高效快速融合的双LAN太赫兹无线局域网MAC协议

古金东　任智　陈春宇　刘洋

摘 要：為了使两个独立运行的太赫兹无线局域网能快速完成协调融合以及提升融合后网络的性能，提出一种高效快速融合的双LAN太赫兹无线局域网MAC协议——EFC-MAC（efficient and fast convergence of MAC protocols）。首先，针对现有网桥节点选举机制不完善以及网络协调融合机制存在不足之处的问题，提出了在第一个网间节点进行申请入网时就开始进行网桥节点的选举，并将选举结果在下一超帧的BP时段进行通告的机制，并根据网络是否已经完成了协调融合而决定是否申请CTA以转发heartbeat消息的机制，使网络能高效快速完成融合；然后，针对网间节点申请公共时隙方式不够灵活的问题，提出根据P-CTAP所剩时隙量来动态申请CTA的机制，提升了网络的性能；最后，针对网桥节点切换机制尚不明确的问题，提出了采用一个CAP时段长度完成网桥节点切换的机制。仿真结果表明，所提协议有效提高了网络吞吐量，提升了时隙利用率以及降低了数据传输时延。

关键词：太赫兹波；网络融合；网桥节点；协调超帧

中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：1001-3695（2023）10-035-3114-06

doi：10.19734/j.issn.1001-3695.2023.03.0089

Efficient and fast convergence of dual-LAN terahertz wireless LAN MAC protocol

Gu Jindonga，b，c，Ren Zhia，b，c，Chen Chunyua，b，c，Liu Yanga，b，c

（a.School of Communication & Information Engineering，b.Key Laboratory of Mobile Communications Technology of Chongqing，c.Enginee-ring Research Center of Mobile Communications of the Ministry of Education，Chongqing University of Posts & Telecommunications，Chongqing 400065，China）

Abstract：In order to make two independently operated terahertz wireless LANs quickly complete coordinated convergence and improve the performance of the converged network，this paper proposed an efficient and fast convergence of MAC protocols（EFC-MAC） .Firstly，in view of the imperfection of the existing bridge node election mechanism and the shortcomings of the network coordination and convergence mechanism，this paper proposed a mechanism to start the election of bridge nodes when the first network node applied for network access，and announced the election results in the BP period of the next superframe，and other mechanism to decide whether to apply for CTA to forward heartbeat messages according to whether the network had completed coordinated convergence.So that the network could complete convergence efficiently and quickly.Then，aiming at the problem that the application method of public time slots by network nodes are not flexible enough，this paper proposed a me-chanism to dynamically apply for CTA according to the amount of time slot remaining in P-CTAP，which improved the performance of the network.Finally，aiming at the problem that the bridge node switching mechanism is not clear，this paper proposed a mechanism to complete the bridge node switching by using a CAP period length.Simulation results show that the proposed protocol can effectively improve network throughput，improve slot utilization and reduce data transmission delay.

Key words：terahertz waves；network convergence；bridge nodes；reconcile superframe

0 引言

随着移动通信技术的飞速发展，人们已经迈入了5G时代，目前看来，大多数应用程序所需的网络带宽在短期内得到了满足［1］。然而，随着人工智能、VR、云计算、区块链、物联网以及元宇宙等技术的快速发展，一些颇具前景的应用需要无线网络具有数10 Gbps以上的数据传输速率［2］，因此，现有的低频段频谱资源支持的数据传输速率显然不能满足这些新兴技术的需要，于是，不得不开始探寻一种新的无线网络通信方式以满足无线数据流量日益增长的需要。截至目前，现有的无线局域网技术难以支持高达数10 Gbps大小的数据传输速率［3］。因此，太赫兹技术成为了未来提高数据传输速率的关键候选技术［4］。由于太赫兹波是非电离的［5］，所以它较易被空气当中的极性分子吸收，从而导致严重的大气衰减，当空气中的水分子变多时，太赫兹波的信号衰减愈发严重，这些因素就决定了太赫兹波非常适用于室内短距离无线通信［6］。太赫兹波在电磁波谱上的位置如图1所示。目前，众多学者研究的太赫兹无线局域网能够通信的范围十分有限，通常只有20 m左右，因此众多国内外学者希望将多个同时运行的太赫兹无线局域网进行协调融合，来拓展整个网络的通信范围。

文献［1］针对多PAN太赫兹无线个域网中某些节点在CTAP时段可能存在邻近干扰的问题，提出了网边节点的概念，并引入了常规节点报告的机制。各DEV节点在入网前侦听信道结束后，主动发送关联请求帧请求入网，其中，关联请求帧的command type字段使用保留值来表明自己的节点类型。由于太赫兹无线网络是静态或准静态（节点缓慢移动）网络，网络结构可能会逐渐发生变化，所以当各节点发现自己的节点类型发生变化后，在CAP时段发送时隙请求帧时，应使用合适的command type字段来报告自己的节点类型。

文献［2］基于太赫兹无线个域网，提出了一种有序公平时隙分配机制。该机制首先将各节点的时隙请求量升序排列，接着计算位于第一个位置节点的时隙请求数是否小于等于CTAP时段剩余时隙数的均值，如果是，则直接分配，否则，就将CTAP时段剩余时隙数的均值分配给该节点，之后再对下一个位置节点的时隙请求进行同样的操作。该机制可保证申请时隙的各节点都可获得CTA的分配，一定程度上能提升接入信道的公平性和增大网络吞吐量。

文献［3］针对太赫兹无线个域网，提出了一种新颖的超帧结构，将CAP时段与CTAP时段调换位置，同时CAP时段的CTRq帧如果发生了重传，在重传之前应更新时隙请求量。文献还提出了合并同一对节点间的时隙请求，以减少CTA保护时隙的个数。该文献提出的几种机制降低了数据平均时延以及提高了网络吞吐量。新超帧结构如图2所示。

文献［4］基于太赫兹的体内无线纳米传感器网络，提出了一种根据数据的紧急性和节点的能量消耗联合计算优先级的新机制，并根据网络中节点的数量和节点的数据服务优先级来分配传输阶段的时隙，避免了节点之间的冲突。经过仿真表明，该机制可有效降低平均时延以及提升网络吞吐量。

文献［5］针对信道时间不能被完全利用的问题，提出了一种基于动态队列长度的时隙分配机制。在该机制中，各个DEV节点主动向PNC节点发送包含本节点MAC层数据缓冲队列长度大小的时隙请求帧。然而，这种载有数据队列长度信息的时隙请求帧只能以间隔的方式发送，因此，PNC节点不能及时更新最新的队列长度。于是，该机制利用历史到达的数据队列大小，动态地计算出数据队列大小的概率函数。然后，PNC节点根据这些概率函数来给各DEV节点分配信道时间。仿真结果表明，该机制可以提高信道时间的利用率。

1 双LAN太赫兹无线局域网网络模型

1.1 系统模型与超帧结构

双LAN太赫兹无线局域网网络模型主要由两个WLAN构成，如图3所示，每个WLAN由一个PNC和一些DEV节点构成，其中PNC节点可以与本网内的所有DEV节点进行单跳通信，DEV节点随机散落在局域网中，相距较近的DEV节点可以进行单跳通信，而相距较远的则需要通过PNC进行中继通信。DEV节点分为网内节点以及网间节点，只能侦听到一个WLAN广播的beacon帧的DEV节点为网内节点，而能侦听到两个WLAN广播的beacon帧的DEV节点为网间节点。网间节点通过选举机制可以决策出网桥节点，网桥节点可以通过转发载有协调超帧信息的控制消息使两个同时运行的太赫兹无线局域网完成协调融合以及转发跨LAN的数据帧。

太赫茲网络的运行时间被划分为无数个超帧。双LAN太赫兹无线局域网在最初的运行阶段是两个并行的WLAN，均使用普通超帧结构。两个WLAN在进行协调融合之后，均采用协调超帧结构。普通超帧结构和协调超帧结构分别如图4和5所示。

每个普通超帧由四个具有时间先后顺序的时段构成，即信标帧时段（beacon period，BP）、竞争接入时段（contention access period，CAP）及信道时间分配时段（channel time allocation period，CTAP）。BP时段用于PNC节点向本WLAN内的所有DEV节点广播beacon帧；在CAP时段，WLAN内所有DEV节点以CSMA的方式竞争接入信道，以向PNC发送关联请求帧请求关联入网或发送CTRq帧申请下一超帧的时隙资源；CTAP时段用于节点间以TDMA方式进行数据流的传输。

每个协调超帧仍由四个具有时间先后顺序的阶段构成，即信标帧队列时段（beacon alignment period，BAP）、竞争接入时段（contention access period，CAP）、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）。比较特殊的是，信标帧队列阶段划分为了两个具有时间先后顺序的beacon时段，用于两个WLAN内的PNC先后向各自网络内的所有DEV节点发送beacon帧，beacon帧中主要包含了协调融合后网络内的所有节点信息、各个时段的起始时刻及时长和CTAP时段CTA的分配情况；协调超帧CAP时段和普通超帧的CAP时段所起的作用大致类似；协调超帧的CTAP时段被细分为了N-CTAP时段和P-CTAP时段，而P-CTAP时段又进一步划分成P-CTAP1时段和P-CTAP2时段，两个WLAN的N-CTAP时段在时间上是并行的，用于传输网内节点之间的数据流，P-CTAP1、P-CTAP2在时间上是串行的，分别用于传输WLAN1、WLAN2内涉及到网间节点的数据流。

1.2 双LAN太赫兹无线局域网协调融合分析

由于太赫兹超高的频率会导致严重的路径损耗，所以太赫兹波非常适合于短距离通信。在太赫兹网络中，节点之间的通信距离最远为10 m，因此單个太赫兹无线局域网的最大覆盖范围为20 m，太赫兹无线局域网的网络拓扑图如图6所示。

太赫兹无线局域网是一种具有超高速数据传输速率的无线网络，然而单个网络的传输距离十分有限，同时，当两个独立运行的太赫兹无线网络的覆盖范围出现交叉重叠时，位于重叠区域的节点会受到干扰。因此，太赫兹无线网络进行协调融合的需求变得势在必行。

双LAN太赫兹无线网络的协调融合方式主要是位于重叠区域的网桥节点在收到两个网络的普通超帧的beacon帧信息后，经计算将两个独立运行网络的普通超帧经计算合并为协调超帧，并通告给两个网络的PNC节点，之后，两个网络均使用协调超帧。

1.3 现有协议相关机制介绍

文献［6］提出了一种基于网桥节点的超帧统一机制。该机制主要是让网桥节点在收到两个网络的普通超帧的beacon帧后，计算出协调超帧信息，然后以CSMA的方式在CAP时段将载有协调超帧信息的heartbeat消息发送给两个网络的PNC节点以完成协调融合。

文献［7］提出了一种基于能量有效的网桥节点选择机制。该机制主要是定义了一种可以携带自身剩余能量值信息的特殊时隙请求帧，使网间节点在CAP时段进行申请时隙的同时，可以主动向高级PNC汇报自身剩余能量值信息，高级PNC根据各节点的剩余能量值大小选择好网桥节点后通过时隙请求回复帧向所有网间节点作出通告。

文献［7］提出了一种网间节点的时隙分配机制。该机制主要是只让高级PNC为网间节点之间的数据传输分配时隙。

现有IEEE 802.15.3标准并未对网桥节点的切换方式作出说明，相关的太赫兹MAC协议也未对其进行过研究。

2 问题描述

经过研究发现，现有双LAN太赫兹无线局域网MAC协议仍存在方案设计不完善，造成网络吞吐量低、数据平均时延大以及时隙利用率低等问题，具体如下：

2.1 网桥节点选举机制不完善

a）一个超帧的最大长度约为0.06 s，而每个DEV节点入网前都要主动侦听信道至少一个最大超帧长度的时间，所以DEV节点在请求入网时，已经判断出了自身是否为网间节点。因此，网间节点在时隙申请阶段才发送携带自身能量信息的特殊CTRq帧，会造成选举网桥节点所需的耗时较大。

b）在CAP时段，只有DEV节点在有数据传输需求时才会发送CTRq帧，所以高级PNC节点究竟在本超帧的CAP时段的哪个时刻才结束网桥节点的选举过程便成了一个不可预知的问题。

c）按照现有机制，假设能量值分别为10、20的节点优先以CSMA的方式竞争到了信道，高级PNC便会选取能量值为20的节点作为网桥节点，但之后能量值为1 000的节点才在本超帧的CAP时段靠后的位置竞争到了信道，这会导致网络并未选取到最合适的网桥节点。

d）CAP时段占整个普通超帧的时长不足5%，除了网间节点要发送CTRq帧以外，其余网内节点也要申请时隙，而且网桥节点在收到两个网络的beacon帧后极易错过某一网络的CAP时段，因此在本超帧的CAP时段同时完成网桥节点选举和网络的协调融合过程不太可能，现有机制不必要地过早选举出了网桥节点。

2.2 现有网络协调融合机制不够完善

a）CTAP时段大约占整个超帧时长的95%，因此当网桥节点先后收到两个WLAN的beacon帧后，其中一个WLAN已经进入CTAP时段的可能性极大，这种情况如图7所示。由于普通超帧是不定长结构，故网桥节点在封装heartbeat消息时需要等待最新的两个beacon帧接收完毕，所以网桥节点在以CSMA方式转发heartbeat消息时，若某一WLAN已经进入了CTAP时段，则存在本超帧以及接下来几个超帧均不能成功转发heartbeat消息的可能性，导致两个WLAN不能快速完成协调融合。

b）现有heartbeat消息格式存在冗余且某些字段不能适用于太赫兹网络协调融合过程的所有情况。现有heartbeat消息首部格式及消息负载分别如图8和9所示。

2.3 网间节点申请公共CTA时未考虑两个WLAN所剩公共时隙的负载均衡

由于网间节点要通过高级PNC进行网桥节点的选举，所以网间节点在申请关联入网时，就都会加入到高级PNC所在的WLAN中，导致该WLAN的P-CTAP时段负载过重甚至超载，而另一P-CTAP可能相对空闲，如图10所示，这在一定程度上抑制了MAC层吞吐量、降低了时隙利用率以及增大了数据平均时延。

3 EFC-MAC协议新机制

为解决上述问题，本章提出EFC-MAC协议新机制，其包含基于剩余能量值的网桥节点高效选举机制、基于动态申请时隙的双LAN高效协调融合机制、基于公共时段剩余时隙量动态申请时隙的负载均衡机制以及基于剩余能量值的网桥节点切换机制这四种新机制。仿真表明，这四种新机制能有效提高MAC层吞吐量、提升时隙利用率以及降低平均数据传输时延。

3.1 基于剩余能量值的网桥节点高效选举机制

针对2.1节中网桥节点选举开始及结束时刻均不恰当而导致网络性能下降的问题，本文提出了基于剩余能量值的网桥节点高效选举机制以选举出最合适的网桥节点。

基于剩余能量值的网桥节点高效选举机制的主要步骤如下所示：

a）各节点在入网前先侦听信道至少一个最大超帧长度，判断出自身是否为网间节点，若是，则转步骤b）；否则，退出该机制。

b）网间节点在请求关联入网时，定义一种携带自身剩余能量值大小的特殊关联请求帧，command type字段使用保留值0x0026，该帧的MAC头部及有效载荷分别如图11和12所示，转步骤c）。

c）从高级PNC第一次收到网间节点的关联入网请求帧所在时刻起，高级PNC选取本超帧CAP时段内请求入网中剩余能量值最大的一个网间节点作为网桥节点，并在下一超帧以广播一种特殊的beacon帧的方式來把选举结果通知给所有网间节点，该特殊beacon帧中frame control字段的frame type使用保留值101，其MAC头部如图13所示，转步骤d）。

d）网桥节点选举机制执行完毕。

3.2 基于动态申请时隙的双LAN高效协调融合机制

针对2.2节中双LAN太赫兹网络在经历多个普通超帧后仍可能完成不了协调融合以及现有heartbeat消息格式存在冗余且不能适用于太赫兹网络协调融合过程的所有情况的问题，本文提出了基于动态申请时隙的双LAN高效协调融合机制。

将现有heartbeat消息去除了冗余字段以及修改部分字段的语义后，定义出了新heartbeat消息，command type字段使用保留值0x0028，MAC头部和有效载荷分别如图14和15所示。

基于剩余能量值的网桥节点高效选举机制的主要步骤如下：

a）网桥节点在先后收到两个PNC广播的beacon帧后，首先计算出协调超帧的起始时刻以及各时段时长，接着把这些信息同各WLAN内DEV个数等信息一同封装入heartbeat消息中，然后以CSMA的方式竞争接入信道以广播heartbeat消息，直至有一个普通超帧结束，转步骤b）。

b）网桥节点根据接收到的beacon帧，判断出在上一普通超帧是否成功向该WLAN转发了heartbeat消息，如果是，则转步骤e）；否则，转步骤c）。

c）网桥节点向未完成网络协调融合的WLAN以发送特殊CTRq帧的方式申请一个位置靠后的TU来转发heartbeat消息，该特殊CTRq帧通过使用command type保留值0x0033来通知PNC在分配时隙时将该节点的CTA放在CTAP时段靠后的位置。转步骤d）。

d）网桥节点在成功申请到时隙的下一超帧到来时，持续侦听信道，当收到两个PNC广播的beacon帧后，重新计算出协调超帧的开始时刻并更新heartbeat消息。在CTAP时段到来后，网桥节点根据beacon帧中CTA分配信息，计算出自身进行数据传输的起始时刻，当这一时刻到来后，立刻广播heartbeat消息。转步骤e）。

e）该WLAN完成了网络协调融合过程，等待正式进入协调超帧时期。

3.3 基于公共时段剩余时隙量动态申请时隙的负载均衡机制

针对2.3节中网间节点在申请时隙时未考虑两个LAN中的各自P-CTAP时段所剩时隙量的问题，本文提出了基于公共时段剩余时隙量动态申请时隙的负载均衡机制。

该机制定义tspare为 P-CTAP1或P-CTAP2时段全部空闲时对应的TU个数大小，tCTRq为CTRq帧中请求的TU个数大小。该机制的主要步骤如下所示。

a）网桥节点、网间节点、PNC1、PNC2初始化m1、m2的大小分别为本超帧P-CTAP1时段剩余时隙的对应的TU个数与tspare之和、P-CTAP2时段剩余时隙的对应的TU个数与tspare之和。转步骤b）。

b）网桥节点、网间节点在CAP时段申请彼此之间通信所需的时隙前，先比对m1、m2的大小。如果m1≥m2，则向PNC1发送CTRq帧，command type字段使用保留值0x0022；否则，向PNC2发送CTRq帧，command type字段使用保留值0x0023。转步骤c）。

c）PNC1若收到command type字段值为0x0022的CTRq帧，判断m1≥tspare的结果是否为真，若是，转步骤d）；否则，直接将申请的时隙分配到下一超帧的P-CTAP1时段，转步骤f）。若PNC1收到command type字段为0x0023的CTRq帧，则直接丢弃，转步骤f）。PNC2若收到command type字段值为0x0023的CTRq帧，判断m2≥tspare的结果是否为真，若是，转步骤e）；否则，直接将时隙分配在下一超帧P-CTAP2时段，转步骤f）。若收到command type字段为0x0022的CTRq帧，则直接丢弃，转步骤f）。

d）PNC1判断m1-tspare≤tCTRq的结果是否为真，如果是，则将t=m1-tspare的大小分配在本超帧的P-CTAP1时段，将tCTRq-t的值分配到下一超帧的P-CTAP1时段；否则，直接将申请的全部时隙分配在本超帧的P-CTAP1时段。令m1-=tCTRq。转步骤f）。

e）PNC2判断m2-tspare≤tCTRq的结果是否为真，如果是，则将t=m2-tspare的大小分配在本超帧的P-CTAP2时段，将tCTRq-t的值分配到下一超帧的P-CTAP2时段；否则，直接将申请的全部时隙分配在本超帧的P-CTAP2时段。令m2-=tCTRq。转步骤f）。

f）网桥节点、网间节点在CAP时段收到CTRp帧后，查看该帧的frame control字段的b15保留值是否为1，如果是，转步骤g）；如果否，则直接忽略，转步骤l）。

g）网桥节点或网间节点查看PNID的值，如果PNID是WLAN1的网络号，转步骤h）；否则，转步骤i）。

h）网桥节点、网间节点判断m1-tspare>0是否为真，如果是，转步骤j）；否则，忽略，转步骤l）。

i）网桥节点、网间节点判断m2-tspare>0是否为真，如果是，转步骤k）；否则，忽略，转步骤l）。

j）网桥节点、网间节点判断m1-tspare> tCTRq的结果是否为真，如果是，则将tCTRq和目的ID插入到L1的尾部，并让m1-=tCTRq；否则，只将m1-tspare的值和目的ID插入到L1的尾部，并令m1=tspare。转步骤l）。

k）网桥节点、网间节点判断m2-tspare> tCTRq的结果是否为真，如果是，则将tCTRq和目的ID插入到L2的尾部，并让m2-=tCTRq；否则，只将m2-tspare的值和目的ID插入到L2的尾部，并令m2=tspare。转步骤l）。

l）在P-CTAPi（i=1，2）的剩余时段，网间节点、网桥节点按照Li（i=1，2）中链表项的顺序来进行数据传输。假设P-CTAPi的剩余时隙起始时刻为Tc，CTA之间的保护间隔时间为guard_time，Li链表中的TU个数分别为t1、t2、t3、…、tn，共计有n项。如果DEV1节点遍历Li链表后发现自身位于第m项，则该节点在P-CTAPi的剩余时隙进行数据传输的起始时刻为Tstart=Tc+guard_time+（t1+t2+…+tm-1）（TU+ guard_time），接入信道的时长为Tduring=tm×TU。转步骤m）。

m）基于公共时段剩余时隙量动态申请时隙的负载均衡机制结束。

3.4 基于剩余能量值的网桥节点切换机制

针对现有IEEE 802.15.3标准以及相关太赫兹MAC协议未考虑到网桥节点切换的情形，本文提出了基于剩余能量值的网桥节点切换机制。

该机制的主要步骤如下所示。

a）当网桥节点检测出自身剩余能量值不足时，若有数据业务传输需求，则向高级PNC发送command type字段为0x0029的CTRq帧，在进行时隙申请的同时也表明请求切换网桥节点；否则，向高级PNC发送command type字段为0x0030的控制帧，表明请求切换网桥节点。转步骤b）。

b）高级PNC在接收到command type字段为0x0029或0x0030的控制帧后，回复保留位b15为1的ACK帧，通知所有网间节点上报自身的剩余能量值。同时，高级PNC开启一个时间长度为CAP时段长度的定时器，该定时器只在CAP时段启用，在其余时段均处于暂停状态。转步骤c）。

c）网间节点在接收到保留位b15为1的ACK帧后，主动发送携带自身能量信息的CTRq帧，该CTRq帧的MAC头部与图11保持一致，command type字段使用保留值0x0031，表明该CTRq帧携带有节点剩余能量信息。转步骤d）。

d）定时器到时后，高级PNC选取期间发送剩余能量值最大的节点作为网桥节点，并将其设备ID号填入到command type字段使用了保留值0x0032的特殊命令帧的DestID字段，然后以CSMA的方式发送该特殊命令帧。转步骤e）。

e）基于剩余能量值的网桥节点切换机制结束。

4 EFC-MAC协议操作流程

EFC-MAC协议适用于具有重叠区域的双LAN太赫兹无线局域网。其中，高级PNC是指具有更高优先级值的PNC节点。EFC-MAC协议的操作流程具体如下所示。

a）节点入网前主动侦听信道至少一个最大超帧长度的时间，如果未接收到beacon帧，则表明周边尚未形成太赫兹局域网，转步骤b）；否则，转步骤c）。

b）该节点主动成为本WLAN的PNC节点，在0～65 535随机选取一个值作为PNID，之后周期性广播beacon帧，正式组建了太赫兹局域网，转步骤d）。

c）如果接收到了具有不同PNID的beacon帧，则该节点为网间节点，转步骤d）；否则，该节点为网内节点，转步骤d）。

d）普通超帧进入到了CAP时段，在本超帧准备入网的网内节点发送普通关联请求帧，已入网的节点有数据业务传输需求时发送CTRq帧来申请时隙资源，在本超帧准备入网的网间节点和高级PNC执行基于剩余能量值的网桥节点高效选举机制以选举出目前最合适的网桥节点，转步骤e）。

e）网桥节点执行基于动态申请时隙的双LAN高效协调融合机制，完成了两个太赫兹无线局域网的协调融合过程，转步骤f）。

f）两个太赫兹局域网均已进入了协调超帧时期，PNC将网内节点之间的数据传输请求分配在N-CTAP时段，将网间节点和网内节点之间的数据传输请求分配在P-CTAP时段。网间节点之间有数据业务传输需求时，网间节点和PNC执行基于公共时段剩余时隙量动态申请时隙的负载均衡机制。网桥节点若检测出自身剩余能量值不足，执行基于剩余能量值的网桥节点切换机制。

5 仿真分析

本文采用OPNET Modeler 14.5仿真工具分别对IEEE 802.15.3协议、AHT-MAC协议和EFC-MAC协议进行仿真验证。

5.1 仿真参数设置

主要仿真参数设置如表1所示。

在整个仿真验证过程中，根据各LAN中DEV节点个数的不同，设置5个场景，将EFC-MAC协议、AHT-MAC协议和IEEE 802.15.3协议这三个协议的性能进行对比。

5.2 仿真统计量

5.2.1 MAC层吞吐量

MAC层吞吐量是指在单位时间内各节点在MAC层成功接收的数据量之和。MAC层吞吐量计算公式如下：

其中：n是雙LAN太赫兹无线局域网中节点的个数；Bi是第i个节点成功接收的数据量，单位为bps；t表示网络仿真运行时间。

5.2.2 数据平均时延

数据平均时延是指数据帧从源节点产生到成功被目的节点接收的平均耗时，单位为s，其计算公式为

其中：N是各节点成功接收数据帧的个数；Ti是每个被成功接收的数据帧从产生到被接收的耗时。

5.2.3 时隙利用率

时隙利用率是指各节点发送数据帧所需的传输时间之和占仿真总时间的比例，其计算公式为

其中：Ti是节点发送第i个数据帧所用的传输时间；t是仿真运行总时间。

5.3 仿真结果及分析

5.3.1 MAC层吞吐量

根据图16的结果分析可知，MAC层吞吐量会随着各LAN中DEV个数的增加而逐渐上升，当DEV个数到达一定数量时，MAC层吞吐量会趋于饱和，这主要是由于这时的MAC层吞吐量已经基本到达了协议所支持的上限。当网络趋于饱和时，EFC-MAC协议的MAC层吞吐量稳定在了4.6 Gbps左右且高于另外两种协议，主要原因在于：a）基于剩余能量值的网桥节点高效选举机制能够快速高效地选举出合适的网桥节点，更快地使跨LAN数据得到转发，增大了MAC层吞吐量；b）基于动态申请时隙的双LAN高效协调融合机制能使两个同时运行的WLAN快速完成协调融合，减少了heartbeat消息一直以CSMA的方式竞争接入信道对在CTAP时段传输的数据流的干扰，增大了MAC层吞吐量；c）基于公共时段剩余时隙量动态申请时隙的负载均衡机制能使网间节点充分利用P-CTAP1、P-CTAP2的剩余时隙，增大了MAC层吞吐量；d）基于剩余能量值的网桥节点切换机制能快速准确地切换网桥节点，维持了跨网数据帧的正常交互，增大了MAC层吞吐量。

5.3.2 数据平均时延

根据图17的结果分析可知，数据平均时延会随着各LAN中DEV个数的增加而逐渐上升，这主要是由于在CAP时段，所有节点都是以CSMA的方式竞争接入信道，所以节点愈多，碰撞的可能性愈大，导致节点不能及時申请到用于数据传输的时隙。然而，从整体上来看，EFC-MAC协议的数据平均时延较另外两种协议的数据平均时延有一定程度的下降。主要原因在于：a）基于剩余能量值的网桥节点高效选举机制能够快速高效地选举出合适的网桥节点，减少网络中不必要的控制帧交互，提升了有数据业务传输需求的节点能成功接入信道的概率，降低了数据平均时延；b）基于动态申请时隙的双LAN高效协调融合机制能使两个同时运行的WLAN快速完成协调融合，减少了heartbeat消息一直以CSMA的方式竞争接入信道对在CTAP时段传输的数据流的干扰，降低了数据平均时延；c）基于公共时段剩余时隙量动态申请时隙的负载均衡机制能使网间节点充分利用P-CTAP1、P-CTAP2的剩余时隙，降低了数据平均时延；d）基于剩余能量值的网桥节点切换机制能快速准确的切换网桥节点，维持了跨网数据帧的正常交互，降低了数据平均时延。

5.3.3 时隙利用率

根据图18的结果分析可知，时隙利用率会随着各LAN中DEV个数的增加而逐渐上升，当DEV个数到达一定数量时，时隙利用率会趋于稳定。当网络达到饱和时，EFC-MAC协议的时隙利用率稳定在了0.57左右且高于另外两种协议，主要原因是：a）基于剩余能量值的网桥节点高效选举机制能够快速高效地选举出合适的网桥节点，更快地使跨LAN数据得到转发，提升了时隙利用率；b）基于动态申请时隙的双LAN高效协调融合机制能使两个同时运行的WLAN快速完成协调融合，减少了heartbeat消息一直以CSMA的方式竞争接入信道对在CTAP时段传输的数据流的干扰，提升了时隙利用率；c）基于公共时段剩余时隙量动态申请时隙的负载均衡机制能使网间节点充分利用P-CTAP1、P-CTAP2的剩余时隙，提升了时隙利用率；d）基于剩余能量值的网桥节点切换机制能快速准确地切换网桥节点，维持了跨网数据帧的正常交互，提升了时隙利用率。

6 结束语

本文针对现有协议中存在的网桥节点选举机制不完善、网络协调融合机制存在不足之处、网间节点申请公共时隙方式不够灵活以及网桥节点切换机制尚不明确等问题，提出了一种高效快速融合的双LAN太赫兹无线局域网MAC协议——EFC-MAC协议。将提出的EFC-MAC协议与另外两种协议进行了比较，仿真结果表明，EFC-MAC协议提高了MAC层吞吐量，提升了时隙利用率以及降低了数据平均时延。在未来的研究中，将以EFC-MAC协议为基础，研究在两个以上WLAN的条件下，太赫兹无线局域网能快速高效进行协调融合的方法。

参考文献：

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收稿日期：2023-03-12；修回日期：2023-04-28基金项目：国家自然科学基金资助项目（61971080）

作者简介：古金东（1997-），男（通信作者），河北张家口人，硕士研究生，CCF会员，主要研究方向为双LAN太赫兹无线局域网MAC协议（1078100933@qq.com）；任智（1971-），男，四川内江人，教授，博导，博士，主要研究方向为宽带无线通信网络理论与技术；陈春宇（1999-），男，重庆人，硕士研究生，主要研究方向为太赫兹无人机局域网定向MAC协议；刘洋（1997-），男，重庆石柱人，硕士研究生，主要研究方向为太赫兹MAC协议.