多PAN太赫兹无线个域网边缘节点信息高效报告方法

李 宁, 霍 兵, 宋瑞良, 任 智

(1. 中国电子科技集团公司第五十四研究所, 河北 石家庄 050081;2. 重庆邮电大学移动通信技术重庆市重点实验室, 重庆 400065)

0 引 言

当前,传统的无线接入技术难以满足无线应用的巨大增长及其对高数据速率链路的需求,人们逐渐将目光投向了频率更高的、尚未被完全开发的太赫兹频段。但是THz无线电信号在传播过程中容易被空气中极性分子吸收,传播越远,衰减越大,这就决定了THz波只适用于短距离无线通信。通常一个太赫兹无线网络的通信范围只有10 m左右。为增大太赫兹无线网络的通信范围,IEEE 802.15.3标准允许同时运行多个微微网和父子微微网模型。当多个网络共存时,若一个网络在另一个网络的通信范围内,则两个网络会相互干扰。

为了使多个微微网能够彼此共享资源并且相互之间不产生干扰,文献[14]提出一种在802.15无线个域网(wireless personal area network, WPAN)中对齐信标的方法,该方法通过在竞争接入时段(contention access period, CAP)时段由网桥节点转heartbeat消息,使两个网络的微微网控制器(piconet coordinator, PNC)通过动态的信标对齐的方式让两个微微网实现协调同步。为了提升带宽分配效果,文献[15]设计了一种适用于桥接下行接入时隙分配的自适应带宽分配算法。文献[16]介绍了IEEE 802.15.4标准的无线多跳自组网实现方案。文献[17-18]提出了多跳场景下和多微微网运行时的高效操作机制。

文献[19]提出一种基于簇的故障申告协议(failure declaring protocol, FDP),即网络内的中心节点负责本网络的故障申告管理,并能够与其他网络的中心节点直接通信,执行协作式故障管理。簇首节点根据该协议收集簇内节点故障信息,并将该信息报告给中心节点,使每个中心节点掌握本簇内所有节点实时的状态信息。具体方法为:若节点D发生故障,则节点D生成含有自身故障信息的报文并报告给节点C,在收到节点C发来的确认反馈信息后,停止周期性发送故障信息;簇首节点C收到节点D发来的故障信息后,向节点D发送一个确认消息,表明已收到该故障信息,同时将该故障信息向中心管理节点O报告;然后,将该故障报文加入已发送故障报文队列;在收到中心节点O的确认反馈消息之前,周期地发送该队列中的所有消息;中心节点O在收到簇首节点C发来的故障信息后,向簇首节点C回复一个已收到故障信息的反馈消息;簇首节点C收到中心节点O发来的关于节点D的故障信息的确认报文之后,则从故障队列中删除该条关于节点D的故障信息,仍然周期性地发送故障队列中的其他信息。

文献[20]提出一种报文携带故障信息转发的方法——错误信息传送包(failure carrying packet, FCP)。FCP的基本思路为:报文在转发过程中如果遇到有故障信息,则将该信息写入报文;当报文到达某个节点时,该节点先检测报文的故障信息字段,并根据该字段内容构建新的网络拓扑;然后根据新的拓扑结构重新计算节点间最短路径,从而消除报文转发中的环路。

由上述分析可知,现有的多个域网(personal area network, PAN)的故障信息报告方法的研究虽然取得了一些成果,但仍然存在故障信息报告时控制开销增大、报告信息时延较大及网间干扰较大等问题。

针对以上问题,本文提出了一种新的太赫兹网络的高效自适应报告方法(efficient adaptive reporting approach of terahertz network, EARA-T)。通过OPNET软件进行仿真分析,验证所提方法对媒体访问控制(medium access control, MAC)层协议性能的改善。

1 网络模型与问题描述

1.1 网络模型

本文所采用的网络模型和超帧结构都是以IEEE 802.15.3标准为基础。该标准规定的协调超帧所含时段的具体分布如图1所示,协调超帧包括4个具有先后顺序的时段,即:信标队列时段(beacon alignment period,BAP)、CAP时段和两种信道时间分配时段(channel time allocation period, CTAP)——常规CTAP(normal CTAP,N-CTAP)和公共CTAP(public CTAP,P-CTAP)。

图1 协调超帧结构Fig.1 Coordinated superframe structure

为了更好地减少网络中节点在N-CTAP时段所受到的干扰,在原有网内节点的基础上按照是否会侦听到相邻网络节点消息将网内节点类型细分为普通节点以及边缘节点。节点类型示意图如图2所示。

图2 节点类型示意图Fig.2 Schematic diagram of node type

多PAN太赫兹无线个域网中的节点类型分为4类,具体如下。

中心节点:即PNC节点,如图2中的节点PNC1和PNC2,每个PAN只含有1个PNC节点,不同PAN的PNC节点不能直接通信。

网间节点:能够直接与两个不同的PAN的PNC节点进行通信的节点,如图2中的节点a;该类型节点只能在P-CTAP时段中进行数据传输。

普通节点:只能与自己所在PAN的节点通信并且自身不属于PNC和网间节点类型的节点,如图2中的节点④和节点b;该类型节点只能在N-CTAP时段中进行数据传输。

边缘节点:能够与另一PAN中的常规节点(非PNC和网间节点)直接通信的常规节点,如图2中的节点②和节点d;该类型节点在N-CTAP时段中传输数据,但在通信时有可能受到相邻PAN的常规节点的干扰,产生帧碰撞。

一个常规节点可以通过判断确定自己是边缘节点,具体判断方法是:自己是常规节点,且收到了另一PAN的常规节点发出的消息。如果节点判定自己是边缘节点,则需将自己的节点类型信息报告给PNC。

1.2 问题描述

在深入研究基于IEEE 802.15.3的多PAN太赫兹无线个域网MAC协议后,发现其存在以下问题:

(1) 不同PAN的边缘节点在通信过程中会相互干扰,产生帧的碰撞,导致帧传输失败,影响边缘节点间的通信效果。

(2) 一个节点是否为边缘节点,需要通过相应的帧报告给PNC,使PNC在时隙分配时加以考虑,避免边缘节点间帧碰撞造成网间干扰问题。

2 自适应节点类型报告新机制

为了解决上述问题,现基于太赫兹网间传输协议,提出EARA-T方法将边缘节点间帧碰撞产生的故障信息通过网络中的设备(device, DEV)及时高效地报告给PNC。

在常规节点的基础上定义一种新的节点类型——边缘节点。边缘节点是指本网络中处于对方网络常规节点通信范围之内的常规节点。

2.1 DEV向PNC报告节点类型信息

为了报告节点间信道干扰问题,DEV需将边缘节点类型信息及时高效的报告给PNC,基本机制如下。

2.1.1 节点入网前

节点侦听到附近网络PNC发送的Beacon帧时,进行入网准备。在入网过程中,如果节点侦听到与本PAN的微微网标识(piconet identifier, PNID)不同的PAN节点发送的消息,并且未收到其他PAN的PNC发送的信标帧,则将自身节点类型判定为边缘节点,并将节点类型信息(使用Command type字段中的0x001F表示)放入关联请求帧中发送给PNC。

2.1.2 CAP时段

在网络运行的过程中,节点自身的类型发生变化时通过信道时隙请求帧将自身状态信息告知PNC。主要操作步骤如下。

如果节点的类型为普通节点,则在为申请时隙而发送时隙申请帧时在该帧的Command type字段填入默认帧类型值0x0012。

如果节点从普通节点类型变成了边缘节点类型,则在为申请时隙而发送时隙申请帧时在该帧的Command type字段填入新的帧类型值——0x0030,表明该节点已由普通节点变成了边缘节点。

如果节点的类型从边缘节点类型变成了普通节点类型,则在为申请时隙而发送时隙申请帧时在该帧的Command type字段填入新的帧类型值——0x0031。

2.1.3 CTAP时段

如果节点需要和其他节点进行数据交互,可以将节点类型信息通过数据帧或立即确认帧携带给PNC。

如果节点在报告自己的状态变化信息后未收到PNC的回复,则在后续超帧的CAP和CTAP时段继续报告,直至收到PNC的回复消息为止。

第一种情况,网络中节点总数大于127时,节点类型信息报告机制如下。

(1) 该节点为数据发送方。节点类型未发生改变时,将所要发送的数据帧帧头的Frame control字段中的Frame type字段设置为默认帧类型值“100”;节点类型从边缘节点变为普通节点时,将所要发送的数据帧帧头的Frame control字段中的Frame type字段设置为“101”,并且将Fragmentation control字段中的Reserved值设置为0;节点类型从普通节点变为边缘节点时,将所要发送的数据帧帧头的Frame control字段中的Frame type字段设置为“101”,并且将Fragmentation control字段中的Reserved值设置为1。

(2) 该节点为数据接收方。节点类型未发生改变时,将所要发送的确认帧(acknowledgment, ACK)帧头的Frame control字段中的Frame type字段设置为默认帧类型值“001”;节点类型从边缘节点变为普通节点时,将所要发送的ACK帧帧头的Frame control字段中的Frame type字段设置为“111”;节点类型从普通节点变为边缘节点时,将所要发送的ACK帧帧头的Frame control字段中的Frame type字段设置为“111”,并且将Fragmentation control字段中的Reserved设置为1。

此时,PNC进行泛听侦听微微网内节点发送的数据帧或立即确认帧。在侦听到该帧时,首先查看该帧的目标节点地址(destination identifier, DestID)字段,无论字段的地址是否是自身地址都不丢弃。其次,查看该帧的Frame control字段中的Frame type字段值及Fragmentation control字段中的Reserved值,并记录节点类型值对应的节点类型信息。

第二种情况,网络中节点数不大于127时,节点类型信息报告机制如下。

(1) 节点类型未发生改变,其数据帧(或ACK帧)中的DestID中的值为目的地址值。

(2) 节点类型发生改变时,其数据帧(或ACK帧)中的DestID中的值为目的地址值加上127。节点类型从边缘节点变为普通节点时,数据帧(或ACK帧)中的源节点地址(source identifier, SrcID)字段中放置自身节点地址值;节点类型从普通节点变为边缘节点时,将自身节点的地址值加上127放入数据帧(或ACK帧)中的SrcID字段中。

此时,PNC进行侦听微微网内节点发送的数据帧或立即确认帧。在侦听到该帧时,首先查看该帧的DestID。如果DestID字段值大于127则查看该帧的SrcID字段。如果该帧的SrcID字段值不大于127,则将SrcID字段值对应的节点标记为普通节点;反之,将SrcID字段值减去127对应的节点标记为边缘节点。其他DEV节点在侦听到该帧时,如果DestID字段值大于127,则将该值减去127与自身地址比较;如果DestID值不大于127则直接将该值与自身地址值比较。如果两者相同,则接收该帧;否则,丢弃该帧。

2.2 PNC向DEV回复确认信息

为了减少非必要的DEV报告消息,PNC需向DEV回复确认信息,基本机制如下。

2.2.1 节点入网前

PNC在收到节点携带自身类型信息的关联请求帧后,向DEV回复关联请求确认帧表示已收到节点的类型信息。

2.2.2 CAP时段

PNC收到节点携带自身类型信息的时隙请求帧后,如果节点收到时隙请求回复帧,则表明PNC已经收到节点报告的类型信息。

2.2.3 CTAP时段

PNC在回复DEV的消息时使用保留值、保留位与现有值相结合的方式在ACK帧或数据帧中表示所要回复的DEV的序号(8 bit表示,分别为b0～b7)。

具体表示方式如下。

(1) PNC使用ACK帧进行回复,将自己要回复的节点的DEVID用保留位、保留值与现有值相结合的方式来表示。Frame type字段中的保留值“001、101、110、111”分别表示所携带的DEVID的b7b6为“00、01、10、11”;使用Frame control字段中的保留值b15-b11分别表示DEVID中的b5-b1;使用Fragmentation control字段中的保留值b23表示DEVID的b0字段。

(2) PNC使用数据帧进行回复,将自己要回复的节点的DEVID用保留位与现有值相结合的方式来表示。Frame type字段的现有值010表示类型为数据帧,使用Frame control中Protocol version字段的现有值000和保留值001、010、011表示b7～b6位值分别为00、01、10、11;用Frame control字段中的保留值b15-b11分别表示DEVID中的b5-b1;使用Fragmentation control字段中的保留值b23表示DEVID的b0字段。

具体操作机制如下。

(1) PNC将所要回复的DEVID放置在回复给其他节点的ACK帧或数据帧中。

(2) 已发送节点类型信息但未收到PNC确认消息的节点进行泛听。若侦听到上述ACK帧或数据帧,则首先查看该帧的DestID值是否为自己,若为自己则直接接收;否则,查看该帧中的SrcID。如果该帧中的SrcID值不为0,则直接丢弃该帧;否则,继续查看该帧中Frame type字段,根据Frame type字段值进行操作。

(3) 如果该帧中Frame type值为“001、101、110、111”,查看DEVID对应的字段值,如果DEVID与自身节点地址相同则表示PNC已经收到节点发送的类型信息,结束侦听;否则继续侦听。如果该帧中Frame type值为“010”,则查看Protocol version字段、Fragmentation control和Frame control中的保留字段的值,若均为0,则确定该帧为普通的不携带PNC回复信息的数据帧,不再做后续操作;若上述字段的值不全为0,则用Protocol version字段的现有值(000)和保留值(001、010、011)(表示b7～b6位的值)、前述6位保留字段的值(表示b5～b0位的值)组成DEVID,然后将DEVID与自身节点地址进行比对,若相等则表示PNC已经接收到本节点报告的类型信息,结束泛听;若不相等则继续侦听。

3 性能分析

与FDP和FCP协议相比,本文提出的EARA-T方法信息报告控制开销较小。

假设网络中PAN的个数为2,每个PAN中有一个PNC和个DEV,个DEV中为边缘节点的概率为,第个边缘节点信息报告成功的概率为,则第个边缘节点信息成功报告所需的次数为1。其中表示FCP协议中携带故障信息的时隙请求帧的帧长,表示FCP协议中回复帧的帧长;表示FDP协议中时隙请求帧的帧长,表示该协议中回复帧帧长,、分别表示该协议中新增的故障申告帧及申告回复帧的帧长;、分别表示本文提出的EARA-T方法中时隙申请帧及回复帧的帧长。假设两种对比协议及EARA-T方法中DEV个数,边缘节点概率,第个边缘节点信息报告成功率的值都相同。

FCP协议总的信息报告控制开销为

(1)

FDP协议总的信息报告控制开销为

(2)

EARA-T方法总的信息报告控制开销为

(3)

其中,由于FDP协议是将报告信息通过新的故障申告帧报告给PNC,FCP协议将报告信息通过报文携带转发的方式报告给PNC,本文提出的EARA-T方法将报告信息通过原有帧的保留值字段改变报告给PNC。则时隙请求帧=<,回复帧==。可推得+=+<+。由于FDP中新增的信息申告帧开销+大于FCP协议中的新增信息报告字段开销-,则可推得(+++)-(+)>0。所以本文提出的EARA-T方法信息报告控制开销最小,即CEARA-T

证毕

4 仿真实验

本文采用仿真软件OPNET14.5进行仿真验证,将本文提出的EARA-T方法与FDP和FCP协议的性能进行了比较。

4.1 仿真统计量

本文从以下仿真统计量参数方面进行了仿真性能验证。

(1) 信息报告控制开销

信息报告控制开销指为报告边缘节点信息所导致的控制开销的比特数,单位为bit,计算式为

(4)

式中:表示网络中信息报告的次数;表示第次信息报告的控制消息比特数。

(2) 信息报告时延

信息报告时延指网络中故障信息报告帧从发送端到接收端的平均耗时,单位为ms,计算式为

(5)

式中:表示网络中信息报告的次数;表示第帧从发送端到接收端的时延。

(3) 信息报告成功率

信息报告成功率指网络中到达目的节点的信息报告帧数据量与源节点发送的信息报告帧数据量之比,计算式为

(6)

式中:表示节点个数;表示第个节点接收的信息报告帧数据量;表示第个节点发送的信息报告帧数据量。

(4) 吞吐量

吞吐量指网络中单位时间内到达目的节点的数据量,单位为bps(bit/s),计算式为

(7)

式中:表示网络运行时间;表示时间内第个节点所接收的数据量。

4.2 仿真参数设置

本文采用仿真软件OPNET14.5进行仿真验证,根据太赫兹无线通信的特点并结合典型的相关文献,设置主要仿真参数如表1所示。

表1 主要仿真参数

4.3 仿真结果分析

3种协议的信息报告控制开销如图3所示。从图3可以看出,EARA-T的信息报告控制开销是3种协议中最小的,相较于FDP和FCP协议,本文提出的方法分别降低了23.9%和14.1%。这是由于FCP协议将故障信息通过原有帧携带转发的方式报告,EARA-T通过原有帧类型中的字段保留位值的改变报告故障信息。FDP协议增加新的帧类型申告故障信息,极大地增加了协议的信息报告控制开销。

图3 信息报告控制开销Fig.3 Information reporting controls overhead

3种协议的信息报告时延如图4所示。从图4中可以看出,随着节点数的增多,信息报告时延逐渐增大。相较于FDP和FCP协议,EARA-T的信息报告时延最小,分别降低了11.2%和3.7%。这是因为FCP协议携带的故障信息使得信息报告数据包增大,传输时延随之增大。由于FDP协议增加了新的故障申告帧去报告故障信息,而本文提出的新方法没有增加新的帧类型去报告故障信息,随着节点数的增多EARA-T的信息报告时延始终低于FDP协议的信息报告时延。

图4 信息报告时延Fig.4 Information reporting delay

3种协议的信息报告成功率如图5所示。随着节点数的增多,3种协议的信息报告成功率都有所下降。但EARA-T的信息报告成功率始终是3种协议中最高的,相较于FDP和FCP协议,本文提出的方法分别提高了1.2%和0.4%。这是由于EARA-T通过原有帧类型中字段保留值报告故障信息,而FCP增加新的报告故障信息的字段,FDP协议通过新的帧申告故障信息。EARA-T报告故障信息时,发送的数据包最小,产生碰撞的几率更小,发送的成功率更高。

图5 信息报告成功率Fig.5 Success rate of information report

本文提出的方法与其他两种协议的吞吐量对比如图6所示。随着节点数的增加,整个网络的吞吐量逐渐增加至最大后,呈下降趋势。这是由于节点密度的增加,节点申请通信时隙的帧碰撞机率更大,申请时隙成功的几率逐渐减少。由于其他PAN边缘节点通信的影响,导致数据帧碰撞几率增大,数据帧发送成功几率减少。但是,本文提出的方法与其他两种方法相比,整个网络的吞吐量基本相近,并没有导致吞吐量性能的下降。

图6 吞吐量Fig.6 Throughput

当网络中总节点数大于127时,255节点场景下的仿真数据如表2所示。从表2可以看出,节点数增加时整个网络中的信息报告时延、信息报告控制开销较节点数小于127的仿真场景都有所增加,信息报告成功率及网络的吞吐量进一步下降。但节点数大于127时统计结果的变化范围都较为合理。

表2 255节点场景下仿真结果

5 结束语

本文针对太赫兹无线个域网络跨PAN通信所存在的N-CTAP时段边缘节点数据传输受干扰问题,提出了一种新的多PAN太赫兹无线个域网边缘节点信息高效自适应报告方法——EARA-T,并将该方法与FDP和FCP协议的性能进行了比较。通过OPNET软件的仿真验证,可以得出EARA-T方法相较于其他两种协议在性能上有不小于0.4%的改善。在下一步工作中,将考虑让PNC根据节点通信类型的不同有规律地为节点分配时隙并且跨PAN传送时隙分配比例信息,从而有效地解决边缘节点间帧碰撞带来的网间节点的干扰问题。