太赫茲網絡中基于中繼的高效雙信道MAC協議

姚玉坤，趙子軍，李其超，王 磊

（重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065）

0 引 言

隨著人們對高帶寬的連接需求越來越大，即使是5G通信也無法滿足未來十年數據流量的飛速增長［1］，在此前提下人們開始探索太赫茲（Terahertz，THz）波段。頻率為0.1～10.0THz的THz波波長范圍在紅外光波和毫米波之間［2－3］。THz波可以支撐數十Gbit／s的數據速率，具有很大的應用潛力。隨著THz通信技術不斷提高，人們把重點放在了底層的介質訪問控制（Media Access Control，MAC）協議［4－8］。

IEEE802.15.3c［9］協議在波束對準過程中會產生大量的控制開銷，在設計THz MAC協議時，一種技術方案便是利用雙信道來進行波束對準。Peng等人提出一種雙信道接入方法，在較低頻段的信道進行控制消息交互，在THz信道使用定向天線進行精細掃描并傳輸數據［10］；Temel等人也提出了一種雙信道的定向MAC協議，但由于控制消息交互過程與位置信息估計過程分開進行，導致在探測階段的時延過大［11］。

Yao等人在上述研究基礎上提出一種輔助波束成型 MAC協議（Assisted Beamforming MAC Protocol for Terahertz Communication Networks，TAB－MAC），其基本思想是在2.4GHz的 WiFi信道用全向天線進行控制幀交互，在THz信道用定向天線進行數據幀傳輸［12］。TAB－MAC在一定程度上解決了THz波傳輸距離受限的問題，使得通信雙方定向天線的波束對準變得較為快速，但其仍存在消息傳輸成功率低以及冗余控制開銷問題，本文針對這些問題，提出了一種THz無線網絡中基于中繼的高效雙信道 MAC 協議 （High Efficient Dual－Channel MAC Protocol Based on Relay，HEBRMAC）。

1 網絡模型與問題描述

1.1 網絡模型

TAB－MAC是一種在THz無線個域網中運行的雙信道MAC協議，其網絡拓撲如圖1所示。

圖1 TAB－MAC網絡拓撲圖

圖中錨節點（Anchor Node，AN）與常規節點（Regular Node，RN）是網絡中的主要節點。其中AN 采用 全 球定 位 系 統 （Global Positioning System，GPS）設備來獲取自身坐標信息，且AN在2.4GHz的 WiFi信道中通過周期性的廣播信標幀幫助RN確定位置坐標。RN是網絡中用來傳輸控制幀和數據（DATE）幀的節點，工作在 WiFi和THz信道。若要確定一個RN在三維空間的位置，則至少需要4個AN的幫助，且這4個AN不能共線。當RN的位置確定后，通信雙方源與目的節點定向天線的波束對準工作將變得簡單。

TAB－MAC的基本思想是在 WiFi信道進行控制幀交互，在THz信道進行數據幀傳輸。其具體的消息交互過程如圖2所示。

有數據發送需求的源節點首先會以載波偵聽多路訪問／沖突避免（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid，CSMA／CA）方式在 WiFi信道中競爭信道資源，若獲得信道資源，則源節點發送請求發送 （Request To Send，RTS）幀給目的節點，目的節點收到后，則回復允許發送（Clear To Send，CTS）幀以交互。這里的RTS幀包含了源節點的位置以及天線信息，CTS幀包含了目的節點的位置以及天線信息。當RTS／CTS幀交互完成后，通信雙方便有了對方的位置和天線信息。源節點根據這些信息調整THz定向天線對準目的節點，而目的節點也根據接收到的信息調整THz定向天線對準源節點，緊接著進入THz信道。在THz信道時，為測試定向天線是否都各自對準，源節點會向目的節點發送一個發送測試（Test To Send，TTS）幀，若目的節點正確收到，則給源節點回復確認（ACKnowledgement，ACK）幀，源節點收到ACK幀后向目的節點發送數據幀。目的節點收到數據幀后，用一個ACK幀進行確認回復。

圖3所示為RTS、CTS和TTS等交互幀的幀結構。

圖2 TAB－MAC消息交互過程

圖3 交互幀結構

由于WiFi技術是基于802.11相關標準的，故而TAB－MAC控制幀都借鑒了現有的802.11協議以達到與現有MAC協議相兼容的效果。圖3中，Duration字段為預約信道時間；地址信息字段包含接收站點地址（Receiver Address，RA）（6字節）或發送站點地址（Transmitter Address，TA）（6 字節），RTS幀的地址信息字段包含RA和TA，CTS幀的地址信息字段只包含RA；X、Y和Z為位置信息字段，表示一個RN在三維空間的位置；天線信息字段包含天線的波束寬度及指向信息；TTS幀的幀主體部分攜帶了4個字節的無用數據字段。MAC尾部是幀校驗序列（Frame Check Sequence，FCS），以實現無比特差錯的傳輸。

1.2 問題描述

通過對TAB－MAC的分析研究，提出以下問題：

（1）TAB－MAC是一種雙信道 MAC協議，在WiFi信道時，節點的傳輸范圍可以達到幾百米，而在THz信道時，由于THz波的高衰減特性，即使采用了高增益的定向天線，節點的傳輸范圍也只能在10m左右。故而，當通信雙方節點相距＞10m時，在WiFi信道基本能成功傳輸控制消息，而在THz信道傳輸數據消息時，由于傳輸范圍不夠，而導致數據消息傳輸成功率大大降低。

（2）TAB－MAC中為了便于定向天線進行波束對準，故而在RTS／CTS幀中添加了節點的位置坐標（即X、Y和Z）以及天線信息字段。但對于已經成功通信的節點，在位置與天線信息不變的前提下，在準備進行第二次通信時不必再交互位置與天線信息，而且不必發送TTS幀來確保THz定向天線的波束對準，TAB－MAC在這種情況下帶來了冗余的控制開銷以及額外的通信交互過程。

2 HE－BRMAC

針對以上問題，本文在THz無線個域網條件下提出了HE－BRMAC。該協議分為中繼輔助和自適應減少控制開銷機制，能有效解決通信雙方節點THz傳輸距離不夠的問題，并且減少了不必要的控制開銷，提高了消息傳輸成功率，也提升了網絡整體的吞吐量。

2.1 中繼輔助機制

2.1.1 中繼輔助機制場景

本文所針對的是無線個域網通信場景。為便于更加詳細地敘述1.2節中的問題（1），下面給出二維平面中整個網絡的拓撲，如圖4所示。

圖4 網絡拓撲

現階段THz通信在使用高增益定向天線后所能支持的THz鏈路僅在10m左右［1］。圖4中C1是一個半徑為10m的圓形區域，也是本文所針對的無線個域網場景。假設此時有一源節點S準備與目的節點D通信。C2是源節點S的通信范圍，其通信半徑為10m，C1范圍之外的C2陰影部分不做考慮。在競爭得到信道資源后，S在WiFi信道上全向發送RTS幀，當D收到后，則對RTS幀中S的位置坐標進行提取，并根據位置坐標計算與S的距離，若該距離＞10m，則判斷S與D在彼此通信范圍之外，不能進行數據幀傳輸，此時啟動中繼輔助機制。

2.1.2 中繼節點選擇

目的節點在收到源節點發來的RTS幀后，啟動中繼輔助機制，此時不會向源節點回復CTS幀，而是回復中繼請求幀（Relay Request Frame，RRF），其幀結構如圖5所示。

圖5 RRF幀結構

RRF幀結構與CTS幀類似，目的節點在用RRF幀回應源節點的同時，其他空閑的RN開始判斷自身節點是否可以作為中繼節點。

首先其他節點提取RTS幀中的位置信息，并計算與源節點之間的距離；其次，其他節點提取RRF幀中的位置信息，計算與目的節點之間的距離。若與源和目的節點的距離均＜10m，則滿足作為中繼節點的條件，這樣的中繼節點集用R＝｛R1，R2，R3，…｝來表示。所有的備選中繼節點的范圍如圖6中的A區域所示。A區域為源節點與目的節點通信范圍相交的區域，A區域內的所有節點均可作為備選中繼節點。

若其他空閑的RN判斷自身節點與源和目的節點的距離均＜10m，則在收到RRF幀后開始啟動計時器，計時器率先減至0的備選中繼節點稱為唯一中繼節點，計時器初始值為

式中：SIFS為短幀間間隔；M點為源和目的節點相連線段與C2區域的相交點；dMD為M與D點間距離，可計算得到；dSD為源和目的節點間距離；dRD為某備選中繼節點與目的節點間距離；RSSD為目的節點收到RTS幀的接收信號強度；RSSR為某中繼節點收到RRF幀的接收信號強度；ε1與ε2為權重因子，兩者之和為1。

圖6 中繼節點范圍

式（1）主要考慮了距離與接收信號強度兩方面因素對中繼節點確認的影響，其中以距離因素占主導。dMD可看作是一個距離閾值，備選中繼與目的節點間距離不能小于這個閾值，否則這樣的備選中繼節點勢必在源節點通信范圍外，不適合作為中繼節點。RSSD也可看作是一個接收信號強度閾值，由于RSSD表征了目的節點收到RTS幀的接收信號強度（本文假設所有節點的發射和接收條件一樣），備選中繼節點所得的RSSR若大于這個值，則表明備選中繼節點離目的節點間的距離可能會比源節點離目的節點間的距離大，或者信道質量不佳信號衰弱嚴重，即當備選中繼節點測得RSSR＞RSSD時，這樣的備選中繼節點也不適合作為中繼節點。

式（1）表明了離目的節點越近的備選中繼節點越有可能成為唯一中繼節點。且由于各備選中繼節點在接收RRF幀時，信號的衰弱程度和噪聲均不一樣，所測得接收信號強度RSSR自然也不一樣，這都導致了即使存在dRD相同的備選中繼節點也會因為接收信號強度不一樣而使最后TR值不一樣。

計時器最先減至0的備選中繼節點稱為中繼節點，并立即發送中繼廣播（Relay Broadcast Frame，RBF）幀，其他備選中繼節點收到RBF幀后，關閉計時器并靜默。RBF幀的幀結構如圖7所示。

圖7 RBF幀的幀結構

2.1.3 中繼輔助機制步驟

中繼輔助機制的基本思想如下：在 WiFi信道時，目的節點在收到由源節點發來的RTS幀后，判斷源和目的節點間距離是否＞10m，若是，則目的節點發送RRF幀。在一段時間后，選出的中繼節點開始全向發送RBF幀且轉入THz信道，并將THz定向天線的方向對準源節點。此時源和目的節點在收到RBF幀后，提取RBF幀中中繼節點的位置信息，將THz定向天線方向也對準中繼節點，同時進入THz信道。中繼節點在THz信道上直接發送TTS幀給源節點，若源節點收到，則證明天線方向已對準并直接發送數據幀給中繼節點，中繼節點收到后回復源節點ACK幀，并隨之發送TTS幀給目的節點，目的節點收到后回復ACK幀給中繼節點，再由中繼節點發送數據幀給目的節點，最后收到數據幀的目的節點回復ACK幀給中繼節點。

在上述過程中，為消除RBF幀帶來的額外控制開銷，本文在原TAB－MAC的基礎上做了一些精簡。原TAB－MAC中，在THz信道時源節點發送TTS幀給目的節點，若源節點收到由目的節點發來的ACK幀，則開始發送數據幀給目的節點。在本文中，中繼節點發送RBF幀后，緊接著進入THz信道給源節點發送TTS幀，源節點收到TTS幀后便直接發送數據幀給中繼節點，在源節點與中繼節點的通信過程中省略了ACK幀，一定程度上消除了由RBF幀帶來的額外控制開銷，但由于RBF幀共20字節，而在802.11相關標準里，ACK幀為14字節，所以，本文還精簡了TTS幀。

由于TTS幀的作用主要是測試THz定向天線的方向是否對準，所以幀結構內的4字節無用數據字段以及2字節序號控制字段可以省略。若節點要在THz信道發送TTS幀，則生成一個不含數據字段的 TTS幀——ND－TTS（No Date Test To Send）幀。ND－TTS幀結構如圖8所示。

圖8 ND－TTS幀結構

通過省略ACK幀以及精簡TTS幀，在一個通信過程內消除了RBF幀帶來的額外控制開銷。中繼輔助機制的具體步驟如下：

步驟1：在 WiFi信道時，若目的節點收到由源節點全向發來的RTS幀，則提取RTS幀中源節點的位置信息，計算與源節點的距離。若距離＞10m，則全向回復RRF幀。在RRF幀中，Duration字段為短幀間間隔SIFS時間（由式（1）可知，TR最大值為SIFS），位置信息字段（即X、Y和Z）為目的節點位置坐標。若源與目的節點距離＜10m，則執行原TAB－MAC，本新機制結束。

步驟2：若其他節點收到由源節點發來的RTS幀，則提取源和目的節點的地址與源節點的位置信息，并保存在本地。

步驟3：若其他節點收到由目的節點發來的RRF幀，則依據接收信號測得接收信號強度RSS值，且提取RRF幀中目的節點的位置信息，并判斷是否滿足與源和目的節點間的距離都＜10m的條件，若滿足，則根據式（1）設置計時器，計時器最先減至0的節點稱為中繼節點，發送RBF幀通告全網，并根據源節點的位置信息將THz定向天線對準源節點，在等待SIFS時間后，發送ND－TTS幀給源節點；若不滿足條件，則刪除存于本地的源和目的節點的相關信息并保持靜默直至占用信道時間結束。

步驟4：若源節點收到中繼節點發來的RBF幀，則提取RBF幀中中繼節點的地址與位置信息，調整THz定向天線方向對準中繼節點，并進入THz信道。

步驟5：若目的節點收到中繼節點發來的RBF幀，則提取RBF幀中中繼節點的地址與位置信息，調整THz定向天線方向對準中繼節點，并進入THz信道。

步驟6：若備選中繼節點收到中繼節點發來的RBF幀，則立即關閉計時器，并保持靜默，直至占用信道時間結束。

步驟7：若源節點在THz信道收到中繼節點發來的ND－TTS幀，則向中繼節點發送數據幀。

步驟8：若在THz信道中繼節點收到由源節點發來的數據幀，則回復其ACK幀，且在回復ACK幀后，等待SIFS時間，然后向目的節點發送一個ND－TTS幀。

步驟9：若目的節點在THz信道收到由中繼節點發來的ND－TTS幀，則回應其ACK幀。

步驟10：若目的節點在THz信道完整收到由中繼節點發來的數據幀，則回應其ACK幀。

2.2 自適應減少控制開銷機制

在TAB－MAC中，一旦節點有數據發送，在獲得信道資源后必須進行控制幀交互的過程。若之前已成功通信的源和目的節點想要進行第2次通信，且源和目的節點的位置與天線信息沒有變化，那么在第2次通信過程中，控制幀就無需攜帶位置與天線信息字段。

本新機制主要從以下3種情況做了改進：若源與目的節點準備進行第2次通信，在源與目的節點的位置和天線信息都沒有變化的情況下，可以直接在THz信道發送數據幀，而不需要TTS幀。若源與目的節點有一方的位置和天線信息發生了變化，則可以使用一種已省略了位置和天線信息的控制幀來代替原RTS和CTS幀進行交互，并且TTS幀依然可以由目的節點進行發送，收到TTS幀的源節點直接發送數據幀，與TAB－MAC相比省略了一個ACK幀。若源與目的節點的位置與天線信息都發生了變化，那么使用原 RTS／CTS幀來交互，但TTS幀仍可由目的節點發送，省略了一個ACK幀。

本文提出的自適應減少控制開銷機制具體步驟如下：

步驟1：每個節點在MAC層維護一張節點信息存儲表，其表項共6項：源地址、源位置、源天線、目的地址、目的位置和目的天線信息。

步驟2：若某源節點有數據發送，則先檢查節點信息存儲表中是否有目的節點表項。若無，則創建節點信息存儲表，“源地址信息”為源節點站點地址；“源位置信息”為當前源節點位置坐標；“源天線信息”為當前源節點天線信息；“目的地址信息”為NULL；“目的位置信息”為NULL；“目的天線信息”為NULL（由于此時源節點沒有收到目的節點任何幀，故而填NULL）。若有目的節點表項，轉步驟3。

步驟3：若源節點的信息存儲表中有目的節點的表項，則判斷當前源節點的位置和天線信息是否與節點信息存儲表中“源位置信息”和“源天線信息”相同。若相同，說明源節點位置沒有變化，則發送一個省略了位置與天線信息的RTS幀——OLA－RTS（Omit the Location and Antenna－Request To Send）幀。若不相同，則更新節點信息存儲表，將當前源節點的位置與天線信息更新，并發送RTS幀。

步驟4：若其他節點（通過站點地址可判斷自身節點是否為目的節點）收到RTS或OLA－RTS幀，對節點信息存儲表不作處理。

步驟5：若目的節點收到RTS幀，則檢查節點信息存儲表中是否有源節點表項。若無，則創建節點信息存儲表，“源地址信息”為源節點站點地址；“源位置信息”為源節點位置坐標；“源天線信息”為源節點天線信息；“目的地址信息”為目的節點地址；“目的位置信息”為目的節點位置信息；“目的天線信息”為目的節點天線信息。若有源節點表項，轉步驟7。

步驟6：若目的節點收到OLA－RTS幀，轉步驟7。

步驟7：若目的節點的節點信息存儲表中有源節點表項，則判斷當前目的節點的位置和天線信息是否與節點信息存儲表中“目的位置信息”和“目的天線信息”相同。若相同，說明目的節點位置沒有變化，則發送一個省略了位置與天線信息的CTS幀——OLA－CTS（Omit the Location and Antenna－Clear To Send）幀。若不相同，則更新節點信息存儲表，將當前目的節點的位置與天線信息更新，并發送CTS幀。

步驟8：若源節點在發送OLA－RTS幀后，又收到目的節點回復的OLA－CTS幀，則說明源和目的節點的位置和天線信息均沒有變化，那么進入THz信道直接發送數據幀。

步驟9：若源節點在發送OLA－RTS幀后，收到目的節點回復的CTS幀，則更新節點信息存儲表，并將THz定向天線的方向對準目的節點。

步驟10：若源節點在發送RTS幀后，收到目的節點回復的CTS或OLA－CTS幀，則更新節點信息存儲表，并將THz定向天線方向對準目的節點。

步驟11：若目的節點收到OLA－RTS幀后，又發送OLA－CTS幀，則立即轉入THz信道準備接收源節點發來的數據幀。

步驟12：若目的節點收到由源節點發來的OLA－RTS幀，并回應了其CTS幀，或目的節點收到RTS幀，回應了其CTS／OLA－CTS幀，那么就將THz定向天線方向對準源節點，并等待SIFS時間，在THz信道向源節點發送ND－TTS幀。

步驟13：若源節點在THz信道收到目的節點發來的ND－TTS幀，那么發送數據幀給目的節點。

步驟14：若目的節點完整收到源節點發來的數據幀，那么回復ACK幀。

在自適應減少控制開銷機制中，OLA－RTS與OLA－CTS幀的幀結構分別如圖9和10所示。

圖9 OLA－RTS幀結構

圖10 OLA－CTS幀結構

3 仿真驗證

本文采用OPNET軟件進行仿真，主要的工作重心在MAC層，應用層、傳輸層和網絡層將采用透傳形式。本文將TAB－MAC作為參考協議，在網絡條件相同的情況下，比較分析 HE－BRMAC與TAB－MAC在MAC層的消息傳輸成功率、吞吐量和信道利用率等性能。

3.1 仿真參數設置

主要仿真參數如表1所示。

表1 主要仿真參數

3.2 仿真結果分析

3.2.1 消息傳輸成功率

消息傳輸成功率對比如圖11所示。由圖可知，隨著節點數增加，消息傳輸成功率逐漸下降，這主要是由兩點原因導致的：（1）當節點數逐漸增加時，業務數據量會越來越大，而隨著業務到達的增加，網絡中發生碰撞的幾率也會增多，這將直接導致消息傳輸成功率的下降。（2）隨著節點數的增加，將會有更多的節點處于WiFi信道能通信而THz信道不能通信的情況，這也將導致傳輸成功率的降低。但HE－BRMAC的成功率始終要比TAB－MAC協議高，這是因為 HE－BRMAC采用了中繼輔助機制，能有效應對在THz信道不能成功傳輸數據的問題，因而在一定程度上提高了消息傳輸成功率。

圖11 消息傳輸成功率對比

3.2.2 MAC層吞吐量

MAC層吞吐量對比如圖12所示。由圖可知，當節點數增加時，MAC層吞吐量會逐漸提升，這主要是因為在單位時間內，THz的高數據傳輸速率可以支持更多的節點成功通信。當然，吞吐量最后會處于一個平穩狀態，這是因為每一種MAC協議所能提供的業務量都有一個上限。但HE－BRMAC的吞吐量始終高于TAB－MAC協議，主要有以下原因：（1）HE－BRMAC采用中繼輔助機制，即使通信雙方距離較遠也能成功通信，從而提升了MAC層吞吐量；（2）HE－BRMAC采用了自適應減少控制開銷機制，減少了發送控制幀所需時間，在相同時間內能發送更多的數據幀，也提高了MAC層吞吐量。

圖12 MAC層吞吐量對比

3.2.3 信道利用率

信道利用率對比如圖13所示。由圖可知，HEBRMAC的信道利用率在一定程度上要優于TABMAC。這主要是因為在HE－BRMAC中，自適應減少控制開銷機制將RTS、CTS和TTS幀都進行了精簡，甚至在一定條件下可省略一個ACK幀，大幅度減少了控制開銷，即減少了發送控制幀所需時間，在網絡運行的一個總時間條件下，變相地增加了發送數據幀利用信道的時間，從而有利于信道利用率的提升。

圖13 信道利用率對比

4 結束語

本文主要針對TAB－MAC中存在的消息傳輸成功率低和控制開銷過大的問題做出改進，提出了HE－BRMAC。HE－BRMAC分為中繼輔助和自適應減少控制開銷機制。通過中繼輔助機制，使得原本因為THz通信范圍不夠而不能傳輸數據的節點成功進行了通信，為了避免RBF幀帶來的額外控制開銷，還對TTS幀進行了精簡，以及省略了ACK幀。通過自適應減少控制開銷機制，在源和目的節點第2次通信的情景下，將RTS、CTS和TTS幀進行了精簡，并在源和目的節點不改變位置信息的特殊條件下，省略了TTS及ACK幀。HE－BRMAC在MAC層吞吐量、消息傳輸成功率和信道利用率等性能上較TAB－MAC均有提升，并已通過仿真驗證。我們在后面的工作中，將繼續研究中繼節點對THz網絡的作用，譬如在非視距環境下如何利用中繼來避過障礙物，從而使得吞吐量能進一步提升。