0 引言

    太赫茲無線個域網(Terahertz Wireless Personal Area Networks，THz-WPANs)是一種數據傳輸速率能夠達到數十吉比特每秒且以太赫茲波作為載波的自組織網絡^[1]。作為一種自組織網絡，其應用范圍比較廣泛：在會議現場，可以手機、PAD以及筆記本等作為終端設備形成自組高速通信網絡；在室內環境中，可以各家用電子產品進行物物相連而實現各家用器件間的高速通信網絡^[2-3]。

    創建于2008年的太赫茲興趣小組IEEE 802.15 IG 太赫茲^[4]的首要目標是提出一種適用于300 GHz頻段及以上的標準化的無線接入協議。在收發機技術取得巨大突破的條件下，太赫茲興趣小組于2013年成功轉變為100 Gb/s的研究小組IEEE 802.15 SG 100G^[5]，這為實現太赫茲無線通信標準化邁出了重要一步。該研究小組于2014年順利完成了工作任務，并向100 GHz任務小組進行了轉變^[6]。隨后該任務組提出了向太赫茲無線通信進行過渡的具體思路： THz-WPANs接入協議應該以IEEE 802.15.3c^[7]為參考模型，在現有相關技術的基礎上，實現能夠達到10 Gb/s以上數據傳輸速率的接入協議。

1 太赫茲無線個域網組成及問題描述

1.1 太赫茲無線個域網組成

    THz-WPANs是一種包含多個普通節點(device，DEV)和一個具有網絡協調功能的網絡協調器(Piconet Network Coordinator, PNC)的集中式網絡，其網絡結構如圖1所示。其中雙向實線代表的是可能存在的數據流線，單向虛線表示PNC向DEV廣播的beacon幀流線和單播的各種命令幀流線。

    THz-WPANs將網絡時間劃分為一個一個的超幀(Superframe)結構，如圖2所示。從圖中可以知道，一個超幀又分為信標(Beacon Period，BP)、信道時間分配(Channel Time Allocation Period，CTAP)以及競爭接入(Contention Access Period，CAP)3個時段，而一個CTAP時段又可以包含有多個CTA^[8]。在BP時段，PNC通過集中控制的方式向整個網絡廣播包含定時、同步以及時隙分配等信息的beacon幀；CTAP時段，各DEV之間以TDMA的方式進行數據傳輸；CAP時段，暫時沒有入網的DEV會以CSMA/CA的方式入網，有數據發送需求的DEV向PNC申請時隙^[9]。

1.2 問題描述

    （1）標準幀聚合機制即源節點首先將多個（通常為8）數據子幀聚合到一起成為一個大的聚合幀，如圖3所示，發送到目的節點。但由于聚合幀所含比特數較多，與未聚合的單個數據子幀相比出錯概率會增加。在MAC子頭部出錯的情況下，如果MAC子頭部的前半部分內容及其對應的數據幀是正確的，它們便不用重傳，但現有機制將它們全部重傳，會導致較明顯的冗余開銷。

    （2）在現有時隙申請方式下，PNC會對每個時隙請求幀以時隙回復幀的方式做出響應，但在傳輸的過程中可能會發生碰撞。這使得該源節點在CAP時段結束時都可能收不到時隙回復幀，產生PNC成功分配了時隙但是節點以為PNC沒有為其分配時隙的假象，導致PNC為節點分配的時隙資源的連續浪費。

    面對上述未解決難題，本文提出了一種高時隙利用率太赫茲無線個域網接入協議（High Time Slot Utilization MAC Protocol, HTSU-MAC）。

2 HTSU-MAC協議

2.1 HTSU-MAC協議新機制

    （1）幀聚合內容按需重傳

    該機制的主要思路是：源DEV對聚合幀MAC子頭部中前4個數據幀的子頭部進行一次專門的8 bit循環冗余校驗，校驗結果保存在聚合幀中MAC子頭部的8 bit保留位中。目的DEV收到聚合幀后如果發現MAC子頭部出錯，則取出前4個數據幀的子頭部進行循環冗余校驗，比對校驗結果是否和保留位中攜帶的數據相等；若相等，說明前4個數據幀的子頭部正確，則根據它們取出對應的數據幀進行檢驗看是否正確；如果有正確的數據幀，則在回復幀中告訴源DEV不用重傳已正確接收的數據幀。若8 bit校驗也發生錯誤，則不作處理，源DEV重傳整個聚合幀。

    “聚合幀內容按需重傳”新機制能夠在聚合幀中前4個數據幀的子頭部正確時減少不必要的數據幀重傳，從而降低重傳冗余開銷，提高網絡帶寬和時隙資源利用率，降低數據傳輸時延。

    （2）無確認時隙利用

    該機制的主要思路是：若源節點未收到PNC發送的時隙回復幀，在下一超幀的BP時段收到beacon幀后，提取其中CTA IE信息（包含了PNC為各節點分配的時隙信息），若其中包含有該節點ID的CTA塊，則節點認為PNC已經為自己分配了時隙，就會在給自己分配的時段按時進行數據傳輸操作。

    “無確認時隙利用”新機制能夠保證源節點在沒有收到時隙回復幀的條件下，仍然可以利用PNC為其分配的時隙資源，有效地避免了時隙資源的浪費，提高了時隙資源利用率。

2.2 HTSU-MAC協議操作流程

    該協議總共涉及兩種改進機制，具體操作步驟如下：

    (1)在當前超幀的BP時段，整個網絡進行初始化操作，PNC向整個網絡廣播beacon幀。轉步驟(2)。

    (2)在CTAP時段，各節點以TDMA的接入方式與目的節點進行數據傳輸。轉步驟(3)。

    (3)在CAP時段，有數據發送需求的節點（節點A）向PNC發送時隙請求幀申請時隙。轉步驟(4)。

    (4)PNC收到該時隙請求幀之后，向節點A發送時隙回復幀。待臨近CAP時段結束時，PNC會對時隙資源進行劃分。轉步驟(5)。

    (5)在下一超幀的BP時段，PNC會利用beacon幀對時隙分配等信息進行廣播。節點A接收到該beacon幀之后會提取其中的CTA IE，此時節點A會啟用新提出的無確認時隙利用機制來確認自己的時隙分配情況。轉步驟(6)。

    (6)在CTAP時段，節點A會利用新提出的幀聚合內容按需重傳新機制，以標準聚合幀的方式向目的節點發送聚合幀，目的節點收到聚合幀后以塊確認的方式進行確認。

3 理論分析

    現結合IEEE 802.15.3c，對HTSU-MAC協議的網絡性能進行一定的理論分析。

    引理1：HTSU-MAC在網絡吞吐量上性能更優。

    證明：文獻[10]提出了一種適用于CSMA/CA+TDMA的混合接入協議的網絡吞吐量分析模型，結合THz-WPANs超幀結構特性，假設IEEE 802.15.3c和HTSU-MAC的網絡吞吐量分別為S₁、S₂，則：

    引理2：HTSU-MAC在網絡子幀數據重傳上性能更優。

    證明：假設整個網絡的誤比特率為R_BER；每個子幀頭部所占比特數為M；聚合的子幀個數為n，其中第i個子幀的長度為l_i比特。故任一子幀頭部出錯概率為：

    然后利用泰勒公式：

    通過計算可知，在2≤n≤8時，總是滿足R₂<R₁，故可以證明相較于IEEE 802.15.3c，HTSU-MAC在網絡子幀數據重傳上性能更優，得證。

4 仿真分析

4.1 仿真參數設置

    本文采用OPNET Modeler 14.5 仿真工具分別對HTSU-MAC、HEF-MAC以及IEEE 802.15.3c進行仿真驗證，通過改變節點數量比較３種協議的網絡吞吐量、數據接入時延等性能。主要仿真參數設置如表1所示。

4.2 仿真結果及分析

    （1）網絡吞吐量

    網絡吞吐量仿真結果如圖4所示。由圖可知，網絡吞吐量隨著節點數的增加而增加，當節點數增加到一定程度后趨于平穩。在節點數不多的條件下，3種協議所表現出來的吞吐量差不多，但隨著節點數的增加，HTSU-MAC協議的優越性能逐漸體現出來。其主要原因是：無確認時隙利用機制使得已經分配的CTAP時隙資源不會被浪費而用于數據傳輸，增大了網絡吞吐量。

    （2）平均時延

    數據平均時延仿真結果如圖5所示。由圖可知，數據平均時延隨著節點數增加而越來越大，當網絡趨于穩定時，HTSU-MAC協議所表現出的平均時延較另外兩種協議更小，其主要原因是：幀聚合內容按需重傳機制減少了冗余數據傳輸，使得數據平均時延有一定減少。

    （3）數據重傳率

    數據重傳率仿真結果如圖6所示。由圖可知，HTSU-MAC協議所反映的數據重傳率較另外兩種協議降低了接近一半。其主要原因是：幀聚合內容按需重傳機制使得在目的端檢測出聚合幀MAC子頭部出錯的情況下，如果發現MAC子頭部前半部分及其對應的數據幀沒有出錯，就不會要求源節點重傳整個聚合幀，只是對后半部分子幀進行重傳，明顯地降低數據重傳率。

    （4）時隙利用率

    時隙利用率仿真結果如圖7所示。由圖可知，在節點數較少條件下，3種協議所支持的時隙利用率大體相同，且此時信道利用率較低。隨著節點數的增加，系統總業務量增加，信道會基本達到飽和。HTSU-MAC在時隙利用率方面會展現出較大的優勢，其主要原因是：無確認時隙利用機制使得為節點分配的時隙資源不會被浪費，節點可以合理利用該時段，明顯提高時隙利用率。

5 結論

    本文針對標準幀聚合機制以及時隙申請方式進行了詳細分析，并提出了一種高時隙利用率太赫茲無線個域網接入協議——HTSU-MAC，從總體上介紹了整個協議操作流程；接著對該協議的優越性進行了理論分析；最后，利用OPNET Modeler 14.5仿真工具進行了仿真驗證，仿真結果表明，HTSU-MAC協議較其他協議具有更高的時隙利用率。

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作者信息:

任  智，田潔麗，游  磊，呂昱輝

（重慶郵電大學 移動通信技術重慶市重點實驗室，重慶400065）