低干扰多PAN太赫兹无线个域网MAC协议

任 智，苏 新，郭 黎，吴本源

(重庆邮电大学 a. 移动通信技术重庆市重点实验室； b. 通信与信息工程学院, 重庆 400065)

0 引 言

太赫兹通信技术[1]以频率范围在0.1～10.0 THz[2]的太赫兹波段作为载波，其数据传输速率能达到0.1～1.0 Tbit/s，是第五代移动通信(5th Generation Mobile Networks，5G)的50倍，4G的1 000倍[3]，因此具有极大的应用前景。但由于太赫兹波在空气中传输时会产生严重的衰减，传输距离相当有限，通常太赫兹无线个域网(Wireless Personal Area Network, WPAN)[4]的传输距离只有10 m[5]。为了扩展其通信范围，越来越多的人开始关注多个域网(Personal Area Network, PAN)太赫兹WPAN的通信传输，希望通过将多个网络连接起来的方式来实现通信范围的扩展，而作为关键技术之一的跨PAN太赫兹WPAN介质访问控制 (Media Access Control, MAC) 协议成为研究的热点。

Da Costa F在文献[6]中引入了微微网协调的概念，使超帧同步成为可能，提出使用普通设备(Device, DEV)作为连接微微网的桥梁，并且定义了信标对准机制来解决重叠区域的信标碰撞问题；Xue等人在此基础上提出了一种自适应信道时间分配方法[7]，引入了公共区域的概念，在公共区域内的DEV可以听到多个信标帧，位于公共区域内的节点被称为公共节点，之外的节点被称为常规节点。该方法解决了部分信道时间分配时段的数据干扰问题，但仍存在部分节点存在时隙干扰的问题。

1 网络模型与超帧结构

1.1 网络模型

多PAN太赫兹WPAN通信模型主要由两个太赫兹WPAN组成，如图1所示，太赫兹WPAN主要由一个充当微微网协调器(Piconet Coordinator, PNC)的DEV以及用于数据传输的DEV组成；PNC周期性地广播Beacon帧用于整个网络的控制以及同步；DEV之间均可进行数据传输；位于两个WPAN中间的区域被称为重叠区域，位于重叠区域的节点A被称为网桥节点，作用是通过发送命令帧来进行两个WPAN之间的协调与同步以及发送数据帧完成网络之间数据的传输；在单个网络内的DEV被称为常规节点，作用是进行网络内DEV之间的数据传输。

图1 多PAN太赫兹WPAN通信模型

1.2 超帧结构

多PAN太赫兹WPAN，其协调超帧结构如图2所示，每个超帧主要包括3个时段，分别为信标帧队列时段(Beacon Alignment Period，BAP)、竞争接入时段(Contention Access Period, CAP)以及信道时间分配时段 (Channel Time Allocation Period, CTAP)，CTAP主要分为常规信道时间分配时段(Normal Channel Time Allocation Period, N-CTAP)和公共信道时间分配时段(Public Channel Time Allocation Period, P-CTAP)。

图2 协调超帧结构图

在BAP中，两个WPAN中的PNC分别在自身对应的时段中进行Beacon帧的广播，用于实现对网络的时隙管理与分配；该帧中主要包含自身网络中节点的基本信息、超帧时长信息以及各个时段的时刻信息；在该超帧中BAP时段共分为两段，Beacon1时段主要用于WPAN1中PNC进行Beacon帧的广播，Beacon2时段主要用于WPAN2中PNC进行Beacon帧的广播。

在CAP中，两个网络中有数据传输需求的节点在该时段向自身所在WPAN中的PNC发送信道时隙请求帧，若PNC成功分配时隙，则节点可在CTAP内进行数据传输。

CTAP主要用于DEV之间的数据传输，由多个信道时间分配(Channel Time Allocation, CTA)组成, 超帧中的一个CTA只分配一条链路，节点采用时分多址(Time Division Multiple Access, TDMA)机制接入信道。N-CTAP用于WPAN内的节点间数据传输；P-CTAP主要用于涉及到网桥节点的数据传输，P-CTAP分为两段，P-CTAP1主要用于WPAN1中节点与网桥节点之间的数据传输，P-CTAP2主要用于WPAN2中节点与网桥节点之间的数据传输。

2 问题描述

通过对文献[7]的研究发现，虽然Xue等人将CTAP分为P-CTAP和N-CTAP，在N-CTAP中使得两个网络内的数据传输能够同步进行，提高了整个网络的数据吞吐量，但是在N-CTAP中仍然可能存在网络间的干扰问题，如图1所示。当WPAN1中DEV2与DEV3进行数据传输时使用超帧中的N-CTAP，当WPAN2中DEVd与DEVc之间进行数据传输时，也使用N-CTAP，但DEV2与DEVd互相处于对方的通信范围之内，因此，当节点2在N-CTAP中进行数据帧的发送时，此时若节点d正在接收WPAN2中其他节点的数据，则节点d的接收数据过程将会受到节点2的干扰，反之亦然。

3 LI-PAN协议

为解决上述问题，本文提出了一种低干扰的多PAN太赫兹WPAN MAC协议( Low Interference Multi-PAN MAC Protocol for Terahertz WPAN，LI-PAN)，该协议提出了“新的节点概念——边缘节点”、“自适应常规节点信息报告机制”以及“常规节点时隙分配新机制”，主要针对在多PAN太赫兹WPAN中不同网络内的常规节点在N-CTAP内进行数据传输过程中可能出现的时隙干扰问题进行了优化，减少了两个网络之间的数据干扰，提高了数据传输的成功率和整个网络的吞吐量,降低了网络的平均时延。

3.1 边缘节点类型概念

为了更好地解决多PAN太赫兹WPAN中常规节点在N-CTAP进行数据传输时所受到的干扰，将常规节点分为普通节点和边缘节点，因此，多PAN太赫兹WPAN中的节点类型共有4种，具体如下：

(1) 中心节点：即PNC，如图1中的PNC1和PNC2，每个PAN只有1个PNC节点，而且不同PAN的PNC不能直接通信。

(2) 网间节点：能够与两个PAN中的PNC节点直接进行通信的节点，如图1中的节点A，该类型节点在P-CTAP中传输数据。

(3) 普通节点：只能与自己所在PAN的节点进行通信的、不是PNC和网间节点的节点，如图1中的节点1和节点a，该类型节点在N-CTAP中传输数据。

(4) 边缘节点：能够与其他PAN的常规节点进行直接通信的常规节点，如图1中的节点2和节点d，该类型节点在N-CTAP中传输数据，但在收发信息时有可能受到其他PAN的DEV节点干扰。边缘节点类型判断方法如下：一个节点可以自主判断自己是否是边缘节点：首先，自己不是PNC；接着，自己未收到其他PAN的PNC的消息；然后，收到了其他PAN的常规节点的消息，于是，判定自己为边缘节点。

3.2 自适应常规节点信息报告机制

解决由于边缘节点所带来的N-CTAP中所产生的干扰问题的思路是，使PNC得知网络总的节点类型信息，并据此有针对性地分配时隙以避免干扰，因此首先提出一种自适应的常规节点信息报告机制，将节点类型信息报告给PAN中的PNC。

3.2.1 节点入网前

非PNC节点在入网前默认自己是普通节点。当节点侦听到附近的网络PNC所发送的Beacon帧时，则准备进行入网操作，若在此过程中侦听到与该网络标识符(Piconet Identifier, PNID)不同的来自其他网络节点所发的消息，并且未侦听到其他网络的PNC所发送的Beacon帧，即并非网间节点类型，则将自身节点类型判定为边缘节点类型，并将该信息放在关联请求命令帧中发送给PNC。关联请求帧是一种命令帧，其帧体结构如图3所示。

图3 关联请求命令帧帧体结构图

在DEV上电后，节点开始侦听附近是否存在网络进行入网，侦听时长约为一个超帧长度，若在此侦听过程中，通过边缘节点类型判断机制判定自身节点类型是否为边缘节点类型，并将该类型信息放置在关联请求帧中进行入网操作，其具体操作如下：

步骤1：DEV侦听到网络PNC的Beacon帧，准备进行入网；

步骤2：若DEV在此过程中侦听到来自其他网络的非PNC信息，执行步骤3；否则执行步骤4；

步骤3：DEV节点类型为边缘节点，将所要发送的关联请求命令帧中的Command type字段使用保留值0x001F，执行步骤5；

步骤4：DEV节点类型为非边缘节点，将所要发送的关联请求命令帧中的Command type字段使用原值0x0000，执行步骤5；

步骤5：向PNC发送关联请求命令帧；

步骤6：入网前边缘节点类型报告机制结束。

入网前常规节点类型报告操作流程图如图4所示。

图4 入网前常规节点类型报告机制流程图

3.2.2 节点入网后

在太赫兹WPAN中，由于网络拓扑的变动，若常规节点类型发生变化，则在自己类型变化后，将自身状态信息报告给PNC。在CAP内，如果需要报告的节点要发送时隙申请帧，则将自己的类型变换信息通过时隙申请帧告知PNC；若需要报告的节点在此CAP内不需要申请时隙资源，则一直等待，在后续超帧的CAP内使用时隙请求帧发送；在CTAP内，若节点通过边缘节点类型判断方法判断自身节点类型为边缘节点，则节点通过后续超帧中的CAP使用时隙请求帧将该信息报告给PNC。

时隙申请帧是一种命令帧，其帧体结构如图5所示。

图5 信道时间请求命令帧结构图

具体实现过程如下：

如果常规节点的类型未发生改变，则在发送时隙申请帧时填入默认帧类型，即Command type字段值为0x0012，表明该节点是常规节点；如果常规节点的类型由普通节点变为边缘节点，则在发送时隙申请帧时使用新的帧类型，即Command type字段值为0x0020，表明该节点已经从普通节点变为了边缘节点；如果常规节点的类型由边缘节点变为普通节点，则在发送时隙申请帧时使用新的帧类型，即Command type字段值为0x0021，表明该节点已经从边缘节点变为普通节点；常规节点如果收到PNC的时隙请求回复消息，则确认PNC已收到自己报告的信息。常规节点信息报告流程图如图6所示。

图6 入网后常规节点类型报告机制流程图

3.3 常规节点时隙分配新机制

在DEV将自身节点类型信息发送给PNC后，PNC在分配节点时隙资源时，根据N-CTAP收发节点类型的不同，按照排序规则为常规节点分配不同的时隙资源。

PNC分配给常规节点的时隙资源分为4个优先级，优先级越高，PNC分配的N-CTAP位置越靠前。

设网络1中的节点为A，网络2中的节点为B:

AC：网络1中的普通节点；

AE：网络1中的边缘节点；

BC：网络2中的普通节点；

BE：网络2中的边缘节点；

排列对应规则如下所示：

AC发送数据给AE对应BC发送数据给BE；

AE发送数据给AE对应BC发送数据给BC；

AE发送数据给AC对应BE发送数据给BC；

AC发送数据给AC对应BE发送数据给BE；

由上述排序对应规则可知，当WPAN1与WPAN2中的节点在N-CTAP中按上述排序规则进行数据传输时，是不会受到来自其他WPAN的干扰影响。

网络1中常规节点时隙分配如图7所示。

图7 网络1中常规节点时隙分配图

网络1中源节点类型若非边缘节点，即普通节点，目的节点类型为边缘节点，时隙资源安排在第1优先级进行分配；网络1中源节点类型为边缘节点，目的节点类型为边缘节点，时隙资源安排在第2优先级进行分配；网络1中源节点类型为边缘节点，目的节点类型为普通节点，时隙资源安排在第3优先级进行分配；网络1中源节点类型若非边缘节点，即普通节点，目的节点类型为普通节点，时隙资源安排在第4优先级进行分配。

网络2中常规节点时隙分配如图8所示。

图8 网络2中常规节点时隙分配图

网络2中源节点类型若非边缘节点，即普通节点，目的节点类型为边缘节点，时隙资源安排在第1优先级进行分配；网络2中源节点类型若非边缘节点，即普通节点，目的节点类型为普通节点，时隙资源安排在第2优先级进行分配；网络2中源节点类型为边缘节点，目的节点类型为普通节点，则时隙资源安排在第3优先级进行分配；网络2中源节点类型为边缘节点，目的节点类型为边缘节点，则时隙资源安排在第4优先级进行分配。

4 仿真验证

本文使用Opnet14.5软件仿真平台对LI-PAN协议以及文献[7]的协议进行模拟与比较，设置相应的仿真参数，其具体数值如表1所示，收集统计量，对比并分析两种协议的网络性能，验证LI-PAN协议的改进效果。

表1 仿真参数设置

在整个仿真网络中，存在两个PNC、1个网桥节点，每个WPAN中各存在4个常规节点，根据边缘节点占常规节点的比例，设置5个不同的仿真场景。在整个仿真过程中，节点之间所发送的业务量保持不变，为了突出N-CTAP中的常规节点网络干扰问题，这里设置在P-CTAP内的业务量为0，在每个仿真场景中将LI-PAN协议分别与文献[7]进行对比。

仿真结果及分析如下：

(1) 消息传输成功率

图9所示为消息传输成功率对比图。由图可知，随着WPAN中边缘节点数目的增加，消息传输成功率不断下降，其主要原因为，两个WPAN在N-CTAP中分配时隙资源时并未考虑到邻近WPAN的存在，并且忽视了两个WPAN中存在互相在彼此通信范围内的节点——边缘节点，该类节点在传输数据时会相互产生干扰，因此导致两个WPAN中的节点在传输时隙消息时发生碰撞，降低了网络中的消息传输成功率。但是LI-PAN的成功率始终高于文献[7]中的协议，这是因为LI-PAN考虑到了邻近WPAN的存在，并将常规节点进一步分为普通节点和边缘节点，找出产生干扰的节点类型——边缘节点，并通过常规节点时隙分配新机制按照节点类型分配不同的时隙资源，降低了节点数据传输过程中产生干扰的概率，因而提高了消息传输成功率。

图9 消息传输成功率对比图

(2) 网络吞吐量

网络吞吐量对比如图10所示。由图可知，在WPAN中，随着边缘节点数目的增多，网络吞吐量不断降低。主要原因在于：当WPAN中边缘节点数目增多时，WPAN中的节点在进行数据消息的传送过程中，受到来自邻近WPAN中节点干扰的概率不断增大，导致数据消息传输失败，WPAN中吞吐量下降。但是LI-PAN通过对N-CTAP中所要进行数据发送的常规节点时隙按照新机制进行排列，有效减少了节点间数据传输发生干扰的概率，提高了网络吞吐量。

图10 网络吞吐量对比图

(3) 平均时延

端到端时延对比如图11所示。在WPAN中，随着边缘节点的数量增多，所造成的网间干扰越来越大，此时需要重传的数据帧增多，使得多PAN太赫兹WPAN的平均时延不断上升，但是LI-PAN协议的平均时延始终要低于文献[7]协议数值，这是因为LI-PAN中将常规节点细分为边缘节点和普通节点，使用常规节点时隙分配新机制将常规节点重新进行分配，有效减少了边缘节点间产生干扰的概率，减少了数据帧的重传次数，降低了网络内的平均时延。

图11 平均时延对比图

5 结束语

本文主要针对文献[7]所提协议中多PAN太赫兹WPAN中的N-CTAP内存在WPAN间数据传输干扰的问题，提出了LI-PAN协议。包括提出边缘节点概念、自适应常规节点信息报告机制以及常规节点时隙分配新机制。减少了数据传输干扰问题，提高了消息传输成功率，更多的数据消息发送成功，提高了网络的吞吐量，降低了网络平均时延。