一种高效的太赫兹无线个域网定向MAC协议

任 智，吕昱辉，田洁丽，邹明芮，徐兆坤

1(重庆邮电大学 移动通信技术重庆市重点实验室，重庆 400065) 2(中国工程物理研究院 激光聚变研究中心，成都 610000) E-mail：lvyuhui_cqupt@126.com

1 引 言

无线个域网是一种自组织网络，在该网络中的任意两个节点均可以直接进行通信.该网络满足了室内短距无线通信的需求.然而传统的无线个域网所支持的带宽在100MHz左右.根据香浓公式，在接收端信噪比一定的情况下，无线链路所支持的最大数据速率与带宽成正比.随着人们对数据速率的需求越来越高，提高信号所使用的带宽成为一种最直接的方式.利用太赫兹频段[1]进行通信成为一种潜在的解决方式，太赫兹无线个域网利用该频段所拥有的巨大可用带宽提供超高数据速率(≥10Gbps).

现有的关于太赫兹无线个域网的研究[2-4]大多是考虑全向传输的.而实际上，在允许的功率范围内太赫兹的全向传输范围小于1m[5].而传统无线个域网的通信范围在10m左右.太赫兹频段的路径损耗较高[6]，利用太赫兹频段的通信必须使用定向天线[7]才能进行数据传输.因此，波束成形训练过程是必须考虑的.文献[8]对太赫兹频段通信的场景做了简要介绍，其中包含数据中心场景.在该场景中，节点间的通信链路不仅包括直视径而且包含通过反射物的非直视径.文献[9]提出通过带外信令的方式来解决太赫兹频段波束成形耗时长的问题.但是，由于在数据中心场景下的数据链路不仅包含直视径而且包含非直视径，而该思路只适用于直视径的波束成形.因此，对于数据中心场景下的太赫兹无线个域网通信需参考IEEE 802.15.3c(以下简称3c)标准[10]与IEEE802.11ad(以下简称ad)标准[11]的定向超帧结构.

文献[12]介绍了波束成形训练的具体过程，波束成形的目的是在定向传输的前提下实现收发双方波束主瓣对准对方.主要通过空间扫描的方式实现.假设节点接收与发送均采用同一套天线系统，则网络中节点的发送、接收方向个数均为a.首先节点A向a个方向发送训练帧，在每个方向上重复发送a次.而节点B在每个方向循环接收训练帧.A在一个方向发送的时间等于B循环接收一周的时间.然后，节点B在最佳波束方向向A发送训练帧，同样重复a次.而节点A在每个方向上循环接收训练帧.最后节点A在最佳波束方向向B发送确认帧.至此，节点之间的波束成形训练完成.

3c定向超帧结构中的信道资源根据时间被划分为一个个超帧，该超帧由三部分构成：Beacon、CAP(Contention Access Period)及CTAP(Channel Time Allocation Period)，CAP由多个Association S-CAP、多个Regular S-CAP和一个Regular CAP组成，CTAP由多个CTA(Channel Time Allocation)组成.而ad定向超帧结构中的信道资源根据时间被划分为一个个信标间隔，通常每个信标间隔由四部分构成：BTI(Beacon Transmission Interval)、A-BFT(Association Beamforming Training)、ATI(Announcement Transmission Interval)和DTI(Data Transfer Interval).而一个DTI又由多个CBAP(Contention-Based Access Period)和多个SP(Service Period)组成.

在3c和ad中，若节点A、B之前没有进行过波束成形训练且A有数据需要发送给B，则A向PNC申请两个CTA/SP时隙，前一个CTA/SP时隙用于A、B之间的波束成形训练(其他节点处于空闲状态)，后一个CTA/SP时隙用于A、B之间的数据传输.这种波束成形训练方式开销较大，效率较低.

针对上述问题，Akhtar等人提出了一种针对802.11ad无线局域网的高效网络级波束成形训练机制(ENLBT-MAC)[13]，该机制主要是通过其他节点在波束成形训练时隙扫描监听的方式减小了波束成形开销.

太赫兹通信的载波频率远高于60GHz，且传播时的路径衰减远大于60GHz，收发端必须同时高度定向才能通信.将3c与ad的定向超帧结构直接引入数据中心场景下的太赫兹无线个域网中会导致较大的时延.因此有必要为该网络设计一种全新的超帧结构，缩短节点间波束成形训练所需的时间，节省不必要的波束成形训练开销.针对此问题，本文提出了一种高效的太赫兹无线个域网定向MAC协议，并进行仿真验证.

2 网络模型与问题描述

2.1 网络模型

本文所讨论的超帧结构如图1、图2，网络中所有设备均在组网超帧结构入网，然后进入数据传输调度超帧结构进行定向数据传输.

图1 组网超帧结构Fig.1 Network superframe structure

组网阶段的主要功能是节点入网和节点间的波束成形训练.该阶段分为4个时段：Beacon时段用于PNC发送定向信标消息，Association S-CAP子时段用于节点发送关联入网消息、PNC发送关联回复消息，Beamforming CTAP时段用于全网波束成形训练.数据传输阶段的主要功能是数据传输.该阶段分为三个时段：Beacon时段用于PNC发送定向信标消息，Regular S-CAP子时段用于节点发送CTA时隙申请消息，CTAP时段用于数据传输.

2.2 问题描述

a)在基于3c/ad的太赫兹无线个域网定向MAC协议中，节点间的波束成形训练在CTAP/DTI时段中特定CTA/SP时隙完成.且在该时隙发送波束成形帧的设备有且只有两个.该机制导致节点间波束成形训练开销过大.该问题会导致节点的入网时延增大，数据帧传输成功率变小，同时也增加了控制开销.

图2 数据传输调度超帧结构Fig.2 Data transmission scheduling superframe structure

b)在基于3c和ad太赫兹无线个域网定向MAC协议中，定向超帧的Beacon时段均被划分成了若干个子时段，在每个子时段中心节点需要向特定扇区发送定向Beacon帧.此时位于中心节点其他扇区的已入网节点之间不能存在任何通信.节点间的数据传输必须在CTAP/SP时段进行.这种做法不仅降低了网络的吞吐量、而且增加了数据的端到端时延.

3 ED-MAC协议

3.1 全网波束成形训练机制

该机制的主要思想是：各DEV按照入网顺序从后往前依次扫描发送波束训练帧，其他DEV扫描接收.当第一个入网的DEV扫描发送完毕时，所有节点进入数据传输调度超帧.具体方案如下：

在组网阶段的Beamforming CTAP时段开始前，节点已经全部入网.并且PNC按照入网顺序依次给节点分配了DEVID.其他节点旋转波束方向并尝试接收特定节点发送的精简波束成形训练帧(帧格式如图3)，收到训练帧后首先提取帧中包含的DEVID与sequence_number.其次将DEVID、本节点当前扇区ID和收到信号的SNR/SINR存入定向天线映射表中.然后根据提取出来的DEVID与PNC分配给本机的比较，如果满足式1，则节点根据提取出来的sequence_number值设置偏移计时器 (见表达式2、3).如果 没溢出，继续旋转波束方向接收，并根据收到信号的SNR/SINR更新.如果 溢出，旋转波束方向发送波束成形训练帧.如果从训练帧提取出来的DEVID为1，则设置 且当该计时器溢出时，节点进入数据传输阶段.

图3 精简波束成形训练帧帧格式Fig.3 Simplified beamforming training frame structure

DEVID-DEVIDs==1

(1)

(2)

tb=(Lb/tx_data_rate+PROPAGATION_DELAY+SIFS)

(3)

其中S1为节点的波束方向数，tb表示节点从发送一个训练帧到发送下一个训练帧所需要的时间.

该机制安排网络中节点按照入网顺序依次旋转发送波束成形训练帧、其他节点旋转接收的方式减少了波束成形训练的第二、三个步骤，同时也避免了以链路为单位而导致的重复训练，极大地减少了波束成形训练开销.

3.2 机会性复用定向Beacon子时段

“机会性复用”的主要思想是：利用收发节点扇区对准的机会、在PNC发送Beacon消息的子时段里同时发送数据帧.具体方案如下：

图4 机会性复用定向Beacon子时段示意图Fig.4 Schematic diagram of the opportunistic reuse of directional Beacon sub-period

在数据传输阶段，节点首先需要判断本扇区是否可以复用.判断方式是节点在S-CAP时段将波束方向对准PNC.如果一个节点A监听到另一个节点S发送给PNC的时隙请求帧，则A确定自己可以复用PNC发送Beacon消息子时段，然后A计算出当前时刻距Beacon时段结束时刻的偏移时间T，并根据该偏移时间和S-CAP长度L算出节点S所在的扇区顺序号，将该参数作为自己(节点A)在Beacon子时段的复用顺序号.复用顺序号Seq的计算公式如下：

Seq=⎣T/L」+1，⎣」代表向下取整函数

(4)

在接下来的超帧中，节点在PNC发送的时隙请求帧中捎带复用标志(利用保留位).PNC收到时隙请求帧后，首先判断下一超帧CTAP时段是否存在空闲时隙.如果否，则进一步判断复用标志是否为“一”.如果是，再判断目标列表是否存在与申请节点同扇区且距离PNC更远的节点(根据收到关联请求帧的信号强度判断)并将该DEVID填进时隙请求回复帧的“Reason code”域.最后再判断申请需要传输的帧长是否不大于Beacon帧的帧长.如果是，则回复一个可复用标志置“一”(保留位)的时隙请求回复帧.DEV收到后提取可复用标志.如果是一，则提取“Reason code”域作为目的节点并在下一超帧对应的Beacon子时段向该节点发送一个数据帧.该机制能够有效提高网络吞吐量、降低数据在MAC层的等待时延.

4 性能分析

引理1.与ENLBT-MAC协议相对比，全网波束成形训练机制的控制开销较小.

证明：假设网络中每个节点都需要与其他m-1个节点(不包括PNC)进行通信，则ENLBT-MAC协议需要发送的控制开销总数 的表达式为：

(5)

其中224为一个波束成形训练帧的帧长.而在新机制中，整个网络节点间波束成形训练需要发送的训练帧总数C2与网络中节点数m正相关，其表达式为：

(6)

(7)

由上式可知，当且仅当m>1时，C1>C2，得证.

引理2.ED-MAC协议的网络吞吐量不低于3c和ad.

证明：在3c和ad中，节点间发送数据均在CTAP/SP时段进行传输.假设一个超帧的时间为Duration，CTAP/SP占比为Ratio，数据传输速率为data_rate.为简化计算，假设CTAP/SP时段没有时隙浪费.则3c和ad协议一个超帧发送的数据总量Amountone-superframe的计算公式为：

Amountone-superframe=Duration×Ratio×data_rate

(8)

1s所包含的超帧个数Quantity的计算公式为：

(9)

网络吞吐量Throughtput3c/ad的计算公式为：

Throughtput3c/ad=Amountone-superframe×Quantity

(10)

而ED-MAC的吞吐量有两部分构成：①节点在CTAP时段发送的数据；②节点在Beacon时段发送的数据AmountBeacon.

ThroughtputHED-MAC=Throughtput3c/ad+AmountBeacon

(11)

AmountBeacon≥0

(12)

则ThroughtputHED-MAC≥Throughtput3c/ad，得证.

5 仿真验证

该实验通过OPNET仿真工具对ED-MAC协议、IEEE 802.15.3c协议、IEEE 802.11ad协议和ENLBT-MAC协议进行了仿真验证，仿真中每个节点的业务量相同.主要考察改变节点个数对各性能指标的影响.仿真参数设置如表1所示.

表1 仿真参数设置Table 1 Simulation parameter setting

仿真结果分析：

1)MAC层吞吐量.MAC层吞吐量是指单位时间内MAC层成功接收到的比特数.图5表明ED-MAC拥有更高的吞吐量，这是由于全网波束成形训练机制减小了网络初期对CTAP的占用，使得用于发送数据的CTA时隙增加.同时机会性复用定向Beacon子时段机制使得一个超帧发送的数据量增多，从而增加了MAC层吞吐量.

2)数据平均时延.数据时延是指源节点产生数据包到目的节点接收数据包之间的时间.而数据平均时延是对所有数据包的时延取平均.从图6中可以看出：相较于IEEE 802.15.3c协议、IEEE 802.11ad协议和ENLBT-MAC协议，ED-MAC协议在业务量饱和情况下的数据平均时延减小了约6.67%.这是由于机会性复用定向Beacon子时段机制将原本在CTAP时段发送的数据提前至定向Beacon子时段进行发送，减小了对应数据包的数据时延，从而降低了整体的数据平均时延.

图5 MAC层吞吐量Fig.5 MAC layer throughput图6 数据帧平均时延Fig.6 Average data frame delay

3)波束成形训练开销.波束成形训练开销是指在网络运行过程中，所有节点发送波束成形训练帧的比特数之和.从图7可以看出ED-MAC协议波束成形训练开销最低，主要是因为全网波束成形训练机制减少了节点间波束成形训练所需的比特数，以更小的开销达到了与对比协议相同的波束成形训练效果.

图7 波束成形训练开销Fig.7 Beamforming training cost图8 数据帧传输成功率Fig.8 Data frame transmission success rate

4)数据帧传输成功率.数据帧传输成功率是指网络中所有节点成功接收到数据帧的个数比上所有节点发送的数据帧的个数.图8表明ED-MAC在网络满负载的情况下拥有更高的成功率，这是由于全网波束成形训练机制减小了网络初期对CTAP的占用，使得用于发送数据的CTA时隙增加.同时机会性复用定向Beacon子时段机制使得一个超帧发送的数据量增多，从而增加了数据帧传输成功率.

6 结 语

本文针对现有的无线个域网MAC协议波束成形训练开销过大和满负荷数据时延过大的情况，提出了一种高效的太赫兹无线个域网定向MAC协议，通过全网波束成形训练机制、机会性复用定向Beacon子时段机制，降低了节点间波束成形训练开销、减少了数据平均时延，提高了数据帧传输成功率、MAC层吞吐量.我们未来将在定向并行传输方面继续研究.