太赫茲網絡場景下節點移動感知的定向MAC 協議

任 智，郭 黎，王 磊，蘇 新

（重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 400065）

0 概述

在當今信息化時代，人們對高帶寬和高速率的數據傳輸需求日益增加，而傳統無線通信（2G～5G）的數據傳輸速率［1-2］低于10 Gb/s。毫米波通信是第5 代移動通信系統的替代方案之一［3］，盡管毫米波頻段的數據速率可以達到GB 級［4-5］，但仍無法滿足未來無線通信中不斷增長的數據流量需求。因此，研究人員開始關注尚未完全發掘的太赫茲頻段（0.1～10 THz）［6］，并致力于太赫茲無線通信［7-9］的研究。

太赫茲無線通信滿足5G 以上的超高速通信要求［10-12］。太赫茲波已成為第6 代通信技術（6G）的主要使用頻段，即使在未來繼續發展的第7 代通信技術中也需要太赫茲相關技術支持［13］。太赫茲相關技術的研究重點是太赫茲頻段媒體接入控制協議［14］，傳統MAC 協議采用全向天線，但考慮到太赫茲傳播損耗較大，所以研究者引入定向天線［15］以提高其傳輸性能。根據IEEE 802.15.3c 標準［16］，網絡中配備定向天線的設備在進行通信時需要進行波束賦形以獲取節點位置。在波束賦形過程若按照標準所提供的方法執行，會產生n×n時間復雜度，帶來不必要的開銷，同時增大數據傳輸時延。經典的ENLBT-MAC協議［17］改進后是按照節點入網順序進行波束賦形，其時間復雜度為O（n）～O（n2），但也會帶來額外的控制開銷。

隨著頻率增大，波束變得越窄［18］，在60 GHz 的通信中，如此窄的波束用于波束賦形會產生浪費。針對此問題，文獻［19］提出快速波束賦形方案，首先在低頻段進行信道掃描及信令交互，通過在2.4 GHz頻段確定方位角和發射角大致方位，然后在太赫茲頻段進行定向數據傳輸，但該方案會增加設備成本。針對波束賦形產生的數據時延、Beacon 字段冗余等問題，文獻［20］提出FED-MAC 協議，該協議只能對1/2 的區域進行優化，并沒有考慮節點運動等情況。

本文提出太赫茲網絡場景下節點移動感知的定向MAC 協議。通過引入微微網節點位置預估算法和動態場景節點位置感知機制，使協議在進行節點發現時只需要在目的節點所在范圍內發送訓練序列，從而減少不必要的控制開銷。同時通過計算多個設備（DEV）的運動軌跡并預測其在下一時刻的位置，使源DEV 和目的DEV 能在目的DEV 發生移動后及時恢復已經斷開的鏈路。

1 網絡拓撲與問題描述

1.1 網絡模型

太赫茲網絡應用在高速數據傳輸的場景，為了滿足高速數據傳輸需求，需要制定相應的各層通信協議，其中MAC 協議作為太赫茲網絡的核心協議，具有信道接入、信道資源分配等作用。太赫茲無線個域網的網絡拓撲結構如圖1 所示。

圖1 網絡拓撲結構Fig.1 Structure of network topology

整個網絡由一個微微網協調器（Piconet Coordinator，PNC）和多個設備（DEV）組成。本文討論的超幀結構如圖2 所示。

圖2 超幀結構Fig.2 Super-frame structure

該超幀結構與IEEE802.15.3c 標準協議的超幀結構一致，太赫茲無線個域網的網絡運行時間由多個超幀組成，每個超幀由以下3 部分組成：1）信標時期（Beacon Period，BP）用于PNC 在每個波束方向上發送多個定向信標幀，該幀包含分配給DEV 的時隙信息、網絡同步等信息；2）信道競用時期（Contention Access Period，CAP）分為關聯S-CAP（Sub-Contention Access Period，S-CAP）和常規S-CAP 兩個子時段，關聯S-CAP 中每個S-CAP 子時段用于節點向PNC 申請入網，常規S-CAP 子時段的每個S-CAP 子時段用于節點向PNC 申請時隙；3）信道時隙分配時期（Channel Time Allocation Period，CTAP）由信道時隙（Channel Time Allocation，CTA）組成，部分CTA 用于節點發現，部分用于節點間的數據交互。

1.2 問題描述

在使用定向天線的條件下，太赫茲無線個域網按照15.3c 標準協議執行會出現以下2 個問題：

1）配備定向天線的節點與其他節點通信時，在空間進行循環往復掃描，以獲取其他節點的位置信息。在3c/ad 標準中，根據劃分的扇區，節點在每個扇區重復發送多個訓練序列，以尋找目的節點，但目的節點只可能在源節點的某個范圍內，對于其他方向的掃描和遍歷，只會增加節點的發現時長。

2）在動態場景中，節點位置可能會發生變動。在標準和相關協議中，網絡協調器PNC 需要全方位、周期性地發送完整信標消息，使得移動后的節點能準確接收到相應配置信息和時隙分配信息。但信標消息是整個網絡中最大的控制消息。若盲目性、周期性發送這些消息使得整個網絡性能變差，也會增加PNC 負載，進而影響數據傳輸時延和吞吐量。此外，節點發生移動后，源節點和該節點建立好的鏈路就會斷開，需要重新進行節點發現，增大了數據傳輸時延。

2 NMA-MAC 協議

針對上述存在的問題，本文提出太赫茲網絡場景下的節點移動感知定向MAC（NMA-MAC）協議，該協議包含了微微網節點快速發現和動態場景節點位置感知2 種新機制。

2.1 微微網節點快速發現機制

在超幀CAP 時段，PNC 根據DEV 發送的時隙申請等消息，確定源DEV 以及目的DEV 所在位置，由此建立扇區-位置表，然后在物理層根據信號接收的強度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）機制計算出源DEV、目的DEV 的相對位置，最后將相對位置信息通過時隙申請回復幀告知給源DEV。此后，源DEV 與目的DEV 進行相互發現時，只需根據相對位置信息對目的DEV 進行相應握手，即源DEV 在知道目的DEV 的大致方位時，只需要在該方向發送波束賦形訓練幀，目的DEV 旋轉接收該訓練幀。目的DEV 選擇接收信噪比最強的扇區作為最佳扇區，并在該扇區向源DEV 發送訓練幀。此時源DEV 旋轉接收目的DEV 的訓練幀，同樣選擇接收信噪比最強的扇區作為最佳扇區。這樣就完成了一次握手過程，避免了源DEV 在每個扇區重復發送多個訓練幀，從而減少節點發現時長，使源DEV 和目的DEV 更快速地找到彼此位置。相比原有協議，在新機制下源DEV 不需要全方位搜索目的DEV，根據PNC 提供的信息，可以更快地發現目的DEV，從而減少節點發現時間。

微微網節點快速發現流程如圖3 所示，該機制在CAP 時段由PNC 執行。

圖3 微微網節點快速發現流程Fig.3 Rapid discovery procedure of piconet node

步驟1PNC 在CAP 時段判斷是否有節點申請時隙，若有，則執行下一步驟；若無，則結束本機制。

步驟2定向天線將無線空間以一定角度劃分成多個扇區［21］，每個設備扇區數量相同，PNC 根據每個扇區分布的DEV 數量，建立扇區-位置信息表。該表包含DEV 的編號ID、PNC 與DEV 的距離、DEV 所在扇區號、獲知DEV 距離的時刻、目的DEV 的ID、相對位置信息。若有節點向PNC 發送時隙申請，則PNC 根據這些信息以及通過物理層RSSI 機制，將相關信息存入扇區-位置信息表。PNC 判斷目的DEV與源DEV 是否進行過波束賦形，若沒有，則轉至步驟3；若有，則轉至步驟5。

步驟3PNC 通過扇區-位置信息表計算出目的DEV 相對于源DEV 的位置，并將該位置信息填入扇區-位置表的相對位置信息中，轉至步驟4。

首先以PNC 為原點建立坐標。1）若源DEV 與目的DEV 所在象限相對，則其相對位置為目的DEV所在的象限，如源DEV 在第一象限，目的DEV 在第三象限，則目的DEV 在以源DEV 為原點建立坐標的第三象限。2）若源DEV 與目的DEV 所在象限相鄰，則其相對位置為源DEV 所在象限的相對象限與目的DEV 所在象限聯合的象限區域。3）若源DEV 與目的DEV 所在象限相同，假設源DEV 距PNC 距離為x，目的DEV 距PNC 的距離為y，則進一步判斷：

1）源DEV 與目的DEV 在同一扇區，若xy，則相對位置為不包含源DEV、目的DEV 所在象限相對象限的其他象限。

2）若不在同一個扇區，且源DEV 的扇區號為n，目的DEV 的扇區號為m，假設源DEV、目的DEV 所在象限為α（1≤α≤4），其中規定若Amod 4=0，則A=4（mod 求余）。若xy,nm，由此PNC 可以判斷目的DEV 相對于源DEV 的象限為[(α+2)mod 4]∪[(α+3)mod 4]；若x>y,n

步驟4PNC 在回復DEV1 的時隙請求幀時，查看扇區-位置信息表，并將表中象限信息提取出來，在回復給DEV 的時隙請求時，將象限信息裝入回復幀的幀頭部MAC Header 的Index Stream 字段中，Index Stream 字段的前4 bit 分別對應1～4 象限，每位上的0 表示該象限不用做波束賦形，1 表示需要做波束賦形，通過該字段將象限信息給DEV1，轉下一步。

步驟5在CTAP 時段，源DEV 根據PNC 回復消息，判斷Fragmentation Control 中的保留字段是否為1，若是，則按新的節點發現機制進行；若不是，則按原有節點發現機制進行。

2.2 動態場景下的節點位置感知機制

在默認情況下，當節點發生移動，為了使移動的節點能收到Beacon 消息，PNC 需要在每個方向循環發送該消息，從而使移動后的節點還能與網絡進行同步，但這會造成很嚴重的時延以及控制開銷。此外，源節點在沒有目的節點位置信息情況下，需要重新對目的節點進行節點發現操作。新機制的主要思想是PNC 通過一種動態算法計算出移動后節點的位置，并且通過該位置信息針對性地發送Beacon 消息。另外，若該移動的DEV 在下個超幀的CTAP 時段沒有參與數據收發，則PNC 向該DEV 所在位置發送Beacon 消息時，不需要在Beacon 消息中攜帶時隙分配信息。在下個CAP 時段，執行新機制1，把目的DEV 的位置告知給源DEV，使得源DEV 可以在具體位置對目的DEV 進行發現操作。

當節點發生移動時，首先，由PNC 建立扇區-DEV表，用于記錄某個扇區經過移動可能出現的DEV；然后，通過CAP 時段收集DEV 的相關信息（ID、與PNC距離、獲取時刻等），在CTAP 時段結束后，根據在CAP 時段收集到的信息，計算出該DEV 在本超幀結束時移動后的大致位置，根據該位置信息更新扇區-DEV 表；最后，在下一超幀的Beacon 時段根據表中信息自適應調整發送Beacon 幀的方向和Beacon 幀的內容。

1）在當前Beacon 時段，PNC 建立2 個扇區-DEV信息表，表1 記錄當前超幀的各個扇區所對應的DEV，表2 記錄當前超幀結束時，各個扇區可能出現的經過移動后的DEV。如表1 中扇區號為0，記錄的ID 為1、3，表2 中扇區 為0，記 錄ID 為1、5，表 示DEV3 和DEV5 都發生過移動。

2）在當前CAP 時段，PNC 判斷是否有DEV 進行時隙申請，若無，則結束本機制；若有，則PNC 建立位置-信息表。通過物理層RSSI機制確定DEV 所在扇區、與PNC 距離、獲取信息時刻，將這些信息填入表中，并在表中加入源DEV、目的DEV 的ID 信息，轉下一步。

3）若某個節點發生移動，則在CTAP 的最后一個時隙開始，PNC 根據預先知道的節點最大運動速率vmax和每個扇區的角度α，以及上述步驟所得到的信息，計算出該節點可能運動到扇區的扇區號范圍。然后將該DEV 填入扇區-DEV 表2 內所對應的扇區號所在欄，同時在表1 中刪除該DEV。

扇區號范圍計算方法是以PNC為中心建立坐標軸，網絡覆蓋范圍半徑為X的圓，設每個扇區角度為α，DEV的扇區號為ε（0 ≤ε≤360/(α-1)），DEV 與PNC 的距離為R，則DEV 位于該扇區半徑為R的一段弧上，設獲取該DEV 時刻為t1，CTAP 時段的最后一個時隙，假設PNC獲取DEV 運動后的時刻為t2，已知DEV 最大運動速率為vmax，則DEV 在這段時間內運動的距離為L=vmax×(t2-t1）。微微網節點運動軌跡如圖4 所示。

圖4 微微網節點運動軌跡Fig.4 Motion trajectory of piconet node

（1）若L≥R，說明在沒超出網絡范圍的情況下，該DEV 可能運動到每個扇區，此時按照原有機制進行Beacon 幀的發送。

（2）若L

該DEV 下次可能出現的扇區號范圍如式（1）、式（2）所示：

4）在下個Beacon 時 段，PNC 查找扇 區-DEV表2，若表為空，說明沒有DEV 移動，則結束本機制；若表不為空，說明在前一個超幀結束時，DEV 發生移動，且PNC 已經計算如各個扇區DEV 的移動情況，繼續執行下一步。

5）PNC 根據表1 和表2，推斷DEV 的分布情況，然后向移動后的DEV 所在扇區發送Beacon 幀，對于那些經移動后空置的扇區不發Beacon 幀。此外判斷該移動后的DEV 是否申請過時隙，若沒有，則在Beacon 幀中刪除時隙分配信息。

6）若移動的節點是某個DEV 的目的DEV，則在下個CAP 時段，繼續執行新機制1，PNC 將移動后的節點位置告知給源DEV；否則結束本機制。

3 協議性能分析

關于新協議性能，給出如下引理及相關證明。

引理1節點間在進行相互發現時，與IEEE80 2.15.3c 標準協議以及ENLBT-MAC 協議相比，NMA-MAC 協議節點發現過程中所產生的控制開銷更小。

證明假設太赫茲無線個域網中有1 個PNC，每個PNC 的周圍有m個DEV（m>1），DEV 產生的每個控制幀幀長為α，DEV 需要在Si（i=1，2，3）個扇區發送控制消息，每個扇區需要發送控制幀的總數為f。IEEE802.15.3c 協議中，節點發現過程所產生的控制開銷為C1；ENLBT-MAC 協議中，節點發現過程所產生的控制開銷為C2；NMA-MAC 協議中，節點發現過程所產生的控制開銷為C3，如式（6）～式（8）所示：

由于協議所適用的網絡模型相同，在新機制的操作下，NMA-MAC 協議節點發現過程中，不需要對全方位的扇區進行遍歷，只需要對某個或某幾個扇區進行遍歷，所以S3

引理2與IEEE802.15.3c 標準協議以及ENLBTMAC 協議相比，NMA-MAC 協議在數據傳輸過程中的傳輸成功率將會更高。

證明傳輸成功率是指網絡中目的節點接收到的數據量與源節點發送的數據量的比值。設IEEE802.15.3c 協議的 成功率 為P1，ENLBT-MAC 協議的成功率為P2，NMA-MAC 協議的成功率為P3，其中Nri（i=1，2，3）表示接收到幀的數量，Nsi（i=1，2，3）表示發送幀的數量，如式（9）～式（11）所示：

如果源節點持續向相同的方向發送數據幀，隨著源節點的移動，可能會導致目的節點收到的數據幀會越來越少。而在新機制的作用下，PNC 可以預先知道移動節點的位置，然后將位置信息告知給源DEV，此時源DEV 可以根據該消息調整發送方向。由此可以得出Nr1≤Nr2≤Nr3，從而P1≤P2≤P3，得證。

引理3與IEEE802.15.3c 標準協議以及ENLBTMAC 協議相比，NMA-MAC 協議在數據傳輸過程中的吞吐量將會更高。

證明吞吐量是指單位時間內，目的節點收到的bit 數總和。超幀的長度一定，設網中節點數為N，CTAP 時段源DEV 向目的DEV 發送幀的總長為ldata，Pi為在太赫茲信道上發送數據幀的成功率，T為整個網絡運行時間。設IEEE802.15.3c 協議的吞吐量為S1，ENLBT-MAC 協議的吞吐量為S2，NMA-MAC 協議的吞吐量為S3，如式（12）～（14）所示：

在網絡拓撲和各節點參數相同的情況下，ldata和T都是相同的，由引理2 可知，P1≤P2≤P3，從而S1≤S2≤S3，得證。

4 仿真分析

本文利用OPNET 仿真工具模擬實際網絡中業務，并主要研究隨著節點數目的增加，對協議各性能指標的影響。仿真參數設置如表1 所示。

表1 仿真參數設置Table 1 Simulation parameters setting

4.1 控制開銷

不同協議的波束賦形控制開銷對比如圖5 所示。隨著節點增加，各協議控制開銷都有所上升，由于NMA-MAC 協議使用新的機制，使得運行網絡所產生的的控制開銷在網絡飽和情況降低30.86%，仿真結果和引理1 分析一致。由于IEEE802.15.3c 標準協議需要在每個方向遍歷，導致每個方向都會產生控制開銷；而ENLBT-MAC 協議根據入網順序進行遍歷，產生的開銷會相應減少，但仍然需要在每個方向進行遍歷。NMA-MAC 協議使用新機制不需要在每個方向進行遍歷，只在有節點的方向產生所需要的開銷，所以總開銷更小。

圖5 不同協議的波束賦形控制開銷對比Fig.5 Beamforming control cost comparison among different protocols

4.2 傳輸成功率

不同協議的消息傳輸成功率如圖6 所示。當節點數從10 增加到13 時，網絡中某些節點發生了移動。相比IEEE802.15.3c 標準協議，NMA-MAVC 協議的網絡傳輸成功率增長了4.575%，仿真結果和引理2 分析一致。由于存在節點移動的情況，當節點發生移動后，IEEE 802.15.3c 協議或ENLBT-MAC 協議的源節點在原方向發送數據，此時目的節點收不到該消息，在下個超幀中，源DEV 與目的DEV 需要重新進行節點發現后，再進行數據傳輸，此時源節點重復發送了相同數據，而目的節點只接收到一次數據。而NMA-MAC 協議下源節點通過PNC 預先知道目的DEV 的位置，只需要向移動后的方向發送一次數據，從而提升數據消息傳輸成功率。

圖6 不同協議的消息傳輸成功率對比Fig.6 Message transmission success rate comparison among different protocols

4.3 吞吐量

不同協議的吞吐量對比如圖7 所示。相比IEEE802.15.3c 標準協議，NMA-MAC 協議的吞吐量增加了13.28%，仿真結果與引理3 分析一致。3 種協議在節點沒有發生移動的情況下，吞吐量的走勢是差不多的，若節點發生移動，使得IEEE802.15.3c 標準協議和ENLBT-MAC 協議的吞吐量發生短暫下降，而后節點需要重新進行波束賦形重新發現節點，吞吐量又逐漸開始上升。在節點移動后，NMA-MAC 協議通過計算獲取移動節點位置，然后動態調整數據發送方向，其吞吐量不會呈下降的趨勢。隨著節點數的增加，各協議的吞吐量逐漸趨于平穩狀態。

圖7 不同協議MAC 層吞吐量對比Fig.7 MAC layer throughput comparison among different protocols

4.4 平均時延

不同協議的數據傳輸時延如圖8 所示。從圖8 可以看出，在不同節點場景下3 種協議的數據傳輸時延的差別不是很大。隨著節點個數增加，由于申請時隙的節點個數逐漸增多，而超幀的長度是不變的，每個節點被安排的時隙也會推后，因此時延逐漸增加。而NMAMAC 協議通過減少在部分扇區的掃描時間，從而調整常規S-CAP 的長度，PNC 有足夠時間處理節點的時隙申請，可以縮短數據的傳輸時延。

圖8 不同協議平均時延對比Fig.8 Average delay comparison among different protocols

5 結束語

本文提出一種太赫茲網絡場景下的節點移動感知定向MAC 協議。在分析節點波束賦形的過程中，采用軟件建模方式模擬微微網中節點的運動狀態，引入微微網節點快速發現和動態場景節點位置感知機制，并使用歸一化方法分析網絡性能指標。仿真結果表明，相比IEEE802.15.3c 標準協議和ENLBT-MAC協議，NAM-MAC 協議能有效提高吞吐量和消息傳輸成功率，降低數據平均時延。后續將利用定向天線空分復用的特點，對太赫茲定向并行傳輸協議做進一步優化。