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降低控制开销的太赫兹无线个域网双信道MAC协议

2023-01-31逊,霍兵,任

小型微型计算机系统 2023年1期
关键词:发送数据赫兹吞吐量

周 逊,霍 兵,任 智

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,四川 绵阳 621900)

1 引 言

如今,对于短距离无线通信的数据速率需求已达到数10Gbps[1],而现有的无线通信技术由于带宽的限制无法满足此需求.太赫兹(terahertz,THz)波段(0.1THz-10THz)的带宽可以提供太比特每秒级别数据的速率[2,3]来满足不断增长的数据速率的需求.但由于太赫兹波在空气中易衰减特性,现有的无线MAC协议无法适用于太赫兹通信网络[4].

目前已有一些针对太赫兹波的特点[5,6]而提出使用波束形成定向发送数据[7]的双信道MAC协议.Sara等人提出利用不同频段的信道进行数据通信和数据确认来提高信道的利用率[8].Yao等人提出一种用于提高太赫兹通信距离的MAC协议[9](Assisted Beamforming MAC Protocol for Terahertz Communication Networks,TAB-MAC),该协议使用全向2.4GHz WIFI信道交换控制信息,实际的数据传输使用THz频段定向传输.Han等人提出用3D量化的角度空间将接入点(access point,AP)的服务区域划分为多个角度时隙[10]提高通信质量的方法.文献[11]提出将地址字段从MAC帧中移除,进一步降低控制信令的负载的方法.文献[12]采用中继协作提升通信成功率的方法.Wang等人提出使用多对互不干扰的节点并行传输的方式提高网络的吞吐量[13].文献[14]提出的EF-MAC协议通过目的节点向源节点发送测试帧机制来减少一个确认帧,从而减少部分控制开销和测试时延.

由上述分析可知,现有的太赫兹MAC协议通信性能优化研究虽然取得了一些成果,但还存在信息控制开销需要进一步降低和网络吞吐量需要提高的问题.

针对以上问题,本文提出了一种低控制开销的太赫兹无线个域网双信道MAC协议.

2 网络模型与问题描述

2.1 网络模型

本文研究所采用的EF-MAC协议的网络模型如图1所示,网络中的节点由定位辅助节点和用于数据传输的常规节点组成.MAC协议交互采用的帧结构设置如图2所示,在请求发送帧(Request To Send,RTS)和允许发送帧(Clear To Send,CTS)中使用3个2字节(用X、Y、Z表示三维空间中的位置信息)的位置字段携带节点的位置信息,4字节的波束信息字段表示波束的相关信息(波束宽度和指向).

图1 网络模型图Fig.1 Network model

图2 MAC帧格式图Fig.2 MAC frame format

MAC协议的交互过程为:如果源节点需要发送数据给目的节点,在第1阶段,首先通过2.4GHz WIFI全向天线发送一个RTS帧广播其请求.目的节点收到RTS帧后,若当前未与其他节点进行通信则发送一个CTS帧给源节点完成信道预约机制并相互交换彼此的位置信息.在第2阶段,源节点和目的节点根据收到的对方节点的位置信息调整各自的太赫兹天线以形成特定的波束方向相互对准.在太赫兹频段,目的节点通过太赫兹定向天线发送测试(Test To Send,TTS)帧给源节点,源节点收到测试帧后确认信道的互易性,开始进行高速数据传输.数据传输完成后,目的节点通过回复源节点一个确认(Acknowledgement,ACK)帧确认并结束两节点通信的过程.

2.2 问题描述

在深入研究现有的太赫兹双信道MAC协议后,发现其存在网络吞吐量较低及信息控制开销较大的问题:

1)在通信网络中如果源节点(节点A)有发送数据给目的节点(节点B)的需要,且同时节点B也需发送数据给节点A,依照原有的协议需要进程两次通信过程才能完成两个节点间的数据通信.而节点A与节点B在太赫兹天线对准后,通过使用不同的波束同时进行双向通信,可以降低信息控制开销,提高网络吞吐量.

2)在现有MAC协议交互机制中通过节点位置信息调整太赫兹定向天线,增加了信息控制开销.在已经进行通信的两节点再次数据传输时需要重新进行RTS/CTS的交互流程,信息控制开销进一步增加.

3 提高MAC协议性能的新机制

为了解决上述问题,现基于太赫兹双信道MAC协议,提出LCO-MAC协议降低信息交互的控制开销的同时提高网络吞吐量.

3.1 点对点全双工通信机制

由于太赫兹波束极窄,与传统的低频段波束间干扰不同,其波束间的干扰很小.在现有的消除天线自干扰技术[15]发展的基础上,可以在使用定向波束发送数据的同时,天线阵列的其他区域接收对方节点通过波束形成发送的数据.其基本思想为:源节点在发送RTS帧给目的节点进行信道预约时,目的节点在信道空闲并有数据需要发送给源节点时,通过发送双工通信请求(request-clear to send,R-CTS)帧进入双工通信流程.与原有的单波束通信协议相比,在有同时进行双向通信需求的节点间通信时,可通过一次信息控制帧的交互完成信道预约,省去了一个信息控制交互流程;两个节点双向通信的时间为其中用时的较大者,而原来单波束通信时两个节点互相发送数据所用的时间为两个节点两次通信的时间之和.新增加的R-CTS帧的帧格式如图3所示.将帧中地址信息字段中的目的地址的值填充为该节点要回复的发送RTS帧预约信道的节点的地址信息.

图3 R-CTS帧格式图Fig.3 Request-clear to send frame format

图4 太赫兹点对点全双工通信机制Fig.4 THz point to point full duplex communication mechanism

太赫兹点对点全双工通信机制的具体操作流程如图4所示,其主要操作步骤为:

1)若节点A需要发送数据给节点B,则节点A首先通过WIFI全向天线广播RTS帧进行信道预约.

2)节点B在WIFI频段接收到来自节点A的RTS帧后,若当前节点通信状态为空闲且同时需要发送数据给节点A时,则发送R-CTS帧给节点A并根据WIFI频段控制帧的到达角(angle of arrival,AOA),将THz频段的定向天线转向合适的角度;若节点B无数据发送需求,则遵循原来的MAC协议建立点对点半双工通信链路.

3)节点A收到来自节点B的R-CTS帧后,根据WIFI频段控制帧的到达角,将THz频段的定向天线转向合适的角度对准节点B,发送TTS帧给节点B测试信道1的连通性.

4)节点B收到来自节点A通过信道1发送的TTS帧后,发送TTS帧给节点A测试信道2的连通性.

5)节点A收到来自节点B发送的TTS帧后确定信道1联通,并回复给节点B一个ACK帧告知节点B信道2已联通.

6)在信道连通后,节点A、B通过不同的信道发送数据至目的节点.两个节点发送数据所用时间为其中用时的较大者.待数据发送完毕后,目的节点回复一个ACK帧给源节点完成通信的进程.

3.2 自适应省略CTS/TTS帧发送

该机制的基本思路为:每个节点在数据通信的过程中建立一张“波束对准方向表”用来储存已经通信过的节点间的太赫兹天线波束的对准方向.“波束对准方向表”的格式如表1所示,在两节点的太赫兹链路连通后,节点将对方节点的地址及太赫兹定向天线的对准位置分别储存在表1中,在下一次与相同的节点进行数据通信时首先查阅该表,根据表中信息调整天线位置并测试信道的连通性.如果节点移动导致网络拓扑发生变化,则需重新进行原有的控制信息交互流程,并在通信链路成功建立后更新表1中的相关节点的信息.

表1 波束对准方向表

该机制的具体操作步骤如下:

在每次通信前,如果通信的目的节点所需的太赫兹波束方向在维护的表中,则源节点发送一个RTS帧后,直接使用波束方向表中的信息将太赫兹天线调整至所需的方向,目的节点收到源节点发送的RTS帧,将RTS帧的到达角信息与“波束对准方向表”中信息对比,如果信息一致,则直接将太赫兹天线调整至对准源节点的位置并通过太赫兹信道发送一个ACK帧确认.源节点收到目的节点发送的ACK帧后表明太赫兹信道已经联通,则直接使用太赫兹频段进行定向数据传输.改进后的机制与现有的协议相比省去一个CTS和TTS帧的发送,降低信息控制开销;否则,重新进入原来的RTS/CTS交互流程进行信道预约.

4 性能分析

为确定本文提出的协议的有效性,本文采用EF-MAC协议作为比较对象,对本文提出的LCO-MAC协议带来的性能改善进行理论分析验证.

引理1.与EF-MAC协议相比,本文提出的协议提升了网络吞吐量.

则EF-MAC协议的网络吞吐量期望SEF-MAC可由下式得出:

(1)

LCO-MAC协议的网络吞吐量期望S为:

(2)

引理2.与EF-MAC协议相比,本文提出的协议减少了信息控制开销.

证明:假设网络中节点的个数为n,其中两个节点中需要同时通信的节点的个数为m(m

(3)

LCO-MAC协议的信息控制开销C为:

(4)

在通信场景不变和参数设置一致的情况下,由于两个节点中需要同时通信的节点的个数为m,采用本文所提出的协议可同时进行通信,只需一次RTS/CTS交互流程,所以同时通信的节点的信息控制开销为采用原来的EF-MAC协议通信的控制开销的1/2,剩余n-m个节点与其他节点通信带来的控制开销相同.因此CEF-MAC

5 仿 真

本文采用仿真软件OPNET14.5进行仿真验证,将本文提出的LCO-MAC协议与TAB-MAC协议和EF-MAC协议的性能进行了比较.

5.1 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)控制信息交互开销

指网络中节点间通信控制信息交互所产生的数据量,单位为bit,公式为:

(5)

式中,O为控制信息交互开销;n表示节点间通信控制信息交互次数;di表示第i次节点信息交互的数据量.

2)网络吞吐量

指单位时间内通信网络中节点成功传送至目的节点的比特数,单位为Gbps,公式为:

(6)

式中,S为网络吞吐量;n表示节点个数;T表示网络运行时间;Di表示时间T内第i个节点所接收的数据量.

3)信道利用率

指网络中数据帧传输时间占网络通信时间的比例,公式为:

(7)

式中,η为信道利用率;n表示网络中节点间通信的次数;Ti表示第i次节点间通信的数据帧传输时间;T为网络中所有节点通信的总时长.

5.2 仿真参数设置

本文在基于仿真参数的基础上,设置的主要仿真参数如表2所示.

表2 主要仿真参数表Table 2 Table of main simulation parameter

5.3 仿真结果分析

5.3.1 控制信息交互开销

3种协议的控制信息交互开销仿真结果如图5所示.LCO-MAC协议的控制信息开销与EF-MAC协议相比降低了12.6%.主要原因是双向通信节点在同时需要发送数据时,省略了一个RTS/CTS信息控制帧交互过程,降低了通信过程中节点交互的控制开销.已经通信过的节点再次通信时,若节点位置未变时采用本文提出的“自适应省略CTS/TTS”帧发送机制省去了一个CTS帧,可进一步降低控制开销.

图5 控制信息交互开销Fig.5 Controls overhead

5.3.2 网络吞吐量

3种协议的网络吞吐量仿真结果如图6所示.随着节点数的增加,通信网络的网络吞吐量逐渐增大.与EF-AMC协议相比,本文提出的LCO-MAC协议的网络吞吐量提升了11.3%.这是由于本文提出的双工通信机制在节点双向通信时省略了一个RTS/CTS交互流程,相同的通信时间内传输的通信数据更多.对于已经通信过的节点在再次通信且节点相对位置未改变的情况下,省去了CTS和TTS帧的发送,使得数据传输时间增大,进而提高了整个网络的单位时间成功发送的数据量,网络吞吐量提高.

图6 网络吞吐量Fig.6 Network throughput

5.3.3 信道利用率

3种协议的信道利用率仿真结果如图7所示,随着节点数的增加,信道利用率逐渐增加,最终趋于饱和.与EF-MAC协议相比,LCO-MAC协议的信道利用率提升了12%.主要原因是本文提出的方法在存在双向通信节点时,省略了一个RTS/CTS交互过程,使得THz信道数据通信的时间增加.对于已经通信过的节点,在再次通信且节点位置未变时省去了一个CTS和TTS帧,增加了THz信道数据发送在整个节点通信时间的比例,从而使信道利用率提高.

图7 信道利用率Fig.7 Channel utilization

6 结束语

本文针对现有太赫兹通信网络双信道MAC协议中所存在的信息控制开销较大影响网络性能的问题,提出了降低控制开销的太赫兹无线个域网双信道MAC协议——LCO-MAC.LCO-MAC协议通过点对点全双工通信机制,对于有双向通信的节点存在时可以省略一次信息控制交互流程和自适应省略允许发送帧/测试帧机制,降低信息交互过程的控制开销,提高网络性能.最后通过OPNET软件将该方法与TAB-MAC和EF-MAC协议的性能进行了仿真比较,可以得出本文所提出的协议相较于其他两种协议在性能上有所改善.未来的工作中,本文将进一步考虑如何实现太赫兹网络中节点通信的多输入输出问题的解决.

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