一种快速传输的太赫兹无线个域网MAC协议

王 磊，周海东，吴佳琪，张 雄

(重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065)

0 引言

随着短距离无线通信的快速发展，在未来几年，需要数十Gbps的数据速率来满足人们对高速通信的要求。而传统的无线通信系统[1-2]都不能满足如此高的数据速率，因此，在这样的背景下开始探索太赫兹波段。但由于太赫兹波在空气中的损耗极为严重，所以比较适用于无线个域网这样的短距离通信场景[3]。

太赫兹无线个域网[4](Terahertz Wireless Personal Area Networks，THz-WPANs)是一种采用太赫兹频段作为载波，且在一个通信范围较小的网络(一般在10 m左右)进行高速通信[5-6]的无线个域网。THz-WPANs不仅具有很高的数据传输速率，而且还具备通信容量较大和抗干扰能力强的特点。太赫兹波有极大的未被分配的频段，能解决目前频谱资源[7]稀缺带来的问题，未来的后5G，6G时代将采用太赫兹进行通信[8]。

目前，关于太赫兹MAC协议的研究已经取得了一定成果。文献[9]提出了一种太赫兹网络MAC协议——PHLAME协议，此协议主要针对纳米传感网。PHLAME协议由控制交互过程和数据传输过程2个阶段组成。在控制交互过程阶段，当源节点有数据需要发送时，则会向目的节点发送一个传输请求帧，当这个传输请求帧被目的节点成功接收后，目的节点随之给源节点回应一个传输确认帧；控制交互过程完成后就进入数据传输阶段，在这个过程中，源节点和目的节点根据在控制交互过程阶段中协商好的参数(如数据传输速率、预约信道时间)来进行数据帧的交互。该协议使用低权重编码和重复编码的方式减少了数据帧发生碰撞的几率。Peng等人[10]设计了一种双信道接入方法，信道的扫描以及交互信息的收发在低频段进行，根据交互信息的参数来估计节点的位置信息，紧接着在太赫兹信道运用定向天线精准定位节点的位置信息，最后源和目的节点波束对准进行太赫兹通信。Sebastian[11]在上述模型基础上进行了改进，若数据传输阶段有数据帧在太赫兹信道发生了碰撞，则重传的数据帧在低频段进行，但是接收端如何对重传的数据帧进行重新组合还有待研究；Temel等人在此基础上提出了一种飞行自组网中的定位定向MAC(Location Oriented Directional MAC Protocol for Flying Ad Hoc Network,LOD-MAC)协议[12]，该协议由2个工作在不同频段的收发器组成，其中一台收发器工作在探测阶段，分为位置信息的估计和控制信息交互；另一台收发器主要进行数据传输，由于在探测阶段节点的位置信息估计和控制信息交互分开进行，所以造成探测阶段延时较大。文献[13]设计了一种适用于太赫兹超高速无线网络的MAC协议,提出了一种新型的超帧结构，将CTAP时段放置在CAP时段之前，这样节点能够更快获得时隙分配信息，从而降低数据传输时延,该协议通过把同一对节点的时隙请求合并在一起，增加了数据的发送量，提升了网络性能。

文献[14]对不同模型的用途进行了介绍，提出在设计太赫兹MAC协议时要考虑所对应的应用场景，并且指明IEEE 802.11ad和IEEE 802.15.3c协议都是工作在60 GHz频段，该频段与太赫兹频段较为接近，因此在设计太赫兹无线个域网MAC协议时可以参照以上2种协议。但是在通信过程中，IEEE 802.15.3c协议使用了超帧结构，节点在本超帧结构申请的时隙，只能在下一个超帧结构进行数据传输，这样会带来较大的数据传输时延。

Yao等人[15]在以上研究的基础上，提出了一种双信道可以辅助太赫兹波波束成形的MAC(Assisted Beamforming MAC Protocol for Terahertz Communication Networks，TAB-MAC)协议，通过将自身节点的位置信息放入RTS/CTS交互帧中，在低频的WiFi(工作在2.4 GHz)信道进行控制交互的过程，然后在高频的太赫兹信道使用定向天线进行测试帧、确认帧以及数据帧的传输。TAB-MAC可以很好地解决太赫兹通信距离较短的问题，但深入研究发现，存在空分复用率低和控制开销冗余的问题。本文在TAB-MAC协议的基础上提出了FTP-MAC协议。

1 网络模型

TAB-MAC协议的网络模型图如图1所示。一个网络中的节点包括锚节点AN(Anchor Node)和常规节点RN(Regular Node)。AN主要用来帮助RN获取自身节点的位置信息，而RN主要用来传输控制消息和数据消息。RN能够在2.4 GHz的WiFi信道进行全向通信，也能在太赫兹信道进行定向通信。AN通过装备GPS定位模块来获取自身节点的坐标并存入信标(Beacon)帧中，在2.4 GHz的WiFi信道上，AN周期性地广播信标帧。而RN正是依据AN传来的信标帧定位自身节点的位置信息。一个三维空间的RN至少需要4个不共线的AN来定位自身节点的坐标。当RN能估算自身节点的位置信息后，那么太赫兹定向天线的调整工作将变得容易。

图1 TAB-MAC协议网络模型

TAB-MAC协议的交互流程如图2所示。TAB-MAC协议在逻辑上具有WiFi信道RTS/CTS帧交互和太赫兹信道数据传输2个阶段的操作。在WiFi信道时，RN为避免多个节点同时发送数据而导致碰撞，故采用载波侦听碰撞避免，即CSMA/CA协议来接入信道。设源节点为A，当节点A有数据请求发送时，则会侦听信道是否空闲。若不空闲，则执行二进制指数退避的操作等待一段时间重新发送；若空闲，则使用全向天线向目的节点(设为B)发送RTS帧，节点B收到由节点A发来的RTS帧后，等待帧间间隔(SIFS)的时间后，节点B给节点A回复CTS帧。应当注意的是，无论是RTS帧还是CTS帧，里面都包含了各自节点的位置信息和天线信息。当控制消息交互的过程完成后，节点A，B都有了对方节点的坐标位置，节点A根据这些信息调整太赫兹定向天线对准节点B，而节点B也执行相同的操作对准源节点，随之进入太赫兹信道操作阶段。

在太赫兹信道，为确认定向天线是否处于波束对准状态，故节点A会发送一个测试(Test to Send，TTS)帧给目的节点，若节点B能成功接收TTS帧，则回复节点A一个确认(ACK)帧。节点A收到节点B传来的ACK帧后，即开始传输数据帧。当节点A传输完所有的数据帧后，节点B回复一个ACK帧确认。

图2 TAB-MAC协议消息交互流程

图3中，Duration为占用信道的持续时间；针对RTS帧，地址信息分为RA与TA，各占6 Byte，RA为RTS帧接收站点地址，TA为RTS帧发送站点地址。针对CTS帧，地址信息只有RA，即CTS帧的接收站点地址。针对TTS帧，地址信息包括RA和TA，其含义同RTS帧；在帧主体中，X，Y，Z即为一个节点X，Y，Z的坐标值，代表了节点的位置信息。天线信息字段包括了天线的波束宽度以及指向信息。对于TTS帧的帧主体来说，仅有一个4 Byte的无用数据字段，主要是为了测试太赫兹信道定向天线是否波束对准。

图3 交互帧的帧格式图

2 FTP-MAC协议

TAB-MAC协议主要存在的问题：当节点A，B在太赫兹信道传输数据时，此时WiFi信道处于空闲，而TAB-MAC协议为了防止发生数据碰撞，在一对节点通信过程中，不允许其他节点进行通信，因此空闲的WiFi信道只能等待太赫兹信道数据传输完成之后才能使用，这样造成了信道利用率低，也降低了整个网络的数据传输效率和网络吞吐量。

为了解决上述问题，提出了FTP-MAC协议。该协议采用并行传输的方式，在同一时刻内节点互不干扰的情况下多对节点并行传输，提高了整个网络的数据传输和网络吞吐量。

2.1 多对节点并行传输机制

2.1.1 基本思想

节点A向节点B在WiFi信道发送RTS帧，除节点B之外的节点收到RTS帧后会静默往返时间(Round Trip Time，RTT)/2时间，(RTT=接收到CTS帧的时刻-发出RTS帧的时刻)，并根据RTS帧中的位置信息屏蔽掉与节点A在太赫兹信道定向天线对准的波束方向，屏蔽时间为节点A在太赫兹信道发送数据所需时间(可根据RTS帧中的“持续时间”值获得)。

节点B在WiFi信道收到RTS帧后，向节点A回送一个CTS帧，周围的节点收到CTS帧后不再静默并屏蔽掉与节点B在定向天线对准的波束方向。

当节点A，B在太赫兹信道传输数据时，若节点C有数据需要发送给节点D，那么节点C首先发送RTS帧给节点D，当节点D收到RTS帧时，会依据位置信息计算出与节点C之间的波束方向，若发现此波束方向未被屏蔽，那么回送CTS帧。若已被屏蔽，则什么也不发送。

2.1.2 步骤

① 若一个节点收到了其他节点发送来的RTS帧，那么将发送来的RTS帧中的Duration字段的值和位置信息(X，Y，Z)的值进行提取，并且保持静默RTT/2的时间。根据提取到的位置信息，屏蔽掉与发送RTS帧的节点在太赫兹信道定向天线的波束方向，Duration字段的值即为此波束方向的屏蔽时间。

② 如果一个节点收到其他节点发来的CTS帧，则提取出CTS帧中位置信息以及Duration字段的值，根据此节点位置信息计算出与此节点在太赫兹信道定向天线对准的波束方向，然后屏蔽掉此波束方向，屏蔽时间为Duration字段的值。

③ 如果一个节点B收到节点A发来的RTS帧，则提取出RTS帧中位置信息的值，根据位置信息计算出与源RN在太赫兹信道定向天线对准的波束方向，然后判断该波束方向是否被屏蔽。如果判断为否，则向源RN发送CTS帧，并调整太赫兹信道定向天线使波束方向对准源RN，以准备接收即将到来的TTS帧；如果判断为是，则什么也不发送。

④ 如果一个节点A在发送RTS帧后的一段时间内又收到CTS帧，则提取出CTS帧中位置信息的值，根据此节点位置信息计算出与此节点在太赫兹信道定向天线对准的波束方向，然后判断该波束方向是否被屏蔽。如果判断为否，调整太赫兹信道定向天线使波束方向对准目的RN，并准备在太赫兹信道上发送TTS帧；如果判断为是，则什么也不发送。

⑤ 如果一个节点收到节点A在太赫兹信道上发来的TTS帧，则在太赫兹信道上向该节点回复一个ACK帧。

⑥ 如果一个节点在发送TTS帧后又收到节点B在太赫兹信道上发来的ACK帧，则在太赫兹信道上向该节点发送数据帧。

2.2 FTP-MAC协议性能分析

引理 FTP-MAC协议与TAB-MAC协议相比能够提升整个网络的数据传输和网络吞吐量。

证明 文献[10]中给出了节点的吞吐量模型，本文采用该文献中的吞吐量模型推出网络平均吞吐量分析模型。设N为网络中节点的个数，某个节点发送数据帧的数量用K表示，在太赫兹信道成功发送数据帧的概率为Ps，那么，总的收到的数据帧的长度应为L×K×Ps，故网络的平均吞吐量S为：

(1)

3 仿真及分析

本仿真实验采用OPNET仿真软件，模拟一个10 m×10 m面积的场景，选取LODMAC协议和TAB-MAC协议作为参考协议，在网络条件相同的情况下，验证分析它们在MAC层的信道利用率、吞吐量等性能。

3.1 参数设置

主要仿真参数如表1所示。

表1 主要仿真参数

参数默认值场景大小10 m×10 m节点数4,7,10,13,16,19缓存大小10 MB数据分组大小8 192 ByteRTS帧长度256 bitCTS帧长度208 bitTTS帧长度208 bitWiFi信息载波频率2.4 GHzTHz信道载波频率340 GHz随机种子64,128,256,512,1 024

3.2 结果分析

3.2.1 MAC层吞吐量

MAC层吞吐量如图4所示。由图4可知，网络吞吐量随着节点数的增多逐渐增大，紧接着趋于稳定(此时随着节点数的增多，协议所支持的业务量已经达到上限)，最后有下降趋势(这是由于随着节点数的增多，碰撞概率增大)，造成吞吐量下降。在MAC层吞吐量方面，FTP-MAC协议的性能优于TAB-MAC协议和LODMAC协议，主要原因在于FTP-MAC协议采用“多对节点并行传输机制”可以在多对节点互不干扰的情况下并行传输，从而能够提高MAC层吞吐量。

图4 MAC层吞吐量

3.2.2 信道利用率

信道利用率如图5所示。由图5可知，FTP-MAC协议的信道利用率高于TAB-MAC协议和LODMAC协议，主要原因在于FTP-MAC协议采用多对节点并行传输机制，可以在多对节点互不干扰的情况下同时传输数据，提高了整个网络的数据传输和信道利用率。

图5 信道利用率

4 结束语

针对现有TAB-MAC协议中为了防止数据发生碰撞，当一对节点在通信时，其余节点不允许进行通信，从而只能等待太赫兹信道数据传输完成之后才能使用，导致信道利用率较低，降低了网络整体的数据传输等问题，提出一种FTP-MAC协议，采用多对节点并行传输机制实现了在太赫兹信道互不干扰进行数据传输，提高整个网络的数据传输和网络吞吐量，降低了数据传输时延，提出的快速传输具有良好的可实现性。在未来的学术研究中，将继续对太赫兹无线个域网MAC协议进行研究，使其更快地接入信道和网络中，快速地传输数据。