高效高带宽利用率的太赫兹无线网络定向MAC协议

任 智,刘奕君,李维政,周佳琦

(重庆邮电大学 通信与信息工程学院,重庆 400065)

1 引 言

随着无线数据流量的爆炸式增长,现有的无线通信技术已经逐渐达到瓶颈,未来的全息通信、无人驾驶等都需要更高的传输速率以及更低的时延来支持.太赫兹频段具有丰富的频谱资源,可以在频谱效率较低的情况下实现较高速率的无线数据传输.太赫兹(TeraHertz,THz)通信技术[1-4]采用太赫兹波作为载波,是未来移动通信的主导方向之一.

太赫兹信号容易被大气中的极性分子吸收,从而形成严重的大气衰减[5,6],因此THz频段主要适用于短距离无线通信[7].

现有的太赫兹网络定向接入控制主要是以IEEE 802.15.3c[8]和IEEE 802.11ad[9]作为参考,在IEEE 802.15.3c中,定向Beacon时段需要微网控制节点(PicoNet,PNC)在全方向各个扇区连续发送扇区数量个Beacon帧,以便让所有节点(DEVice,DEV)都能在一个超帧时间内收到,这个过程耗费时间过长,导致信道利用率低,并且随着扇区以及节点数量的增加,Beacon帧中的信息不断增加,导致定向Beacon时段控制开销过大以及占用时隙过多.针对控制开销问题,文献[10]中提出一种“自适应Beacon帧”机制,PNC通过在上一超帧的竞争接入时期(Channel Access Period,CAP)确定DEV在扇区内的分布情况,当PNC向一个扇区内发送Beacon帧时,Beacon帧的时隙信息分配字段放入该扇区内DEV参与的时隙信息.该方法虽然可以在一定程度上降低控制开销,但总体上降低比例不大,Beacon时段控制开销仍然很多.针对信道利用率低的问题,文献[11]中提出了“机会性复用定向Beacon时段”机制,该机制通过收到关联请求帧的信号强度来判断DEV与PNC之间的相对距离,将源和目标DEV在同一个扇区并且距离PNC位置较远的通信安排在Beacon时段,达到提高信道利用率的目的.

本文针对现有的太赫兹无线网络定向Beacon时段中控制开销过大以及占用时间过长的问题,提出一种高效高带宽利用率的太赫兹无线网络定向MAC协议,减少了控制开销,同时降低了Beacon时段的时隙占用,提高了信道利用率.

2 网络模型和问题描述

2.1 网络模型

如图1所示,太赫兹无线网络是由多个DEV和一个PNC组成的网络.网络中的任意两个DEV之间可以进行通信,PNC主要负责整个网络的同步以及信道资源管理.

图1 网络拓扑模型Fig.1 Network topology model

太赫兹无线网络采用与IEEE 802.15.3c相同的超帧结构,如图2所示.每一个超帧都分为3个时期:信标时期(Beacon)、竞争接入时期(CAP)、信道时期分配时期(Channel Time Allocation Period,CTAP).其中,Beacon时段用于节点接入网络,CAP时段用于DEV向PNC发送时隙申请,CTAP时段用于分配了信道资源的DEV在分配的信道资源(Channel Time Allocation,CTA)中完成数据传输.

图2 超帧结构Fig.2 Superframe structure

2.2 问题描述

通过深入研究发现,现有太赫兹无线网络的定向Beacon时段在控制开销以及信道利用率方面还存在如下问题:

在太赫兹定向网络中,Beacon帧用于网络中的DEV进行同步、获取全网节点信息以及时隙分配信息,因此必须保证在每一个超帧中,所有DEV都要收到PNC发出的Beacon帧.但是由于定向天线的使用,每一个节点的波束方向是随机不确定的,因此为了确保全网所有节点都能收到PNC发出的Beacon帧,PNC在每一个超帧的Beacon时段都会在每一个扇区方向连续发送扇区数量个Beacon帧,DEV则不断进行波束扫描,并且DEV在波束扫描过程中有一次与PNC波束对齐的机会.

随着网络规模的扩大和扇区数目的增加,Beacon帧的长度也会增加,Beacon时段的长度和在整个超帧中的占比也会随着增加,这样会导致越来越多的控制开销.如何在不影响DEV接入效果的前提下,减少Beacon时段的控制开销和时隙占用,提高太赫兹无线网络定向接入协议的运行效率和带宽资源利用率,是一个待解决的问题.

3 HEBU-MAC

针对以上问题,本文提出了一种高效高带宽利用率的太赫兹无线网络定向MAC协议,该协议分为“基于常短帧精简Beacon帧”机制以及“基于常短时隙压缩基本时隙”机制.通过这两种机制,减少了Beacon时段的控制开销,降低了Beacon时段的时隙占用,让更多的时隙可以用于数据传输,提高了太赫兹无线网络的运行效率和带宽资源利用率.

3.1 基于常短帧精简Beacon帧机制

针对2.2中的控制开销过大问题,提出了基于常短帧精简Beacon帧机制,该机制的主要思路是在Beacon时段,将Beacon帧由以前的1种帧类型,增加到2种帧类型,不同帧类型用帧长度进行区分,未进行删减的Beacon帧称为常规Beacon帧,删减了部分字段的Beacon帧称为短Beacon帧,在不影响Beacon时段效果(指DEV在Beacon时段都能收到PNC发出的同步、时隙分配等信息)的前提下,在每一个扇区方向先发送短Beacon帧用于PNC与DEV之间的波束对准,发送最后一个Beacon帧时才使用常规Beacon帧.

常规Beacon帧的帧结构如图3所示,其中Information element字段包含关联DEV信息以及时隙分配信息,不同的Information element具体帧格式也各不相同.

图3 常规Beacon帧结构Fig.3 Conventional Beacon frame structure

Frame Type字段用于指明当前Beacon帧是短Beacon帧还是完整的常规Beacon帧;Sequence字段表示在该帧是在当前扇区发送的第几个Beacon帧,用于接收节点计算接收天线在某一个方向的停留时间,如果停留时间过了以后还没收到常规Beacon帧,则继续旋转到其他扇区.

对于PNC来说,在每一个超帧的Beacon时段,只有一次与DEV波束对准的机会,在没有对准前,发送的Beacon帧均无法被DEV正确接收,因此可以先使用较短的短Beacon帧用于PNC与DEV之间的波束对齐,对齐之后,PNC再发送完整的Beacon帧,用于DEV获取相关时隙分配信息,并且完成与PNC之间的同步.

精简后的短Beacon帧的帧结构如图4所示.

图4 短Beacon帧结构Fig.4 Short Beacon frame structure

在传统方法中,PNC在每一个扇区方向,会连续发送M(M为扇区数量)个常规Beacon帧,而基于常短帧精简Beacon帧机制的不同之处在于,PNC在每一个扇区发送前M-1个帧时使用短Beacon帧,发送第M个帧时才使用常规Beacon帧.这样PNC与DEV之间未对准波束时,PNC使用短Beacon帧用于与DEV之间对准波束,对准之后PNC才发送常规Beacon帧,从而极大程度的降低了控制开销.

基于常短帧精简Beacon帧机制具体操作步骤如下:

1)PNC基本操作:PNC在每一个扇区发送Beacon帧时,首先判断当前发送的Beacon帧是本扇区中发送的第几个帧(即帧序号),如果发送的Beacon帧的帧序号小于扇区数量,则组装短Beacon帧发送出去;如果发送的Beacon帧的帧序号等于扇区数量,则组装常规Beacon帧发送出去.

2)DEV基本操作:DEV节点在Beacon时段旋转天线方向尝试接收来自PNC的Beacon帧,当在某一个方向上收到来自PNC的Beacon帧后,则停止转动波束方向.DEV判断收到的Beacon帧的帧类型,如果收到短Beacon帧,则停止波束扫描,并且根据收到的短Beacon帧的帧序号算出需要等待的时间(此等待时间如公式(11)所示),经过该等待时间后,继续旋转扫描接收;如果在该等待时间内,收到常规Beacon帧,则提取其中的时隙分配信息、同步信息等,并且将天线方向固定在当前扇区,等待CAP时段到后再向PNC发送入网请求或者时隙请求.

在使用了精简后的常短Beacon帧后,DEV在Beacon时段旋转过程中首先收到的既可能是常规Beacon帧,也可能是短Beacon帧,但无论DEV先收到的是常规Beacon帧还是短Beacon帧,都不会影响网络的其他功能.DEV在先收到常规Beacon帧的情况下,由于常规Beacon帧中包含了全网关联DEV信息、时隙分配信息以及同步信息,因此DEV可以立即完成与PNC之间的同步,并且获取自己需要的信息,与使用该机制之前的操作一致,使用新机制后不会产生负面影响;当DEV在Beacon时段先收到的是短Beacon帧时,由于短Beacon帧中只含有帧类型、序列号以及同步信息,与常规Beacon帧相比减少了全网关联DEV信息以及时隙分配信息,虽然此时DEV获取的信息不全,但是在新机制中,DEV收到短Beacon帧后就不再旋转天线,由于PNC在一个方向上发生连续多个短Beacon帧之后最后一定接着一个常规Beacon帧,因此收到短Beacon帧的DEV在该方向上一定能收到来自PNC的一个常规Beacon帧,这样DEV也能从最后收到的常规Beacon帧中获得完整的信息,因此使用新机制后DEV仍能正常获取PNC发送的信息,不会对网络的其他功能造成影响.

3.2 基于常短时隙压缩基本时隙机制

针对2.2中Beacon时段占用超帧比例过大的问题,提出基于常短时隙压缩基本时隙机制.该机制的主要思路是:在超帧的Beacon时段,为了节约时间开销,将原来的一种基本时隙,增加为两种;两种基本时隙通过长度来区分,新类型基本时隙的长度比原基本时隙的长度更短,为此,将原基本时隙称为“常规基本时隙”,新类型基本时隙称为“短基本时隙”.通过大量使用较短的短基本时隙,少使用较长的常规基本时隙,达到降低Beacon时段占用超帧比例的目的.

由于一个常规基本时隙由传输时延、处理时延、保护时隙3个部分组成,为了将原基本时隙压缩为更短的短基本时隙,必须要压缩传输时延、处理时延以及保护时隙中的某一个.考虑到处理时延以及保护时隙压缩后可能影响网络的正常运行,并且使用短Beacon帧后,可以将短Beacon帧在更短的时间内发送出去,因此选择压缩传输时延.

1)计算短基本时隙的算法如下:

一个短Beacon帧的总比特数C1为136(其中Frame Type占用1字节,Sequence占用1字节,同步信息占用15字节),一个常规Beacon帧的总比特数为与全网DEV数目有关,设发信机的发送速率为R,全网的最大节点数目为NMAX,一个DEV信息占用13字节,一个时隙分配信息占用7字节,Information element头部占用4字节.则一个最大常规Beacon帧的总比特数计算如式(1)所示:

C2=(21+13×NMAX+7×NMAX)×8

(1)

即:

C2=168+160×NMAX

(2)

设处理时延为T0,保护时隙为T1,常规基本时隙为T2,则常规基本时隙计算如式(3)所示:

(3)

短Beacon帧节约的比特数如式(4)所示:

C3=32+160×NMAX

(4)

因此,短基本时隙计算如式(5)所示:

(5)

2)短基本时隙和常规基本时隙的差值计算如式(6)所示:

(6)

3)每个扇区节约的扫描时间

由于PNC在每个扇区发送M-1个短Beacon帧和1个常规Beacon帧,常规Beacon帧最后发,因此PNC消耗M-1个短基本时隙和1个常规基本时隙.则使用常短时隙PNC在每个扇区消耗的时间如式(7)所示:

(7)

在不使用短基本时隙时,PNC在每个扇区发送M个常规Beacon帧,消耗M个常规基本时隙,因此不使用短基本时隙时PNC在每个扇区消耗的时间如式(8)所示:

(8)

因此,使用短基本时隙后,PNC在每一个扇区节省的时间如式(9)所示:

(9)

4)扇区扫描节约的总时间计算如式(10)所示:

(10)

5)非PNC节点收到短Beacon帧后,会根据短Beacon帧的帧序号 计算在当前扇区剩余扫描等待时间,扫描等待时间计算如式(11)所示:

(11)

基于常短时隙压缩基本时隙机制具体操作步骤如下:

1)PNC基本操作:PNC在发送Beacon帧时,判断当前发送的Beacon帧是本扇区中发送的第几个帧(即帧序号),如果当前发送的Beacon帧的帧序号小于扇区数量,则PNC每经过一个短基本时隙发送下一个Beacon帧,并且每发送一个Beacon帧,帧序号就加一;如果当前发送的Beacon帧的帧序号等于扇区数量,则PNC经过一个常规基本时隙后,将天线方向转向下一个扇区,重新发送Beacon帧,并且将帧序号置1.

2)DEV基本操作:在Beacon时段,DEV的操作与“基于常短帧精简Beacon帧”机制中DEV的操作一致.

“基于常短时隙压缩基本时隙”机制的使用依赖于常短Beacon帧,由于短Beacon帧的帧长相较于常规Beacon帧大大减少,从而PNC在发送短Beacon帧时,发送时延也随之减少,如果仍采用旧的常规基本时隙,会造成时隙的浪费.在新的时隙压缩机制中,为了确保使用短基本时隙后不会对网络的其他部分功能造成影响,新的短基本时隙仅仅对传输时延进行了压缩,对处理时延以及保护时延未做任何改动,压缩后的短基本时隙足够发送短Beacon帧,因此在使用常短时隙机制后,短基本时隙和常规基本时隙都不会影响Beacon帧的正常发送.

4 性能分析

定理1.与基于IEEE802.15.3c的太赫兹MAC协议相比,HEBU-MAC的接入控制开销更小.

证明:假设网络中的节点数量为N个,扇区数量为M个.在HEBU-MAC中,PNC在每个扇区发送M-1个短Beacon帧和1个常规Beacon帧,而在802.15.3c标准中,PNC在每个扇区发送M个常规Beacon帧,因此HEBU-MAC节约的控制开销为:

C4=(32+160×N)×(M-1)×M

(12)

由于扇区数量M以及节点数量N的取值不为0,可得:

C4≥0

(13)

由公式(13)可知,HEBU-MAC的接入控制开销更小,证毕.

定理2.与基于IEEE802.15.3c的太赫兹MAC协议相比,采用HEBU-MAC的网络吞吐量更高.

证明:由3.2节可知,在802.15.3c中Beacon时段每一个扇区占用的时间为T6,HEBU-MAC的Beacon时段每一个扇区占用时间为T5,使用HEBU-MAC后,PNC在每一个扇区节省的时间为T7,由于扇区数量M以及节点数量N的取值大于0,可得:

T7≥0

(14)

考虑到每一个超帧的长度相同,在HEBU-MAC中的Beacon时段占用时间更短,因此在相同的超帧内可以有更多地时隙用于传输数据,带来更大的吞吐量,证毕.

5 仿真验证

5.1 仿真参数

本实验通过OPNET14.5仿真工具,将基于HIEEE802.15.3c[8]的太赫兹MAC协议、FE-MAC[10]协议和HEBU-MAC协议进行了仿真验证,仿真过程中每个节点的业务量相同,具体的仿真参数如表1所示.

表1 仿真主要参数Table 1 Main parameters of the simulation

5.2 仿真结果分析

1)吞吐量 吞吐量指整个网络中单位时间内成功地传送的比特数量,在无线网络中,吞吐量不仅与无线收发机的收发包速率有关,还取决于MAC协议对数据包的传输控制.图5表明,使用HEBU-MAC协议后,相较于802.15.3c MAC协议和FE-MAC协议有更大的吞吐量,这是因为HEBU-MAC在定向Beacon时段使用常短时隙机制,与常规基本时隙相比,短基本时隙占用的时间更短,使用短基本时隙可以减少PNC在每一个扇区方向的停留时间,从而缩短Beacon时段的时隙占用,并且随着扇区数量的增加,缩减的时间也逐渐增多,在相同的超帧长度内,PNC可以为网络中的节点分配更多的时隙资源,从而增加节点的数据传输时间.同时,随着节点数量的增加,网络中的数据量逐渐增多,从整体上提高网络的吞吐量.

图5 吞吐量Fig.5 Throughput

2)控制开销 Beacon时段控制开销指Beacon时段中发送Beacon帧的比特数之和.图6表明HEBU-MAC与另外两种协议相比,每一个超帧中的控制开销明显下降.这是因为HEBU-MAC采用常短帧机制,在每一个扇区中,对于前M-1(M为扇区数目)个发送的Beacon帧,都使用短Beacon帧,其中只包含帧类型、帧序号以及同步信息,与常规Beacon帧相比长度明显减小，HEBU-MAC协议在Beacon时段发送的M×M个Beacon帧中,只有M个常规Beacon帧,其余都为短Beacon帧.FE-MAC中Beacon帧只减少了部分时隙分配信息,每一个Beacon帧的长度与之前相比缩减比例不大,而HEBU-MAC中的短Beacon帧只有136比特,并且随着节点数量的增多,常规Beacon帧长度越来越长,但短Beacon帧的长度始终保持不变,短Beacon帧缩减程度愈加明显,短Beacon帧占常规Beacon帧的比例越来越小,控制开销得到明显减少.

图6 控制开销Fig.6 Control overhead

3)数据平均时延 数据时延指网络运行阶段一个数据包从源端的应用层到目的端应用层所耗费的时间.图7表明,相较于另外两种协议,HEBU-MAC具有更低的数据平均时延,这是因为HEBU-MAC将常规基本时隙进行压缩得到短基本时隙,在FE-MAC中,每一个扇区都要经历M(M为扇区数目)个完整的常规基本时隙,在整个Beacon时段总共经历M×M个常规基本时隙,整体上耗费时间较长.而在HEBU-MAC协议中大量使用短基本时隙后,在每一个扇区经历M-1个短基本时隙和1个常规基本时隙,在整个Beacon时段总共经历M×(M-1)个短基本时隙以及M个常规基本时隙,由于短基本时隙是在常规基本时隙的基础上压缩而来,因此与FE-MAC相比,HEBU-MAC协议中的Beacon时段占的时隙得到明显减少,并且随着扇区数量以及节点数量的增加,缩减程度会越来越明显,因此每一个超帧与之前相比可以发送更多的数据,减少了数据包在MAC层的等待时间,从而在整体上降低数据平均时延.

图7 数据平均时延Fig.7 Data average delay

6 结束语

本文针对太赫兹无线网络中,随着扇区数量以及网络节点数量的增加,Beacon时段控制开销过大以及耗时过长的问题,提出了一种高效高带宽利用率的定向MAC协议,该协议在保证Beacon时段功能的前提下,通过在每一个扇区方向大量使用精简的短Beacon帧以及压缩常规基本时隙,极大地降低了控制开销,提高了信道利用率.在未来的工作中,将进一步研究定向通信中空间复用的问题,从而进一步提高网络的时隙利用率.