0 引言

    太赫茲波^[1，2]是位于毫米波和遠紅外光波之間的電磁波，其波長范圍為0.03 mm～3 mm，相應頻率范圍為0.1 THz～10 THz。太赫茲波處于宏觀經典理論向微觀量子理論的過渡區，它是人類最后一個尚未完全認知利用的頻段。

    太赫茲無線個域網^[3]是一種新型的無線網絡，與傳統無線個域網^[4]不同，它工作在太赫茲頻段且可支持數十Gb/s乃至1 Tb/s的數據傳輸速率。現有的太赫茲無線個域網都是在結合太赫茲頻段的特點下基于IEEE 802.15.3c信道接入部分進行研究。PRIEBE S^[5]提出太赫茲通信的MAC層理論，對比分析幾種不同太赫茲用途模型的MAC層需實現的功能，指出針對不同的用途模型應采用不同的太赫茲MAC解決方案，并建議太赫茲無線個域網MAC協議以IEEE 802.15.3c為基準，在其上修改形成新的協議。JORNET J M等^[6]提出一種太赫茲電磁納米網絡MAC協議，利用物理層脈沖通信的特性，使節點有數據可以直接發送而不需等待，并采取低權重編碼和重復編碼降低誤碼率，但這些編碼方案的采用將大大降低編碼效率。文獻[7]基于IEEE 802.15.3c對太赫茲環境特點進行研究，設計了以提高太赫茲無線個域網性能的HTLD-MAC(High Throughput Low Delay MAC protocol for Terahertz wireless network environment)協議。在HTLD-MAC中，作者提出了一種動態均衡超幀思想，即調整時隙請求與數據發送之間的占時比例，以保證本超幀的時隙請求量與時隙資源量達到動態平衡，實現網絡吞吐量最大化及接入時延最小化，其超幀結構如圖1所示。

1 網絡模型與問題描述

1.1 網絡模型

    太赫茲無線個域網通常由多個DEV(Device)和一個PNC(Piconet coordinator)組成。DEV是網絡中基本單元，承載數據通信；而PNC是一種特殊的DEV，具備更為強大的功能，負責網絡中信道接入管理。

    太赫茲無線個域網的信道資源根據時間被劃分為一個個超幀，每個超幀由三階段構成：信標BP(Beacon period)、競爭接入時段CAP(Channel Access Period)、信道時間分配時段CTAP(Channel Time Allocation Period)，如圖2所示，DEV在各時期采用CSMA/CA+TDMA混合方式接入信道。

    PNC在每個超幀的BP時期全向廣播Beacon幀，包含網絡同步信息、時隙分配信息和其他一些控制信息，DEV在收到Beacon幀后，根據同步信息進行時間同步，同時獲取自己在CTAP時期時隙分配情況。CAP時期采用CSMA/CA方式競爭信道，有數據發送需求的DEV向PNC發送信道時隙申請幀，PNC根據收到的信道時隙申請在下一超幀的Beacon幀中廣播時隙分配信息。CTAP由一系列CTA(Channel time allocation)組成，采用TDMA方式接入信道，各DEV在屬于自己的時隙中發送數據。

1.2 問題描述

    研究發現，現有相關MAC協議仍然存在方案設計不完善、信道利用率較低等問題，具體如下：

    (1)在文獻[7]提出的動態均衡超幀思想中，假設網絡中所有節點在每個超幀均參與數據發送，而一旦超出此假設條件，如某個節點在一個超幀中沒有發送時隙請求，網絡中滿足超幀時隙資源量T_CTAP大于T_R且時隙請求個數N_R等于網絡總關聯節點個數N_A減1，因無法觸發PNC判斷條件，故CAP時段將持續到再次有節點發送時隙請求時才可能結束，這極大地增加了數據時延，降低了網絡吞吐量。

    (2)在現有相關MAC協議^[8]中，節點在請求時隙時需要進行退避，退避值為0到退避窗口之間的一個隨機值，而其退避窗口根據重傳次數(0、1、2、3)依次取值為(7、15、31、63)。實際上，在一個超幀中每個節點只請求一次時隙，成功后該節點將不再競爭信道，而越到后面成功發送時隙請求的節點越多，信道競爭將越小。故不合理的競爭窗口會導致大量信道資源浪費在執行退避過程上。

    (3)現有相關MAC協議中一個CTA的長度是固定的，PNC不能隨意更改CTA的長度，且一個CTA不能同時分配給多個節點。此時，若分配的整數個CTA的長度大于節點的時隙請求量，CTA中存在的剩余時隙將被浪費。

2 HTLL-MAC協議新機制

2.1 基于動態均衡思想的接入機制

    該機制核心思想是：PNC設置一個變量t_b存放Beacon幀發送時間，同時在收到時隙請求后及時更新t_b，且在立即確認時把t_b寫入未利用字段Fragmentation control中，節點通過提取t_b值判斷CAP時段是否結束。

    PNC收到時隙請求后，得出當前時隙請求總量R_total，計算出滿足此請求量所需的CTAP長度T_CTAP。為便于計算，假設每個CTA都具有相同的長度T_CTA，超幀長度為T_S，Beacon幀傳輸時間為T_B，信道保護時隙為T_G，T_CTAP計算公式如下所示：

式中，ceil實現向上取整功能，此時可通過式(2)計算出新的Beacon幀發送時間t_update，并賦值給t_b。在立即確認幀的頭部字段Fragmentation control中寫入Beacon幀的預計發送時間，即t_b的值。

    該接入機制能夠充分發揮動態均衡超幀結構的優勢，在初期網絡中節點少業務量小時延長CAP時段，便于新節點加入；而在后期節點多負載高時縮短CAP時段，加快數據轉發，有效提高網絡吞吐量，減少數據時延。

2.2 動態更改重傳競爭窗口

    該機制核心思想是：在節點發送時隙請求幀之前，根據當前參與信道競爭的節點數目來更改重傳競爭窗口。

    該機制具體操作可分為兩部分。設網絡中當前已關聯節點數量為N_assoc，已成功發送時隙請求節點數量為N_S，機制執行標識f_c，每次進入新超幀CAP時段之前，節點都初始化N_S=0，f_c=1。

    首先，節點監聽信道。節點監聽收到MAC幀，提取頭部字段信息進行判斷，若該幀為命令幀且目的節點非PNC，或者該幀為立即確認幀而保留字段為0，則表明網絡中有其他命令幀在進行交互，本超幀不再執行該機制，設置f_c=0；若該幀為立即確認幀，源節點為PNC且保留字段值為1，則說明已有節點成功發送時隙請求，對NS執行加1操作。

    然后，設置重傳競爭窗口。節點的時隙請求幀若成功發送，PNC將回復一個立即確認幀，并置保留字段為1，表明是對某一節點時隙請求的確認；若節點發出請求后未收到PNC確認，則表明發生碰撞，在達到最大重傳次數前需要重傳。在設置重傳競爭窗口前判斷f_c，若f_c=0，則重傳競爭窗口依然設置為原本的退避窗口BW_old，否則重傳競爭窗口BW_new根據式(4)得出。

    該機制根據已成功發送時隙請求的節點個數占已關聯節點總數的比例，動態縮減時隙請求幀重傳時的競爭窗口，提高信道利用率，減少數據時延。

2.3 啟用CTA剩余時隙

    該機制的核心思想是：CTA中剩余時隙可以用于源節點在發送時隙請求時間內緩存中新產生的數據以及目的節點的數據傳輸需求。具體如下：

    (1)節點提取時隙分配信息，記錄自身作為源節點分配的CTA信息，以及每個CTA中目的節點的信息；

    (2)在自身既不是源也不是目的的CTA中，節點將接收天線對準當前CTA目的節點的方向；而在自身作為源節點分配的CTA中，若分配的時隙量大于自己請求的時隙量，則在多余的時隙內，只要緩存中有數據就可以一直發送，當緩存中沒有數據時，源節點發送一個空數據幀，并設置頭部中more data字段為0；

    (3)目的節點在收到頭部more data字段值為0的空數據幀時，則知道源節點數據已經發送完畢，判斷自身緩存中是否有數據需要發送，若有則計算當前CTA剩余時隙T_CTA-R是否足夠發送數據，在滿足式(5)的條件下，目的節點可以一直發送自身的數據，直到當前CTA結束。

式中，T_aggr為聚合幀傳輸耗時，T_blk-ack為塊確認幀傳輸耗時。

    該方法充分利用了CTA剩余時隙，又不會產生冗余開銷，同時對新數據到來以及信道質量導致數據重傳的情況進行了考慮，有利于減少數據時延，提高信道利用率。

3 仿真分析

3.1 仿真統計量及參數設置

3.1.1 仿真統計量

    (1)MAC層吞吐量

    MAC層吞吐量是指MAC層單位時間內向上層提交數據的總量，單位取比特每秒(b/s)，計算公式如下：

其中，B_rec為各節點MAC層正確接收的數據開銷大小，T_s為網絡通信總時長，在仿真中即數據產生開始時間到當前時刻。MAC層吞吐量除了受物理層條件限制，還受MAC協議工作效率的影響。

    (2)數據平均時延

    數據時延一般指數據開銷自產生到被正確接收中間所用時間。平均時延則是對所有的時延值取平均，計算公式如下：

其中，d_i為第i個數據時延，包括層間處理、MAC層排隊、傳輸以及傳播耗時，一般不考慮目的節點處理時延，當數據出錯重傳時，重傳耗時也包括在內；而N為當前網絡中MAC層已正確接收的數據個數。

    (3)信道利用率

    信道利用率是指數據幀傳輸時間占信道總時間的比例，最能體現MAC協議的工作效率，其計算公式如下：

其中T_i為第i個數據幀傳輸時延，T_S為網絡通信總時長。數據幀傳輸時間所占比例越大，說明信道資源無效浪費越少，MAC層工作效率越高。

3.1.2 仿真參數設置

    仿真中采用仿真工具OPNET14.5對HTLL-MAC、HTLD-MAC以及IEEE802.15.3c仿真實現。主要的仿真參數如表1所示。

3.2 仿真結果及分析

3.2.1 MAC層吞吐量

    如圖3所示，當網絡達到飽和時，HTLL-MAC協議MAC層吞吐量提高了6.15%，這主要原因在于：(1)基于動態均衡超幀結構的接入機制根據時隙請求量設置中斷觸發PNC發送Beacon幀，使得Beacon幀發送不再受最后一個時隙請求幀發送時間的限制，減少信道浪費；(2)時隙請求幀在出錯重傳時根據當前網絡中競爭節點數更改競爭窗口，總體上減少了退避時間，使得更多信道時隙資源用于CTAP時段數據發送，可承載的業務量也就越大。

3.2.2 數據平均時延

    如圖4所示，HTLL-MAC協議數據平均時延至少降低了32.53%。時延降低的主要原因為：(1)動態更改重傳競爭窗口使節點更快請求到時隙，增加CTAP長度，促進數據轉發，減少數據時延；(2)充分利用CTA剩余時隙，使新到來的數據無需等待即可立馬發送，減少了請求時隙等流程中的耗時。

3.2.3 信道利用率

    如圖5所示，HTLL-MAC協議在網絡飽和的情況下信道利用率提高了6.96%。信道利用率提高的主要原因為：(1)新接入機制根據當前業務量調整CTAP的長度，在網絡飽和情況下可以最大程度地減少冗余開銷，增加數據發送時間，提高信道利用率；(2)動態更改重傳競爭窗口可以減少信道資源在退避過程中的浪費，使信道利用率得到提高。

4 結束語

    本文首先闡述了現有MAC協議存在的一些問題，繼而提出了一種滿足太赫茲無線個域網通信需求的高吞吐量低時延MAC協議——HTLL-MAC。通過采用基于動態均衡思想的接入機制、動態更改重傳競爭窗口以及啟用CTA剩余時隙等機制，從總體上提高了網絡吞吐量，降低了數據時延。最后通過仿真驗證了HTLL-MAC的有效性。

參考文獻

[1] 姚建銓.太赫茲技術及其應用[J].重慶郵電大學學報(自然科學版)，2010，22(6)：703-707.

[2] 張健，鄧賢進，王成，等.太赫茲高速無線通信：體制，技術與驗證系統[J].太赫茲科學與電子信息學報，2014(1)：1-13.

[3] AKYILDIZ I F，JORNET J M，HAN C.Terahertz band：Next frontier for wireless communications[J].Physical Communication，2014，12(4)：16-32.

[4] 802.15.3c-2009-IEEE Standard for Information technology-Telecommunications and information exchange between sys-tems-Local and metropolitan area networks-Specific requirements. Part 15.3：Wireless Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications for High Rate Wireless Personal Area Networks(WPANs) Amendment2：Millimeter-wave-based Alternative Physical Layer Extension[S].IEEE Computer Society，2009.

[5] PRIEBE S.MAC layer concepts for THz communications[EB/OL].(2013-03)[2016-06].https：//mentor.ieee.org/802.15/dcn/13/15-13-0119-00-0thz-mac-layer-con-cepts-for-thz-communications.pdf.

[6] JORNET J M，PUJOL J C，PARETA J S.Phlame：a physical layer aware mac protocol for electromagnetic nanonetworks in the terahertz band[J].Nano Communication Networks，2012，3(1)：74-81.

[7] 劉文朋.太赫茲無線個域網MAC協議研究[D].重慶：重慶郵電大學，2015.

[8] REN Z，CAO Y N，ZHOU X，et al.Novel MAC protocol for terahertz ultra-high data-rate wireless networks[J].The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications，2013，20(6)：69-76.

作者信息:

任  智，游  磊，陳  蔥，呂煜輝

(重慶郵電大學 移動通信重點實驗室，重慶400065)