太赫兹网络中基于中继的高效双信道MAC协议

姚玉坤，赵子军，李其超，王 磊

（重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065）

0 引 言

随着人们对高带宽的连接需求越来越大，即使是5G通信也无法满足未来十年数据流量的飞速增长［1］，在此前提下人们开始探索太赫兹（Terahertz，THz）波段。频率为0.1～10.0THz的THz波波长范围在红外光波和毫米波之间［2－3］。THz波可以支撑数十Gbit／s的数据速率，具有很大的应用潜力。随着THz通信技术不断提高，人们把重点放在了底层的介质访问控制（Media Access Control，MAC）协议［4－8］。

IEEE802.15.3c［9］协议在波束对准过程中会产生大量的控制开销，在设计THz MAC协议时，一种技术方案便是利用双信道来进行波束对准。Peng等人提出一种双信道接入方法，在较低频段的信道进行控制消息交互，在THz信道使用定向天线进行精细扫描并传输数据［10］；Temel等人也提出了一种双信道的定向MAC协议，但由于控制消息交互过程与位置信息估计过程分开进行，导致在探测阶段的时延过大［11］。

Yao等人在上述研究基础上提出一种辅助波束成型 MAC协议（Assisted Beamforming MAC Protocol for Terahertz Communication Networks，TAB－MAC），其基本思想是在2.4GHz的 WiFi信道用全向天线进行控制帧交互，在THz信道用定向天线进行数据帧传输［12］。TAB－MAC在一定程度上解决了THz波传输距离受限的问题，使得通信双方定向天线的波束对准变得较为快速，但其仍存在消息传输成功率低以及冗余控制开销问题，本文针对这些问题，提出了一种THz无线网络中基于中继的高效双信道 MAC 协议 （High Efficient Dual－Channel MAC Protocol Based on Relay，HEBRMAC）。

1 网络模型与问题描述

1.1 网络模型

TAB－MAC是一种在THz无线个域网中运行的双信道MAC协议，其网络拓扑如图1所示。

图1 TAB－MAC网络拓扑图

图中锚节点（Anchor Node，AN）与常规节点（Regular Node，RN）是网络中的主要节点。其中AN 采用 全 球定 位 系 统 （Global Positioning System，GPS）设备来获取自身坐标信息，且AN在2.4GHz的 WiFi信道中通过周期性的广播信标帧帮助RN确定位置坐标。RN是网络中用来传输控制帧和数据（DATE）帧的节点，工作在 WiFi和THz信道。若要确定一个RN在三维空间的位置，则至少需要4个AN的帮助，且这4个AN不能共线。当RN的位置确定后，通信双方源与目的节点定向天线的波束对准工作将变得简单。

TAB－MAC的基本思想是在 WiFi信道进行控制帧交互，在THz信道进行数据帧传输。其具体的消息交互过程如图2所示。

有数据发送需求的源节点首先会以载波侦听多路访问／冲突避免（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid，CSMA／CA）方式在 WiFi信道中竞争信道资源，若获得信道资源，则源节点发送请求发送 （Request To Send，RTS）帧给目的节点，目的节点收到后，则回复允许发送（Clear To Send，CTS）帧以交互。这里的RTS帧包含了源节点的位置以及天线信息，CTS帧包含了目的节点的位置以及天线信息。当RTS／CTS帧交互完成后，通信双方便有了对方的位置和天线信息。源节点根据这些信息调整THz定向天线对准目的节点，而目的节点也根据接收到的信息调整THz定向天线对准源节点，紧接着进入THz信道。在THz信道时，为测试定向天线是否都各自对准，源节点会向目的节点发送一个发送测试（Test To Send，TTS）帧，若目的节点正确收到，则给源节点回复确认（ACKnowledgement，ACK）帧，源节点收到ACK帧后向目的节点发送数据帧。目的节点收到数据帧后，用一个ACK帧进行确认回复。

图3所示为RTS、CTS和TTS等交互帧的帧结构。

图2 TAB－MAC消息交互过程

图3 交互帧结构

由于WiFi技术是基于802.11相关标准的，故而TAB－MAC控制帧都借鉴了现有的802.11协议以达到与现有MAC协议相兼容的效果。图3中，Duration字段为预约信道时间；地址信息字段包含接收站点地址（Receiver Address，RA）（6字节）或发送站点地址（Transmitter Address，TA）（6 字节），RTS帧的地址信息字段包含RA和TA，CTS帧的地址信息字段只包含RA；X、Y和Z为位置信息字段，表示一个RN在三维空间的位置；天线信息字段包含天线的波束宽度及指向信息；TTS帧的帧主体部分携带了4个字节的无用数据字段。MAC尾部是帧校验序列（Frame Check Sequence，FCS），以实现无比特差错的传输。

1.2 问题描述

通过对TAB－MAC的分析研究，提出以下问题：

（1）TAB－MAC是一种双信道 MAC协议，在WiFi信道时，节点的传输范围可以达到几百米，而在THz信道时，由于THz波的高衰减特性，即使采用了高增益的定向天线，节点的传输范围也只能在10m左右。故而，当通信双方节点相距＞10m时，在WiFi信道基本能成功传输控制消息，而在THz信道传输数据消息时，由于传输范围不够，而导致数据消息传输成功率大大降低。

（2）TAB－MAC中为了便于定向天线进行波束对准，故而在RTS／CTS帧中添加了节点的位置坐标（即X、Y和Z）以及天线信息字段。但对于已经成功通信的节点，在位置与天线信息不变的前提下，在准备进行第二次通信时不必再交互位置与天线信息，而且不必发送TTS帧来确保THz定向天线的波束对准，TAB－MAC在这种情况下带来了冗余的控制开销以及额外的通信交互过程。

2 HE－BRMAC

针对以上问题，本文在THz无线个域网条件下提出了HE－BRMAC。该协议分为中继辅助和自适应减少控制开销机制，能有效解决通信双方节点THz传输距离不够的问题，并且减少了不必要的控制开销，提高了消息传输成功率，也提升了网络整体的吞吐量。

2.1 中继辅助机制

2.1.1 中继辅助机制场景

本文所针对的是无线个域网通信场景。为便于更加详细地叙述1.2节中的问题（1），下面给出二维平面中整个网络的拓扑，如图4所示。

图4 网络拓扑

现阶段THz通信在使用高增益定向天线后所能支持的THz链路仅在10m左右［1］。图4中C1是一个半径为10m的圆形区域，也是本文所针对的无线个域网场景。假设此时有一源节点S准备与目的节点D通信。C2是源节点S的通信范围，其通信半径为10m，C1范围之外的C2阴影部分不做考虑。在竞争得到信道资源后，S在WiFi信道上全向发送RTS帧，当D收到后，则对RTS帧中S的位置坐标进行提取，并根据位置坐标计算与S的距离，若该距离＞10m，则判断S与D在彼此通信范围之外，不能进行数据帧传输，此时启动中继辅助机制。

2.1.2 中继节点选择

目的节点在收到源节点发来的RTS帧后，启动中继辅助机制，此时不会向源节点回复CTS帧，而是回复中继请求帧（Relay Request Frame，RRF），其帧结构如图5所示。

图5 RRF帧结构

RRF帧结构与CTS帧类似，目的节点在用RRF帧回应源节点的同时，其他空闲的RN开始判断自身节点是否可以作为中继节点。

首先其他节点提取RTS帧中的位置信息，并计算与源节点之间的距离；其次，其他节点提取RRF帧中的位置信息，计算与目的节点之间的距离。若与源和目的节点的距离均＜10m，则满足作为中继节点的条件，这样的中继节点集用R＝｛R1，R2，R3，…｝来表示。所有的备选中继节点的范围如图6中的A区域所示。A区域为源节点与目的节点通信范围相交的区域，A区域内的所有节点均可作为备选中继节点。

若其他空闲的RN判断自身节点与源和目的节点的距离均＜10m，则在收到RRF帧后开始启动计时器，计时器率先减至0的备选中继节点称为唯一中继节点，计时器初始值为

式中：SIFS为短帧间间隔；M点为源和目的节点相连线段与C2区域的相交点；dMD为M与D点间距离，可计算得到；dSD为源和目的节点间距离；dRD为某备选中继节点与目的节点间距离；RSSD为目的节点收到RTS帧的接收信号强度；RSSR为某中继节点收到RRF帧的接收信号强度；ε1与ε2为权重因子，两者之和为1。

图6 中继节点范围

式（1）主要考虑了距离与接收信号强度两方面因素对中继节点确认的影响，其中以距离因素占主导。dMD可看作是一个距离阈值，备选中继与目的节点间距离不能小于这个阈值，否则这样的备选中继节点势必在源节点通信范围外，不适合作为中继节点。RSSD也可看作是一个接收信号强度阈值，由于RSSD表征了目的节点收到RTS帧的接收信号强度（本文假设所有节点的发射和接收条件一样），备选中继节点所得的RSSR若大于这个值，则表明备选中继节点离目的节点间的距离可能会比源节点离目的节点间的距离大，或者信道质量不佳信号衰弱严重，即当备选中继节点测得RSSR＞RSSD时，这样的备选中继节点也不适合作为中继节点。

式（1）表明了离目的节点越近的备选中继节点越有可能成为唯一中继节点。且由于各备选中继节点在接收RRF帧时，信号的衰弱程度和噪声均不一样，所测得接收信号强度RSSR自然也不一样，这都导致了即使存在dRD相同的备选中继节点也会因为接收信号强度不一样而使最后TR值不一样。

计时器最先减至0的备选中继节点称为中继节点，并立即发送中继广播（Relay Broadcast Frame，RBF）帧，其他备选中继节点收到RBF帧后，关闭计时器并静默。RBF帧的帧结构如图7所示。

图7 RBF帧的帧结构

2.1.3 中继辅助机制步骤

中继辅助机制的基本思想如下：在 WiFi信道时，目的节点在收到由源节点发来的RTS帧后，判断源和目的节点间距离是否＞10m，若是，则目的节点发送RRF帧。在一段时间后，选出的中继节点开始全向发送RBF帧且转入THz信道，并将THz定向天线的方向对准源节点。此时源和目的节点在收到RBF帧后，提取RBF帧中中继节点的位置信息，将THz定向天线方向也对准中继节点，同时进入THz信道。中继节点在THz信道上直接发送TTS帧给源节点，若源节点收到，则证明天线方向已对准并直接发送数据帧给中继节点，中继节点收到后回复源节点ACK帧，并随之发送TTS帧给目的节点，目的节点收到后回复ACK帧给中继节点，再由中继节点发送数据帧给目的节点，最后收到数据帧的目的节点回复ACK帧给中继节点。

在上述过程中，为消除RBF帧带来的额外控制开销，本文在原TAB－MAC的基础上做了一些精简。原TAB－MAC中，在THz信道时源节点发送TTS帧给目的节点，若源节点收到由目的节点发来的ACK帧，则开始发送数据帧给目的节点。在本文中，中继节点发送RBF帧后，紧接着进入THz信道给源节点发送TTS帧，源节点收到TTS帧后便直接发送数据帧给中继节点，在源节点与中继节点的通信过程中省略了ACK帧，一定程度上消除了由RBF帧带来的额外控制开销，但由于RBF帧共20字节，而在802.11相关标准里，ACK帧为14字节，所以，本文还精简了TTS帧。

由于TTS帧的作用主要是测试THz定向天线的方向是否对准，所以帧结构内的4字节无用数据字段以及2字节序号控制字段可以省略。若节点要在THz信道发送TTS帧，则生成一个不含数据字段的 TTS帧——ND－TTS（No Date Test To Send）帧。ND－TTS帧结构如图8所示。

图8 ND－TTS帧结构

通过省略ACK帧以及精简TTS帧，在一个通信过程内消除了RBF帧带来的额外控制开销。中继辅助机制的具体步骤如下：

步骤1：在 WiFi信道时，若目的节点收到由源节点全向发来的RTS帧，则提取RTS帧中源节点的位置信息，计算与源节点的距离。若距离＞10m，则全向回复RRF帧。在RRF帧中，Duration字段为短帧间间隔SIFS时间（由式（1）可知，TR最大值为SIFS），位置信息字段（即X、Y和Z）为目的节点位置坐标。若源与目的节点距离＜10m，则执行原TAB－MAC，本新机制结束。

步骤2：若其他节点收到由源节点发来的RTS帧，则提取源和目的节点的地址与源节点的位置信息，并保存在本地。

步骤3：若其他节点收到由目的节点发来的RRF帧，则依据接收信号测得接收信号强度RSS值，且提取RRF帧中目的节点的位置信息，并判断是否满足与源和目的节点间的距离都＜10m的条件，若满足，则根据式（1）设置计时器，计时器最先减至0的节点称为中继节点，发送RBF帧通告全网，并根据源节点的位置信息将THz定向天线对准源节点，在等待SIFS时间后，发送ND－TTS帧给源节点；若不满足条件，则删除存于本地的源和目的节点的相关信息并保持静默直至占用信道时间结束。

步骤4：若源节点收到中继节点发来的RBF帧，则提取RBF帧中中继节点的地址与位置信息，调整THz定向天线方向对准中继节点，并进入THz信道。

步骤5：若目的节点收到中继节点发来的RBF帧，则提取RBF帧中中继节点的地址与位置信息，调整THz定向天线方向对准中继节点，并进入THz信道。

步骤6：若备选中继节点收到中继节点发来的RBF帧，则立即关闭计时器，并保持静默，直至占用信道时间结束。

步骤7：若源节点在THz信道收到中继节点发来的ND－TTS帧，则向中继节点发送数据帧。

步骤8：若在THz信道中继节点收到由源节点发来的数据帧，则回复其ACK帧，且在回复ACK帧后，等待SIFS时间，然后向目的节点发送一个ND－TTS帧。

步骤9：若目的节点在THz信道收到由中继节点发来的ND－TTS帧，则回应其ACK帧。

步骤10：若目的节点在THz信道完整收到由中继节点发来的数据帧，则回应其ACK帧。

2.2 自适应减少控制开销机制

在TAB－MAC中，一旦节点有数据发送，在获得信道资源后必须进行控制帧交互的过程。若之前已成功通信的源和目的节点想要进行第2次通信，且源和目的节点的位置与天线信息没有变化，那么在第2次通信过程中，控制帧就无需携带位置与天线信息字段。

本新机制主要从以下3种情况做了改进：若源与目的节点准备进行第2次通信，在源与目的节点的位置和天线信息都没有变化的情况下，可以直接在THz信道发送数据帧，而不需要TTS帧。若源与目的节点有一方的位置和天线信息发生了变化，则可以使用一种已省略了位置和天线信息的控制帧来代替原RTS和CTS帧进行交互，并且TTS帧依然可以由目的节点进行发送，收到TTS帧的源节点直接发送数据帧，与TAB－MAC相比省略了一个ACK帧。若源与目的节点的位置与天线信息都发生了变化，那么使用原 RTS／CTS帧来交互，但TTS帧仍可由目的节点发送，省略了一个ACK帧。

本文提出的自适应减少控制开销机制具体步骤如下：

步骤1：每个节点在MAC层维护一张节点信息存储表，其表项共6项：源地址、源位置、源天线、目的地址、目的位置和目的天线信息。

步骤2：若某源节点有数据发送，则先检查节点信息存储表中是否有目的节点表项。若无，则创建节点信息存储表，“源地址信息”为源节点站点地址；“源位置信息”为当前源节点位置坐标；“源天线信息”为当前源节点天线信息；“目的地址信息”为NULL；“目的位置信息”为NULL；“目的天线信息”为NULL（由于此时源节点没有收到目的节点任何帧，故而填NULL）。若有目的节点表项，转步骤3。

步骤3：若源节点的信息存储表中有目的节点的表项，则判断当前源节点的位置和天线信息是否与节点信息存储表中“源位置信息”和“源天线信息”相同。若相同，说明源节点位置没有变化，则发送一个省略了位置与天线信息的RTS帧——OLA－RTS（Omit the Location and Antenna－Request To Send）帧。若不相同，则更新节点信息存储表，将当前源节点的位置与天线信息更新，并发送RTS帧。

步骤4：若其他节点（通过站点地址可判断自身节点是否为目的节点）收到RTS或OLA－RTS帧，对节点信息存储表不作处理。

步骤5：若目的节点收到RTS帧，则检查节点信息存储表中是否有源节点表项。若无，则创建节点信息存储表，“源地址信息”为源节点站点地址；“源位置信息”为源节点位置坐标；“源天线信息”为源节点天线信息；“目的地址信息”为目的节点地址；“目的位置信息”为目的节点位置信息；“目的天线信息”为目的节点天线信息。若有源节点表项，转步骤7。

步骤6：若目的节点收到OLA－RTS帧，转步骤7。

步骤7：若目的节点的节点信息存储表中有源节点表项，则判断当前目的节点的位置和天线信息是否与节点信息存储表中“目的位置信息”和“目的天线信息”相同。若相同，说明目的节点位置没有变化，则发送一个省略了位置与天线信息的CTS帧——OLA－CTS（Omit the Location and Antenna－Clear To Send）帧。若不相同，则更新节点信息存储表，将当前目的节点的位置与天线信息更新，并发送CTS帧。

步骤8：若源节点在发送OLA－RTS帧后，又收到目的节点回复的OLA－CTS帧，则说明源和目的节点的位置和天线信息均没有变化，那么进入THz信道直接发送数据帧。

步骤9：若源节点在发送OLA－RTS帧后，收到目的节点回复的CTS帧，则更新节点信息存储表，并将THz定向天线的方向对准目的节点。

步骤10：若源节点在发送RTS帧后，收到目的节点回复的CTS或OLA－CTS帧，则更新节点信息存储表，并将THz定向天线方向对准目的节点。

步骤11：若目的节点收到OLA－RTS帧后，又发送OLA－CTS帧，则立即转入THz信道准备接收源节点发来的数据帧。

步骤12：若目的节点收到由源节点发来的OLA－RTS帧，并回应了其CTS帧，或目的节点收到RTS帧，回应了其CTS／OLA－CTS帧，那么就将THz定向天线方向对准源节点，并等待SIFS时间，在THz信道向源节点发送ND－TTS帧。

步骤13：若源节点在THz信道收到目的节点发来的ND－TTS帧，那么发送数据帧给目的节点。

步骤14：若目的节点完整收到源节点发来的数据帧，那么回复ACK帧。

在自适应减少控制开销机制中，OLA－RTS与OLA－CTS帧的帧结构分别如图9和10所示。

图9 OLA－RTS帧结构

图10 OLA－CTS帧结构

3 仿真验证

本文采用OPNET软件进行仿真，主要的工作重心在MAC层，应用层、传输层和网络层将采用透传形式。本文将TAB－MAC作为参考协议，在网络条件相同的情况下，比较分析 HE－BRMAC与TAB－MAC在MAC层的消息传输成功率、吞吐量和信道利用率等性能。

3.1 仿真参数设置

主要仿真参数如表1所示。

表1 主要仿真参数

3.2 仿真结果分析

3.2.1 消息传输成功率

消息传输成功率对比如图11所示。由图可知，随着节点数增加，消息传输成功率逐渐下降，这主要是由两点原因导致的：（1）当节点数逐渐增加时，业务数据量会越来越大，而随着业务到达的增加，网络中发生碰撞的几率也会增多，这将直接导致消息传输成功率的下降。（2）随着节点数的增加，将会有更多的节点处于WiFi信道能通信而THz信道不能通信的情况，这也将导致传输成功率的降低。但HE－BRMAC的成功率始终要比TAB－MAC协议高，这是因为 HE－BRMAC采用了中继辅助机制，能有效应对在THz信道不能成功传输数据的问题，因而在一定程度上提高了消息传输成功率。

图11 消息传输成功率对比

3.2.2 MAC层吞吐量

MAC层吞吐量对比如图12所示。由图可知，当节点数增加时，MAC层吞吐量会逐渐提升，这主要是因为在单位时间内，THz的高数据传输速率可以支持更多的节点成功通信。当然，吞吐量最后会处于一个平稳状态，这是因为每一种MAC协议所能提供的业务量都有一个上限。但HE－BRMAC的吞吐量始终高于TAB－MAC协议，主要有以下原因：（1）HE－BRMAC采用中继辅助机制，即使通信双方距离较远也能成功通信，从而提升了MAC层吞吐量；（2）HE－BRMAC采用了自适应减少控制开销机制，减少了发送控制帧所需时间，在相同时间内能发送更多的数据帧，也提高了MAC层吞吐量。

图12 MAC层吞吐量对比

3.2.3 信道利用率

信道利用率对比如图13所示。由图可知，HEBRMAC的信道利用率在一定程度上要优于TABMAC。这主要是因为在HE－BRMAC中，自适应减少控制开销机制将RTS、CTS和TTS帧都进行了精简，甚至在一定条件下可省略一个ACK帧，大幅度减少了控制开销，即减少了发送控制帧所需时间，在网络运行的一个总时间条件下，变相地增加了发送数据帧利用信道的时间，从而有利于信道利用率的提升。

图13 信道利用率对比

4 结束语

本文主要针对TAB－MAC中存在的消息传输成功率低和控制开销过大的问题做出改进，提出了HE－BRMAC。HE－BRMAC分为中继辅助和自适应减少控制开销机制。通过中继辅助机制，使得原本因为THz通信范围不够而不能传输数据的节点成功进行了通信，为了避免RBF帧带来的额外控制开销，还对TTS帧进行了精简，以及省略了ACK帧。通过自适应减少控制开销机制，在源和目的节点第2次通信的情景下，将RTS、CTS和TTS帧进行了精简，并在源和目的节点不改变位置信息的特殊条件下，省略了TTS及ACK帧。HE－BRMAC在MAC层吞吐量、消息传输成功率和信道利用率等性能上较TAB－MAC均有提升，并已通过仿真验证。我们在后面的工作中，将继续研究中继节点对THz网络的作用，譬如在非视距环境下如何利用中继来避过障碍物，从而使得吞吐量能进一步提升。