太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)MAC接入?yún)f(xié)議研究

曹亞楠，任智

(1.鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，河南 鶴壁，458030；2.重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)MAC接入?yún)f(xié)議研究

曹亞楠1，任智2

(1.鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，河南 鶴壁，458030；2.重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

太赫茲波是一種位于毫米波和紅外光波之間的電磁波；有較寬的未被分配的頻帶且可支持Gbps以上的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率；因此近年來(lái)太赫茲通信技術(shù)成為各國(guó)研究的熱點(diǎn).本文在IEEE 802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上首先簡(jiǎn)介太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；然后敘述太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)和目前所面臨的挑戰(zhàn)；接著描述太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)MAC接入?yún)f(xié)議的研究現(xiàn)狀以及現(xiàn)有接入?yún)f(xié)議存在的問(wèn)題；在此基礎(chǔ)之上深入研究其超幀結(jié)構(gòu)和信道接入?yún)f(xié)議，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)該改進(jìn)算法進(jìn)行分析.

太赫茲波；超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；信道接入?yún)f(xié)議；超幀

0 引 言

當(dāng)前無(wú)線通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)逐漸擴(kuò)展到人們工作和生活當(dāng)中.隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的逐步深入和規(guī)模的日益擴(kuò)大，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率及傳輸成功率變得越來(lái)越重要.目前在研究和已投入應(yīng)用的大多數(shù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)、無(wú)線局域網(wǎng)(Wi-Fi)、無(wú)線城域網(wǎng)(WiMax)和無(wú)線傳感器網(wǎng)(Wireless Sensor Networks,WSNs)等；但很少有支持Gbps以上數(shù)據(jù)傳輸速率的網(wǎng)絡(luò)實(shí)施方案.因此，隨著人們對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸速率要求越來(lái)越高，人們正在付出更多努力研發(fā)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以滿足這些預(yù)期的需要.以上背景和需求促進(jìn)了太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的誕生和發(fā)展.太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[1]是一種新型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不同，它工作在太赫茲頻段且可支持10 Gbps以上的數(shù)據(jù)傳輸速率.

本文擬對(duì)太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)MAC接入?yún)f(xié)議方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述.后續(xù)部分內(nèi)容安排如下：第2節(jié)介紹太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的概念、超幀、組網(wǎng)過(guò)程等內(nèi)容；第3節(jié)描述太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)及目前所面臨的挑戰(zhàn)；第4節(jié)重點(diǎn)分析和闡述該研究開(kāi)展以來(lái)現(xiàn)有的MAC接入?yún)f(xié)議并分析現(xiàn)有接入?yún)f(xié)議存在的問(wèn)題；最后是問(wèn)題的解決方案及下一步的研究工作.

1 太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

1.1 太赫茲波

太赫茲(terahertz, THz)波[2]是一種位于毫米波和紅外光波之間的電磁波(如圖1所示)，其波長(zhǎng)范圍為0.03-3 mm，頻率范圍則為0.1-10 THz.太赫茲波正好處于宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過(guò)渡區(qū)，它是人類最后一個(gè)尚未完全認(rèn)知利用的頻段.太赫茲波可提供較大的帶寬和較高的傳輸容量，但它在空氣中傳播時(shí)會(huì)有較大的衰減，且當(dāng)空氣中水分子較多(如下雨)時(shí)衰減尤其嚴(yán)重.因此，太赫茲波在短距離超高速無(wú)線通信方面有巨大的應(yīng)用潛力，且被優(yōu)先考慮應(yīng)用于室內(nèi)短距無(wú)線通信方面.目前，世界上已有多個(gè)國(guó)家在研究太赫茲通信技術(shù)，而日本的NTT公司[3]已實(shí)現(xiàn)速率達(dá)到10 Gbps以上的太赫茲無(wú)線通信平臺(tái).

圖1 太赫茲波在電磁波普中的位置 圖2 太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組成示意圖

1.2 太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

基于IEEE 802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)，太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與piconet類似；它亦是網(wǎng)絡(luò)中任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn)(稱之為“DEV”)之間均可進(jìn)行高速短距離通信、具有中心控制節(jié)點(diǎn)的WPAN無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò).節(jié)點(diǎn)通信范圍約為10 m，且可處于靜態(tài)或動(dòng)態(tài)，可支持10G bps以上的數(shù)據(jù)傳輸速率.

太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組成如圖2所示.一個(gè)太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由一些相互之間可進(jìn)行通信的節(jié)點(diǎn)(稱之為“DEV”)組成，其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)做為該網(wǎng)絡(luò)的PNC (piconet coordinator，微微網(wǎng)協(xié)調(diào)者)；即中心控制節(jié)點(diǎn).PNC[4][5]通過(guò)廣播信標(biāo)幀(beacon)為該網(wǎng)絡(luò)提供基本的定時(shí)機(jī)制和信道接入控制信息.網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間均可進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸.

1.3 太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的超幀

根據(jù)IEEE 802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)，太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的信道時(shí)間也可由一系列的超幀[13][14]組成.超幀又包括：信標(biāo)幀(beacon)，競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)期(contention access period, CAP)和信道時(shí)間分配時(shí)期(channel time allocation period, CTAP)三部分.

圖3 太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的超幀 圖4 太赫茲波譜范圍的大氣衰減 圖5 太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的超幀結(jié)構(gòu)如圖3所示.在信標(biāo)幀時(shí)期，PNC首先廣播一個(gè)信標(biāo)幀給該網(wǎng)絡(luò)中的DEVs，該信標(biāo)幀包含了該網(wǎng)絡(luò)中的基本信息，如網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息，超幀的持續(xù)時(shí)間、競(jìng)爭(zhēng)接入的起止時(shí)間等；收到第一個(gè)信標(biāo)幀后，有數(shù)據(jù)傳輸需求的DEVs會(huì)向PNC請(qǐng)求分配時(shí)隙資源；PNC收到請(qǐng)求后，再?gòu)V播一個(gè)信標(biāo)幀以通告時(shí)隙分配情況.競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)期CAP(Contention Access Period)[6]主要用于交換網(wǎng)絡(luò)中的命令幀和同步數(shù)據(jù)幀等；CAP在超幀中是否出現(xiàn)，出現(xiàn)的起止時(shí)間等均由PNC決定.信道時(shí)間分配時(shí)期CTAP (Channel Time Allocation Period)[7]同樣由PNC分配，它包括CTAs(channel time allocations)和MCTAs(management CTAs)兩種；CTAs主要用于交換網(wǎng)絡(luò)中的同步/異步數(shù)據(jù)流、命令幀等信息；而MCTAs在某些情況下可替代CAP傳輸命令幀.

1.4 太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)過(guò)程

要形成一個(gè)太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；首先，DEV應(yīng)掃描信道不少于65535 μs[8][9]以接收其他網(wǎng)絡(luò)PNC廣播的beacon.若在此期間該DEV收到beacon，則它應(yīng)開(kāi)始關(guān)聯(lián)過(guò)程以成為該網(wǎng)絡(luò)的成員或嘗試開(kāi)始一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)或鄰居網(wǎng)絡(luò).若在此期間該DEV沒(méi)有收到beacon，即表明信道空閑，在該DEV附近無(wú)太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的存在；則該DEV將承擔(dān)PNC的角色建立一個(gè)太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò).

此時(shí)，該P(yáng)NC開(kāi)始廣播beacon，能收到該beacon的其他DEV會(huì)在超幀的CAP時(shí)期進(jìn)行關(guān)聯(lián)過(guò)程以成為該網(wǎng)絡(luò)的成員.同時(shí)，需傳輸數(shù)據(jù)的DEV會(huì)在CAP時(shí)期給PNC發(fā)送CTA request command，收到CTA request command[10]的PNC會(huì)給DEV分配CTAs且將分配CTAs的信息在beacon中廣播給該網(wǎng)絡(luò)的所有成員.然后，源DEV和目的DEV即會(huì)按照分配的CTAs進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.其他DEVs在這些CTAs期間則不能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.

另外，若PNC要離開(kāi)該網(wǎng)絡(luò)且無(wú)其他DEVs擔(dān)任該網(wǎng)絡(luò)的PNC角色，則該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)停止運(yùn)行.因此若時(shí)間足夠，在PNC離開(kāi)之前，PNC應(yīng)將PNC shutdown IE信息通過(guò)信標(biāo)幀廣播給該網(wǎng)絡(luò)的DEVs以通知它們?cè)摼W(wǎng)絡(luò)即將關(guān)閉.

1.5 太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有一些區(qū)別于傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：

(1) 可支持Gbps以上的無(wú)線傳輸速率，太赫茲波的頻段在0.1-10 THz之間，可提供較大的傳輸容量[14].

(2) 更好的保密性和抗干擾能力[11].

(3) 太赫茲波波長(zhǎng)相對(duì)更短，在完成同樣功能的情況下，天線的尺寸可以做的更小，其他的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也可以做的更加簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì).

(4) 太赫茲波具有很好的穿透沙塵煙霧的能力，因此可以在大風(fēng)沙塵以及濃煙等惡劣的環(huán)境下進(jìn)行正常通信工作.

(5) 但是，太赫茲波在空氣中傳播時(shí)會(huì)有較大的衰減[12]，而且當(dāng)空氣中水分子較多(如下雨)時(shí)衰減尤其嚴(yán)重；因此，太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離較小.圖4即為太赫茲波在通過(guò)大氣時(shí)水蒸氣等導(dǎo)致的強(qiáng)吸收.

鑒于太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在高頻段運(yùn)行，歷經(jīng)衰減嚴(yán)重.而且由于復(fù)雜無(wú)線環(huán)境中陰影、阻擋等因素的影響，將使得用戶難以獲得長(zhǎng)距離的高速和高質(zhì)量的通信服務(wù).因此，太赫茲波在短距離超高速無(wú)線通信方面有巨大的應(yīng)用潛力，且被優(yōu)先考慮應(yīng)用于室內(nèi)短距無(wú)線通信方面.

1.6 太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的研發(fā)意義

首先，在通信傳輸方面太赫茲波通信技術(shù)對(duì)于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的支持更加具有優(yōu)勢(shì)，更適合于短距離通信和有良好傳輸介質(zhì)特性的空間傳輸.而無(wú)線移動(dòng)通信呈現(xiàn)寬帶化和移動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，開(kāi)拓新的頻段成為未來(lái)無(wú)線通信的重要方向.太赫茲波頻段恰恰屬于空白頻段，目前還沒(méi)有分配執(zhí)照，有望提供固網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)的高服務(wù)質(zhì)量(QoS)寬帶多媒體10 Gb/s左右的無(wú)線業(yè)務(wù).

其次，THz技術(shù)可廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、遙感、國(guó)土安全與反恐、高保密的數(shù)據(jù)通信與傳輸、大氣與環(huán)境監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)生物信息提取以及醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域.因此THz波的研究對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全有重大的應(yīng)用價(jià)值.將THz頻段用在通信領(lǐng)域還剛剛起步，目前商業(yè)設(shè)備供應(yīng)商和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織如ITU和IEEE等正在研發(fā)THz通信并制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn).

第三，目前我國(guó)在接入網(wǎng)擴(kuò)容上有一種無(wú)線接入方案.無(wú)線接入成本低，覆蓋面廣，特別是對(duì)那些偏僻的山區(qū)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).但是帶寬越大需要的載波頻率也就越高，按照摩爾定律的增長(zhǎng)速度在不久的將來(lái)無(wú)線通信的載波就會(huì)進(jìn)入THz波譜范圍，這就使得研究THz通信成為必然的趨勢(shì).此外就我國(guó)來(lái)說(shuō)，太赫茲通信的發(fā)展填補(bǔ)了300 GHz以上帶寬的空白.對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供技術(shù)和戰(zhàn)略上的支持，太赫茲通信技術(shù)必然是未來(lái)通信系統(tǒng)技術(shù)中的主流；未來(lái)技術(shù)和硬件上的提升也必然會(huì)使太赫茲通信技術(shù)的許多概念化設(shè)計(jì)成為現(xiàn)實(shí)，使其成為未來(lái)光速時(shí)代的核心通信技術(shù).

由此可見(jiàn)，我國(guó)開(kāi)展THz通信研究對(duì)于搶占帶寬資源，拓展無(wú)線通信帶寬等具有非常重要的戰(zhàn)略意義.

2 太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)及面臨的挑戰(zhàn)

2.1 太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)如圖5所示.其體系結(jié)構(gòu)與一般的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相同，從上到下一次為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、MAC層和物理層.我們的主要研究工作在MAC層，即主要研究其MAC層的信道接入?yún)f(xié)議.以使得太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可達(dá)到較高傳輸速率，較大的成功率，較小的時(shí)延和開(kāi)銷等.

2.2 太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)

太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的研究目前還存在很多需要解決的問(wèn)題.為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)高速有效的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，主要的難題有：

(1) 通信范圍小：太赫茲波在通過(guò)大氣時(shí)水蒸氣等導(dǎo)致的強(qiáng)吸收會(huì)導(dǎo)致太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信范圍較小.目前提出的解決方案有中繼和波束賦形兩種.

(2) 由于大氣層對(duì)THz波的吸收比較嚴(yán)重，研究人員則提出光纖載太赫茲通信研究方案；即無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)與基于光纖的太赫茲通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，則就需要解決光通信與無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)共存與兼容的問(wèn)題.

(3) 在光信道中傳播時(shí)太赫茲波會(huì)有不小的任意衰減的問(wèn)題.主要受通信鏈路的幾何分布，通過(guò)大氣層的通信鏈路數(shù)量和天氣條件等的影響.

(4) 當(dāng)前技術(shù)還不能很好的保證太赫茲波在大氣中傳輸?shù)姆€(wěn)定頻段，而且即使控制在穩(wěn)定的頻段，當(dāng)前在通信領(lǐng)域也沒(méi)有十分完善的調(diào)制技術(shù)來(lái)進(jìn)行波段的控制.

(5) 在太赫茲超高速網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)可能會(huì)有飛機(jī)進(jìn)入和離開(kāi)該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行.所以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鲆心軌虬l(fā)現(xiàn)飛機(jī)的有效方法和完善的飛機(jī)出口方案；使得在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)和鏈路能夠通過(guò)飛機(jī)飛行的航線.

(6) 太赫茲通信網(wǎng)絡(luò)需要多條信道的問(wèn)題,因?yàn)樾枰喾N設(shè)備來(lái)滿足一個(gè)多重存取微微網(wǎng)場(chǎng)景的很多用戶.

(7) 由于大氣湍流會(huì)引起太赫茲波的不穩(wěn)定，所以需要較大的鏈路容量(large link margins)和高能量的傳輸.因此網(wǎng)絡(luò)的鏈路容量和太赫茲信號(hào)的能量也是需要考慮的問(wèn)題.

(8) 天空中云彩的形成會(huì)導(dǎo)致光路閉塞的問(wèn)題.即要求覆蓋一個(gè)多云天氣拓?fù)涞慕Y(jié)點(diǎn)數(shù)目怎樣決定，對(duì)于不可靠鏈路的協(xié)議怎么修改，為了達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)而需要的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)怎樣計(jì)算.假設(shè)在云存在期間，有足夠的開(kāi)放路徑以使得一些平臺(tái)能夠連接其他平臺(tái)而傳送數(shù)據(jù).同時(shí)可以通過(guò)加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)和重發(fā)業(yè)務(wù)來(lái)改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以保持達(dá)到用戶希望的數(shù)據(jù)流和服務(wù)質(zhì)量.問(wèn)題的關(guān)鍵是怎樣決定最小的鏈路數(shù)目以保持網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).

(9) 由于太赫茲波對(duì)于信號(hào)的載波功率很低，而通信技術(shù)要求的載波功率通常要高于實(shí)際的太赫茲載波，如果要進(jìn)行改善就必須有一套科學(xué)的太赫茲波信號(hào)放大技術(shù)來(lái)進(jìn)行支撐，但是目前還沒(méi)有一種完善的太赫茲波放大與縮小技術(shù).

(10) 超幀結(jié)構(gòu)的確定：太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、開(kāi)銷和時(shí)延主要由超幀長(zhǎng)度以及CAP和CTAP在超幀中所占的比例決定.超幀越大，CTAP所占的比例越大，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量會(huì)隨之增大；但是時(shí)延和開(kāi)銷也會(huì)隨之增大.因此，怎樣確定超幀長(zhǎng)度以及CAP和CTAP在超幀中所占的比例以達(dá)到較大的吞吐量、較小的時(shí)延和開(kāi)銷是研究的一個(gè)難題.

(11) 仿真實(shí)現(xiàn)：用OPNET仿真實(shí)現(xiàn)太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)，包括應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、MAC層和物理層.以及這幾層的聯(lián)合改進(jìn)優(yōu)化，特別是MAC層和網(wǎng)絡(luò)層的趕緊優(yōu)化.

以上的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，均需要針對(duì)不同的應(yīng)用背景進(jìn)一步研究.但太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能實(shí)現(xiàn)較大的傳輸速率能滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需要等特點(diǎn)使得我們對(duì)其研究勢(shì)在必行.

3 太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)MAC接入?yún)f(xié)議研究現(xiàn)狀

目前關(guān)于太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的MAC接入?yún)f(xié)議研究還比較少，而超高速無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)是太赫茲通信未來(lái)的一個(gè)重要實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景.由于IEEE 802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)和太赫茲超高速短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)均支持使用高頻載波(>50 GHz)的超高速(>1 Gbps)短距離(<1000 m)無(wú)線通信，因此，太赫茲超高速無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)MAC接入?yún)f(xié)議的設(shè)計(jì)參考了IEEE 802.15.3c標(biāo)準(zhǔn).即將太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的信道時(shí)間分為若干個(gè)超幀，且其超幀可繼續(xù)分為幾個(gè)不同的時(shí)期；然后，根據(jù)節(jié)點(diǎn)不同的數(shù)據(jù)傳輸需求在不同的時(shí)期執(zhí)行CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)或TDMA(Time Division Multiple Access)的信道接入?yún)f(xié)議.這樣不僅有較高的信道利用效率且可保證數(shù)據(jù)的高速傳輸.

3.1 太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)MAC層

基于IEEE 802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)，目前設(shè)計(jì)的太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)MAC接入?yún)f(xié)議如下：

DEVs的基本信道接入機(jī)制為CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)和TDMA(Time Division Multiple Access)[13][14].在超幀的不同時(shí)期DEVs采用不同的信道接入?yún)f(xié)議；CSMA/CA用于CAP時(shí)期而TDMA用于CTAP時(shí)期.具體信道接入過(guò)程如下：

(1) 若超幀中有CAP時(shí)期，則該時(shí)期DEVs使用CSMA/CA和退避機(jī)制 (backoff procedure)實(shí)現(xiàn)信道介入.在開(kāi)始CSMA/CA過(guò)程之前，首先列出在退避機(jī)制中用到的4個(gè)參數(shù)[13][14]：

a) retry_count: 一個(gè)整形數(shù)據(jù)，取值范圍是[0,3].

b) backoff_window(retry_count): 其有效取值有：[7, 15, 31, 63].

c) pBackoffSlot: 檢測(cè)信道所需時(shí)間以決定物理層的相關(guān)參數(shù).

d) bw_random(retry_count): 一個(gè)隨機(jī)整數(shù)，在[0, backoff_window(retry_count)]之間隨機(jī)選擇.

在CAP開(kāi)始時(shí)，有傳輸數(shù)據(jù)需求的DEVs應(yīng)首先檢測(cè)信道是否空閑一個(gè)隨機(jī)的一段時(shí)間(約為9.3μs)；若信道在該段時(shí)間之后仍然空閑，則該DEV即可傳輸數(shù)據(jù)且retry_count應(yīng)設(shè)置為0.而DEV檢測(cè)信道等待的這段時(shí)間即稱之為退避機(jī)制.退避機(jī)制的具體過(guò)程為：首先，需傳輸數(shù)據(jù)的DEV應(yīng)使backoff_count等于bw_random(retry_count)且為backoff_count開(kāi)始一個(gè)計(jì)數(shù)器；同時(shí)若DEV檢測(cè)到信道空閑時(shí)間大于或等于pBackoffSlot(約為9.3 μs)，則計(jì)數(shù)器應(yīng)減1；否則計(jì)數(shù)器掛起.之后，若計(jì)數(shù)器減小至0，則該DEV即可傳輸數(shù)據(jù)，否則表示信道忙該DEV不能傳輸數(shù)據(jù).

(2) 在超幀的CTAP期間，DEVs使用TDMA的方法接入信道.其具體過(guò)程為：需傳輸具有QoS保證數(shù)據(jù)的DEVs應(yīng)首先在CAP時(shí)期給PNC發(fā)送Channel Time Request command，PNC在收到Channel Time Request command之后會(huì)給相應(yīng)的DEVs分配CTAs.然后，PNC會(huì)將給DEVs分配的每個(gè)CTA的順序，起止時(shí)間等信息在信標(biāo)幀中廣播給piconet中的所有DEVs.收到信標(biāo)幀的DEVs即會(huì)知道自己應(yīng)該在哪個(gè)CTA期間傳輸自己的數(shù)據(jù)以及自己傳輸數(shù)據(jù)的起止時(shí)間等信息.此時(shí)，DEVs即可在分配給自己的CTAs期間內(nèi)傳輸數(shù)據(jù).

3.2 現(xiàn)有太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)MAC接入?yún)f(xié)議存在的問(wèn)題

從文獻(xiàn)上分析，迄今為止研究主要集中于超幀的結(jié)構(gòu)，超幀各時(shí)期完成的功能及混合的信道接入?yún)f(xié)議等方面；以使得增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量，減小時(shí)延和開(kāi)銷.我們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有MAC接入?yún)f(xié)議存在以下問(wèn)題：

(1) 太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)期望達(dá)到的數(shù)據(jù)傳輸速率在10 Gbps以上；而作為其參考依據(jù)的IEEE 802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)的理論最大速率僅為5.775 Gbps.

(2) IEEE 802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的超幀只占2個(gè)字節(jié)；限制了超幀的時(shí)間長(zhǎng)度進(jìn)而影響數(shù)據(jù)的傳輸數(shù)速率.

(3) IEEE 802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)中所描述的信道接入過(guò)程需要兩個(gè)Beacon.第一個(gè)Beacon用于廣播網(wǎng)絡(luò)中的基本定時(shí)信息等；第二個(gè)Beacon用于廣播CTAP時(shí)期網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙分配情況.但該標(biāo)準(zhǔn)給出的超幀只包含一個(gè)Beacon.

(4) 網(wǎng)絡(luò)吞吐量主要由超幀長(zhǎng)度以及CAP和CTAP在超幀中所占的比例決定.超幀越大，CTAP所占的比例越大，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量會(huì)隨之增大.而IEEE 802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)的超幀結(jié)構(gòu)中包含了MCTAs，且MCTAs的作用完全可以由CAP和CTAs代替；所以MCTAs占用了超幀的時(shí)間，一定程度上影響了網(wǎng)絡(luò)吞吐量.

(5) IEEE 802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)的載波頻率在60 GHz；而太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的工作頻率明顯要高于60 GHz.

4 解決方案及未來(lái)研究方向

4.1 解決方案

(1) 超幀所占字節(jié)從2個(gè)增加到3個(gè)

研究表明網(wǎng)絡(luò)吞吐量主要受幀大小，超幀時(shí)間長(zhǎng)度，CAP和CTAP時(shí)間長(zhǎng)度的影響.較長(zhǎng)的CAP時(shí)期會(huì)導(dǎo)致較短的TDMA數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間；影響數(shù)據(jù)傳輸速率.而較短的CAP時(shí)期會(huì)導(dǎo)致該時(shí)期有較多的數(shù)據(jù)碰撞；進(jìn)而影響CTAP時(shí)期的數(shù)據(jù)傳輸.可見(jiàn)在保證CAP時(shí)期命令幀能正確傳輸?shù)那闆r下， CTAP時(shí)期越長(zhǎng)，幀所占字節(jié)越大，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸也就速率越大.所以我們將超幀所占字節(jié)數(shù)由2個(gè)增大到3個(gè).

(2) 網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)DEV節(jié)點(diǎn)

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)DEV節(jié)點(diǎn)和一個(gè)PNC節(jié)點(diǎn)時(shí)；超幀結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)為只包含一個(gè)Beacon和CTAP兩部分.因?yàn)椋珻AP時(shí)期主要用于有數(shù)據(jù)發(fā)送需求的節(jié)點(diǎn)以CSMA/CA的方式發(fā)送信道時(shí)間請(qǐng)求幀；進(jìn)而由PNC給其分配時(shí)隙.而網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)DEV節(jié)點(diǎn)時(shí)，則無(wú)需爭(zhēng)用信道可直接將信道時(shí)間分配給該DEV節(jié)點(diǎn).同樣，此時(shí)的超幀結(jié)構(gòu)也不需要包含MCTAs.

(3) 網(wǎng)絡(luò)中DEV節(jié)點(diǎn)大于1

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中不止一個(gè)DEV節(jié)點(diǎn)時(shí)，超幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)如下：

(a) 新設(shè)計(jì)的超幀結(jié)構(gòu)將MCTAs完全去掉，使之不再占用超幀時(shí)間；進(jìn)而增大CTAP時(shí)間以提高數(shù)據(jù)傳輸速率.因?yàn)镸CTAs可作為一般的CTA使用，即由PNC分配給源節(jié)點(diǎn)，使之與目的節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信；信道接入使用TDMA.MCTAs也可代替CAP進(jìn)行命令幀的傳輸，信道接入使用時(shí)隙阿羅華.可見(jiàn)CAP和CTAs完全可以完成MCTAs的功能；因此，可完全去掉超幀中的MCTAs且不影響網(wǎng)絡(luò)正常工作.

(b) 新設(shè)計(jì)的超幀結(jié)構(gòu)包含2個(gè)Beacon.根據(jù)IEEE 802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)所敘述的信道接入過(guò)程，在一個(gè)超幀中應(yīng)有2個(gè)Beacon.第一個(gè)Beacon用于廣播網(wǎng)絡(luò)中的基本定時(shí)信息等；第二個(gè)Beacon用于廣播CTAP時(shí)期網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙分配情況.

(c) 新設(shè)計(jì)的超幀結(jié)構(gòu)使得CAP并非一直存在于超幀中，而是每隔一段時(shí)間才(仿真中該段時(shí)間為60秒)在超幀中加入一個(gè)CAP時(shí)期；用于網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)爭(zhēng)用信道.其余時(shí)間超幀中無(wú)CAP時(shí)期，只分配CTAP時(shí)期，用于數(shù)據(jù)傳輸.

為及時(shí)告知網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)超幀結(jié)構(gòu)，可利用Beacon中的一個(gè)保留字段表示超幀中有無(wú)CAP；以告知網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)是否可以開(kāi)始爭(zhēng)用信道.該保留字段可用1和0分別表示超幀中是否有CAP.當(dāng)超幀中有CAP時(shí)，第一個(gè)Beacon在CAP時(shí)期之前，用于廣播網(wǎng)絡(luò)中的基本信息如節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息，超幀的持續(xù)時(shí)間，超幀中有無(wú)CAP時(shí)期等.第二個(gè)Beacon在CAP時(shí)期之后，用于廣播超幀時(shí)隙分配情況如各個(gè)CTAs的持續(xù)時(shí)間和順序等信息.Beacon與CAP之間有一個(gè)SIFS時(shí)間.之后是CTAP時(shí)期，用于節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸.

由此可知，若超幀中無(wú)CAP時(shí)期，超幀只包含一個(gè)Beacon和一個(gè)CTAP時(shí)期兩部分；如圖7所示.若超幀中有CAP時(shí)期，超幀包含2個(gè)Beacon，一個(gè)CAP時(shí)期和一個(gè)CTAP時(shí)期；如圖8所示.

圖7 超幀無(wú)CAP時(shí)期 圖8 超幀有CAP時(shí)期

(4) IEEE 802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)的載波頻率為60 GHz；而太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的工作頻率明顯要高于60 GHz.所以，將載波頻率從60 GHz提高至太赫茲頻段(仿真中載波頻率設(shè)置為在太赫茲頻段的340 GHz) 以增大傳輸容量.

4.2 未來(lái)研究方向

目前的工作還只是一個(gè)探索性研究，研究成果只是在模擬軟件上獲得的，還需要放到實(shí)踐中進(jìn)一步檢測(cè).有些研究結(jié)果并不是很理想，還需要進(jìn)一步的研究和探索.接下來(lái)進(jìn)一步還可以從如下方面來(lái)研究太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的MAC接入?yún)f(xié)議：

(1) 在不引入過(guò)多額外開(kāi)銷的情況下提高數(shù)據(jù)傳輸速率，并減小時(shí)延.

(2) 太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)MAC接入?yún)f(xié)議與萬(wàn)兆以太網(wǎng)接入?yún)f(xié)議相結(jié)合在確保傳輸性能的前提下，進(jìn)一步改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)吞吐量及其他性能.

(3) 超幀的CAP和CTAP時(shí)期各種參數(shù)的設(shè)置和數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)制的設(shè)置.

(4) 時(shí)延與吞吐量的均衡考慮，超幀越長(zhǎng)度越大可使得網(wǎng)絡(luò)吞吐量越大，但時(shí)延會(huì)隨之增大.因此，要均衡考慮時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)吞吐量的關(guān)系.解決吞吐量增大的同時(shí)不會(huì)增大時(shí)延.

(5) 網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題也可以作為以后完善方向.

5 結(jié)束語(yǔ)

在太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，基于其能夠?qū)崿F(xiàn)Gbps以上的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足人們對(duì)超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)日益增長(zhǎng)的需求.因而盡量提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量是人們非常關(guān)心的問(wèn)題.因此，對(duì)太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)MAC接入?yún)f(xié)議提出研究能很大程度上推動(dòng)對(duì)太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的深入研究.

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[責(zé)任編輯：王軍]

Study on MAC access protocols of terahertz ultra-high data-rate wireless networks

CAO Yanan1,REN Zhi2

(1.Hebi Polytechnic, Electronic Information Engineering College, Hebi 458030, China；2.Chongqing Key Lab of Mobile Communications Technology, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)

Terahertz is a kind of electromagnetic waves which located between millimeter waves and infrared lightwaves.It has large bandwith which not been allocated and can support Gbps or higher wireless data rates.Therefore, terahertz communication technology becomes various countries’ researching hot spot in recent years.This paper first briefly introduces the terahertz ultra-high data-rate wireless networks which based on the standard IEEE 802.15.3c.Then, it describes the architecture and challenges of terahertz ultra-high data-rate wireless networks.After that, the paper narratives the MAC access protocols of terahertz ultra-high data-rate wireless nerworks which proposed in the literature and some problems about the existing access protocols.On this basis, this thesis puts emphasis researching on the superframe structure and the access protocols.Then, we propose an improved access protocol to enhance the networks’ performance.

terahertz; ultra-high data-rate wireless networks; channel access protocols; superframe

2015-04-28

曹亞楠(1987-)，女，河南鶴壁人，鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，碩士研究生，主要從事太赫茲超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)MAC接入?yún)f(xié)議的研究.

TN925.93

A

1672-3600(2015)09-0065-07