0 引言

    太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)是一種自組織網(wǎng)絡(luò)，其通信頻率范圍為0.1 THz～10 THz^[1]。與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)相比，太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)的最大優(yōu)勢在于其具有巨大的可用帶寬，可以支持10 Gb/s的數(shù)據(jù)速率，這可以滿足人們越來越高的需求。

    在關(guān)于太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)的現(xiàn)有研究^[2-3]中，大多數(shù)考慮的是全向傳輸?shù)膱鼍啊Ｔ诠β适芟薜臈l件下，太赫茲頻段的高路徑衰減使其全向傳輸?shù)木嚯x只能達(dá)到1 m^[4]左右，這嚴(yán)重影響了它在實(shí)際中的應(yīng)用。而通過波束賦形技術(shù)，源目的節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)定向通信，即源節(jié)點(diǎn)在對準(zhǔn)接收節(jié)點(diǎn)的方向上發(fā)送數(shù)據(jù)。目的節(jié)點(diǎn)在對準(zhǔn)源節(jié)點(diǎn)的方向上接收數(shù)據(jù)，這可以顯著提高太赫茲頻段的通信距離。因此，波束賦形技術(shù)在太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)的應(yīng)用顯得尤為重要。文獻(xiàn)[5]提出了基于碼本的60 GHz波束賦形協(xié)議。該協(xié)議將節(jié)點(diǎn)間的波束賦形訓(xùn)練過程分為3個(gè)級別：準(zhǔn)全向級別、扇區(qū)級別、波束級別。這3個(gè)級別的定向增益依次增大，而覆蓋范圍依次減小。為了達(dá)到相同的傳播距離，3個(gè)級別采用的編碼調(diào)制方案也不同，定向增益大的級別使用更高階調(diào)制方案。上一級別確定后，下一級別再根據(jù)需求啟動(dòng)。上一級別是前提，下一級別是細(xì)分。不同級別劃分的方法避免了大量的不必要的同步開銷。文獻(xiàn)[6]提出了一種適用于室內(nèi)THz通信的快速波束掃描策略。該策略的主要思路是收發(fā)端首先通過2.4 GHz頻段進(jìn)行粗略的掃描，確定大概方位后再進(jìn)行THz頻段的精細(xì)掃描。在該文中，2.4 GHz頻段的定向波束寬度被設(shè)置為36°，而THz頻段的定向波束寬度被設(shè)置為12°。發(fā)送端在進(jìn)行粗略掃描時(shí)要進(jìn)行離開角度估計(jì)(Angle of Depature estimation，AoD)，接收端在進(jìn)行粗略掃描時(shí)要進(jìn)行到達(dá)角度估計(jì)(Angle of Arrival estimation，AoA)。粗略掃描結(jié)束后，收發(fā)兩端得到了關(guān)于對方的大概方位信息，然后收發(fā)兩端根據(jù)大概的方位信息縮小THz頻段的波束掃描范圍，從而達(dá)到減少波束賦形時(shí)長的目的。這種方法雖然減少了波束賦形的時(shí)間，但是增加了硬件成本。

    針對上述問題，KIM E J等人提出基于IEEE 802.15.3c（以下簡稱3c）標(biāo)準(zhǔn)的CAP自適應(yīng)分配機(jī)制^[7]（ACAP-MAC）。ACAP-MAC優(yōu)化了3c協(xié)議的CAP時(shí)段劃分，主要思想是取消了沒有節(jié)點(diǎn)的Regular S-CAP時(shí)段，以及根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)量動(dòng)態(tài)分配該時(shí)段，避免了不必要的時(shí)段浪費(fèi)。但是，該協(xié)議在節(jié)點(diǎn)間波束賦形訓(xùn)練和單節(jié)點(diǎn)扇區(qū)時(shí)段分配方面沒有進(jìn)行優(yōu)化。

    本文提出了一種太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)高時(shí)隙利用率快速定向MAC協(xié)議(High Slot Utilization Rate and Fast Directional MAC Protocol，HUFD-MAC)，可有效提高時(shí)隙利用率，減少網(wǎng)絡(luò)開銷，降低波束賦形用時(shí)。

1 網(wǎng)絡(luò)模型與問題分析

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

    本文基于3c標(biāo)準(zhǔn)研究太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)的波束賦形問題，其超幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    在Beacon時(shí)期，PNC首先向各個(gè)方向廣播攜帶網(wǎng)絡(luò)基本信息的Beacon幀，微網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)循環(huán)旋轉(zhuǎn)接收Beacon幀。未入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)會(huì)在對應(yīng)的Association S-CAP時(shí)段進(jìn)行關(guān)聯(lián)操作，加入該微微網(wǎng)(Piconet)。已入網(wǎng)且有數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)會(huì)在Regular S-CAP時(shí)段向PNC請求時(shí)隙，Regular CAP可以用于節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)幀傳輸，CAP各時(shí)期均采用CSMA/CA接入方式。CTAP包括CTAs(Channel Time Allocations)和MCTAs(Management CTAs)兩種。CTAs主要用于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送同步/異步數(shù)據(jù)流、命令幀等信息，采用TDMA的接入方式，提供具有QoS保證的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。而MCTAs在某些情況下可替代CAP傳輸命令幀，但該時(shí)期主要是用來進(jìn)行DEV和PNC之間通信。

1.2 問題分析

    (1)在ACAP-MAC協(xié)議中，Regular S-CAP中各個(gè)子時(shí)段長度是按照式(1)分配的。

其中，m_j表示扇區(qū)j中的節(jié)點(diǎn)數(shù)，m_total表示所有扇區(qū)的節(jié)點(diǎn)總數(shù)，s_{total_CAP}表示在3c中Regular S-CAP的時(shí)段總長，s_j表示分配給扇區(qū)j的子時(shí)段時(shí)長。通過改變Regular S-CAP start time字段和S-CAP duration字段的值來實(shí)現(xiàn)這種自適應(yīng)的扇區(qū)時(shí)段分配。考慮到扇區(qū)j中只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況，則由式(1)求得分配給扇區(qū)j的子時(shí)段時(shí)長為：

    此時(shí)會(huì)出現(xiàn)一種情況：按照式(2)計(jì)算出來的sj大于節(jié)點(diǎn)與PNC交互時(shí)隙請求消息的時(shí)間。在這種情況下，均會(huì)存在時(shí)隙的浪費(fèi)情況。

    (2)在現(xiàn)有波束訓(xùn)練過程中，在收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的波束訓(xùn)練幀后，目的節(jié)點(diǎn)會(huì)向源節(jié)點(diǎn)所在扇區(qū)發(fā)出多個(gè)波束訓(xùn)練幀，以便讓源節(jié)點(diǎn)成功接收其中的一個(gè)。而在能夠準(zhǔn)確計(jì)算源節(jié)點(diǎn)接收扇區(qū)的情況下，目的節(jié)點(diǎn)只需要在對應(yīng)的時(shí)刻向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)波束訓(xùn)練幀，該幀便能被源節(jié)點(diǎn)成功接收。因此，現(xiàn)有波束訓(xùn)練操作存在冗余的控制開銷和時(shí)間消耗。

2 HUFD-MAC協(xié)議

2.1 利用冗余單節(jié)點(diǎn)扇區(qū)傳輸下行數(shù)據(jù)

    該機(jī)制的基本思路是：PNC利用分配給單節(jié)點(diǎn)扇區(qū)的多余時(shí)長傳輸下行數(shù)據(jù)。具體方案如下：

    當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在單節(jié)點(diǎn)扇區(qū)且分配給該扇區(qū)的時(shí)長大于節(jié)點(diǎn)與PNC交互時(shí)隙請求消息所需的時(shí)間時(shí)，PNC在該扇區(qū)發(fā)送one-device標(biāo)志位置1的Beacon幀。節(jié)點(diǎn)收到Beacon幀，并提取one-device字段，如果值為1且在當(dāng)前超幀對應(yīng)的Association S-CAP時(shí)段沒有收到PNC對于其他節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)回復(fù)(表明在同一扇區(qū)沒有其他節(jié)點(diǎn)入網(wǎng))，則在Regular S-CAP start time到期時(shí)直接向PNC發(fā)送時(shí)隙請求幀。PNC利用單節(jié)點(diǎn)扇區(qū)的Regular S-CAP時(shí)段進(jìn)行下行數(shù)據(jù)的傳輸。Beacon幀Regular S-CAP info字段格式如圖2所示。

2.2 基于時(shí)間信息減少目的節(jié)點(diǎn)發(fā)幀

    該機(jī)制的基本思路是：數(shù)據(jù)幀目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的波束訓(xùn)練幀序號、發(fā)送一個(gè)波束訓(xùn)練幀的時(shí)間、節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽一個(gè)波束訓(xùn)練幀的時(shí)間等信息，計(jì)算源節(jié)點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)監(jiān)聽過程中轉(zhuǎn)到自己所在扇區(qū)的準(zhǔn)確時(shí)刻，然后在該時(shí)刻向數(shù)據(jù)幀源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)波束訓(xùn)練幀。具體方案如下：

    目的節(jié)點(diǎn)在收到了源節(jié)點(diǎn)的波束訓(xùn)練幀后會(huì)從中提取天線信息和序號，并根據(jù)式(3)計(jì)算其位于源節(jié)點(diǎn)的扇區(qū)號。

其中，t_s表示供節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)波束訓(xùn)練幀所用時(shí)間(包括幀間間隔)，t_r表示供節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽一個(gè)波束訓(xùn)練幀所用時(shí)間(包括幀間間隔)；t_p、m分別表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的波束訓(xùn)練幀的時(shí)刻和該波束訓(xùn)練幀的序號，n表示扇區(qū)總數(shù)。目的節(jié)點(diǎn)在t_a時(shí)刻向源節(jié)點(diǎn)所在扇區(qū)發(fā)送一個(gè)帶有序號和自己天線信息的波束訓(xùn)練幀。至此，本新機(jī)制操作結(jié)束，流程圖如圖3所示。

2.3 性能分析

    引理1：HUFD-MAC協(xié)議的吞吐量不低于3c和ACAP-MAC。

    證明：在3c和ACAP-MAC中，節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的發(fā)送/接收均在CTAP時(shí)段進(jìn)行。而在HUFD-MAC中，節(jié)點(diǎn)不僅可以在CTAP時(shí)段傳輸數(shù)據(jù)，還可以在CAP時(shí)段機(jī)會(huì)性地傳輸數(shù)據(jù)。假設(shè)一個(gè)超幀長為L，CTAP的占比為R，數(shù)據(jù)傳輸速率為D。為簡化計(jì)算，假設(shè)CTAP時(shí)段全部用于發(fā)送數(shù)據(jù)，則3c和ACAP-MAC一個(gè)超幀傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量A₁的計(jì)算公式為式(5)，每秒包含的超幀個(gè)數(shù)Q的計(jì)算公式為式(6)：

    由式(5)和式(6)可知，3c和ACAP-MAC的網(wǎng)絡(luò)吞吐量T₁為： 

    引理2：HUFD-MAC為一次節(jié)點(diǎn)間波束賦形訓(xùn)練所用的開銷低于ACAP-MAC。

    證明：假設(shè)節(jié)點(diǎn)的扇區(qū)數(shù)均為S，則在ACAP-MAC中節(jié)點(diǎn)間的波束賦形訓(xùn)練開銷C_ACAP分為兩個(gè)部分：C_ACAP1和C_ACAP2。

其中，C_HUFD1表示HUFD-MAC協(xié)議波束賦形訓(xùn)練第一階段所用的開銷，C_HUFD2表示HUFD-MAC協(xié)議波束賦形訓(xùn)練第二階段所用的開銷。

    由式(9)～式(12)可得：

    由C_BF>0，S>1可得：C_ACAP>C_HUFD，得證。

3 仿真分析

    本文通過OPNET仿真工具比較HUFD-MAC、3c以及ACAP-MAC協(xié)議的性能，仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3.1 MAC層吞吐量

    MAC層吞吐量是指單位時(shí)間內(nèi)MAC層成功接收到的比特?cái)?shù)。圖4表明HUFD-MAC擁有更高的吞吐量，這是因?yàn)椋?1)該協(xié)議利用冗余單節(jié)點(diǎn)扇區(qū)傳輸下行數(shù)據(jù)使得PNC可以不占用CTAP時(shí)段發(fā)送部分下行數(shù)據(jù)，這樣更多其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以在CTAP時(shí)段發(fā)送；(2)該協(xié)議基于時(shí)間信息減小了節(jié)點(diǎn)間波束賦形訓(xùn)練的冗余開銷，使得更多的數(shù)據(jù)得以發(fā)送。

3.2 數(shù)據(jù)平均時(shí)延

    數(shù)據(jù)時(shí)延是指源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包到目的節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包的時(shí)間，而數(shù)據(jù)包平均時(shí)延是所有數(shù)據(jù)包的時(shí)延總和取均值。圖5表明HUFD-MAC協(xié)議的數(shù)據(jù)平均時(shí)延最低，其主要原因是：(1)利用冗余單節(jié)點(diǎn)扇區(qū)傳輸下行數(shù)據(jù)機(jī)制使得PNC的部分?jǐn)?shù)據(jù)得以提前發(fā)送；(2)基于時(shí)間信息減少了目的節(jié)點(diǎn)發(fā)幀數(shù)量，縮短了節(jié)點(diǎn)間波束賦形訓(xùn)練的時(shí)間，從而使得本應(yīng)在后發(fā)送的數(shù)據(jù)可以提前發(fā)送。

3.3 歸一化控制開銷

    歸一化控制開銷是指所有控制幀所占的比特?cái)?shù)與控制幀和數(shù)據(jù)幀總共所占比特?cái)?shù)的比值。圖6表明HUFD-MAC的歸一化控制開銷最小，這是因?yàn)樵搮f(xié)議采用了基于時(shí)間信息減少目的節(jié)點(diǎn)發(fā)幀機(jī)制，這顯著減小了節(jié)點(diǎn)間波束賦形發(fā)送的訓(xùn)練幀數(shù)量，從而使得控制開銷所占比例降低。

4 結(jié)束語

    本文針對現(xiàn)有定向MAC協(xié)議存在冗余單節(jié)點(diǎn)扇區(qū)時(shí)段分配、波束賦形訓(xùn)練開銷過大以及用時(shí)過長等問題，提出了一種太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)高時(shí)隙利用率快速定向MAC協(xié)議（HUFD-MAC）。該協(xié)議采用冗余單節(jié)點(diǎn)扇區(qū)傳輸下行數(shù)據(jù)以及基于時(shí)間信息減少發(fā)送波束訓(xùn)練幀數(shù)量的機(jī)制，有效提高時(shí)隙利用率，減少網(wǎng)絡(luò)開銷，降低波束賦形用時(shí)。

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作者信息:

任  智，徐兆坤，康  健

（重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶400065）