低干擾多PAN太赫茲無線個域網(wǎng)MAC協(xié)議

任 智，蘇 新，郭 黎，吳本源

(重慶郵電大學 a. 移動通信技術(shù)重慶市重點實驗室； b. 通信與信息工程學院, 重慶 400065)

0 引 言

太赫茲通信技術(shù)[1]以頻率范圍在0.1～10.0 THz[2]的太赫茲波段作為載波，其數(shù)據(jù)傳輸速率能達到0.1～1.0 Tbit/s，是第五代移動通信(5th Generation Mobile Networks，5G)的50倍，4G的1 000倍[3]，因此具有極大的應(yīng)用前景。但由于太赫茲波在空氣中傳輸時會產(chǎn)生嚴重的衰減，傳輸距離相當有限，通常太赫茲無線個域網(wǎng)(Wireless Personal Area Network, WPAN)[4]的傳輸距離只有10 m[5]。為了擴展其通信范圍，越來越多的人開始關(guān)注多個域網(wǎng)(Personal Area Network, PAN)太赫茲WPAN的通信傳輸，希望通過將多個網(wǎng)絡(luò)連接起來的方式來實現(xiàn)通信范圍的擴展，而作為關(guān)鍵技術(shù)之一的跨PAN太赫茲WPAN介質(zhì)訪問控制 (Media Access Control, MAC) 協(xié)議成為研究的熱點。

Da Costa F在文獻[6]中引入了微微網(wǎng)協(xié)調(diào)的概念，使超幀同步成為可能，提出使用普通設(shè)備(Device, DEV)作為連接微微網(wǎng)的橋梁，并且定義了信標對準機制來解決重疊區(qū)域的信標碰撞問題；Xue等人在此基礎(chǔ)上提出了一種自適應(yīng)信道時間分配方法[7]，引入了公共區(qū)域的概念，在公共區(qū)域內(nèi)的DEV可以聽到多個信標幀，位于公共區(qū)域內(nèi)的節(jié)點被稱為公共節(jié)點，之外的節(jié)點被稱為常規(guī)節(jié)點。該方法解決了部分信道時間分配時段的數(shù)據(jù)干擾問題，但仍存在部分節(jié)點存在時隙干擾的問題。

1 網(wǎng)絡(luò)模型與超幀結(jié)構(gòu)

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

多PAN太赫茲WPAN通信模型主要由兩個太赫茲WPAN組成，如圖1所示，太赫茲WPAN主要由一個充當微微網(wǎng)協(xié)調(diào)器(Piconet Coordinator, PNC)的DEV以及用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)腄EV組成；PNC周期性地廣播Beacon幀用于整個網(wǎng)絡(luò)的控制以及同步；DEV之間均可進行數(shù)據(jù)傳輸；位于兩個WPAN中間的區(qū)域被稱為重疊區(qū)域，位于重疊區(qū)域的節(jié)點A被稱為網(wǎng)橋節(jié)點，作用是通過發(fā)送命令幀來進行兩個WPAN之間的協(xié)調(diào)與同步以及發(fā)送數(shù)據(jù)幀完成網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)的傳輸；在單個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的DEV被稱為常規(guī)節(jié)點，作用是進行網(wǎng)絡(luò)內(nèi)DEV之間的數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 多PAN太赫茲WPAN通信模型

1.2 超幀結(jié)構(gòu)

多PAN太赫茲WPAN，其協(xié)調(diào)超幀結(jié)構(gòu)如圖2所示，每個超幀主要包括3個時段，分別為信標幀隊列時段(Beacon Alignment Period，BAP)、競爭接入時段(Contention Access Period, CAP)以及信道時間分配時段 (Channel Time Allocation Period, CTAP)，CTAP主要分為常規(guī)信道時間分配時段(Normal Channel Time Allocation Period, N-CTAP)和公共信道時間分配時段(Public Channel Time Allocation Period, P-CTAP)。

圖2 協(xié)調(diào)超幀結(jié)構(gòu)圖

在BAP中，兩個WPAN中的PNC分別在自身對應(yīng)的時段中進行Beacon幀的廣播，用于實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的時隙管理與分配；該幀中主要包含自身網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的基本信息、超幀時長信息以及各個時段的時刻信息；在該超幀中BAP時段共分為兩段，Beacon1時段主要用于WPAN1中PNC進行Beacon幀的廣播，Beacon2時段主要用于WPAN2中PNC進行Beacon幀的廣播。

在CAP中，兩個網(wǎng)絡(luò)中有數(shù)據(jù)傳輸需求的節(jié)點在該時段向自身所在WPAN中的PNC發(fā)送信道時隙請求幀，若PNC成功分配時隙，則節(jié)點可在CTAP內(nèi)進行數(shù)據(jù)傳輸。

CTAP主要用于DEV之間的數(shù)據(jù)傳輸，由多個信道時間分配(Channel Time Allocation, CTA)組成, 超幀中的一個CTA只分配一條鏈路，節(jié)點采用時分多址(Time Division Multiple Access, TDMA)機制接入信道。N-CTAP用于WPAN內(nèi)的節(jié)點間數(shù)據(jù)傳輸；P-CTAP主要用于涉及到網(wǎng)橋節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸，P-CTAP分為兩段，P-CTAP1主要用于WPAN1中節(jié)點與網(wǎng)橋節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸，P-CTAP2主要用于WPAN2中節(jié)點與網(wǎng)橋節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸。

2 問題描述

通過對文獻[7]的研究發(fā)現(xiàn)，雖然Xue等人將CTAP分為P-CTAP和N-CTAP，在N-CTAP中使得兩個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸能夠同步進行，提高了整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐量，但是在N-CTAP中仍然可能存在網(wǎng)絡(luò)間的干擾問題，如圖1所示。當WPAN1中DEV2與DEV3進行數(shù)據(jù)傳輸時使用超幀中的N-CTAP，當WPAN2中DEVd與DEVc之間進行數(shù)據(jù)傳輸時，也使用N-CTAP，但DEV2與DEVd互相處于對方的通信范圍之內(nèi)，因此，當節(jié)點2在N-CTAP中進行數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時，此時若節(jié)點d正在接收WPAN2中其他節(jié)點的數(shù)據(jù)，則節(jié)點d的接收數(shù)據(jù)過程將會受到節(jié)點2的干擾，反之亦然。

3 LI-PAN協(xié)議

為解決上述問題，本文提出了一種低干擾的多PAN太赫茲WPAN MAC協(xié)議( Low Interference Multi-PAN MAC Protocol for Terahertz WPAN，LI-PAN)，該協(xié)議提出了“新的節(jié)點概念——邊緣節(jié)點”、“自適應(yīng)常規(guī)節(jié)點信息報告機制”以及“常規(guī)節(jié)點時隙分配新機制”，主要針對在多PAN太赫茲WPAN中不同網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的常規(guī)節(jié)點在N-CTAP內(nèi)進行數(shù)據(jù)傳輸過程中可能出現(xiàn)的時隙干擾問題進行了優(yōu)化，減少了兩個網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)干擾，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β屎驼麄€網(wǎng)絡(luò)的吞吐量,降低了網(wǎng)絡(luò)的平均時延。

3.1 邊緣節(jié)點類型概念

為了更好地解決多PAN太赫茲WPAN中常規(guī)節(jié)點在N-CTAP進行數(shù)據(jù)傳輸時所受到的干擾，將常規(guī)節(jié)點分為普通節(jié)點和邊緣節(jié)點，因此，多PAN太赫茲WPAN中的節(jié)點類型共有4種，具體如下：

(1) 中心節(jié)點：即PNC，如圖1中的PNC1和PNC2，每個PAN只有1個PNC節(jié)點，而且不同PAN的PNC不能直接通信。

(2) 網(wǎng)間節(jié)點：能夠與兩個PAN中的PNC節(jié)點直接進行通信的節(jié)點，如圖1中的節(jié)點A，該類型節(jié)點在P-CTAP中傳輸數(shù)據(jù)。

(3) 普通節(jié)點：只能與自己所在PAN的節(jié)點進行通信的、不是PNC和網(wǎng)間節(jié)點的節(jié)點，如圖1中的節(jié)點1和節(jié)點a，該類型節(jié)點在N-CTAP中傳輸數(shù)據(jù)。

(4) 邊緣節(jié)點：能夠與其他PAN的常規(guī)節(jié)點進行直接通信的常規(guī)節(jié)點，如圖1中的節(jié)點2和節(jié)點d，該類型節(jié)點在N-CTAP中傳輸數(shù)據(jù)，但在收發(fā)信息時有可能受到其他PAN的DEV節(jié)點干擾。邊緣節(jié)點類型判斷方法如下：一個節(jié)點可以自主判斷自己是否是邊緣節(jié)點：首先，自己不是PNC；接著，自己未收到其他PAN的PNC的消息；然后，收到了其他PAN的常規(guī)節(jié)點的消息，于是，判定自己為邊緣節(jié)點。

3.2 自適應(yīng)常規(guī)節(jié)點信息報告機制

解決由于邊緣節(jié)點所帶來的N-CTAP中所產(chǎn)生的干擾問題的思路是，使PNC得知網(wǎng)絡(luò)總的節(jié)點類型信息，并據(jù)此有針對性地分配時隙以避免干擾，因此首先提出一種自適應(yīng)的常規(guī)節(jié)點信息報告機制，將節(jié)點類型信息報告給PAN中的PNC。

3.2.1 節(jié)點入網(wǎng)前

非PNC節(jié)點在入網(wǎng)前默認自己是普通節(jié)點。當節(jié)點偵聽到附近的網(wǎng)絡(luò)PNC所發(fā)送的Beacon幀時，則準備進行入網(wǎng)操作，若在此過程中偵聽到與該網(wǎng)絡(luò)標識符(Piconet Identifier, PNID)不同的來自其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點所發(fā)的消息，并且未偵聽到其他網(wǎng)絡(luò)的PNC所發(fā)送的Beacon幀，即并非網(wǎng)間節(jié)點類型，則將自身節(jié)點類型判定為邊緣節(jié)點類型，并將該信息放在關(guān)聯(lián)請求命令幀中發(fā)送給PNC。關(guān)聯(lián)請求幀是一種命令幀，其幀體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 關(guān)聯(lián)請求命令幀幀體結(jié)構(gòu)圖

在DEV上電后，節(jié)點開始偵聽附近是否存在網(wǎng)絡(luò)進行入網(wǎng)，偵聽時長約為一個超幀長度，若在此偵聽過程中，通過邊緣節(jié)點類型判斷機制判定自身節(jié)點類型是否為邊緣節(jié)點類型，并將該類型信息放置在關(guān)聯(lián)請求幀中進行入網(wǎng)操作，其具體操作如下：

步驟1：DEV偵聽到網(wǎng)絡(luò)PNC的Beacon幀，準備進行入網(wǎng)；

步驟2：若DEV在此過程中偵聽到來自其他網(wǎng)絡(luò)的非PNC信息，執(zhí)行步驟3；否則執(zhí)行步驟4；

步驟3：DEV節(jié)點類型為邊緣節(jié)點，將所要發(fā)送的關(guān)聯(lián)請求命令幀中的Command type字段使用保留值0x001F，執(zhí)行步驟5；

步驟4：DEV節(jié)點類型為非邊緣節(jié)點，將所要發(fā)送的關(guān)聯(lián)請求命令幀中的Command type字段使用原值0x0000，執(zhí)行步驟5；

步驟5：向PNC發(fā)送關(guān)聯(lián)請求命令幀；

步驟6：入網(wǎng)前邊緣節(jié)點類型報告機制結(jié)束。

入網(wǎng)前常規(guī)節(jié)點類型報告操作流程圖如圖4所示。

圖4 入網(wǎng)前常規(guī)節(jié)點類型報告機制流程圖

3.2.2 節(jié)點入網(wǎng)后

在太赫茲WPAN中，由于網(wǎng)絡(luò)拓撲的變動，若常規(guī)節(jié)點類型發(fā)生變化，則在自己類型變化后，將自身狀態(tài)信息報告給PNC。在CAP內(nèi)，如果需要報告的節(jié)點要發(fā)送時隙申請幀，則將自己的類型變換信息通過時隙申請幀告知PNC；若需要報告的節(jié)點在此CAP內(nèi)不需要申請時隙資源，則一直等待，在后續(xù)超幀的CAP內(nèi)使用時隙請求幀發(fā)送；在CTAP內(nèi)，若節(jié)點通過邊緣節(jié)點類型判斷方法判斷自身節(jié)點類型為邊緣節(jié)點，則節(jié)點通過后續(xù)超幀中的CAP使用時隙請求幀將該信息報告給PNC。

時隙申請幀是一種命令幀，其幀體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 信道時間請求命令幀結(jié)構(gòu)圖

具體實現(xiàn)過程如下：

如果常規(guī)節(jié)點的類型未發(fā)生改變，則在發(fā)送時隙申請幀時填入默認幀類型，即Command type字段值為0x0012，表明該節(jié)點是常規(guī)節(jié)點；如果常規(guī)節(jié)點的類型由普通節(jié)點變?yōu)檫吘壒?jié)點，則在發(fā)送時隙申請幀時使用新的幀類型，即Command type字段值為0x0020，表明該節(jié)點已經(jīng)從普通節(jié)點變?yōu)榱诉吘壒?jié)點；如果常規(guī)節(jié)點的類型由邊緣節(jié)點變?yōu)槠胀ü?jié)點，則在發(fā)送時隙申請幀時使用新的幀類型，即Command type字段值為0x0021，表明該節(jié)點已經(jīng)從邊緣節(jié)點變?yōu)槠胀ü?jié)點；常規(guī)節(jié)點如果收到PNC的時隙請求回復消息，則確認PNC已收到自己報告的信息。常規(guī)節(jié)點信息報告流程圖如圖6所示。

圖6 入網(wǎng)后常規(guī)節(jié)點類型報告機制流程圖

3.3 常規(guī)節(jié)點時隙分配新機制

在DEV將自身節(jié)點類型信息發(fā)送給PNC后，PNC在分配節(jié)點時隙資源時，根據(jù)N-CTAP收發(fā)節(jié)點類型的不同，按照排序規(guī)則為常規(guī)節(jié)點分配不同的時隙資源。

PNC分配給常規(guī)節(jié)點的時隙資源分為4個優(yōu)先級，優(yōu)先級越高，PNC分配的N-CTAP位置越靠前。

設(shè)網(wǎng)絡(luò)1中的節(jié)點為A，網(wǎng)絡(luò)2中的節(jié)點為B:

AC：網(wǎng)絡(luò)1中的普通節(jié)點；

AE：網(wǎng)絡(luò)1中的邊緣節(jié)點；

BC：網(wǎng)絡(luò)2中的普通節(jié)點；

BE：網(wǎng)絡(luò)2中的邊緣節(jié)點；

排列對應(yīng)規(guī)則如下所示：

AC發(fā)送數(shù)據(jù)給AE對應(yīng)BC發(fā)送數(shù)據(jù)給BE；

AE發(fā)送數(shù)據(jù)給AE對應(yīng)BC發(fā)送數(shù)據(jù)給BC；

AE發(fā)送數(shù)據(jù)給AC對應(yīng)BE發(fā)送數(shù)據(jù)給BC；

AC發(fā)送數(shù)據(jù)給AC對應(yīng)BE發(fā)送數(shù)據(jù)給BE；

由上述排序?qū)?yīng)規(guī)則可知，當WPAN1與WPAN2中的節(jié)點在N-CTAP中按上述排序規(guī)則進行數(shù)據(jù)傳輸時，是不會受到來自其他WPAN的干擾影響。

網(wǎng)絡(luò)1中常規(guī)節(jié)點時隙分配如圖7所示。

圖7 網(wǎng)絡(luò)1中常規(guī)節(jié)點時隙分配圖

網(wǎng)絡(luò)1中源節(jié)點類型若非邊緣節(jié)點，即普通節(jié)點，目的節(jié)點類型為邊緣節(jié)點，時隙資源安排在第1優(yōu)先級進行分配；網(wǎng)絡(luò)1中源節(jié)點類型為邊緣節(jié)點，目的節(jié)點類型為邊緣節(jié)點，時隙資源安排在第2優(yōu)先級進行分配；網(wǎng)絡(luò)1中源節(jié)點類型為邊緣節(jié)點，目的節(jié)點類型為普通節(jié)點，時隙資源安排在第3優(yōu)先級進行分配；網(wǎng)絡(luò)1中源節(jié)點類型若非邊緣節(jié)點，即普通節(jié)點，目的節(jié)點類型為普通節(jié)點，時隙資源安排在第4優(yōu)先級進行分配。

網(wǎng)絡(luò)2中常規(guī)節(jié)點時隙分配如圖8所示。

圖8 網(wǎng)絡(luò)2中常規(guī)節(jié)點時隙分配圖

網(wǎng)絡(luò)2中源節(jié)點類型若非邊緣節(jié)點，即普通節(jié)點，目的節(jié)點類型為邊緣節(jié)點，時隙資源安排在第1優(yōu)先級進行分配；網(wǎng)絡(luò)2中源節(jié)點類型若非邊緣節(jié)點，即普通節(jié)點，目的節(jié)點類型為普通節(jié)點，時隙資源安排在第2優(yōu)先級進行分配；網(wǎng)絡(luò)2中源節(jié)點類型為邊緣節(jié)點，目的節(jié)點類型為普通節(jié)點，則時隙資源安排在第3優(yōu)先級進行分配；網(wǎng)絡(luò)2中源節(jié)點類型為邊緣節(jié)點，目的節(jié)點類型為邊緣節(jié)點，則時隙資源安排在第4優(yōu)先級進行分配。

4 仿真驗證

本文使用Opnet14.5軟件仿真平臺對LI-PAN協(xié)議以及文獻[7]的協(xié)議進行模擬與比較，設(shè)置相應(yīng)的仿真參數(shù)，其具體數(shù)值如表1所示，收集統(tǒng)計量，對比并分析兩種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)性能，驗證LI-PAN協(xié)議的改進效果。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

在整個仿真網(wǎng)絡(luò)中，存在兩個PNC、1個網(wǎng)橋節(jié)點，每個WPAN中各存在4個常規(guī)節(jié)點，根據(jù)邊緣節(jié)點占常規(guī)節(jié)點的比例，設(shè)置5個不同的仿真場景。在整個仿真過程中，節(jié)點之間所發(fā)送的業(yè)務(wù)量保持不變，為了突出N-CTAP中的常規(guī)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)干擾問題，這里設(shè)置在P-CTAP內(nèi)的業(yè)務(wù)量為0，在每個仿真場景中將LI-PAN協(xié)議分別與文獻[7]進行對比。

仿真結(jié)果及分析如下：

(1) 消息傳輸成功率

圖9所示為消息傳輸成功率對比圖。由圖可知，隨著WPAN中邊緣節(jié)點數(shù)目的增加，消息傳輸成功率不斷下降，其主要原因為，兩個WPAN在N-CTAP中分配時隙資源時并未考慮到鄰近WPAN的存在，并且忽視了兩個WPAN中存在互相在彼此通信范圍內(nèi)的節(jié)點——邊緣節(jié)點，該類節(jié)點在傳輸數(shù)據(jù)時會相互產(chǎn)生干擾，因此導致兩個WPAN中的節(jié)點在傳輸時隙消息時發(fā)生碰撞，降低了網(wǎng)絡(luò)中的消息傳輸成功率。但是LI-PAN的成功率始終高于文獻[7]中的協(xié)議，這是因為LI-PAN考慮到了鄰近WPAN的存在，并將常規(guī)節(jié)點進一步分為普通節(jié)點和邊緣節(jié)點，找出產(chǎn)生干擾的節(jié)點類型——邊緣節(jié)點，并通過常規(guī)節(jié)點時隙分配新機制按照節(jié)點類型分配不同的時隙資源，降低了節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸過程中產(chǎn)生干擾的概率，因而提高了消息傳輸成功率。

圖9 消息傳輸成功率對比圖

(2) 網(wǎng)絡(luò)吞吐量

網(wǎng)絡(luò)吞吐量對比如圖10所示。由圖可知，在WPAN中，隨著邊緣節(jié)點數(shù)目的增多，網(wǎng)絡(luò)吞吐量不斷降低。主要原因在于：當WPAN中邊緣節(jié)點數(shù)目增多時，WPAN中的節(jié)點在進行數(shù)據(jù)消息的傳送過程中，受到來自鄰近WPAN中節(jié)點干擾的概率不斷增大，導致數(shù)據(jù)消息傳輸失敗，WPAN中吞吐量下降。但是LI-PAN通過對N-CTAP中所要進行數(shù)據(jù)發(fā)送的常規(guī)節(jié)點時隙按照新機制進行排列，有效減少了節(jié)點間數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生干擾的概率，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

圖10 網(wǎng)絡(luò)吞吐量對比圖

(3) 平均時延

端到端時延對比如圖11所示。在WPAN中，隨著邊緣節(jié)點的數(shù)量增多，所造成的網(wǎng)間干擾越來越大，此時需要重傳的數(shù)據(jù)幀增多，使得多PAN太赫茲WPAN的平均時延不斷上升，但是LI-PAN協(xié)議的平均時延始終要低于文獻[7]協(xié)議數(shù)值，這是因為LI-PAN中將常規(guī)節(jié)點細分為邊緣節(jié)點和普通節(jié)點，使用常規(guī)節(jié)點時隙分配新機制將常規(guī)節(jié)點重新進行分配，有效減少了邊緣節(jié)點間產(chǎn)生干擾的概率，減少了數(shù)據(jù)幀的重傳次數(shù)，降低了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的平均時延。

圖11 平均時延對比圖

5 結(jié)束語

本文主要針對文獻[7]所提協(xié)議中多PAN太赫茲WPAN中的N-CTAP內(nèi)存在WPAN間數(shù)據(jù)傳輸干擾的問題，提出了LI-PAN協(xié)議。包括提出邊緣節(jié)點概念、自適應(yīng)常規(guī)節(jié)點信息報告機制以及常規(guī)節(jié)點時隙分配新機制。減少了數(shù)據(jù)傳輸干擾問題，提高了消息傳輸成功率，更多的數(shù)據(jù)消息發(fā)送成功，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，降低了網(wǎng)絡(luò)平均時延。