTAPi的剩余時(shí)隙起始時(shí)刻為Tc，CTA之間的保護(hù)間隔時(shí)間為guard_time，Li鏈表中的TU個(gè)數(shù)分別為t1、t2、t3、…、tn，共計(jì)有n項(xiàng)。如果DEV1節(jié)點(diǎn)遍歷Li鏈表后發(fā)現(xiàn)自身位于第m項(xiàng)，則該節(jié)點(diǎn)在P-CTAPi的剩余時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹗紩r(shí)刻為Tstart=Tc+guard_time+（t1+t2+…+tm-1）（TU+ guard_time），接入信道的時(shí)長(zhǎng)為Tduring=tm×TU。轉(zhuǎn)步驟m）。

m）基于公共時(shí)段剩余時(shí)隙量動(dòng)態(tài)申請(qǐng)時(shí)隙的負(fù)載均衡機(jī)制結(jié)束。

3.4 基于剩余能量值的網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)切換機(jī)制

針對(duì)現(xiàn)有IEEE 802.15.3標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)太赫茲MAC協(xié)議未考慮到網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)切換的情形，本文提出了基于剩余能量值的網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)切換機(jī)制。

該機(jī)制的主要步驟如下所示。

a）當(dāng)網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)檢測(cè)出自身剩余能量值不足時(shí)，若有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸需求，則向高級(jí)PNC發(fā)送command type字段為0x0029的CTRq幀，在進(jìn)行時(shí)隙申請(qǐng)的同時(shí)也表明請(qǐng)求切換網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)；否則，向高級(jí)PNC發(fā)送command type字段為0x0030的控制幀，表明請(qǐng)求切換網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)。轉(zhuǎn)步驟b）。

b）高級(jí)PNC在接收到command type字段為0x0029或0x0030的控制幀后，回復(fù)保留位b15為1的ACK幀，通知所有網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)上報(bào)自身的剩余能量值。同時(shí)，高級(jí)PNC開(kāi)啟一個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度為CAP時(shí)段長(zhǎng)度的定時(shí)器，該定時(shí)器只在CAP時(shí)段啟用，在其余時(shí)段均處于暫停狀態(tài)。轉(zhuǎn)步驟c）。

c）網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)在接收到保留位b15為1的ACK幀后，主動(dòng)發(fā)送攜帶自身能量信息的CTRq幀，該CTRq幀的MAC頭部與圖11保持一致，command type字段使用保留值0x0031，表明該CTRq幀攜帶有節(jié)點(diǎn)剩余能量信息。轉(zhuǎn)步驟d）。

d）定時(shí)器到時(shí)后，高級(jí)PNC選取期間發(fā)送剩余能量值最大的節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)，并將其設(shè)備ID號(hào)填入到command type字段使用了保留值0x0032的特殊命令幀的DestID字段，然后以CSMA的方式發(fā)送該特殊命令幀。轉(zhuǎn)步驟e）。

e）基于剩余能量值的網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)切換機(jī)制結(jié)束。

4 EFC-MAC協(xié)議操作流程

EFC-MAC協(xié)議適用于具有重疊區(qū)域的雙LAN太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)。其中，高級(jí)PNC是指具有更高優(yōu)先級(jí)值的PNC節(jié)點(diǎn)。EFC-MAC協(xié)議的操作流程具體如下所示。

a）節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)前主動(dòng)偵聽(tīng)信道至少一個(gè)最大超幀長(zhǎng)度的時(shí)間，如果未接收到beacon幀，則表明周邊尚未形成太赫茲局域網(wǎng)，轉(zhuǎn)步驟b）；否則，轉(zhuǎn)步驟c）。

b）該節(jié)點(diǎn)主動(dòng)成為本W(wǎng)LAN的PNC節(jié)點(diǎn)，在0～65 535隨機(jī)選取一個(gè)值作為PNID，之后周期性廣播beacon幀，正式組建了太赫茲局域網(wǎng)，轉(zhuǎn)步驟d）。

c）如果接收到了具有不同PNID的beacon幀，則該節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)步驟d）；否則，該節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)步驟d）。

d）普通超幀進(jìn)入到了CAP時(shí)段，在本超幀準(zhǔn)備入網(wǎng)的網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送普通關(guān)聯(lián)請(qǐng)求幀，已入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸需求時(shí)發(fā)送CTRq幀來(lái)申請(qǐng)時(shí)隙資源，在本超幀準(zhǔn)備入網(wǎng)的網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)和高級(jí)PNC執(zhí)行基于剩余能量值的網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)高效選舉機(jī)制以選舉出目前最合適的網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)步驟e）。

e）網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)執(zhí)行基于動(dòng)態(tài)申請(qǐng)時(shí)隙的雙LAN高效協(xié)調(diào)融合機(jī)制，完成了兩個(gè)太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)的協(xié)調(diào)融合過(guò)程，轉(zhuǎn)步驟f）。

f）兩個(gè)太赫茲局域網(wǎng)均已進(jìn)入了協(xié)調(diào)超幀時(shí)期，PNC將網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求分配在N-CTAP時(shí)段，將網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求分配在P-CTAP時(shí)段。網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)之間有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸需求時(shí)，網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)和PNC執(zhí)行基于公共時(shí)段剩余時(shí)隙量動(dòng)態(tài)申請(qǐng)時(shí)隙的負(fù)載均衡機(jī)制。網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)若檢測(cè)出自身剩余能量值不足，執(zhí)行基于剩余能量值的網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)切換機(jī)制。

5 仿真分析

本文采用OPNET Modeler 14.5仿真工具分別對(duì)IEEE 802.15.3協(xié)議、AHT-MAC協(xié)議和EFC-MAC協(xié)議進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

5.1 仿真參數(shù)設(shè)置

主要仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

在整個(gè)仿真驗(yàn)證過(guò)程中，根據(jù)各LAN中DEV節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的不同，設(shè)置5個(gè)場(chǎng)景，將EFC-MAC協(xié)議、AHT-MAC協(xié)議和IEEE 802.15.3協(xié)議這三個(gè)協(xié)議的性能進(jìn)行對(duì)比。

5.2 仿真統(tǒng)計(jì)量

5.2.1 MAC層吞吐量

MAC層吞吐量是指在單位時(shí)間內(nèi)各節(jié)點(diǎn)在MAC層成功接收的數(shù)據(jù)量之和。MAC層吞吐量計(jì)算公式如下：

其中：n是雙LAN太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；Bi是第i個(gè)節(jié)點(diǎn)成功接收的數(shù)據(jù)量，單位為bps；t表示網(wǎng)絡(luò)仿真運(yùn)行時(shí)間。

5.2.2 數(shù)據(jù)平均時(shí)延

數(shù)據(jù)平均時(shí)延是指數(shù)據(jù)幀從源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生到成功被目的節(jié)點(diǎn)接收的平均耗時(shí)，單位為s，其計(jì)算公式為

其中：N是各節(jié)點(diǎn)成功接收數(shù)據(jù)幀的個(gè)數(shù)；Ti是每個(gè)被成功接收的數(shù)據(jù)幀從產(chǎn)生到被接收的耗時(shí)。

5.2.3 時(shí)隙利用率

時(shí)隙利用率是指各節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀所需的傳輸時(shí)間之和占仿真總時(shí)間的比例，其計(jì)算公式為

其中：Ti是節(jié)點(diǎn)發(fā)送第i個(gè)數(shù)據(jù)幀所用的傳輸時(shí)間；t是仿真運(yùn)行總時(shí)間。

5.3 仿真結(jié)果及分析

5.3.1 MAC層吞吐量

根據(jù)圖16的結(jié)果分析可知，MAC層吞吐量會(huì)隨著各LAN中DEV個(gè)數(shù)的增加而逐漸上升，當(dāng)DEV個(gè)數(shù)到達(dá)一定數(shù)量時(shí)，MAC層吞吐量會(huì)趨于飽和，這主要是由于這時(shí)的MAC層吞吐量已經(jīng)基本到達(dá)了協(xié)議所支持的上限。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)趨于飽和時(shí)，EFC-MAC協(xié)議的MAC層吞吐量穩(wěn)定在了4.6 Gbps左右且高于另外兩種協(xié)議，主要原因在于：a）基于剩余能量值的網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)高效選舉機(jī)制能夠快速高效地選舉出合適的網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)，更快地使跨LAN數(shù)據(jù)得到轉(zhuǎn)發(fā)，增大了MAC層吞吐量；b）基于動(dòng)態(tài)申請(qǐng)時(shí)隙的雙LAN高效協(xié)調(diào)融合機(jī)制能使兩個(gè)同時(shí)運(yùn)行的WLAN快速完成協(xié)調(diào)融合，減少了heartbeat消息一直以CSMA的方式競(jìng)爭(zhēng)接入信道對(duì)在CTAP時(shí)段傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流的干擾，增大了MAC層吞吐量；c）基于公共時(shí)段剩余時(shí)隙量動(dòng)態(tài)申請(qǐng)時(shí)隙的負(fù)載均衡機(jī)制能使網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)充分利用P-CTAP1、P-CTAP2的剩余時(shí)隙，增大了MAC層吞吐量；d）基于剩余能量值的網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)切換機(jī)制能快速準(zhǔn)確地切換網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)，維持了跨網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的正常交互，增大了MAC層吞吐量。

5.3.2 數(shù)據(jù)平均時(shí)延

根據(jù)圖17的結(jié)果分析可知，數(shù)據(jù)平均時(shí)延會(huì)隨著各LAN中DEV個(gè)數(shù)的增加而逐漸上升，這主要是由于在CAP時(shí)段，所有節(jié)點(diǎn)都是以CSMA的方式競(jìng)爭(zhēng)接入信道，所以節(jié)點(diǎn)愈多，碰撞的可能性愈大，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)不能及時(shí)申請(qǐng)到用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)隙。然而，從整體上來(lái)看，EFC-MAC協(xié)議的數(shù)據(jù)平均時(shí)延較另外兩種協(xié)議的數(shù)據(jù)平均時(shí)延有一定程度的下降。主要原因在于：a）基于剩余能量值的網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)高效選舉機(jī)制能夠快速高效地選舉出合適的網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)，減少網(wǎng)絡(luò)中不必要的控制幀交互，提升了有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸需求的節(jié)點(diǎn)能成功接入信道的概率，降低了數(shù)據(jù)平均時(shí)延；b）基于動(dòng)態(tài)申請(qǐng)時(shí)隙的雙LAN高效協(xié)調(diào)融合機(jī)制能使兩個(gè)同時(shí)運(yùn)行的WLAN快速完成協(xié)調(diào)融合，減少了heartbeat消息一直以CSMA的方式競(jìng)爭(zhēng)接入信道對(duì)在CTAP時(shí)段傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流的干擾，降低了數(shù)據(jù)平均時(shí)延；c）基于公共時(shí)段剩余時(shí)隙量動(dòng)態(tài)申請(qǐng)時(shí)隙的負(fù)載均衡機(jī)制能使網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)充分利用P-CTAP1、P-CTAP2的剩余時(shí)隙，降低了數(shù)據(jù)平均時(shí)延；d）基于剩余能量值的網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)切換機(jī)制能快速準(zhǔn)確的切換網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)，維持了跨網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的正常交互，降低了數(shù)據(jù)平均時(shí)延。

5.3.3 時(shí)隙利用率

根據(jù)圖18的結(jié)果分析可知，時(shí)隙利用率會(huì)隨著各LAN中DEV個(gè)數(shù)的增加而逐漸上升，當(dāng)DEV個(gè)數(shù)到達(dá)一定數(shù)量時(shí)，時(shí)隙利用率會(huì)趨于穩(wěn)定。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到飽和時(shí)，EFC-MAC協(xié)議的時(shí)隙利用率穩(wěn)定在了0.57左右且高于另外兩種協(xié)議，主要原因是：a）基于剩余能量值的網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)高效選舉機(jī)制能夠快速高效地選舉出合適的網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)，更快地使跨LAN數(shù)據(jù)得到轉(zhuǎn)發(fā)，提升了時(shí)隙利用率；b）基于動(dòng)態(tài)申請(qǐng)時(shí)隙的雙LAN高效協(xié)調(diào)融合機(jī)制能使兩個(gè)同時(shí)運(yùn)行的WLAN快速完成協(xié)調(diào)融合，減少了heartbeat消息一直以CSMA的方式競(jìng)爭(zhēng)接入信道對(duì)在CTAP時(shí)段傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流的干擾，提升了時(shí)隙利用率；c）基于公共時(shí)段剩余時(shí)隙量動(dòng)態(tài)申請(qǐng)時(shí)隙的負(fù)載均衡機(jī)制能使網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)充分利用P-CTAP1、P-CTAP2的剩余時(shí)隙，提升了時(shí)隙利用率；d）基于剩余能量值的網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)切換機(jī)制能快速準(zhǔn)確地切換網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)，維持了跨網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的正常交互，提升了時(shí)隙利用率。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有協(xié)議中存在的網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)選舉機(jī)制不完善、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)融合機(jī)制存在不足之處、網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)公共時(shí)隙方式不夠靈活以及網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)切換機(jī)制尚不明確等問(wèn)題，提出了一種高效快速融合的雙LAN太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)MAC協(xié)議——EFC-MAC協(xié)議。將提出的EFC-MAC協(xié)議與另外兩種協(xié)議進(jìn)行了比較，仿真結(jié)果表明，EFC-MAC協(xié)議提高了MAC層吞吐量，提升了時(shí)隙利用率以及降低了數(shù)據(jù)平均時(shí)延。在未來(lái)的研究中，將以EFC-MAC協(xié)議為基礎(chǔ)，研究在兩個(gè)以上WLAN的條件下，太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)能快速高效進(jìn)行協(xié)調(diào)融合的方法。

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收稿日期：2023-03-12；修回日期：2023-04-28基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61971080）

作者簡(jiǎn)介：古金東（1997-），男（通信作者），河北張家口人，碩士研究生，CCF會(huì)員，主要研究方向?yàn)殡pLAN太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)MAC協(xié)議（1078100933@qq.com）；任智（1971-），男，四川內(nèi)江人，教授，博導(dǎo)，博士，主要研究方向?yàn)閷拵o(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)；陳春宇（1999-），男，重慶人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘掌潫o(wú)人機(jī)局域網(wǎng)定向MAC協(xié)議；劉洋（1997-），男，重慶石柱人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘掌滿AC協(xié)議.