太赫兹超高速无线网络路由协议研究综述

［赵亚楠 曹红伟］

太赫兹超高速无线网络路由协议研究综述

［赵亚楠 曹红伟］

太赫兹波是一种位于毫米波和红外光波之间的电磁波；有较宽的未被分配的频带且可支持Gbps以上的无线数据传输速率；因此近年来太赫兹通信技术成为各国研究的热点。首先简介了太赫兹超高速无线网络；然后叙述太赫兹超高速无线网络的拓扑结构；接着着重描述了现有的太赫兹超高速无线网络路由协议，并对协议进行分析介绍。

太赫兹波 太赫兹超高速无线网络 路由协议

赵亚楠

重庆邮电大学移动通信技术省部级重点实验室，硕士研究生，主要研究方向：通信网络技术。

曹红伟

重庆邮电大学移动通信技术省部级重点实验室，硕士研究生，主要研究方向：通信网络技术。

1　引言

随着科学技术的迅猛发展，短距离通信的带宽需求呈几何级数增长，目前现有的通信系统如蓝牙（Bluetooth）、局域网（LANs）等，都不能满足高数据传输速率的需要。

太赫兹超高速无线网络是一种新型的无线通信网络，其工作在太赫兹频段，并且可支持10Gbit/s以上的数据传输速率［1，3］。在工业、农业、军事、环境监测及医疗等众多邻域具有广阔的应用前景和较高的应用价值。它被认为是21世纪最重要的技术之一。

近年来，太赫兹超高速无线网络技术得到越来越广泛的研究。太赫兹超高速无线网络的路由协议逐渐成为研究的重点和热点问题。

2　太赫兹波介绍

2.1太赫兹波

太赫兹（terahertz， THz）波［4］是一种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0.03～3mm，频率范围则为0.1～10THz。太赫兹波正好处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，它是人类一个尚未完全认知利用的频段。

太赫兹频段具有较大的带宽和较高的传输容量，但是太赫兹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。太赫兹波的衰减特性决定了其在短距离超高速无线通信方面有巨大的应用潜力，尤其是室内短距离无线通信方面。

2.2太赫兹波特性

太赫兹波具有优于其他波普独特的特点，主要表现在。

图1　太赫兹波在电磁波谱中的位置

（1）THz单个脉冲的频带可以覆盖GHz至THz的频率范围，能获得物质更丰富的光谱数据；

（2）可支持Gbit/s以上的无线传输速率，太赫兹波的频段在0.1～10THz之间，可提供较大的传输容量［5］。

（3）THz波的光子能量较低，非常适用于针对人体或其他生物样品的活体检查。另外，水对太赫兹辐射有极强的吸收，所以该辐射对人体是很安全的。

（4）更好的保密性和抗干扰能力［6］。

（5）太赫兹具有良好的穿透性，因此可以在大风沙尘以及浓烟等恶劣的环境下进行正常通信工作［7］。

（6）太赫兹波波长相对更短，天线的尺寸可以做的更小，其他的系统结构也可以做的更加简单、经济。

（7）太赫兹波在空气中传播时会有较大的衰减［8］，而且当空气中水分子较多（时衰减尤其严重；因此，太赫兹超高速无线网络的传输距离较小。

2.3太赫兹波的应用领域

首先，在通信传输方面太赫兹波通信技术对于无线通信网络的支持更加具有优势，更适合于短距离通信和有良好传输介质特性的空间传输。可以为固网和移动网提供高服务质量（QoS）宽带多媒体10Gbit/s左右的无线业务，满足人们日益增长的生活需求。

第二，太赫兹电磁波是很好的宽带信息载体［9，10］，THz电磁波比微波能做到的信道数多得多，特别适合于卫星间及局域网的宽带移动通讯。

第三，太赫兹电磁波的光子能量比可见光的光子能量小得多，因而利用太赫兹电磁波做信息载体比用可见光或近中红外光的能量效率要高得多。

第四，太赫兹技术可广泛应用于雷达、遥感、国土安全与反恐、高保密的数据通信与传输、大气与环境监测、实时生物信息提取以及医学诊断等领域［11］。

由此可见，我国开展THz通信研究对于抢占带宽资源，拓展无线通信带宽等具有非常重要的战略意义。

3　IEEE 802.15.3协议

3.1网络结构

目前关于太赫兹无线网络的路由协议研究还比较少，而太赫兹无线通信网络是未来通信的一个重要实现场景。

图2为IEEE 802.15.3标准的定义的网络拓扑图［12］，即一个微微网由一些相互之间可以进行通信的节点组成，每一个节点称为DEV。其中一个节点做为该微微网的PNC（piconet coordinator，微微网协调者），PNC通过广播信标帧（beacon）为该微微网提供基本的定时机制。同时，PNC管理微微网的服务质量（QoS）要求、省电模式和信道接入控制。网络中任意两个节点之间均可进行双向数据传输［13］，节点通信范围约为10米，且可处于静态或动态，可支持10Gbit/s以上的数据传输速率。

图2　IEEE 802.15.3c标准的网络拓扑图

整个网络由一个具备PNC能力的节点发起，周期性地广播信标帧，收到该帧的节点从中提取网络信息，并根据这些信息节点在规定的时间内执行恰当的操作，如发出网络关联请求或时隙请求、收发数据、保持静默等。PNC节点并不是固定不变的，可以通过执行PNC功能移交或退出网络操作进行更改。

3.2IEEE 802.15.3协议超帧结构

太赫兹无线个域网将信道时间资源划分为一系列等长超帧（Superframe），PNC可以对超帧长度进行改变。每个超帧又分为信标帧时段（Beacon，BP）、竞争接入时段（Contention Access Period，CAP）和信道时间分配时段（Channel Time Allocation Period，CTAP），如图3所示。

图3　太赫兹无线个域网超帧结构

Beacon时段是每个超帧的起始时段，主要用来发送Beacon帧。PNC通过Beacon帧实现对整个网络信道接入过程的管理。Beacon帧传输结束后，经过一个保护时隙进入CAP时段。CAP时段主要用于新节点关联进网络、已关联节点发送信道时隙请求以及其他一些命令帧交互，采用CSMA/CA （Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）机制接入信道。CTAP由一系列CTA （Channel Time Allocation）组成，采用TDMA（Time Division Multiple Access）机制接入信道。CTA主要用于节点之间数据传输，各CTA之间具有保护时隙。

4　太赫兹无线网络路由协议

现有的太赫兹无线网络路由协议，根据网络节点的通信范围，可以分为无线网络的网内通信和无线网络网间通信。

4.1网内通信

文献［14］提出了一种网内多跳路由协议，使用集群的分层体系，并通过多跳传输节省网络节点的能量，优化调节网络的吞吐量和跳距离。

文献［15］［16］中，首先为PNC设计了一个多跳选择度量，为节点通信选择合适的中继节点，旨在提高网络的吞吐量，并均衡网络中的流量负载。然后提出一种MHCT（Multi-Hop Concurrent Transmission）机制，如图4所示。利用无线个域网中的空间容量，显著的提高了网络的吞吐量。

文献［16］是对文献［15］中MHCT算法的改进协议。通过分析并发传输概率和时分复用概率，发现该MHCT方案能够提高网络中的时隙利用率。

文献［17］为毫米波无线个域网提出一种提高有效吞吐量的偏转路由机制。由于DF （Decode-and-Forward）机制具有需要额外的时间、减小有效吞吐量和速率低等缺点，提出新的路由协议—BFDR/RFDR （Best Fit Deflection Routing/Random Fit Deflection Routing）。如图5所示，在该协议中，对于距离相对较远的节点，采用中继节点进行转发，为了不减小有效吞吐量，要求第二跳时不再需要PNC节点重新分配时隙，而使用已经占用的时隙，以防止有效吞吐量减小。

图4　无线个域网内的并行传输

4.2网间通信

文献［18］提出了一个高效的信道时间分配机制，该机制可以应用在在IEEE 802.15.3标准支持的高速率WPAN Mesh网络的多跳通信。所提出的CTA分配机制允许PNC为DEV和子微微网分配足够的CTA，并且同时考虑到这些DEVs之间的公平性。在该机制中，考虑到超帧长度的动态性，子网的PNCs比DEV授予更大的CTA分配比。此外，它确保在随后的超帧配置的同步流中授予的CTA之间最小化时延。

文献［19］中，提出了一种自适应信道时间分配的方案，包括公共CTAs和常规CTAs，自适应地管理网间无干扰通信。在移动环境中，公共CTAs和常规CTAs也可以根据链路状态自适应地进行分配，从而减少了干扰，并提高了信道时间的利用率。相比较与P/C和P/N网络，新提出方案能够达到更大的吞吐量，并有较高的链路成功率。

无线个域网络的通信范围非常有限，在文献［20］中，通过跨越多个相互连接的无线个域网的多跳通信，来拓展网络的通信范围；而微微网之间的多跳通信，需要通过桥节点实现；与此同时，桥节点成为这些网络的瓶颈。因此，涉及到桥节点的未优化的资源配置机制可能会严重降低网络的性能。因此，文献［20］提出了一种新的资源分配机制和基于QoS认知的跨层设计：资源分配与路由发现过程相结合，可以减轻网间预留资源的碰撞。

文献［21］着重介绍了IEEE 802.15.3标准下的太赫兹无线个域网络，以及mesh结构下的网络扩展，无干扰的网间资源分配机制，以及资源合作下的寻路过程机制，和beacon队列的自适应CTA进程机制。

来的5G蜂窝网络中，毫米波通信是一种前沿技术，可以为移动设备提供非常高的数据速率。在定向毫米波网络中，采用D2D通信技术显著地提高带宽利用率，增加网络的容量。在文献［22］中，详细讨论了毫米波通信的传播特征，以及5G蜂窝网络的相关影响。为5G蜂窝网络引入新的系统结构—毫米波+4G，并提出了一种允许非干扰D2D链接同时运行的有效资源共享方案。

60GHz毫米波无线个域网络中，严格QoS要求的多媒体流应用需要高速率和低延迟的数据传输，以降低服务中断。在文献［23］中将稳健的继电器置入60GHz的无线个域网中。并且制定了稳健的最低中继安置问题和稳健的最大效用中继安置的方案，其目的是最大限度地减少部署中继的数量，最大限度地提高网络的利用率。

图5　转发路由的时隙安排

5　结束语

随着技术不断突破，太赫兹无线通信对大众也不再是遥不可及，而太赫兹无线个域网作为近距离无线通信的重要场景，必将发挥巨大的应用潜力。

本文介绍了太赫兹波特性和太赫兹应用领域；其次，对超高速无线个域网的网络结构和超帧结构进行了介绍；最后对现有的太赫兹无线网络路由协议做出介绍。

在太赫兹超高速无线网络中，基于其能够实现Gbps以上的数据传输速率，满足人们对太赫兹无线网络日益增长的需求，尽量提高网络的吞吐量是人们非常关心的问题。因此，对太赫兹超高速无线网络路由协议提出研究能很大程度上推动对太赫兹超高速无线网络的深入研究。

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（2016-05-30）