避免波束干擾的高效太赫茲雙信道MAC協議

姚玉坤，甘澤鋒，馮 鑫，劉順輝

(重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065)

0 引 言

隨著時代的發展，人們對無線數據速率的要求越來越高，然而，5G網絡只能提供幾千兆比特每秒的傳輸速度，但太赫茲(Terahertz，THz)通信網絡可以提供幾十千兆比特每秒的傳輸速度[1-3]。隨著THz通信技術的發展，目前已有一些介質訪問控制(Media Access Control，MAC)協議可實現THz通信[4-5]。2016年，Yao等人提出一種針對THz通信網絡的輔助波束成型MAC協議(Assisted Beamforming MAC Protocol for Terahertz Communication Networks，TAB-MAC)，其在WiFi信道完成波束賦形，在THz信道傳輸數據[6]；Tong等人提出一種多無線電輔助協議，其基于處理控制消息的到達角找到最佳傳輸路徑后，在THz信道傳輸數據[7]；文獻[8-9]提出了自適應利用THz波段的超寬帶寬和具有資源分配功能的多連接THz通信；文獻[10-11]實現了在THz信道中的多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)通信。

文獻[12]在上述研究基礎上提出了一種MIMO THz通信網絡的多波束按需功率分配MAC(Multi-Beam On-Demand Power Allocation MAC，MBPA-MAC)協議，該協議依賴于多波束天線結構，通過應用距離感知功率分配方案，實現了多個并發的THz通信，解決了THz通信距離受限和單波束MAC協議性能較低的問題，但其還存在波束重疊干擾和控制開銷冗余的問題。本文針對這兩個問題，提出了一種避免波束干擾的高效THz雙信道MAC協議(Efficient THz Dual-Channel MAC Protocol to Avoid Beam Interference，E-ABIMAC)。

1 網絡模型和問題描述

1.1 網絡模型

MBPA-MAC協議是一種應用在MIMO THz通信網絡場景下的雙信道MAC協議，其網絡模型如圖1所示。

圖1 MBPA-MAC協議網絡模型圖

如圖所示，每個節點配備有全球定位系統(Global Positioning System，GPS)模塊、2.4 GHz WiFi全向天線和16個天線子陣列組成的THz多波束天線陣列，每個子陣列負責一個扇區。節點在WiFi信道交互控制信息，完成波束賦形，在THz信道定向傳輸數據。

MBPA-MAC協議的交互過程分為兩種情況，如圖2所示。源節點首先在WiFi信道廣播一個請求發送(Request To Send，RTS)幀，目的節點收到RTS幀后根據RTS幀中的位置信息分配相應扇區，同時廣播一個允許發送(Clear to Send，CTS)幀，源節點接收到CTS幀后根據CTS幀中的位置信息計算源節點傳輸數據所需的最小傳輸功率，計算公式為

圖2 MBPA-MAC協議的交互過程

式中：f為THz頻率；d為兩點間距離；Pr為目的節點的接收功率；Gt和Gr分別為發射機和接收機的定向天線增益；c為光速；Kabs為水分子吸收系數。Pr的計算公式為

式中：K為玻爾茲曼常數；B為傳輸數據的帶寬；Tnoise為等效噪聲溫度；SNRmin為最小接收信噪比。若源節點的剩余功率足夠，則在THz信道定向發送一個測試(Test To Transmit，TTT)幀，目的節點收到后回復一個確認(Acknowledgement，ACK)幀，源節點收到ACK幀后發送數據(Data)，目的節點接收完所有數據后回復一個ACK幀；若源節點的剩余功率不夠，則全向發送一個尚未準備好(Transmit Not Ready，TNR)幀，目的節點收到TNR幀后取消分配給源節點的天線扇區同時回復ACK幀。

圖3所示為RTS和CTS幀結構。Duration為生存周期，RA為目的節點的MAC地址，TA為發送節點的MAC地址，X和Y分別為節點的橫和縱坐標，隊列信息為節點的請求序列號，幀校驗序列(Frame Check Sequence，FCS)主要目的是實現無比特差錯傳輸。

圖3 RTS和CTS幀結構

1.2 問題描述

通過對MBPA-MAC協議的仔細研究，本文提出以下問題：

(1) 目的節點發送CTS幀時帶有自身的MAC地址，由于源節點已知目的節點的MAC地址，造成了控制消息的冗余。源節點收到CTS幀后判斷自身的剩余功率是否足夠傳輸數據，若不夠，在WiFi信道回復TNR幀，目的節點收到TNR幀后回復ACK幀，此過程雖然保證了下一次其他節點與目的節點通信的天線扇區不被占用，但帶來了過多的控制開銷，降低了信道利用率。

(2) MBPA-MAC協議中為了實現MIMO THz通信，通信網絡中每個節點配備多波束天線，最多可支持16個方向同時進行數據傳輸，但是多對節點在THz信道同時傳輸數據容易存在波束重疊，數據傳輸受到干擾，從而導致消息傳輸成功率降低，網絡吞吐量下降。

2 E-ABIMAC

針對上述問題，本文提出了E-ABIMAC。該協議分為波束干擾預判機制、中繼輔助機制和基于節點信息省略CTS/ACK幀機制，通過這3個機制，減少了節點在WiFi信道的交互過程，大大減少了控制開銷，降低了傳輸時延，提高了消息傳輸成功率，也增大了網絡吞吐量。

2.1 基于節點信息省略CTS/ACK幀機制

針對1.2節中的問題(1)，本文提出了基于節點信息省略CTS/ACK幀機制，該機制主要思想是源節點發送新的RTS幀時，在幀中添加兩個字節表示源節點的剩余功率，目的節點收到新的RTS幀后，根據位置信息和功率信息，通過式(1)和(2)判斷源節點能否與目的節點通信。若能則回復新的CTS幀，新的CTS幀中不包含TA字段；若不能則回復TNR幀，減少了CTS和ACK幀的交互過程，大大減少了控制開銷。

源節點發送的新RTS幀即RTS-P(RTS-Power)幀的幀結構如圖4所示。目的節點發送的新CTS幀的幀結構如圖5所示。圖6所示為新機制下功率不足時的交互過程。

圖4 RTS-P幀結構

圖5 新的CTS幀結構

圖6 新機制下功率不足時的交互過程

基于節點信息省略CTS/ACK幀機制的具體步驟如下：

步驟1：源節點首先通過WiFi信道全向廣播一個攜帶自身位置和功率信息的RTS-P幀。

步驟2：目的節點收到RTS-P幀后提取RTS-P幀中的位置信息和功率信息，功率值記為P1，通過式(1)和(2)計算源節點發送數據所需的最小傳輸功率，其值記為P2。

步驟3：若P1≥P2，表示源節點的剩余功率可以支持本次數據傳輸，則目的節點根據RTS-P幀中的位置信息分配相應的天線扇區，同時目的節點回復新的CTS幀，源節點接收到新的CTS幀后提取位置信息，分配相應的天線扇區。

步驟4：源節點在THz信道定向發送一個TTT幀，測試源和目的節點的波束是否對準，目的節點收到TTT幀表示兩節點的波束已經對準，回復一個ACK幀，源節點收到ACK幀后開始傳輸數據。

步驟5：若P1

2.2 波束干擾預判機制

本文所提波束干擾場景如圖7所示，圖中有多對節點同時在THz信道傳輸，節點B和D為節點A的目的節點，節點E為節點C的目的節點。

圖7 波束干擾場景

節點A傳輸數據給節點B和D，不會產生波束重疊，但節點C傳輸數據給節點E會導致節點A和D的波束與節點C和E的波束產生重疊，進而影響數據傳輸。為了避免這種情況，節點E可以通過節點A和C發送的RTS幀保存節點A和C的位置信息以及節點B和D發送的CTS幀中的位置信息和生存周期，由于THz定向波束的寬度很窄，可認作為準直線，因此可通過直線方程判斷是否有波束重疊。

以下是判斷兩對節點同時通信時產生波束重疊的方法，多對節點判斷方法同理。

假設節點A的坐標為(XA,YA)，節點D的坐標為(XD,YD)，節點C的坐標為(XC,YC)，節點E的坐標為(XE,YE)，兩點的直線方程為

通過式(3)確定直線AD和CE的直線方程并聯立求解，若x無解，則不存在波束重疊；若x有解，假設交點的橫坐標為xm，則有以下3種情況：

情況1：當xm>xD時，即相交點在節點D的右側，不會產生波束重疊。

情況2：當xm

情況3：當xA≤xm≤xD時，說明相交點正處于線段AD之間，會產生波束重疊，需啟動中繼輔助機制。

本文提出的波束干擾預判機制步驟如下：

步驟1：首先通信網絡中每個節點維護一張節點信息存儲表，節點收到一個RTS-P幀后提取位置信息放入表中，收到新的CTS幀就提取生存周期和位置信息放入表中，表中每一項在初始化時均填入“NULL”，當信息存儲表中生存周期回退為0時，刪除這一行的信息。

步驟2：有數據發送請求的源節點發送RTS-P幀，目的節點收到RTS-P幀后，根據式(1)和(2)判斷能否建立通信。若不能，則取消本次通信；若能，則讀取信息存儲表中正在通信的節點及其位置信息，通過上述方法判斷是否有波束重疊。

步驟3：若沒有，則回復新的CTS幀，然后執行MBPA-MAC協議。

步驟4：若有，則啟動中繼輔助機制。

2.3 中繼輔助機制

目的節點廣播一個中繼請求幀(Relay Request Frame，RRF)，幀結構如圖8所示。

圖8 RRF的結構

其他節點接收到RRF后，開始判斷自身能否作為中繼節點。

首先節點根據接收到的RTS-P幀中的位置信息和功率信息以及波束干擾預判機制判斷能否與源節點建立通信。若能，再根據接收到的RRF中的位置信息和波束干擾預判機制判斷能否與目的節點建立通信，若還是能，則將該節點作為一個備選節點，備選節點集用P={P1,P2,…}表示。這些備選節點收到RRF后啟動一個計時器，計時器的值最先回退為0的節點作為中繼節點，計時器的初始值為

式中：SIFS為短幀間間隔；PSR為源節點發送數據給中繼節點所需的最小傳輸功率；PRD為中繼節點發送數據給目的節點所需的最小傳輸功率；PMAX為節點提供的最大傳輸功率，值為100 mW；RSSSD為目的節點收到RTS幀的接收信號強度；RSSDR為備選節點收到RRF的接收信號強度；α和β均為權重因子，兩者之和為1。

成為中繼節點的節點廣播一個中繼節點幀(Relay Node Frame，RNF)，表明該節點為中繼節點，RNF的結構如圖9所示。

圖9 RNF結構

本文提出的中繼輔助機制步驟如下：

步驟1：目的節點廣播一個RRF，尋找中繼節點。

步驟2：其他節點接收到RRF后，先讀取源節點發送的RTS-P幀中的位置信息和功率信息，通過式(1)、(2)和波束干擾預判機制判斷能否與源節點建立通信。

步驟3：若能，再讀取RRF中目的節點的位置信息，通過式(1)、(2)和波束干擾預判機制判斷自身的剩余功率能否與目的節點建立通信，若能則記為一個備選節點。

步驟4：成為備選節點的節點收到RRF后啟動計時器，計時器數值最先回退為0的節點廣播一個RNF，表明為中繼節點，同時根據RTS-P幀和RRF的位置信息分配相應的扇區。

步驟5：源節點收到RNF后根據RNF的位置信息分配新的扇區，同理，目的節點收到RNF后也根據RNF的位置信息分配新的扇區。

步驟6：在THz信道，源節點與中繼節點通信和中繼節點與目的節點通信的流程與MBPA-MAC協議一樣。

3 仿真驗證

本文采用的仿真工具是OPNET14.5仿真軟件，在網絡環境相同的前提下，比較分析E-ABIMAC、MBPA-MAC和TAB-MAC協議的性能。

3.1 仿真參數設置

主要的仿真參數如表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

消息傳輸成功率為目的節點正確接收到的數據幀個數除以源節點發送的數據幀個數，計算公式為

式中：P為消息傳輸成功率；Nr為目的節點接收數據幀的數量；Nt為源節點發送數據幀的數量。

如圖10所示，當節點數量達到18個時，E-ABIMAC的消息傳輸成功率與MBPA-MAC協議相比提升了6.5%，但3種協議的消息傳輸成功率都存在下降的趨勢，主要原因有以下兩點：(1) 由于節點的位置信息是通過GPS定位模塊獲得的，在控制消息交互階段節點全向廣播時，所有的節點都可以收到信息。但節點在THz信道定向傳輸，由于GPS定位存在一定誤差，數據可能無法正確傳輸到目的節點。(2) 節點間通信方向存在障礙物，導致目的節點接收不到數據。但E-ABIMAC的成功率比其他協議高，主要是因為E-ABIMAC采用了波束干擾預判機制和中繼輔助機制，能夠避免多對節點在THz信道傳輸數據時產生波束重疊干擾。

圖10 消息傳輸成功率比較

3.2.2 MAC層吞吐量

MAC層吞吐量為單位時間內目的節點接收的總比特數，計算公式為

式中：Bi為第i個節點接收的數據幀比特數；Ts為整個網絡運行的總時間。

如圖11所示，當業務數量達到上限后，E-ABIMAC的吞吐量與MBPA-MAC協議相比提高了10.1%。由圖可知，MAC層吞吐量在逐漸增大，其主要原因是隨著節點數量的增多，單位時間內通信的節點數也增加，傳輸數據的效率更高，但吞吐量最后會趨于平穩(協議支持的業務數量有上限)。且E-ABIMAC的吞吐量一直比MBPA-MAC協議高，原因在于：(1) E-ABIMAC通過基于節點信息省略CTS/ACK幀機制，減少了控制幀交互過程和CTS幀的冗余控制開銷，增加了數據在THz信道的傳輸時間；(2) 通過波束干擾預判機制和中繼輔助機制，不存在多對節點同時通信產生波束干擾的現象。

圖11 MAC層吞吐量比較

3.2.3 信道利用率

信息利用率為數據幀的傳輸時間Ti除以網絡運行總時間Ts，其計算公式為

如圖12所示，當網絡飽和時，E-ABIMAC的信道利用率與MBPA-MAC協議相比提升了11.7%。

圖12 信息利用率比較

主要原因是E-ABIMAC在源節點功率不足的情況下減少了CTS和ACK幀的交互，同時減少了CTS幀的TA字段，在網絡運行總時間固定的前提下，減少了WiFi信道發送控制幀的時間，相當于增加了THz信道傳輸數據的時間，從而提高了信道利用率。

4 結束語

本文主要針對MBPA-MAC協議中存在的控制開銷過大和波束重疊問題進行改進，提出了E-ABIMAC。E-ABIMAC分為基于節點信息省略CTS/ACK幀機制、波束干擾預判機制和中繼輔助機制。通過基于節點信息省略CTS/ACK幀機制，省略了源節點在功率不足情況下的CTS/ACK幀交互過程，同時還刪掉了源節點功率足夠時CTS幀中的TA字段。通過波束干擾預判機制和中繼輔助機制，使多對節點同時在THz信道傳輸數據時不受其他節點的波束干擾。仿真結果表明， E-ABIMAC在MAC層吞吐量和消息傳輸成功率等性能上具有優越性。我們在未來的工作中將繼續研究MIMO THz通信網絡雙信道MAC協議，以使其性能更加優越。