高吞吐量低時延太赫茲超高速無線網絡M A C接入協議

曹建玲，崔平付，劉文朋，任 智，陳前斌（重慶郵電大學移動通信技術重慶市重點實驗室，重慶400065）

高吞吐量低時延太赫茲超高速無線網絡M A C接入協議

曹建玲，崔平付，劉文朋，任 智，陳前斌
（重慶郵電大學移動通信技術重慶市重點實驗室，重慶400065）

針對現有能夠應用于太赫茲超高速無線網絡的能量和頻譜感知的媒介接入控制（energy and spectru m-aware media access control，ES-M A C）及IE E E802.15.3c協議存在的時隙申請量未及時更新、超幀結構不合理及分配時隙時未合并同一對節點之間的時隙請求等問題，提出了一種高吞吐量低時延M A C（high throughput low delay M A C，H L M A C）協議。通過設計一種新的超幀結構，使節點及時得到時隙分配信息，大大降低數據接入時延；通過更新時隙請求量和合并同一對節點的時隙請求，增加了數據發送量，提高了網絡吞吐量。理論分析表明了H L M A C協議的有效性，仿真結果顯示它比ES-M A C協議增加了65.7%的網絡吞吐量，同時降低了30%的接入時延。

太赫茲；無線網絡；媒介接入控制協議；超幀；低時延

網址：w w w.sys-ele.co m

0 引 言

近年來隨著多媒體業務的快速發展，人們對無線網絡的數據傳輸速率要求越來越高［1］。根據Edholm定律［2］預測的無線通信系統數據傳輸速率曲線圖［3］可以看出，到2020年左右無線通信系統的數據傳輸速率將接近100 Gbit/s。為了支持超高速數據傳輸，可以提高頻譜利用率或增加網絡帶寬［3］。對于60 G Hz通信若要支持10 Gbps甚至幾百Gbps的傳輸速率，就要求頻譜利用率高達十幾bit/s/Hz，目前難以實現。太赫茲波［4］是位于毫米波和紅外光波之間的電磁波（如圖1所示），其波長范圍為0.03～3 m m，頻率范圍為0.1～10 T Hz。太赫茲頻段可以提供較大的帶寬和較高的傳輸容量，但該頻段的電磁波在空氣中傳播時衰減較大且當空氣中水分子較多時衰減尤其嚴重，因此其傳輸距離較短，主要應用于室內短距離無線通信方面，也可應用于無線數據中心［6-7］。

圖1 太赫茲波在電磁波譜中位置

目前關于太赫茲超高速無線網絡媒介接入控制（media access control，M A C）協議的研究非常少。P H L A M［8］協議是聯合物理層信息設計的一種M A C協議。在該協議中，接收端協助發送端選擇符號速率和信道編碼機制，并通過協調使多個設備同時傳輸數據。該協議研究重點為物理層技術對M A C協議沒有具體介紹。文獻［9］中提出了一種基于能量和頻譜感知的（energy and spectru m-aware media access control，ES-M A C）協議。該協議基于脈沖物理層技術提出了一種新的符號壓縮調度算法，其利用符號間隔的可伸縮性實現多個節點間并行無干擾的數據傳輸。文獻中提出了一種實現節點生存期和吞吐量平衡的調度算法，但其主要考慮的是如何降低能耗，這與太赫茲超高速無線網絡焦點集中于提高網絡吞吐量不同。

由于在載波頻率和最大數據速率等指標上比較接近，現有超高速無線網絡M A C協議（如IE E E802.15.3c和IE E E802.11ad）可以考慮用于太赫茲超高速無線網絡［10］。

T G 3d（100G）任務組［11］對太赫茲頻段的無線鏈路特性進行了大量研究［12 13］，而對于M A C協議還沒有相關研究。為了解決該問題，本文根據ES-M A C協議和T G 3d（100G）任務組前期研究成果，提出了一種高吞吐量低時延太赫茲超高速無線網絡M A C協議—H L M A C，通過優化設計了一種新的超幀結構，采用更新時隙請求量機制和合并時隙請求機制，有效地降低了數據接入時延，提升了網絡吞吐量。

1 網絡模型及問題描述

1.1 網絡模型

太赫茲超高速無線網絡［3，14］如圖2所示，網絡中的基本組成單元為節點（device，D E V），其中一個節點為中心控制節點［14］（piconet coordinator，P N C）。該網絡的信道資源被劃分為一系列的超幀，超幀由信標幀、競爭接入期（contention access period，C A P）和信道時間分配期（channel time allocation period，C T A P）3部分組成。在Beacon時期，P N C廣播包含全網基本信息的信標幀；C A P時期主要用于發送命令幀，在該時期采用CS M A/C A接入方式；C TA P時期由信道時間分配（channeltime allocation，C TA）組成，主要用于設備之間傳輸數據，該時期采用T D M A接入方式。

圖2 太赫茲超高速無線網絡組成

1.2 問題描述

經研究發現，現有太赫茲無線網絡ES-M A C協議［9］及能夠應用于太赫茲超高速無線網絡的CS M A/C A+T D M A混合接入方式存在以下問題。

（1）現有超幀結構如圖3所示，該超幀結構會導致以下兩個問題：①節點在第N個超幀的C A P時期發送的時隙請求只能在第N+1個超幀的Beacon中分配并廣播給全網中的設備，數據在第N+1個超幀中的C T A P時期發送給目的節點，數據從申請時隙到接入信道被延遲了一個超幀長度，這引入了較大的時延，且超幀長度越長時延越大；②Becaon中分配的時隙請求量不能反應此時節點最新的時隙請求量（為上一超幀C A P時期的請求量，中間相隔一個C T A P時期），若C T A P時期有剩余而此時仍使用上一超幀的時隙請求量會降低網絡吞吐量，增大數據的接入時延。

圖3 現有超幀結構

（2）現有協議在C A P時期發送時隙請求幀時存在以下問題：①若發生碰撞則需退避重傳，但此時可能有新數據到達，時隙請求量已發生變化，現有協議并未對其更新；②若在當前超幀C A P時期剩余時隙內無法發送該幀，則需掛起退避計數器，并在下一超幀C A P時期重啟退避計數器，當退避計數器減為0時發送該幀。但此時時隙請求量已發生巨大變化，現有協議并未進行相關操作。上述兩種情況會導致節點發送的時隙請求量不是最新，增大數據接入時延，降低網絡吞吐量。

（3）P N C在分配時隙時，現有協議并未考慮到時隙請求列表內有多個來自同一對節點間的時隙請求的情況，若為每個時隙請求分配一個C T A則會增加C T A之間的保護時隙，從而產生時隙浪費。

2 H L M A C協議

為解決第1.2節所述3個問題，本文提出了一種新的M A C接入協議—高吞吐量低時延M A C（high throughputlow delay M A C，H L M A C）。通過設計一種新的超幀結構、更新時隙請求量和合并時隙請求等機制H L M A C協議提升了網絡吞吐量，降低了數據接入時延。

2.1 H L M A C協議包含的新機制

（1）一種新的高效低時延超幀結構

為解決現有超幀結構導致的數據接入時延較大及時隙請求量非最新的問題，設計了一種新的超幀結構如圖4所示。

圖4 H L M A C協議超幀結構

新的超幀結構如圖4（b）所示，調整了原超幀中各部分之間順序，其包含Beacon、C TA P和C A P 3部分。在Beacon時期發送時隙分配信息及超幀各部分長度信息，接下來為C T A P時期，用來節點發送數據，最后為C A P時期，節點在該時期發送時隙請求幀?？紤]到網絡運行初期需要在C A P時期進行組網操作，此時C TA P時期內沒有數據發送，若仍保留C TA P時期會產生資源浪費，所以在網絡運行初期采用圖4（a）所示超幀結構。該機制具體操作步驟如下。

步驟1 Beacon時期，P N C檢查時隙請求列表，若為空，則表明此時為網絡組建初期或在本超幀內節點沒有數據發送，則使用如圖4（a）所示超幀結構，否則使用如圖4（b）所示超幀結構。P N C將超幀結構信息及信道時隙分配信息寫入Beacon幀中廣播給網絡中各個節點，轉步驟2。

步驟2 節點接收到Beacon幀，取出其中各時期長度信息及時隙分配信息。若存在C T A P時期，則節點進入C T A P時期并根據收到的時隙分配信息在相應C T A內發送數據，在C T A P時期結束后轉步驟3，否則直接轉步驟3。

步驟3 節點進入C A P時期，并采用CS M A/C A接入方式發送時隙請求幀申請時隙資源，該時隙請求會在本超幀C A P時期結束后，下一超幀開始的Beacon幀中立即進行分配。當C A P時期結束，進入下一超幀，轉步驟1。

在該機制中，節點在第N個超幀的C A P時期發送時隙請求幀，在接下來的第N+1個超幀開始的Beacon中立即廣播時隙分配信息（時隙請求和分配間隔很短），并在接下來的C T A P時期將數據發送出去，大大降低了數據接入時延。由于時隙請求和分配只間隔一個C A P時期加保護時間的長度，因此Beacon中所分配的時隙請求量是此時節點最新的時隙請求量。

（2）更新時隙請求量機制

針對C A P時期節點重傳時隙請求幀未更新時隙請求量和跨超幀的時隙請求幀未更新時隙請求量的問題，提出了一種更新時隙請求量機制，具體步驟如下。

步驟1 節點進入C A P時期，首先檢查是否有上一超幀C A P時期未發送的時隙請求幀，若有，則節點根據此時緩存內數據量重新計算時隙請求量，若該時隙請求量與上次保存值相同則不進行任何操作，執行退避過程，發送該幀，否則解析此幀并更新該幀內的時隙請求量，同時將該最新時隙請求量保存，進入步驟2。若沒有上一超幀未發送的時隙請求幀則直接進入步驟2。

步驟2 若節點有數據發送，則準備時隙請求幀并保存其時隙請求量。使用CS M A/C A機制發送時隙請求幀，若發送成功則在收到立即確認幀后將保存的時隙請求量清零，否則保持不變。在發送時隙請求幀后若檢測到發生沖突（未收到立即確認幀），則執行重傳操作。在重傳開始時節點根據此時緩存內數據量重新計算時隙請求量，并判斷此時時隙請求量是否與保存值相同，若不同則解析該時隙請求幀，更新其中的時隙請求量為當前節點最新的請求量，同時保存最新的時隙請求量以備下次比較使用。若此幀發送成功則節點在收到立即確認幀后將保存的時隙請求量清零，否則保持原值。若時隙請求量與保存值相同則按正常退避機制執行，不進行更新操作。

（3）合并同一對節點間的時隙請求

在分配時隙時P N C為請求列表內的每一個時隙請求分配一個C TA，相鄰C TA之間有保護時隙，因此C TA越多，保護時隙就越多，用于發送數據的時隙就會減少。因此提出了合并同一對節點的時隙請求，以減少C TA個數從而減少保護時隙個數，增加用于發送數據的時隙，其具體思路如下。

初始化i為1，執行如下步驟。

步驟1 若i大于P N C請求列表內時隙請求個數則結束算法，否則P N C取出時隙請求列表內的第i個時隙請求，并保存其源地址SrcIDi、目的地址DestIDi和時隙請求量Ti，令j=i+1，轉步驟2。

步驟2 若j小于等于P N C時隙請求列表內時隙請求個數，則P N C取出第j個時隙請求，保存其源地址SrcIDj、目的地址DestIDj和時隙請求量Tj，并比較SrcIDi、SrcIDj及DestIDi、DestIDj是否相同，若相同，則轉步驟3，否則j加1，轉步驟2；若j＞P N C時隙請求列表內時隙請求個數則i加1，轉步驟1。

步驟3 第i個時隙請求與第j個時隙請求屬于同一對節點，更新第i個時隙請求量Ti=Ti+Tj，并將第j個時隙請求從時隙請求列表內刪除，轉步驟2。

2.2 H L M A C協議操作步驟

以下操作步驟從網絡組建初期開始，具體如下。

步驟1 Beacon時期，P N C檢查時隙請求列表，若為空，則表明此時為網絡組建初期或在本超幀內節點沒有數據發送，則采用圖4（a）所示超幀結構，取消C T A P時期，使C A P時期增長，并將C A P開始時間寫入Beacon，轉步驟3；若時隙請求列表不為空則表明本超幀內有節點發送數據，采用圖4（b）所示超幀結構，轉步驟2。

步驟2 P N C檢查時隙請求列表內所有請求，若存在同一對節點間的時隙請求，則根據合并時隙請求機制進行合并操作。操作完畢后P N C按請求列表內信息進行時隙分配，并將時隙分配信息及C A P開始時間寫入Beacon幀中，以告知節點何時發送數據及何時進入C A P時期，轉步驟3。

步驟3 節點收到Beacon幀，取出其中時隙分配信息和C A P開始時間。若有C T A P時期則進入C T A P時期，在相應時隙內發送數據，并在C T A P時期結束后進入C A P時期轉步驟4，否則直接轉步驟4。

步驟4 節點進入C A P時期，若此時為網絡組建初期則發送關聯請求幀進行關聯操作；若此時有未發送的時隙請求幀，則按照更新時隙請求量機制對時隙請求量進行更新并重啟退避計數器開始退避操作發送該幀；若沒有未發送的時隙請求幀，則檢查緩存內是否有未發送的數據，若有則準備時隙請求幀，使用CS M A/C A機制發送該幀，轉步驟5。

步驟5 在C A P時期，若節點在發送時隙請求幀時發生沖突，則按照更新時隙請求量機制進行更新。只要在發送時隙請求幀時產生沖突需重傳，均進行此操作。若C A P結束而此時時隙請求幀未發送，則將退避計數器掛起；轉步驟1進入下一超幀。

3 H L M A C協議理論分析

關于H L M A C協議的性能，有如下引理，并通過數學證明進行論證。

性質1 與IE E E802.15.3c相比，H L M A C協議能夠降低數據接入時延。

證明 假設兩種協議的網絡業務模型及節點行為均相同。考慮數據從申請到發送期間接入時延計算公式為Ta=Ts-Tr，即數據發送時間Ts與接收時間Tr之差。兩種協議均在Beacon時期和C T A P時期接收數據，因此數據接收時間可認為相同，則接入時延可以表示為如圖5所示。

圖5 接入時延對比圖

對于IE E E802.15.3c中的超幀結構如圖5（a）所示，由于節點只能在第N個超幀的C A P時期申請時隙，并在第N+1個超幀的Beacon幀中將其時隙請求進行分配并廣播給節點，數據在第N+1個超幀的C T A P時期發送出去，因此其接入時延約為

對于H L M A C協議超幀結構的接入時延如圖5（b）所示。在該超幀結構中，D E V在第N個超幀的C A P時期請求時隙，在第N+1個超幀的Beacon中將時隙分配信息廣播出去，并在接下來的C T A P時期發送數據，但由于C A P時期與Beacon時期相鄰，因此其接入時延為

在相同網絡場景下由于IE E E802.15.3c、H L M A C協議各個時期長度均相同，則由式（1）和式（2）知TAI＞TA H，因此H L M A C協議能夠大大降低接入時延。證畢

性質2 與802.15.3c協議相比，H L M A C協議能夠增加網絡吞吐量。

證明 假設兩種協議中的時隙分配模型均相同考察網絡吞吐量性能。在參考文獻［15］中作者提出了一種混合接入協議的網絡吞吐量分析模型。設H L M A C及IE E E802.15.3c協議的吞吐量分別為SH，SI，則可得SI和SH分別如式（3）和式（4）所示。其中，M為網絡中節點數量，NC T Ai和N′C T Ai為超幀內C T A個數，μ和μ′為C T A內傳輸的幀個數，其與時隙請求量有關，B為幀負載大小，Lsf為超幀長度。

在網絡場景和超幀長度相同的條件下，兩種協議中的節點數量和幀負載均相同。由于H L M A C協議采用更新C A P時期的時隙請求量機制，使C T A內發送的幀個數增加，因此有μ′＞μ，則可得出SH＞SI。證畢

性質3 H L M A C協議中有效時隙量≥IEEE802.15.3c中有效時隙量。

證明 有效時隙量定義為C T A P時期可用于發送數據的時隙長度，即為C T A P時期內所有C T A時隙之和，兩種協議中的有效時隙量概念定義相同。設H L M A C協議及IE E E802.15.3c協議中，P N C收到的時隙請求個數分別為RH和RI。兩種協議的網絡場景（業務量相同）、超幀長度及各個時期長度均相同，則應有RH=RI，TI_C T A P= TH_C T A P，即兩種協議中PNC收到的時隙請求個數相同，C T A P長度相同。P N C在分配時隙時為時隙請求列表內的每個請求分配一個C T A，則時隙請求個數即為所分配的C T A個數，則有效時隙量計算如式（5）所示。

H L M A C協議中，P N C在進行時隙分配前對時隙請求列表進行了重新整理，合并了來自同一對節點之間的時隙請求，則有RH＜=RI，則根據式（5）有TIa＜=TH a。證畢

由于有效時隙量越大，節點發送的數據就越多，吞吐量也就越高，由此也可證H L M A C協議網絡吞吐量高于IE E E 802.15.3c。

4 仿真及結果分析

選取ES-M A C協議、IE E E802.15.3c協議作為比較對象，通過改變網絡中節點數量比較3種協議的網絡吞吐量、數據接入時延等性能。

4.1 仿真設置

使用O P N E T14.5仿真工具對3種協議進行仿真實現。根據節點數量不同設置6個不同場景，在每個場景中分別運行3種協議，每組實驗又分別使用不同的隨機種子進行仿真，并取其平均值作為最終結果。節點業務模型采用泊松分布，主要仿真參數的設置如表1所示。

表1 仿真參數設置

4.2 仿真結果分析

（1）網絡吞吐量

改變網絡中節點數量分別運行3種協議得到了如圖6所示的節點數量與網絡吞吐量關系圖。由圖可知：隨著網絡中節點數量增加，3種協議的網絡吞吐量逐漸增加最后趨于平穩，而H L M A C協議吞吐量高于IE E E802.15.3c和ES-M A C協議，這是由于H L M A C協議采用更新時隙請求量機制，增加了節點的時隙請求量使其能夠在C T A P時期發送更多數據；合并時隙請求機制能夠減少C T A之間保護時隙個數，從而增加有效時隙以發送數據。

圖6 網絡吞吐量對比

（2）數據接入時延

圖7為仿真得到的節點數量與數據接入時延關系圖。由圖可知：隨著網絡中節點數量增加，網絡負載逐漸增大，數據接入時延也逐漸上升，但H L M A C協議的接入時延比其他兩個協議均低，其主要原因是：①在新的超幀結構中，數據的時隙申請和發送時間差值大大減小，數據在緩沖區內的等待時間減少，從而降低了數據接入時延；②更新時隙請求量機制能夠使更多數據在本超幀內及時發送給目的節點而不必推遲到下一超幀中發送，同樣能夠大大減小接入時延；③合并時隙請求機制，能夠增加CTAP時期的可用時隙，使更多數據在本超幀內發送給目的節點，減小了數據接入信道的時間。

圖7 數據接入時延對比

（3）緩存包數

仿真中設置3種協議的緩沖區大小為10 M B，得到節點數量對緩存包數影響的結果圖，如圖8所示。隨著網絡中節點數量增多，網絡負載加重，3種協議的緩存包數逐漸增多，最終趨于相同并穩定在一定數值內。由圖知H L M A C協議的緩存包數始終低于其余兩種協議，這是由于：①更新時隙請求量機制能夠及時將數據發送給目的節點，從而降低了緩存中的數據量；②合并時隙請求機制能夠減少C T A之間保護時隙，增加C T A P時期用于發送數據的時隙量，從而使更多數據及時發送出去，降低了緩存中數據量。

圖8 緩存包數對比

（4）數據接入成功率

設置3種協議的緩存大小為10 M B，得到如圖9所示節點數量與接入成功率關系圖。由圖知，隨著節點數量增加，3種協議的數據接入成功率逐漸下降，但H L M A C協議的接入成功率高于其余兩種協議的接入成功率。這是由于：①更新時隙請求量機制能夠將數據及時發送給目的節點，降低了緩存內的數據量，從而減少了緩存中數據的溢出增加了數據接入成功率；②合并時隙請求機制，減少了C TA之間保護時隙，增加了數據發送量從而減少了緩存內數據量，降低了緩存內數據的溢出從而提高了數據接入成功率。

圖9 數據接入成功率對比

5 結束語

針對現有能夠應用于太赫茲超高速無線網絡的ES-M A C 及IEEE802.15.3c協議存在的問題，提出了一種新的M A C協議—H L M A C。H L M A C協議設計了一種新的超幀結構，更新了時隙請求量同時合并了同一對節點間時隙請求。理論分析和仿真結果表明了H L M A C協議降低了數據接入時延，提升了網絡吞吐量。在未來工作中，我們將研究一種適用于太赫茲無線網絡中的自適應幀聚合機制以降低太赫茲頻段的衰減對數據傳輸效率的影響。

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High throughput low-delay M A C protocol for Terahertz ultra-high data-rate wireless networks

C A O Jian-ling，C UI Ping-fu，LIU W en-peng，R E N Zhi，C H E N Qian-bin
（Chongqing Key Lab of M obile Com m unications Technology，Chongqing University of Post and Com m unications，Chongqing 400065，China）

To resolve the problems that not updating the time slots nu m ber in real time，unreasonable superframe structure and not merging the same pairs of nodes’channel time request in the existing media access control（M A C）protocol such as energy and spectru m-aware M A C（ES-M A C）protocol and IE E E802.15.3c w hich can be applied in Terahertz ultra-high data-rate wireless networks，a high throughput low-delay M A C protocol for Terahertz ultra-high data rate wireless networks called H L M A C is proposed.By designing a new superframe structure，nodes can get channeltime allocation information im mediately w hich can reduce access delay greatly.The network throughput can be im proved by updating the time slots nu m ber and merging the same pairs of nodes’channeltime request w hich willincrease the nu m ber of data sent by nodes.Theoretical analysis verifies the effectiveness of H L M A C and sim ulation results show that co m paring with the ES-M A C，H L M A C im proves network throughput by 65.7%and decreases the access delay by 30%.

Terahertz；wireless networks；media access control（M A C）protocol；superframe；low-delay

T P 393.04

A

10.3969/j.issn.1001-506 X.2016.03.31

1001-506 X（2016）03-0679-06

2015-04-03；

2015-09-01；網絡優先出版日期：2015-09-16。

網絡優先出版地址：http：//w w w.cnki.net/kcms/detail/11.2422.T N.20150916.1551.006.html

國家自然科學基金（60972068）；教育部長江學者和創新團隊發展計劃（IR T1299）；重慶市科委重點實驗室專項經費（D2011-24）；重慶市自然科學基金（cstc2012jjA40051）；重慶市教委科研項目（KJ120510）資助課題

曹建玲（1974-），女，副教授，碩士，主要研究方向為無線傳感器網絡路由算法、太赫茲無線網絡M A C協議。

E-mail：caojl@cqupt.edu.cn

崔平付（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向為基于博弈的移動傳感器網絡路由算法研究、太赫茲無線網絡M A C協議。

E-mail：455414313@qq.com

劉文朋（1988-），男，碩士，主要研究方向為太赫茲無線網絡M A C協議。

E-mail：573751336@qq.com

任 智（1971-），男，教授，博士，主要研究方向為寬帶無線移動網絡及網絡優化。

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陳前斌（1967-），男，教授，博士研究生導師，主要研究方向為寬帶無線網絡技術、多媒體信息處理與傳輸。

E-mail：chenqb@cqupt.edu.cn