基于自發(fā)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝щpLAN太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)MAC協(xié)議

任 智，古金東*，劉 洋，陳春宇

（1.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065；2.重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065；3.重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信教育部工程研究中心，重慶 400065）

0 引言

太赫茲波指0.1～10 THz 的電磁波［1］，頻譜介于微波與遠(yuǎn)紅外光之間［2］，低波段與毫米波相鄰［3］、高波段與紅外光相鄰，位于宏觀電子學(xué)與微觀光子學(xué)的過(guò)渡區(qū)域［4］。太赫茲波具有抗干擾［5］、方向性好［6］、帶寬寬［7］、穿透性強(qiáng)［8］、所需天線尺寸小［9］等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，太赫茲波段被有效用于成像應(yīng)用，因?yàn)樘掌澆ㄊ欠请婋x的，能穿透材料，并被水和有機(jī)物質(zhì)吸收［10］。由于它的這些特性，太赫茲波適用于室內(nèi)短距離無(wú)線通信［11］，以提供高達(dá)數(shù)十Gbps 的更高數(shù)據(jù)速率［12］，因此太赫茲通信技術(shù)［13］被廣泛認(rèn)為是一種很有前景的通信技術(shù)［14］。

近年來(lái)，研究雙局域網(wǎng)（Local Area Network，LAN）太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)的情況并不多見(jiàn)，而一些學(xué)者卻已經(jīng)深入研究了多個(gè)域網(wǎng)（Personal Area Network，PAN）太赫茲無(wú)線個(gè)域網(wǎng)［15］。太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)與太赫茲無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的相似之處，決定了多PAN 太赫茲無(wú)線個(gè)域網(wǎng)會(huì)為雙LAN 太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)提供很好的參考和借鑒。雙LAN 太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)的運(yùn)行時(shí)間被劃分為無(wú)數(shù)個(gè)協(xié)調(diào)超幀，每個(gè)協(xié)調(diào)超幀由4個(gè)具有時(shí)間先后順序的時(shí)段構(gòu)成，即信標(biāo)幀隊(duì)列時(shí)段（Beacon Alignment Period，BAP）、競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)段（Contention Access Period，CAP）、常規(guī)信道時(shí)間分配時(shí)段（Normal Channel Time Allocation Period，N-CTAP）和公共信道時(shí)間分配時(shí)段（Public Channel Time Allocation Period，P-CTAP）。協(xié)調(diào)超幀結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 協(xié)調(diào)超幀結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of coordinated superframe

文獻(xiàn)［1］中針對(duì)多PAN 太赫茲無(wú)線個(gè)域網(wǎng)，提出了一種新穎的N-CTAP 剩余時(shí)隙資源再分配機(jī)制，該機(jī)制將N-CTAP的剩余時(shí)隙再次劃分為時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)申請(qǐng)階段和數(shù)據(jù)傳輸階段，一定程度上提高了MAC 層吞吐量以及降低了數(shù)據(jù)時(shí)延，然而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)量比較大時(shí)，N-CTAP 剩余時(shí)隙可直接用于數(shù)據(jù)傳輸，若再劃分時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)申請(qǐng)階段，一定程度上會(huì)限制網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

文獻(xiàn)［2］中針對(duì)多PAN 太赫茲無(wú)線個(gè)域網(wǎng)，提出了一種隱式TDMA（Time Division Mutiple Access）時(shí)隙再分配機(jī)制，即WPAN（Wireless Personal Area Network）內(nèi)的各節(jié)點(diǎn)都計(jì)算本超幀的N-CTAP 的時(shí)隙剩余情況以及屬于本W(wǎng)PAN 的P-CTAP 的時(shí)隙剩余情況。然后PNC（PicoNet Coordinator）根據(jù)時(shí)隙剩余情況把本超幀的CAP 申請(qǐng)的時(shí)隙優(yōu)先分配在本超幀的信道時(shí)間分配時(shí)段（Channel Time Allocation Period，CTAP）剩余時(shí)隙中：如果有數(shù)據(jù)傳輸需求的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)均為網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)，則分配在N-CTAP；否則，分配在P-CTAP。文獻(xiàn)［2］還提出了一種基于無(wú)Beacon 的空閑時(shí)段啟用機(jī)制，WPAN 內(nèi)各節(jié)點(diǎn)可計(jì)算出本普通超幀結(jié)束時(shí)刻距協(xié)調(diào)超幀開(kāi)始時(shí)刻的大小是否大于一個(gè)CTA（Channel Time Allocation）：如果是，則PNC 執(zhí)行隱式TDMA 機(jī)制充分利用時(shí)隙；否則，各DEV（Device）節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)時(shí)隙。然而，這兩種機(jī)制也有不足之處：第一，有些DEV 節(jié)點(diǎn)在本超幀的CAP 已經(jīng)通過(guò)CSMA（Carrier Sense Multiple Access）的方式成功競(jìng)爭(zhēng)到了信道，但PNC 卻因由于剩余時(shí)隙不足拒絕了CTRq 幀，而在下一超幀的CAP，該DEV 節(jié)點(diǎn)又需要重新競(jìng)爭(zhēng)信道，可能使其他節(jié)點(diǎn)在超幀內(nèi)不能成功接入信道而導(dǎo)致平均時(shí)延上升以及網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降，尤其是該DEV 節(jié)點(diǎn)在發(fā)送第一個(gè)CTRq 幀后沒(méi)有新的應(yīng)用層數(shù)據(jù)到達(dá)。第二，隱式TDMA 機(jī)制是在CAP 完成了剩余時(shí)隙的再分配，所以如果當(dāng)一個(gè)WPAN 的CAP 結(jié)束后，WPAN 內(nèi)的節(jié)點(diǎn)才收到載有協(xié)調(diào)超幀基本信息的heartbeat 消息，這種基于無(wú)Beacon 的空閑時(shí)段啟用機(jī)制將失效，導(dǎo)致信道時(shí)間的浪費(fèi)。heartbeat 消息的具體格式如圖2、3 所示。

圖2 heartbeat消息首部格式Fig.2 Heartbeat message header format

圖3 heartbeat消息負(fù)載Fig.3 Heartbeat message payload

文獻(xiàn)［3］中基于父/子微微網(wǎng)，提出了一種新穎的動(dòng)態(tài)超幀結(jié)構(gòu)，PNC 根據(jù)本超幀內(nèi)CAP 中各節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)CTA 數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整下一超幀的超幀時(shí)長(zhǎng)，提高了信道時(shí)間利用率。同時(shí)，文獻(xiàn)［3］還提出了超幀利用率閾值策略，在充分利用信道時(shí)間的前提下，保證了各DEV 的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS），提升了接入設(shè)備的公平性。之后，文獻(xiàn)［3］提出了差異化服務(wù)策略，引入了最小QoS 滿意度作為是否同意實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流接入信道的判決條件。

heartbeat 消息首部格式英文縮略詞表如表1 所示。

表1 heartbeat消息首部格式英文縮略詞表Tab.1 English acronym list of heartbeat message header format

heartbeat 消息負(fù)載英文縮略詞表如表2 所示。

表2 heartbeat消息負(fù)載英文縮略詞表Tab.2 English acronym list of heartbeat message payload

1 雙LAN太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型

雙LAN 太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型主要由兩個(gè)WLAN構(gòu)成，如圖4 所示，每個(gè)WLAN 由眾多DEV 構(gòu)成，其中通信范圍包含本局域網(wǎng)內(nèi)所有其他DEV 的節(jié)點(diǎn)為PNC，其余節(jié)點(diǎn)為普通DEV，普通DEV 節(jié)點(diǎn)隨機(jī)散落在局域網(wǎng)內(nèi)，相距較近的普通DEV 可直接通信，相距較遠(yuǎn)的則需通過(guò)PNC 中繼通信，如圖5 所示。位于兩個(gè)WLAN 重疊區(qū)域的DEV 節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)，通過(guò)選舉機(jī)制可以決策出網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)的作用是通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)heartbeat 消息使兩個(gè)WLAN 的超幀實(shí)現(xiàn)同步以及轉(zhuǎn)發(fā)跨LAN 的數(shù)據(jù)幀。

圖4 雙LAN太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)模型Fig.4 Dual-LAN Terahertz wireless LAN model

圖5 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ虵ig.5 Network topology model

網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)的選舉機(jī)制主要是讓網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)在CAP 向高級(jí)PNC（優(yōu)先級(jí)較高的PNC）發(fā)送攜帶自身剩余能量值信息的特殊時(shí)隙請(qǐng)求幀，然后高級(jí)PNC 根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的剩余能量值大小決策出網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)，最后在時(shí)隙回復(fù)幀中通告。網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)選舉成功并通告全網(wǎng)后，兩個(gè)WLAN 開(kāi)始融合。在網(wǎng)絡(luò)完成融合后，兩個(gè)WLAN 開(kāi)始使用協(xié)調(diào)超幀結(jié)構(gòu)。

雙LAN 太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)的運(yùn)行時(shí)間被劃分為無(wú)數(shù)個(gè)協(xié)調(diào)超幀，每個(gè)協(xié)調(diào)超幀由4 個(gè)具有時(shí)間先后順序的時(shí)段構(gòu)成，即BAP、CAP、N-CTAP 和P-CTAP。

在BAP，兩個(gè)WLAN 的PNC 分先后順序依次在屬于自己的信標(biāo)幀隊(duì)列階段廣播本W(wǎng)LAN 內(nèi)的Beacon 幀，該Beacon幀中包含該無(wú)線局域網(wǎng)在本超幀內(nèi)的基本信息，如本W(wǎng)LAN內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)的基本信息、各個(gè)時(shí)段的起始時(shí)刻以及持續(xù)時(shí)長(zhǎng)、CTAP 中CTA 的分配情況等。兩個(gè)WLAN 的CAP 起始時(shí)刻以及持續(xù)時(shí)長(zhǎng)相同，在該時(shí)段，每個(gè)WLAN 中的各DEV 節(jié)點(diǎn)如有數(shù)據(jù)傳輸需求，會(huì)通過(guò)CSMA 的方式競(jìng)爭(zhēng)請(qǐng)求信道，從而向各自WLAN 內(nèi)的PNC 發(fā)送時(shí)隙請(qǐng)求幀，當(dāng)PNC 成功分配CTA 時(shí)，會(huì)在下一超幀的BAP 通過(guò)廣播Beacon 幀通知對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)即可在CTAP 的相應(yīng)位置開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)幀；另外，在兩個(gè)WLAN 進(jìn)行超幀協(xié)調(diào)的過(guò)程中，網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)會(huì)在這一時(shí)段轉(zhuǎn)發(fā)heartbeat 消息使兩個(gè)WLAN 中的PNC 均獲得另一WLAN 的基本情況。CTAP 分為N-CTAP 和P-CTAP，這兩個(gè)時(shí)段均由一系列CTA 構(gòu)成，在該時(shí)段，被分配傳輸時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)通過(guò)TDMA 方式接入信道，兩個(gè)WLAN 的N-CTAP的起始時(shí)刻以及持續(xù)時(shí)長(zhǎng)一致，都用于傳輸WLAN 內(nèi)的數(shù)據(jù)幀，而P-CTAP 按時(shí)間先后順序依次分為P-CTAP1 和PCTAP2，分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)WLAN，這一時(shí)段的作用是傳輸WLAN 內(nèi)部節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)幀。

2 問(wèn)題描述

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有雙LAN 太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)MAC 協(xié)議方案設(shè)計(jì)仍不完善，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量低、數(shù)據(jù)時(shí)延大、時(shí)隙利用率低等問(wèn)題，具體如下：

1）有些DEV 節(jié)點(diǎn)在本超幀的CAP 已經(jīng)通過(guò)CSMA 的方式成功競(jìng)爭(zhēng)到了信道，但是PNC 卻由于剩余時(shí)隙不足拒絕了該CTRq 幀，在下一超幀的CAP，該DEV 節(jié)點(diǎn)又需要重新競(jìng)爭(zhēng)信道，這可能使其他節(jié)點(diǎn)在超幀內(nèi)不能成功接入信道而導(dǎo)致平均時(shí)延上升以及網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降，尤其是該DEV 節(jié)點(diǎn)在發(fā)送第一個(gè)CTRq 幀后沒(méi)有新的應(yīng)用層數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)。

2）現(xiàn)有的隱式TDMA 機(jī)制是在CAP 完成了剩余時(shí)隙的再分配，所以如果當(dāng)其中一個(gè)太赫茲局域網(wǎng)（Terahertz Local Area Network,TLAN）的CAP 結(jié)束后，另一TLAN 內(nèi)的PNC 節(jié)點(diǎn)才收到載有協(xié)調(diào)超幀同步信息的heartbeat 消息，那么這種基于無(wú)Beacon 的空閑時(shí)段啟用機(jī)制就將失效，這將導(dǎo)致提前結(jié)束普通超幀的TLAN 的信道時(shí)間的浪費(fèi)。提前結(jié)束普通超幀的空閑時(shí)段的示意圖如圖6 所示。

圖6 提前結(jié)束普通超幀的空閑時(shí)段Fig.6 Idle period for early ended ordinary superframe

3）現(xiàn)有雙LAN 太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)MAC 協(xié)議在解決N-CTAP 存在空閑時(shí)隙問(wèn)題時(shí)，采用將N-CTAP 剩余時(shí)隙再劃分的機(jī)制，即按照一定比例把剩余時(shí)隙劃分為時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)申請(qǐng)階段和數(shù)據(jù)傳輸階段，前者用于各節(jié)點(diǎn)向PNC發(fā)送CTRq幀以競(jìng)爭(zhēng)信道時(shí)隙資源，后者用于成功申請(qǐng)到時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)以TDMA方式傳輸數(shù)據(jù)，這種方案雖然提高了MAC 層吞吐量和降低了數(shù)據(jù)時(shí)延，但在某種程度上剩余時(shí)隙的再次劃分也限制了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，尤其在網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)量較大時(shí)。

3 SDTE-MAC協(xié)議新機(jī)制

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種基于自發(fā)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝щpLAN 太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)MAC 協(xié)議——SDTE-MAC（high-Efficiency MAC protocol based on Spontaneous Data Transmission）。SDTE-MAC 采用一種基于動(dòng)態(tài)調(diào)整的時(shí)間單元鏈表算法，避免了相同CTRq 幀的不必要重復(fù)發(fā)送，充分利用了提前結(jié)束普通超幀網(wǎng)絡(luò)的信道時(shí)隙資源以及N-CTAP、P-CTAP 空余的時(shí)隙資源，進(jìn)一步提高了網(wǎng)絡(luò)的MAC 層吞吐量，提升了信道時(shí)隙利用率及降低了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。

該算法的核心思想是通過(guò)讓各節(jié)點(diǎn)都維護(hù)一張或多張時(shí)間單元鏈表來(lái)與其余節(jié)點(diǎn)能夠在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間上達(dá)到同步，從而獲悉本節(jié)點(diǎn)應(yīng)該在信道剩余時(shí)隙的什么位置開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)幀，即減少網(wǎng)絡(luò)中不必要的控制幀交互，通過(guò)操作自身節(jié)點(diǎn)的時(shí)間單元鏈表充分利用空余時(shí)隙。基于動(dòng)態(tài)調(diào)整的時(shí)間單元鏈表算法示意圖如圖7 所示。

圖7 基于動(dòng)態(tài)調(diào)整的時(shí)間單元鏈表算法示意圖Fig.7 Schematic diagram based on dynamically adjusted time-unit linked list algorithm

3.1 核心操作

1）在普通超幀時(shí)期，各節(jié)點(diǎn)執(zhí)行初始化鏈表操作。該算法需要每個(gè)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)都定義LN-1、LN-2兩個(gè)鏈表，每個(gè)網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)都定義LP-i(i=1，2，…，4)這4 個(gè)鏈表。在普通超幀時(shí)期，LN-1用于控制WLAN（ii=1，2）中CTAP 的通信，LP-1、LP-3用于分別控制WLAN1、WLAN2中CTAP 的通信；在協(xié)調(diào)超幀時(shí)期，LN-1是網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)用于控制WLANi（i=1，2）中N-CTAP 的通信，LN-2是網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)用于分別控制WLAN（ii=1，2）中P-CTAP1、P-CTAP2 時(shí)段的通信，LP-2、LP-4是網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)用于分別控制P-CTAP1、P-CTAP2 時(shí)段的通信。鏈表項(xiàng)包含的內(nèi)容有節(jié)點(diǎn)ID、TU（Time Unit）數(shù)。

2）偵聽(tīng)及判斷自身節(jié)點(diǎn)類型。各節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)前先偵聽(tīng)信道至少兩個(gè)最大超幀長(zhǎng)度的時(shí)間，并根據(jù)收到的信道時(shí)隙回復(fù)（Channel Time Response，CTRp）幀對(duì)相應(yīng)鏈表執(zhí)行添加操作，根據(jù)收到的Beacon 幀對(duì)相應(yīng)鏈表執(zhí)行同步對(duì)齊操作。若未接收到Beacon 幀，則主動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)，該節(jié)點(diǎn)便主動(dòng)成為該網(wǎng)絡(luò)的PNC；若只接收到具有一種PNID 的Beacon 幀，則表明該節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)；若接收到兩個(gè)具有不同PNID 的Beacon 幀，則表明該節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)。

3）未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送關(guān)聯(lián)請(qǐng)求幀申請(qǐng)入網(wǎng)。非PNC 節(jié)點(diǎn)在CAP 主動(dòng)發(fā)送關(guān)聯(lián)請(qǐng)求幀。如果自己是網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)，關(guān)聯(lián)請(qǐng)求幀的Command type 字段使用原值0x0000；如果自己是網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)，Command type 字段使用保留值0x001D。

4）有數(shù)據(jù)傳輸需求的節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)時(shí)隙。有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸需求的節(jié)點(diǎn)在CAP 發(fā)送CTRq 幀。如果此刻自身是網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)，則CTRq 控制幀格式中的保留位（b3）置0；如果此刻自身是網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)，則保留位（b3）置1。PNC 節(jié)點(diǎn)若有數(shù)據(jù)傳輸需求，主動(dòng)廣播載有TU 數(shù)的CTRp 幀以表明自身要占用信道的時(shí)隙量。

5）PNC（ii=1，2）收到CTRq 幀后回復(fù)特殊CTRp 幀。PNCi（i=1，2）節(jié)點(diǎn)收到CTRq 幀后，更新節(jié)點(diǎn)的最新類型，并廣播特殊CTRp 幀；同時(shí)，將CTRp 中的目的節(jié)點(diǎn)ID 和Available number of TUs 字段的值作為鏈表項(xiàng)插入到LN-1的尾部。若源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)均為網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)，則Command type 字段使用原值0x0013；若源節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)，則Command type 字段使用保留值0x001E；若源節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)，則Command type 字段使用保留值0x001F；若源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)均為網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)，則Command type 字段使用原值0x0020。

6）普通超幀時(shí)期，各DEV 節(jié)點(diǎn)收到特殊CTRq 幀后執(zhí)行添加鏈表項(xiàng)操作。網(wǎng)絡(luò)中的各DEV 節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的特殊CRTp 幀更新這一對(duì)節(jié)點(diǎn)的最新節(jié)點(diǎn)類型；同時(shí)，將CTRp 幀中的目的節(jié)點(diǎn)ID 和Available number of TUs 字段的值作為鏈表項(xiàng)插入到LN-1的尾部，網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)插入到LP-1或LP-3的尾部。

7）PNC（ii=1，2）根據(jù)時(shí)間單元鏈表分配普通超幀CTAP時(shí)隙資源。到達(dá)普通超幀的BP（Beacon Period）后，PNC（ii=1，2）根據(jù)LN-1分配CTA，每當(dāng)有鏈表項(xiàng)的TU 大小被完全分配，該項(xiàng)就被銷毀，越靠近LN-1頭部的越先滿足，直到此超幀的CTAP 所剩時(shí)隙被分配完畢或LN-1為空。

8）各DEV 節(jié)點(diǎn)收到Beacon 幀后將自身對(duì)應(yīng)鏈表與全網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)執(zhí)行對(duì)齊操作。該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的Beacon 幀中CTA 的分配情況自動(dòng)對(duì)齊和更正自己的鏈表，網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)根據(jù)PNID 決定使用哪個(gè)鏈表。若Beacon幀中分配的最后一項(xiàng)TU 大小等于鏈表對(duì)應(yīng)鏈表項(xiàng)中TU 的大小，則鏈表將該鏈表項(xiàng)的下一項(xiàng)作為表頭，并將之前的鏈表項(xiàng)銷毀；若Beacon 幀中分配的最后一項(xiàng)TU 大小小于鏈表對(duì)應(yīng)鏈表項(xiàng)中TU 的大小，則鏈表將該鏈表項(xiàng)的TU 大小更新為原始值與分配值之差，并將該項(xiàng)作為表頭，同時(shí)銷毀之前的鏈表項(xiàng)。

9）在普通超幀時(shí)期，各節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身維護(hù)的鏈表傳輸數(shù)據(jù)。在超幀的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)段，各節(jié)點(diǎn)首先根據(jù)Beacon 幀中信道時(shí)間的分配情況傳輸數(shù)據(jù)。若當(dāng)前時(shí)間已到達(dá)該數(shù)據(jù)傳輸時(shí)段剩余時(shí)隙的起始點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)均主動(dòng)計(jì)算出自己作為L(zhǎng)N-1、LP-1或LP-3鏈表項(xiàng)中節(jié)點(diǎn)ID 所對(duì)應(yīng)鏈表項(xiàng)的起始傳輸時(shí)刻，并在傳輸時(shí)刻到達(dá)后立即傳輸數(shù)據(jù)，每占用信道時(shí)間到達(dá)TU 大小后，LN-1、LP-1或LP-3鏈表項(xiàng)中TU 個(gè)數(shù)減1；若數(shù)據(jù)傳輸時(shí)段結(jié)束，則立刻停止接入信道；若鏈表已經(jīng)為空而數(shù)據(jù)傳輸時(shí)段仍未結(jié)束，則剩余時(shí)段復(fù)用為CAP，用于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)下一超幀時(shí)隙。

10）發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)執(zhí)行退避操作。當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)未收到ACK 幀，則認(rèn)為由于信道狀況不理想等情況，導(dǎo)致自己的鏈表發(fā)生了偏差，于是在本CTAP 不再發(fā)送數(shù)據(jù)，等待利用下一超幀的時(shí)隙分配信息對(duì)齊和校正自己的鏈表。

11）發(fā)生錯(cuò)誤后的修正操作。定義指針p1、p2、perror，某節(jié)點(diǎn)若未收到ACK 幀，則計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻距下一超幀起始時(shí)刻的長(zhǎng)度t，并將p1、p2、perror指向出錯(cuò)誤的鏈表項(xiàng)，然后指針p1、p2一直向后移動(dòng)，直至所經(jīng)歷過(guò)鏈表項(xiàng)的TU 總時(shí)間等于t。當(dāng)收到下一超幀的Beacon 幀后，先查看Beacon 幀中分配的第一個(gè)CTA 是否對(duì)應(yīng)指針?biāo)告湵眄?xiàng)，如果是，則p2順著鏈表項(xiàng)一直向后移動(dòng)，直至指向Beacon 幀中最后一個(gè)分配的CTA 的下一個(gè)位置；否則，將p1、p2向前移動(dòng)，直至指向了Beacon 幀中分配的第一個(gè)CTA 對(duì)應(yīng)的鏈表項(xiàng)，之后p2順著鏈表項(xiàng)一直向后移動(dòng)，直至指向Beacon 幀中最后一個(gè)分配的CTA 的下一個(gè)位置。在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，出錯(cuò)誤的節(jié)點(diǎn)計(jì)算出perror至p1節(jié)點(diǎn)之間包含本節(jié)點(diǎn)ID 的鏈表項(xiàng)中TU 的總個(gè)數(shù)，并在CAP 重新申請(qǐng)對(duì)應(yīng)個(gè)數(shù)的TU；否則，直接等待進(jìn)入CAP，之后銷毀p2前的所有鏈表項(xiàng)。

12）在協(xié)調(diào)超幀初期，各節(jié)點(diǎn)執(zhí)行初始化鏈表操作。當(dāng)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)都到達(dá)協(xié)調(diào)超幀起始時(shí)間后，WLAN1、WLAN2中的網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)把涉及網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)的鏈表項(xiàng)從LN-1復(fù)制到LN-2，并銷毀原有項(xiàng)，網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)把LP-1、LP-3中含有網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)的鏈表項(xiàng)分別復(fù)制到LP-2、LP-4，并銷毀原有項(xiàng)。

13）在協(xié)調(diào)超幀的BAP，PNC 分配時(shí)隙。PNC1、PNC2均根據(jù)自己的LN-1、LN-2分別為N-CTAP、P-CTAP1 或P-CTAP2 來(lái)分配時(shí)隙。

14）在協(xié)調(diào)超幀時(shí)期，各DEV 節(jié)點(diǎn)收到特殊CTRp 幀后，執(zhí)行添加鏈表項(xiàng)操作。在協(xié)調(diào)超幀的CAP 執(zhí)行的操作和核心操作6）大致類似，比較特殊的是網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到CTRp 幀中PNID 的值以及Command type 字段的值決定把目的節(jié)點(diǎn)ID 和Available number of TUs 字段的值放到哪一個(gè)鏈表。當(dāng)PNID 是WLAN1的網(wǎng)絡(luò)號(hào)時(shí)，若Command type 字段的值是0x0013，則忽略；否則，將它放到LP-2的表尾。當(dāng)PNID 是WLAN2的網(wǎng)絡(luò)號(hào)時(shí)，若Command type 字段的值是0x0013，則忽略；否則，將它放到LP-4的表尾。

15）在協(xié)調(diào)超幀時(shí)期，各節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身維護(hù)的鏈表傳輸數(shù)據(jù)。在協(xié)調(diào)超幀的CTAP 執(zhí)行的操作與核心操作9）大致類似，比較特殊的是：網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)在P-CTAP1 和PCTAP2 時(shí)段分別根據(jù)LP-2、LP-4操作。

3.2 SDTE-MAC操作流程

上述詳細(xì)介紹了SDTE-MAC 使用的核心操作，下面詳細(xì)敘述SDTE-MAC 的整個(gè)操作流程。

該協(xié)議假定信道條件較為理想，即誤碼率較低，同時(shí)為了方便起見(jiàn)，假定兩個(gè)WLAN 中均已產(chǎn)生了PNC。

步驟1 太赫茲網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入普通超幀的Beacon 時(shí)期。對(duì)于DEV 節(jié)點(diǎn)：若是剛開(kāi)機(jī)且第一次收到Beacon 幀，則DEV 節(jié)點(diǎn)均執(zhí)行3.1 節(jié)核心操作1）和8），初始化及對(duì)齊鏈表，轉(zhuǎn)步驟3；否則，節(jié)點(diǎn)均執(zhí)行核心操作8），只對(duì)齊鏈表，轉(zhuǎn)步驟3。對(duì)于PNC 節(jié)點(diǎn)：若是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的第一個(gè)普通超幀，則PNC 節(jié)點(diǎn)執(zhí)行核心操作1）、7）和8），初始化鏈表、分配及對(duì)齊時(shí)隙資源，轉(zhuǎn)步驟3；否則，PNC 節(jié)點(diǎn)執(zhí)行核心操作7）和8），只分配及對(duì)齊時(shí)間資源，轉(zhuǎn)步驟3。

步驟2 太赫茲網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入普通超幀的Beacon 時(shí)期。對(duì)于DEV 節(jié)點(diǎn)：出錯(cuò)誤的節(jié)點(diǎn)執(zhí)行核心操作11），執(zhí)行鏈表的修正操作，轉(zhuǎn)步驟3。對(duì)于PNC 節(jié)點(diǎn)：PNC 節(jié)點(diǎn)執(zhí)行核心操作7）和8），分配及對(duì)齊時(shí)間資源，轉(zhuǎn)步驟3。

步驟3 太赫茲網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入普通超幀的CAP。DEV 節(jié)點(diǎn)判斷自身是否已入網(wǎng)：若未入網(wǎng)，執(zhí)行核心操作2）和3），偵聽(tīng)并判斷自身類型及關(guān)聯(lián)入網(wǎng)，轉(zhuǎn)步驟3；否則，判斷自身節(jié)點(diǎn)是否有數(shù)據(jù)傳輸需求，若有，則執(zhí)行核心操作4，申請(qǐng)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙，轉(zhuǎn)步驟6，否則，直接轉(zhuǎn)步驟5。若是PNC 節(jié)點(diǎn)，直接轉(zhuǎn)步驟4。

步驟4 執(zhí)行核心操作5），PNC（ii=1，2）收到CTRq 幀后回復(fù)特殊CTRp 幀，同時(shí)，PNC 也要更新自己的鏈表。CAP 結(jié)束后，轉(zhuǎn)步驟6。

步驟5 執(zhí)行核心操作6），在普通超幀時(shí)期，各DEV 節(jié)點(diǎn)收到特殊CTRp 幀后執(zhí)行添加鏈表項(xiàng)操作。當(dāng)CAP 結(jié)束后，轉(zhuǎn)步驟6。

步驟6 太赫茲網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入普通超幀的CTAP，首先按照Beacon 幀分配的時(shí)隙傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)有空閑時(shí)隙時(shí)，執(zhí)行核心操作9），傳輸數(shù)據(jù)。對(duì)于DEV 節(jié)點(diǎn)：若發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，則執(zhí)行核心操作10），進(jìn)行退避，當(dāng)CTAP 結(jié)束后，進(jìn)入了下一普通超幀的Beacon 時(shí)段，則轉(zhuǎn)步驟1，否則，轉(zhuǎn)步驟2。對(duì)于PNC 節(jié)點(diǎn)：如果在CAP 或CTAP 收到了載有協(xié)調(diào)超幀信息的heartbeat 消息，在CTAP 結(jié)束后，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸是否錯(cuò)誤決定轉(zhuǎn)步驟7 還是步驟8；否則，轉(zhuǎn)步驟1。

步驟7 太赫茲網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入?yún)f(xié)調(diào)超幀的BAP，若是網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)協(xié)調(diào)超幀，則DEV 節(jié)點(diǎn)執(zhí)行核心操作12）和8），初始化及對(duì)齊協(xié)調(diào)超幀初期的鏈表，轉(zhuǎn)步驟9，PNC 節(jié)點(diǎn)執(zhí)行核心操作12）、13）和8），初始化協(xié)調(diào)超幀初期的鏈表、協(xié)調(diào)超幀分配時(shí)隙及對(duì)齊，轉(zhuǎn)步驟9；否則，DEV 節(jié)點(diǎn)執(zhí)行核心操作8），只對(duì)齊，轉(zhuǎn)步驟9，PNC 節(jié)點(diǎn)執(zhí)行核心操作13）和8），只進(jìn)行協(xié)調(diào)超幀分配時(shí)隙操作及對(duì)齊操作，轉(zhuǎn)步驟9。

步驟8 太赫茲網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入?yún)f(xié)調(diào)超幀的BAP。DEV 節(jié)點(diǎn)執(zhí)行核心操作11），執(zhí)行修正操作，轉(zhuǎn)步驟9；PNC 節(jié)點(diǎn)執(zhí)行核心操作13）和8），進(jìn)行協(xié)調(diào)超幀分配時(shí)隙操作及對(duì)齊操作，轉(zhuǎn)步驟9。

步驟9 太赫茲網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入?yún)f(xié)調(diào)超幀的CAP。DEV 節(jié)點(diǎn)判斷自身節(jié)點(diǎn)是否有數(shù)據(jù)傳輸需求：若有，則執(zhí)行核心操作4），申請(qǐng)時(shí)隙，轉(zhuǎn)步驟11；否則，直接轉(zhuǎn)步驟11。若是PNC 節(jié)點(diǎn)，直接轉(zhuǎn)步驟10。

步驟10 執(zhí)行核心操作5），PNC（ii=1，2）收到CTRq 幀后回復(fù)特殊CTRp 幀，同時(shí)PNC 也更新自己的鏈表。CAP 結(jié)束后，轉(zhuǎn)步驟12。

步驟11 執(zhí)行核心操作14），根據(jù)收到的CTRp 幀添加鏈表項(xiàng)，當(dāng)CAP 結(jié)束后，轉(zhuǎn)步驟12。

步驟12 太赫茲網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入?yún)f(xié)調(diào)超幀的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)段，執(zhí)行核心操作15），傳輸數(shù)據(jù)：若本節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)未發(fā)生錯(cuò)誤，轉(zhuǎn)步驟7；否則，轉(zhuǎn)步驟8。

4 仿真分析

本文采用OPNET Modeler 14.5 仿真工具分別對(duì)AHTMAC（Adaptive High Throughout multi-pan MAC protocol）［1］、IEEE 802.15.3 協(xié)議［15］和SDTE-MAC 仿真驗(yàn)證，主要的參數(shù)如表3 所示。

表3 主要仿真參數(shù)Tab.3 Main simulation parameters

4.1 仿真參數(shù)設(shè)置

在整個(gè)仿真驗(yàn)證過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)量保持不變，根據(jù)DEV 節(jié)點(diǎn)數(shù)的不同，設(shè)置5 個(gè)場(chǎng)景，對(duì)比AHTMAC、IEEE 802.15.3 協(xié)議和SDTE-MAC 這3 個(gè)協(xié)議的性能。

趙玉紅充滿感情地談道，130余年的文化傳承，孕育了盛京人探索求進(jìn)、勇?lián)厝蔚膱?zhí)著精神。“中國(guó)醫(yī)科大學(xué)是中國(guó)工農(nóng)紅軍創(chuàng)建的第一所醫(yī)科學(xué)校，因之而生的盛京醫(yī)院被注入紅色血脈，成為‘紅醫(yī)搖籃’。繼承傳統(tǒng)，以專業(yè)精神打造醫(yī)院文化是歷任領(lǐng)導(dǎo)班子的核心管理理念。”

4.2 SDTE-MAC仿真實(shí)現(xiàn)說(shuō)明

4.2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

在OPNET14.5 仿真軟件中，建立一個(gè)50 m×50 m 的雙LAN 太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，該場(chǎng)景共分為兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，即以PNC1為中心的WLAN1和以PNC2為中心的WLAN2，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)均有若干個(gè)節(jié)點(diǎn)，WLAN1與WLAN2的重疊區(qū)域之間存在若干個(gè)網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)。

4.2.2 節(jié)點(diǎn)模型

節(jié)點(diǎn)模型由若干個(gè)模塊構(gòu)成，如：src 模塊、sink 模塊、thz_mac 模塊、radio_rx 模塊和radio_tx 模塊等。

src 模塊 該模塊用于模擬應(yīng)用層的功能，為節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)源模塊，它的主要作用為在應(yīng)用層面上產(chǎn)生數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包的大小以及類型可通過(guò)設(shè)置相應(yīng)屬性實(shí)現(xiàn)。

sink 模塊 該模塊用于模擬應(yīng)用層的功能，為節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包接收模塊，它的主要作用為在應(yīng)用層面上接收數(shù)據(jù)包，記錄統(tǒng)計(jì)量，從而統(tǒng)計(jì)出網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的MAC 層吞吐量、數(shù)據(jù)傳輸平均時(shí)延以及時(shí)隙利用率等統(tǒng)計(jì)量信息。

thz_mac 模塊 該模塊用于模擬數(shù)據(jù)鏈路層的功能，是本次仿真中的主要功能模塊。

radio_rx 模塊 該模塊用于模擬物理層的功能，是節(jié)點(diǎn)的接收機(jī)模塊，能設(shè)置信道參數(shù)，在接收到范圍網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)包傳輸給上層。

4.2.3 進(jìn)程模型

thz_mac 模塊是本次仿真的核心模塊，它的進(jìn)程模型主要由若干個(gè)狀態(tài)機(jī)和多條狀態(tài)轉(zhuǎn)移線構(gòu)成。下面列出部分狀態(tài)機(jī)和狀態(tài)轉(zhuǎn)移線：

Init 狀態(tài)機(jī) 該狀態(tài)機(jī)被稱為初始化狀態(tài)機(jī)，它的主要作用為初始化部分變量，獲取本節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)屬性信息和注冊(cè)統(tǒng)計(jì)量等設(shè)置自中斷，在相應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)觸發(fā)中斷條件，以改變狀態(tài)機(jī)狀態(tài)，根據(jù)PNC_flag 變量獲取節(jié)點(diǎn)類型，當(dāng)節(jié)點(diǎn)類型為PNC 類型時(shí)，執(zhí)行BEACON 狀態(tài)轉(zhuǎn)移線中的代碼。

BEACON 狀態(tài)機(jī) 該狀態(tài)機(jī)為非強(qiáng)制類型空閑狀態(tài)，它的作用在于等待相應(yīng)類型的中斷觸發(fā)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)初始化后，所有在超幀Beacon 時(shí)段的操作，均會(huì)在該狀態(tài)機(jī)與周圍的狀態(tài)轉(zhuǎn)移線之間跳轉(zhuǎn)。

CAP 狀態(tài)機(jī) 該狀態(tài)機(jī)與Beacon 狀態(tài)機(jī)類似，當(dāng)節(jié)點(diǎn)初始化后，所有在超幀CAP 的操作，均會(huì)在該狀態(tài)機(jī)與周圍狀態(tài)轉(zhuǎn)移線之間跳轉(zhuǎn)。

Beacon 狀態(tài)轉(zhuǎn)移線 該狀態(tài)轉(zhuǎn)移線用于網(wǎng)絡(luò)中的PNC節(jié)點(diǎn)進(jìn)行Beacon 幀的發(fā)送，首先獲取節(jié)點(diǎn)的MAC 地址，獲取超幀中各個(gè)時(shí)段的時(shí)隙大小，設(shè)置各個(gè)時(shí)段的時(shí)間點(diǎn)觸發(fā)中斷，將自身地址、時(shí)段大小等信息裝入Beacon 幀字段，最后將數(shù)據(jù)包發(fā)送至發(fā)射機(jī)模塊。

Upper_Arrvl 狀態(tài)轉(zhuǎn)移線 該狀態(tài)轉(zhuǎn)移線用于將上層發(fā)送的數(shù)據(jù)包壓入緩沖區(qū)，等待進(jìn)行下一步處理與發(fā)送，若原來(lái)緩沖區(qū)為空，則將緩沖區(qū)狀態(tài)標(biāo)記為非空。

SEND_PK 狀態(tài)轉(zhuǎn)移線 用于控制CTAP 中數(shù)據(jù)幀的發(fā)送，當(dāng)節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)不為空時(shí)，從緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)包，計(jì)算發(fā)送數(shù)據(jù)包所需要的時(shí)間，并與該節(jié)點(diǎn)的CTA 中剩余時(shí)間比較：若剩余時(shí)間多于或等于數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間，則準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去；若剩余時(shí)間少于數(shù)據(jù)包發(fā)送所需時(shí)間，則停止發(fā)送。當(dāng)緩沖區(qū)為空時(shí)，停止發(fā)送。

4.3 仿真統(tǒng)計(jì)量

4.3.1 MAC層吞吐量

MAC 層吞吐量是指在單位時(shí)間內(nèi)MAC 層中各節(jié)點(diǎn)成功接收并向上層遞交的數(shù)據(jù)量之和。MAC 層吞吐量計(jì)算公式如下：

其中：n是雙LAN 太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)；Bi是第i個(gè)節(jié)點(diǎn)成功接收的數(shù)據(jù)量（單位為bit）；t是網(wǎng)絡(luò)仿真運(yùn)行時(shí)間。

4.3.2 數(shù)據(jù)平均時(shí)延

數(shù)據(jù)平均時(shí)延是指數(shù)據(jù)幀從源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生到成功被目的節(jié)點(diǎn)接收的平均耗時(shí)，計(jì)算公式為：

其中：N是各節(jié)點(diǎn)成功接收數(shù)據(jù)幀的個(gè)數(shù)，Ti是每個(gè)被成功接收的數(shù)據(jù)幀從產(chǎn)生到被接收的耗時(shí)。

4.3.3 時(shí)隙利用率

時(shí)隙利用率是指各節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)幀的耗時(shí)之和占仿真時(shí)間的比例，計(jì)算公式為：

其中：Ti是第i個(gè)數(shù)據(jù)幀所用的傳輸時(shí)間，t是仿真運(yùn)行總時(shí)間。

4.4 仿真參數(shù)設(shè)置說(shuō)明

PNC 在為全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙時(shí)是根據(jù)自身維護(hù)的時(shí)間單元鏈表從表頭到表尾、從前往后依次分配的，而DEV 在進(jìn)行同步對(duì)齊時(shí)也是按照這個(gè)順序并根據(jù)Beacon 幀中的時(shí)隙分配情況進(jìn)行對(duì)齊，因此各節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)Beacon 幀實(shí)現(xiàn)時(shí)間單元鏈表的同步對(duì)齊，時(shí)間對(duì)齊精度設(shè)定為幾微秒級(jí)別。

節(jié)點(diǎn)間距離引起的時(shí)延的測(cè)量方法為：在HB 里定義全局變量發(fā)送時(shí)間和接收時(shí)間，該時(shí)延即為接收時(shí)間與發(fā)送時(shí)間之差。

仿真統(tǒng)計(jì)量的設(shè)置方法為：以MAC 層吞吐量為例，在HB 里定義全局收到的數(shù)據(jù)包總比特?cái)?shù)，然后除以仿真時(shí)間。

4.5 仿真結(jié)果及分析

4.5.1 MAC層吞吐量

MAC 層吞吐量如表4 所示，由表中的數(shù)據(jù)分析可知，隨著各LAN 中DEV 數(shù)的增加，MAC 層吞吐量會(huì)逐漸上升，而當(dāng)DEV 數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，MAC 層吞吐量趨于穩(wěn)定，這主要是由于此時(shí)的MAC 層吞吐量已經(jīng)達(dá)到了協(xié)議所支持的上限。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到飽和時(shí)，SDTE-MAC 的MAC 層吞吐量較另外兩種協(xié)議，至少提高了9.2%，主要原因在于：1）這種基于動(dòng)態(tài)調(diào)整的時(shí)間單元鏈表算法能充分利用提前結(jié)束普通超幀的空閑時(shí)段以及數(shù)據(jù)傳輸時(shí)段的剩余時(shí)隙，提升了MAC 層吞吐量；2）網(wǎng)絡(luò)中相同的CTRq 幀不必要重發(fā)次數(shù)減少，使其余有數(shù)據(jù)傳輸需求的節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)到時(shí)隙發(fā)送CTRq 幀的概率增大，提升了MAC 層吞吐量；3）在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)段的剩余時(shí)隙不再劃分有競(jìng)爭(zhēng)申請(qǐng)時(shí)隙時(shí)段，而是將剩余時(shí)隙全部用于數(shù)據(jù)傳輸，提升了MAC 層吞吐量。

表4 幾種協(xié)議在不同DEV個(gè)數(shù)下的MAC層吞吐量對(duì)比 單位：Gb·s-1Tab.4 Comparison of MAC layer throughputs among several protocols under different DEV numbers unit：Gb·s-1

4.5.2 數(shù)據(jù)平均時(shí)延

數(shù)據(jù)平均時(shí)延如表5 所示，由表5 中的數(shù)據(jù)分析可知，隨著各LAN 中DEV 數(shù)的增加，數(shù)據(jù)平均時(shí)延會(huì)逐漸上升，這是由于在CAP，節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)接入信道發(fā)生碰撞的幾率增加，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)不能及時(shí)申請(qǐng)到用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)隙。然而，從整體上看，SDTE-MAC 的數(shù)據(jù)平均時(shí)延較另外兩種協(xié)議的數(shù)據(jù)平均時(shí)延有一定程度的下降，主要原因在于：1）避免了相同CTRq幀的不必要重復(fù)發(fā)送，降低了CAP 競(jìng)爭(zhēng)接入碰撞的幾率，能夠讓有數(shù)據(jù)傳輸需求的節(jié)點(diǎn)成功申請(qǐng)到時(shí)隙；2）能充分利用CTAP 的剩余時(shí)隙來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，降低數(shù)據(jù)平均時(shí)延。

表5 幾種協(xié)議在不同DEV個(gè)數(shù)下的數(shù)據(jù)平均時(shí)延對(duì)比 單位：sTab.5 Comparison of average data time latency among several protocols under different DEV numbers unit：s

4.5.3 時(shí)隙利用率

時(shí)隙利用率如表6 所示，由表6 中的數(shù)據(jù)分析可知，隨著各LAN 中DEV 數(shù)的增加，時(shí)隙利用率會(huì)逐漸上升，而當(dāng)DEV數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，時(shí)隙利用率會(huì)趨于穩(wěn)定。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到飽和時(shí)，SDTE-MAC 的時(shí)隙利用率較另外兩種協(xié)議，至少提高了10.9%，主要原因是：1）充分利用了提前結(jié)束普通超幀的空閑時(shí)段傳輸數(shù)據(jù)幀，用于傳輸數(shù)據(jù)幀的時(shí)長(zhǎng)增大；2）CTAP的剩余時(shí)隙不再劃分有競(jìng)爭(zhēng)申請(qǐng)時(shí)隙時(shí)段，用于傳輸數(shù)據(jù)幀的時(shí)長(zhǎng)增大。

表6 幾種協(xié)議在不同DEV數(shù)下的時(shí)隙利用率對(duì)比Tab.6 Comparison of timeslot utilization among several protocols under different DEV numbers

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有協(xié)議中存在的由于業(yè)務(wù)量較少的節(jié)點(diǎn)會(huì)在多個(gè)超幀的CAP 重復(fù)發(fā)送相同的CTRq 幀、heartbeat 消息晚到達(dá)導(dǎo)致信道時(shí)隙資源浪費(fèi)以及CTAP 存在空閑時(shí)隙利用不充分等問(wèn)題，提出一種低誤碼率環(huán)境下的雙LAN 太赫茲無(wú)線局域網(wǎng)MAC 協(xié)議——SDTE-MAC，該協(xié)議實(shí)現(xiàn)一種基于動(dòng)態(tài)調(diào)整的時(shí)間單元鏈表算法。本文比較了所提MAC 協(xié)議與另外兩種協(xié)議，仿真結(jié)果表明本文所提協(xié)議提高了MAC 層吞吐量，提升了時(shí)隙利用率以及降低了數(shù)據(jù)平均時(shí)延。在未來(lái)的研究中，將以SDTE-MAC 為基礎(chǔ)，研究在多LAN 網(wǎng)絡(luò)中解決上述問(wèn)題的方法。