高吞吐量低时延太赫兹超高速无线网络M A C接入协议

2016-09-20曹建玲崔平付刘文朋陈前斌重庆邮电大学移动通信技术重庆市重点实验室重庆400065

系统工程与电子技术 2016年3期

曹建玲，崔平付，刘文朋，任智，陈前斌（重庆邮电大学移动通信技术重庆市重点实验室，重庆400065）

曹建玲，崔平付，刘文朋，任智，陈前斌
（重庆邮电大学移动通信技术重庆市重点实验室，重庆400065）

针对现有能够应用于太赫兹超高速无线网络的能量和频谱感知的媒介接入控制（energy and spectru m-aware media access control，ES-M A C）及IE E E802.15.3c协议存在的时隙申请量未及时更新、超帧结构不合理及分配时隙时未合并同一对节点之间的时隙请求等问题，提出了一种高吞吐量低时延M A C（high throughput low delay M A C，H L M A C）协议。通过设计一种新的超帧结构，使节点及时得到时隙分配信息，大大降低数据接入时延；通过更新时隙请求量和合并同一对节点的时隙请求，增加了数据发送量，提高了网络吞吐量。理论分析表明了H L M A C协议的有效性，仿真结果显示它比ES-M A C协议增加了65.7%的网络吞吐量，同时降低了30%的接入时延。

太赫兹；无线网络；媒介接入控制协议；超帧；低时延

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0 引言

近年来随着多媒体业务的快速发展，人们对无线网络的数据传输速率要求越来越高［1］。根据Edholm定律［2］预测的无线通信系统数据传输速率曲线图［3］可以看出，到2020年左右无线通信系统的数据传输速率将接近100 Gbit/s。为了支持超高速数据传输，可以提高频谱利用率或增加网络带宽［3］。对于60 G Hz通信若要支持10 Gbps甚至几百Gbps的传输速率，就要求频谱利用率高达十几bit/s/Hz，目前难以实现。太赫兹波［4］是位于毫米波和红外光波之间的电磁波（如图1所示），其波长范围为0.03～3 m m，频率范围为0.1～10 T Hz。太赫兹频段可以提供较大的带宽和较高的传输容量，但该频段的电磁波在空气中传播时衰减较大且当空气中水分子较多时衰减尤其严重，因此其传输距离较短，主要应用于室内短距离无线通信方面，也可应用于无线数据中心［6-7］。

图1 太赫兹波在电磁波谱中位置

目前关于太赫兹超高速无线网络媒介接入控制（media access control，M A C）协议的研究非常少。P H L A M［8］协议是联合物理层信息设计的一种M A C协议。在该协议中，接收端协助发送端选择符号速率和信道编码机制，并通过协调使多个设备同时传输数据。该协议研究重点为物理层技术对M A C协议没有具体介绍。文献［9］中提出了一种基于能量和频谱感知的（energy and spectru m-aware media access control，ES-M A C）协议。该协议基于脉冲物理层技术提出了一种新的符号压缩调度算法，其利用符号间隔的可伸缩性实现多个节点间并行无干扰的数据传输。文献中提出了一种实现节点生存期和吞吐量平衡的调度算法，但其主要考虑的是如何降低能耗，这与太赫兹超高速无线网络焦点集中于提高网络吞吐量不同。

由于在载波频率和最大数据速率等指标上比较接近，现有超高速无线网络M A C协议（如IE E E802.15.3c和IE E E802.11ad）可以考虑用于太赫兹超高速无线网络［10］。

T G 3d（100G）任务组［11］对太赫兹频段的无线链路特性进行了大量研究［12 13］，而对于M A C协议还没有相关研究。为了解决该问题，本文根据ES-M A C协议和T G 3d（100G）任务组前期研究成果，提出了一种高吞吐量低时延太赫兹超高速无线网络M A C协议—H L M A C，通过优化设计了一种新的超帧结构，采用更新时隙请求量机制和合并时隙请求机制，有效地降低了数据接入时延，提升了网络吞吐量。

1 网络模型及问题描述

1.1 网络模型

太赫兹超高速无线网络［3，14］如图2所示，网络中的基本组成单元为节点（device，D E V），其中一个节点为中心控制节点［14］（piconet coordinator，P N C）。该网络的信道资源被划分为一系列的超帧，超帧由信标帧、竞争接入期（contention access period，C A P）和信道时间分配期（channel time allocation period，C T A P）3部分组成。在Beacon时期，P N C广播包含全网基本信息的信标帧；C A P时期主要用于发送命令帧，在该时期采用CS M A/C A接入方式；C TA P时期由信道时间分配（channeltime allocation，C TA）组成，主要用于设备之间传输数据，该时期采用T D M A接入方式。

图2 太赫兹超高速无线网络组成

1.2 问题描述

经研究发现，现有太赫兹无线网络ES-M A C协议［9］及能够应用于太赫兹超高速无线网络的CS M A/C A+T D M A混合接入方式存在以下问题。

（1）现有超帧结构如图3所示，该超帧结构会导致以下两个问题：①节点在第N个超帧的C A P时期发送的时隙请求只能在第N+1个超帧的Beacon中分配并广播给全网中的设备，数据在第N+1个超帧中的C T A P时期发送给目的节点，数据从申请时隙到接入信道被延迟了一个超帧长度，这引入了较大的时延，且超帧长度越长时延越大；②Becaon中分配的时隙请求量不能反应此时节点最新的时隙请求量（为上一超帧C A P时期的请求量，中间相隔一个C T A P时期），若C T A P时期有剩余而此时仍使用上一超帧的时隙请求量会降低网络吞吐量，增大数据的接入时延。

图3 现有超帧结构

（2）现有协议在C A P时期发送时隙请求帧时存在以下问题：①若发生碰撞则需退避重传，但此时可能有新数据到达，时隙请求量已发生变化，现有协议并未对其更新；②若在当前超帧C A P时期剩余时隙内无法发送该帧，则需挂起退避计数器，并在下一超帧C A P时期重启退避计数器，当退避计数器减为0时发送该帧。但此时时隙请求量已发生巨大变化，现有协议并未进行相关操作。上述两种情况会导致节点发送的时隙请求量不是最新，增大数据接入时延，降低网络吞吐量。

（3）P N C在分配时隙时，现有协议并未考虑到时隙请求列表内有多个来自同一对节点间的时隙请求的情况，若为每个时隙请求分配一个C T A则会增加C T A之间的保护时隙，从而产生时隙浪费。

2 H L M A C协议

为解决第1.2节所述3个问题，本文提出了一种新的M A C接入协议—高吞吐量低时延M A C（high throughputlow delay M A C，H L M A C）。通过设计一种新的超帧结构、更新时隙请求量和合并时隙请求等机制H L M A C协议提升了网络吞吐量，降低了数据接入时延。

2.1 H L M A C协议包含的新机制

（1）一种新的高效低时延超帧结构

为解决现有超帧结构导致的数据接入时延较大及时隙请求量非最新的问题，设计了一种新的超帧结构如图4所示。

图4 H L M A C协议超帧结构

新的超帧结构如图4（b）所示，调整了原超帧中各部分之间顺序，其包含Beacon、C TA P和C A P 3部分。在Beacon时期发送时隙分配信息及超帧各部分长度信息，接下来为C T A P时期，用来节点发送数据，最后为C A P时期，节点在该时期发送时隙请求帧。考虑到网络运行初期需要在C A P时期进行组网操作，此时C TA P时期内没有数据发送，若仍保留C TA P时期会产生资源浪费，所以在网络运行初期采用图4（a）所示超帧结构。该机制具体操作步骤如下。

步骤1 Beacon时期，P N C检查时隙请求列表，若为空，则表明此时为网络组建初期或在本超帧内节点没有数据发送，则使用如图4（a）所示超帧结构，否则使用如图4（b）所示超帧结构。P N C将超帧结构信息及信道时隙分配信息写入Beacon帧中广播给网络中各个节点，转步骤2。

步骤2 节点接收到Beacon帧，取出其中各时期长度信息及时隙分配信息。若存在C T A P时期，则节点进入C T A P时期并根据收到的时隙分配信息在相应C T A内发送数据，在C T A P时期结束后转步骤3，否则直接转步骤3。

步骤3 节点进入C A P时期，并采用CS M A/C A接入方式发送时隙请求帧申请时隙资源，该时隙请求会在本超帧C A P时期结束后，下一超帧开始的Beacon帧中立即进行分配。当C A P时期结束，进入下一超帧，转步骤1。

在该机制中，节点在第N个超帧的C A P时期发送时隙请求帧，在接下来的第N+1个超帧开始的Beacon中立即广播时隙分配信息（时隙请求和分配间隔很短），并在接下来的C T A P时期将数据发送出去，大大降低了数据接入时延。由于时隙请求和分配只间隔一个C A P时期加保护时间的长度，因此Beacon中所分配的时隙请求量是此时节点最新的时隙请求量。

（2）更新时隙请求量机制

针对C A P时期节点重传时隙请求帧未更新时隙请求量和跨超帧的时隙请求帧未更新时隙请求量的问题，提出了一种更新时隙请求量机制，具体步骤如下。

步骤1 节点进入C A P时期，首先检查是否有上一超帧C A P时期未发送的时隙请求帧，若有，则节点根据此时缓存内数据量重新计算时隙请求量，若该时隙请求量与上次保存值相同则不进行任何操作，执行退避过程，发送该帧，否则解析此帧并更新该帧内的时隙请求量，同时将该最新时隙请求量保存，进入步骤2。若没有上一超帧未发送的时隙请求帧则直接进入步骤2。

步骤2 若节点有数据发送，则准备时隙请求帧并保存其时隙请求量。使用CS M A/C A机制发送时隙请求帧，若发送成功则在收到立即确认帧后将保存的时隙请求量清零，否则保持不变。在发送时隙请求帧后若检测到发生冲突（未收到立即确认帧），则执行重传操作。在重传开始时节点根据此时缓存内数据量重新计算时隙请求量，并判断此时时隙请求量是否与保存值相同，若不同则解析该时隙请求帧，更新其中的时隙请求量为当前节点最新的请求量，同时保存最新的时隙请求量以备下次比较使用。若此帧发送成功则节点在收到立即确认帧后将保存的时隙请求量清零，否则保持原值。若时隙请求量与保存值相同则按正常退避机制执行，不进行更新操作。

（3）合并同一对节点间的时隙请求

在分配时隙时P N C为请求列表内的每一个时隙请求分配一个C TA，相邻C TA之间有保护时隙，因此C TA越多，保护时隙就越多，用于发送数据的时隙就会减少。因此提出了合并同一对节点的时隙请求，以减少C TA个数从而减少保护时隙个数，增加用于发送数据的时隙，其具体思路如下。

初始化i为1，执行如下步骤。

步骤1 若i大于P N C请求列表内时隙请求个数则结束算法，否则P N C取出时隙请求列表内的第i个时隙请求，并保存其源地址SrcIDi、目的地址DestIDi和时隙请求量Ti，令j=i+1，转步骤2。

步骤2 若j小于等于P N C时隙请求列表内时隙请求个数，则P N C取出第j个时隙请求，保存其源地址SrcIDj、目的地址DestIDj和时隙请求量Tj，并比较SrcIDi、SrcIDj及DestIDi、DestIDj是否相同，若相同，则转步骤3，否则j加1，转步骤2；若j＞P N C时隙请求列表内时隙请求个数则i加1，转步骤1。

步骤3 第i个时隙请求与第j个时隙请求属于同一对节点，更新第i个时隙请求量Ti=Ti+Tj，并将第j个时隙请求从时隙请求列表内删除，转步骤2。

2.2 H L M A C协议操作步骤

以下操作步骤从网络组建初期开始，具体如下。

步骤1 Beacon时期，P N C检查时隙请求列表，若为空，则表明此时为网络组建初期或在本超帧内节点没有数据发送，则采用图4（a）所示超帧结构，取消C T A P时期，使C A P时期增长，并将C A P开始时间写入Beacon，转步骤3；若时隙请求列表不为空则表明本超帧内有节点发送数据，采用图4（b）所示超帧结构，转步骤2。

步骤2 P N C检查时隙请求列表内所有请求，若存在同一对节点间的时隙请求，则根据合并时隙请求机制进行合并操作。操作完毕后P N C按请求列表内信息进行时隙分配，并将时隙分配信息及C A P开始时间写入Beacon帧中，以告知节点何时发送数据及何时进入C A P时期，转步骤3。

步骤3 节点收到Beacon帧，取出其中时隙分配信息和C A P开始时间。若有C T A P时期则进入C T A P时期，在相应时隙内发送数据，并在C T A P时期结束后进入C A P时期转步骤4，否则直接转步骤4。

步骤4 节点进入C A P时期，若此时为网络组建初期则发送关联请求帧进行关联操作；若此时有未发送的时隙请求帧，则按照更新时隙请求量机制对时隙请求量进行更新并重启退避计数器开始退避操作发送该帧；若没有未发送的时隙请求帧，则检查缓存内是否有未发送的数据，若有则准备时隙请求帧，使用CS M A/C A机制发送该帧，转步骤5。

步骤5 在C A P时期，若节点在发送时隙请求帧时发生冲突，则按照更新时隙请求量机制进行更新。只要在发送时隙请求帧时产生冲突需重传，均进行此操作。若C A P结束而此时时隙请求帧未发送，则将退避计数器挂起；转步骤1进入下一超帧。

3 H L M A C协议理论分析

关于H L M A C协议的性能，有如下引理，并通过数学证明进行论证。

性质1 与IE E E802.15.3c相比，H L M A C协议能够降低数据接入时延。

证明假设两种协议的网络业务模型及节点行为均相同。考虑数据从申请到发送期间接入时延计算公式为Ta=Ts-Tr，即数据发送时间Ts与接收时间Tr之差。两种协议均在Beacon时期和C T A P时期接收数据，因此数据接收时间可认为相同，则接入时延可以表示为如图5所示。

图5 接入时延对比图

对于IE E E802.15.3c中的超帧结构如图5（a）所示，由于节点只能在第N个超帧的C A P时期申请时隙，并在第N+1个超帧的Beacon帧中将其时隙请求进行分配并广播给节点，数据在第N+1个超帧的C T A P时期发送出去，因此其接入时延约为

对于H L M A C协议超帧结构的接入时延如图5（b）所示。在该超帧结构中，D E V在第N个超帧的C A P时期请求时隙，在第N+1个超帧的Beacon中将时隙分配信息广播出去，并在接下来的C T A P时期发送数据，但由于C A P时期与Beacon时期相邻，因此其接入时延为

在相同网络场景下由于IE E E802.15.3c、H L M A C协议各个时期长度均相同，则由式（1）和式（2）知TAI＞TA H，因此H L M A C协议能够大大降低接入时延。证毕

性质2 与802.15.3c协议相比，H L M A C协议能够增加网络吞吐量。

证明假设两种协议中的时隙分配模型均相同考察网络吞吐量性能。在参考文献［15］中作者提出了一种混合接入协议的网络吞吐量分析模型。设H L M A C及IE E E802.15.3c协议的吞吐量分别为SH，SI，则可得SI和SH分别如式（3）和式（4）所示。其中，M为网络中节点数量，NC T Ai和N′C T Ai为超帧内C T A个数，μ和μ′为C T A内传输的帧个数，其与时隙请求量有关，B为帧负载大小，Lsf为超帧长度。

在网络场景和超帧长度相同的条件下，两种协议中的节点数量和帧负载均相同。由于H L M A C协议采用更新C A P时期的时隙请求量机制，使C T A内发送的帧个数增加，因此有μ′＞μ，则可得出SH＞SI。证毕

性质3 H L M A C协议中有效时隙量≥IEEE802.15.3c中有效时隙量。

证明有效时隙量定义为C T A P时期可用于发送数据的时隙长度，即为C T A P时期内所有C T A时隙之和，两种协议中的有效时隙量概念定义相同。设H L M A C协议及IE E E802.15.3c协议中，P N C收到的时隙请求个数分别为RH和RI。两种协议的网络场景（业务量相同）、超帧长度及各个时期长度均相同，则应有RH=RI，TI_C T A P= TH_C T A P，即两种协议中PNC收到的时隙请求个数相同，C T A P长度相同。P N C在分配时隙时为时隙请求列表内的每个请求分配一个C T A，则时隙请求个数即为所分配的C T A个数，则有效时隙量计算如式（5）所示。

H L M A C协议中，P N C在进行时隙分配前对时隙请求列表进行了重新整理，合并了来自同一对节点之间的时隙请求，则有RH＜=RI，则根据式（5）有TIa＜=TH a。证毕

由于有效时隙量越大，节点发送的数据就越多，吞吐量也就越高，由此也可证H L M A C协议网络吞吐量高于IE E E 802.15.3c。

4 仿真及结果分析

选取ES-M A C协议、IE E E802.15.3c协议作为比较对象，通过改变网络中节点数量比较3种协议的网络吞吐量、数据接入时延等性能。

4.1 仿真设置

使用O P N E T14.5仿真工具对3种协议进行仿真实现。根据节点数量不同设置6个不同场景，在每个场景中分别运行3种协议，每组实验又分别使用不同的随机种子进行仿真，并取其平均值作为最终结果。节点业务模型采用泊松分布，主要仿真参数的设置如表1所示。

表1 仿真参数设置

4.2 仿真结果分析

（1）网络吞吐量

改变网络中节点数量分别运行3种协议得到了如图6所示的节点数量与网络吞吐量关系图。由图可知：随着网络中节点数量增加，3种协议的网络吞吐量逐渐增加最后趋于平稳，而H L M A C协议吞吐量高于IE E E802.15.3c和ES-M A C协议，这是由于H L M A C协议采用更新时隙请求量机制，增加了节点的时隙请求量使其能够在C T A P时期发送更多数据；合并时隙请求机制能够减少C T A之间保护时隙个数，从而增加有效时隙以发送数据。

图6 网络吞吐量对比

（2）数据接入时延

图7为仿真得到的节点数量与数据接入时延关系图。由图可知：随着网络中节点数量增加，网络负载逐渐增大，数据接入时延也逐渐上升，但H L M A C协议的接入时延比其他两个协议均低，其主要原因是：①在新的超帧结构中，数据的时隙申请和发送时间差值大大减小，数据在缓冲区内的等待时间减少，从而降低了数据接入时延；②更新时隙请求量机制能够使更多数据在本超帧内及时发送给目的节点而不必推迟到下一超帧中发送，同样能够大大减小接入时延；③合并时隙请求机制，能够增加CTAP时期的可用时隙，使更多数据在本超帧内发送给目的节点，减小了数据接入信道的时间。

图7 数据接入时延对比

（3）缓存包数

仿真中设置3种协议的缓冲区大小为10 M B，得到节点数量对缓存包数影响的结果图，如图8所示。随着网络中节点数量增多，网络负载加重，3种协议的缓存包数逐渐增多，最终趋于相同并稳定在一定数值内。由图知H L M A C协议的缓存包数始终低于其余两种协议，这是由于：①更新时隙请求量机制能够及时将数据发送给目的节点，从而降低了缓存中的数据量；②合并时隙请求机制能够减少C T A之间保护时隙，增加C T A P时期用于发送数据的时隙量，从而使更多数据及时发送出去，降低了缓存中数据量。

图8 缓存包数对比

（4）数据接入成功率

设置3种协议的缓存大小为10 M B，得到如图9所示节点数量与接入成功率关系图。由图知，随着节点数量增加，3种协议的数据接入成功率逐渐下降，但H L M A C协议的接入成功率高于其余两种协议的接入成功率。这是由于：①更新时隙请求量机制能够将数据及时发送给目的节点，降低了缓存内的数据量，从而减少了缓存中数据的溢出增加了数据接入成功率；②合并时隙请求机制，减少了C TA之间保护时隙，增加了数据发送量从而减少了缓存内数据量，降低了缓存内数据的溢出从而提高了数据接入成功率。

图9 数据接入成功率对比

5 结束语

针对现有能够应用于太赫兹超高速无线网络的ES-M A C 及IEEE802.15.3c协议存在的问题，提出了一种新的M A C协议—H L M A C。H L M A C协议设计了一种新的超帧结构，更新了时隙请求量同时合并了同一对节点间时隙请求。理论分析和仿真结果表明了H L M A C协议降低了数据接入时延，提升了网络吞吐量。在未来工作中，我们将研究一种适用于太赫兹无线网络中的自适应帧聚合机制以降低太赫兹频段的衰减对数据传输效率的影响。

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High throughput low-delay M A C protocol for Terahertz ultra-high data-rate wireless networks

C A O Jian-ling，C UI Ping-fu，LIU W en-peng，R E N Zhi，C H E N Qian-bin
（Chongqing Key Lab of M obile Com m unications Technology，Chongqing University of Post and Com m unications，Chongqing 400065，China）

To resolve the problems that not updating the time slots nu m ber in real time，unreasonable superframe structure and not merging the same pairs of nodes’channel time request in the existing media access control（M A C）protocol such as energy and spectru m-aware M A C（ES-M A C）protocol and IE E E802.15.3c w hich can be applied in Terahertz ultra-high data-rate wireless networks，a high throughput low-delay M A C protocol for Terahertz ultra-high data rate wireless networks called H L M A C is proposed.By designing a new superframe structure，nodes can get channeltime allocation information im mediately w hich can reduce access delay greatly.The network throughput can be im proved by updating the time slots nu m ber and merging the same pairs of nodes’channeltime request w hich willincrease the nu m ber of data sent by nodes.Theoretical analysis verifies the effectiveness of H L M A C and sim ulation results show that co m paring with the ES-M A C，H L M A C im proves network throughput by 65.7%and decreases the access delay by 30%.

Terahertz；wireless networks；media access control（M A C）protocol；superframe；low-delay

T P 393.04

10.3969/j.issn.1001-506 X.2016.03.31

1001-506 X（2016）03-0679-06

2015-04-03；

2015-09-01；网络优先出版日期：2015-09-16。

网络优先出版地址：http：//w w w.cnki.net/kcms/detail/11.2422.T N.20150916.1551.006.html

国家自然科学基金（60972068）；教育部长江学者和创新团队发展计划（IR T1299）；重庆市科委重点实验室专项经费（D2011-24）；重庆市自然科学基金（cstc2012jjA40051）；重庆市教委科研项目（KJ120510）资助课题

曹建玲（1974-），女，副教授，硕士，主要研究方向为无线传感器网络路由算法、太赫兹无线网络M A C协议。

E-mail：caojl@cqupt.edu.cn

崔平付（1989-），男，硕士研究生，主要研究方向为基于博弈的移动传感器网络路由算法研究、太赫兹无线网络M A C协议。

E-mail：455414313@qq.com