0 引言

    太赫茲超高速無線網絡^[1]是一種新型的無線網絡，與傳統的無線網絡不同，它工作在太赫茲頻段，可支持10 Gb/s～1 Tb/s的數據傳輸速率。目前對太赫茲無線個域網的研究大部分是考慮網內設備天線采用全向傳輸的方式^[2-3]，太赫茲無線個域網內，在一定的功率范圍內，太赫茲的全向傳輸范圍小于1 m；發送端采用定向發送的方式，而接收端采用全向接收的方式，通信范圍僅為2 m；發送端采用定向發送，接收端采用定向接收的方式，可使通信距離達到十多米^[4]。為了增大節點的通信距離，在太赫茲無線個域網中，收發設備都需要采用定向天線進行波束賦形。

    現有的超高速無線MAC協議標準中，適用于高載波頻率的協議有IEEE 802.15.3和IEEE 802.11.ad，它們都用于載波頻率為60 GHz的無線通信。PRIEBE S^[5]在對太赫茲無線通信MAC層技術進行深入研究后，指出了IEEE 802.15.3c開銷相對較少，更適用于太赫茲無線通信。IEEE 802.15.3c標準提出了基于碼本的波束賦形，該波束賦形方法分為3個階段，3個階段的定向增益依次增大，而覆蓋范圍依次減小。由于太赫茲波波束較窄的特性^[6]，太赫茲無線個域網內收發設備只能進行波束級別的掃描，波束賦形時間過長是個亟待解決的問題。

    目前的太赫茲無線個域網MAC協議更多是對網內設備的處于動態的場景進行考慮，然而對于網內設備是靜態的場景，如服務器機房內大型服務器間的數據傳輸、家庭影院設備間的數據傳輸等，仍然采用動態場景下的MAC協議是不合適的。動態場景下的MAC協議應用在靜態場景下會造成過多的控制開銷，針對這些問題，本文提出一種適用于靜態場景下的太赫茲MAC協議。

1 網絡模型與問題描述

1.1 網絡模型

    太赫茲無線個域網通常由一個微網協調設備(PicoNet Coordinator，PNC)和多個普通設備(DEVice，DEV)組成。PNC作為一種特殊的DEV，負責整個網絡的同步，使DEV接入網絡，安排DEV進行數據傳輸。

    本文討論的超幀結構如圖1所示，該超幀結構與802.15.3cMAC協議采用的超幀相同。整個超幀一共劃分為3個部分：信標(Beacon)時段、競爭接入時段(Contention Access Period，CAP)時段、信道時隙分配時段(Channel Time Allocation Period，CTAP)，其中CTAP由多個信道時隙(Channel Time Allocation，CTA)組成。在Beacon時段，PNC向所劃分的扇區依次發送多個Beacon幀，DEV收到Beacon幀后，提取出時隙分配信息，在該時隙里進行數據傳輸。CAP時段分為關聯競爭接入子時段(Association S-CAP)和常規競爭接入子時段(Regular S-CAP)，分別用于DEV進行關聯入網和向PNC申請時隙。CTAP時段用于分配給DEV進行波束賦形和數據傳輸。

1.2 問題描述

    (1)問題一：在太赫茲無線個域網中，源DEV與目的DEV進行波束賦形時，源DEV會遍歷自己所劃分的扇區尋找最佳發送扇區和接收扇區，這種遍歷的方式帶來了波束賦形時間過長的問題，由此導致了數據較大的傳輸時延，減小了網絡吞吐量。

    (2)問題二：在太赫茲無線個域網中，在Beacon時段，PNC會在每個扇區發送多個Beacon幀告知各個DEV時隙分配信息，Beacon幀包含了所有DEV的時隙分配信息，然而每個DEV收到Beacon幀后，僅提取出與自己有關的時隙信息，由此增加了不必要的控制開銷。

2 FE-MAC協議

2.1 快速波束賦形機制

    針對問題一提出“快速波束賦形機制”，該機制主要運行在CAP時段和CTAP時段，主要思想是：Beacon和CAP時段，PNC完成與各個DEV的波束賦形并確定出各個DEV位置，當DEV1需要對DEV2進行數據傳輸時，DEV1向PNC申請時隙，PNC利用各個DEV的位置信息計算出DEV1與DEV2的相對位置關系，然后告知DEV1，DEV1在發送數據前根據相對位置信息對DEV2進行波束賦形。

    具體方案如下：

    (1)在Association S-CAP時段，DEV在最佳發送扇區，發送多個申請入網信息，此時PNC輪流在各個扇區監聽收到的信息，當收到DEV發送的申請信息后，通過物理層的測試計算，PNC可確定各個DEV所位于自己的扇區號、信號到達角、距離，建立位置信息表，將DEV的ID號、位于的扇區號、信號到達角、距離存儲在里面。

    (2)在Regular S-CAP時段，有數據傳輸的DEV會向PNC申請時隙，PNC通過位置信息表里的各個DEV的位置信息，計算兩個DEV的相對位置關系。

    計算方法如下：

    ①如圖2所示，當DEV1有數據向DEV2傳輸時，DEV1、PNC、DEV2可構成一個三角形，假設DEV1的到達角為α，DEV2的到達角為β，由幾何關系可得DEV1、PNC、DEV2所形成的角為|α-β|。

    ②假設DEV1與PNC的距離是a，DEV2與PNC的距離是b，由正余弦定理可得γ：

    ③PNC根據DEV1的到達角可以對DEV1的發射角進行計算：如果α的范圍是0°≤α<180°，則δ=α+180°；如果α的范圍是180°≤α<360°，則δ=α-180°。

    ④PNC通過與DEV1連線的延長線判斷DEV2的相對位置。通過連線和延長線判斷DEV2所在該連線的左側右側還是線上，以此決定在DEV1在發射角δ上進行順時針運算還是逆時針運算。

    ⑤通過ε的值PNC可以得出DEV2所位于DEV1的象限。對DEV1、PNC、DEV2三者共線和不共線分情況進行討論，如果DEV1、PNC、DEV2三者不共線，通過ε的值即可判斷出DEV2所位于DEV1的象限；如果DEV1、PNC、DEV2三者共線，考慮DEV1、DEV2是否位于PNC的同一側。

    如果位于同一側，需要DEV1與DEV2的距離信息進行進一步判斷，如果a>b說明DEV1離PNC較遠，則根據δ的值取象限信息即可；如果a<b說明DEV離PNC較近，則取δ所在象限對稱的象限。對于ε可能取0°、90°、180°、270°的情況，象限取該角度所在的兩個象限。

    (3)PNC在回復DEV1的數據請求幀時，將象限信息放入請求回復幀里的保留字段里捎帶給DEV1。

    (4)DEV1獲取了象限信息后，則做出判斷，如果該象限信息只包含一個象限，則從這個象限里的扇區開始進行對DEV2的波束賦形；如果象限信息里包含了兩個象限，則取這兩個象限的中間部分進行波束賦形。

    該機制相較于現有太赫茲MAC協議遍歷每個扇區進行波束賦形的方式，PNC對網絡中節點的相對位置進行計算，源DEV利用該相對位置信息縮小了對目的DEV的波束賦形范圍，在不影響波束賦形效果和不增加額外的網絡控制開銷的前提下，減少了進行波束賦形的控制開銷，減小了數據傳輸時延。

2.2 自適應Beacon幀

    針對問題二提出“自適應Beacon幀”機制，該機制運行在Beacon時段和CAP時段，其主要思想是：在上一超幀的CAP時段，PNC可確定DEV在扇區內的分布情況，當PNC向一個扇區內發送Beacon幀時，Beacon幀的時隙信息分配字段放入該扇區內DEV參與的時隙信息。

    具體方案如下：

    (1)在Association S-CAP時段，PNC在每個扇區監聽關聯請求信息時，確定DEV在各個扇區的分布情況，建立位置信息表，該表用于存儲每個扇區存在的DEV ID號。

    (2)在Regular S-CAP時段，PNC通過DEV發送的信道時隙請求命令幀可確定需要進行數據傳輸的源DEV和目的DEV，建立數據傳輸表，將源DEV和目的DEV的ID號、時隙分配信息存儲在里面。

    (3)在下一超幀的Beacon時段，PNC向每個扇區發送Beacon幀前利用位置信息表先判斷該扇區內是否存在DEV，如果不存在DEV，則Beacon幀去掉時隙分配信息字段；如果存在，則利用數據傳輸表判斷該扇區內的DEV是否存在目的DEV或源DEV。如果不存在目的DEV或源DEV，則Beacon幀去掉時隙分配信息字段；如果存在，則Beacon幀時隙分配字段放入這些DEV參與的時隙信息。

    該機制采用自適應的方式對Beacon幀進行調整，根據DEV在各個扇區的分布情況自適應地添加時隙分配信息，相較于現有太赫茲MAC協議每個扇區都發送完整Beacon幀的方式，減少了控制開銷，提升網絡的整體傳輸速率。

3 性能分析

    定理1：與基于802.15.3c的太赫茲MAC協議相對比，FE-MAC協議控制開銷較小。

    證明：假設網絡中有一個PNC和n個DEV(n>1)，每個DEV與其余DEV通信，每個節點有m個扇區，波束賦形訓練幀長為224 bit，802.15.3c中Beacon幀長為L₁，FE-MAC協議中Beacon幀長為L₂。

    802.15.3cMAC協議總的控制開銷C₁為：

    由式(4)可知，因為L₁>L₂，n-1>0，所以C₁>C₂，證畢。

    定理2：FE-MAC協議的網絡吞吐量高于基于802.15.3c 的太赫茲MAC協議。

    證明：假設在相同超幀時間內，則CTAP也相等，設數據傳輸速率為Data_rate。

    802.15.3c太赫茲MAC協議進行波束賦時間為T_B1，進行數據傳輸的時間為T_D1，數據傳輸總量Amount₁為： 

    因為采用了快速波束賦形機制，波束賦形時間減少，所以T_B1>T_B2，T_D1<T_D2；Amount₁<Amount₂，證畢。

4 仿真驗證

4.1 仿真參數設置

    該實驗通過OPNET仿真工具，將基于802.15.3c的太赫茲MAC協議、FE-MAC協議和ED-MAC協議行了仿真驗證，仿真中每個節點的業務量相同，主要考察改變節點個數對各性能指標的影響，具體仿真參數設置如表1所示。

4.2 仿真結果分析

    圖3表明FE-MAC協議相較于802.15.3c太赫茲MAC協議吞吐量增加約為6.53%，相較于ED-MAC協議吞吐量增加約為3.12%，這是因為“快速波束賦形”機制減少了波束賦形時間，在相同的CTAP里有更多的時隙資源用于數據傳輸。802.15.3cMAC協議和ED-MAC協議采用完整Beacon幀，ED-MAC協議采用自適應的Beacon幀，減少了控制開銷，有利于整體提升網絡的平均傳輸速率。

    圖4表明相較于基于802.15.3c的太赫茲MAC協議，FE-MAC協議在業務量飽和的情況下數據平均時延減小了約6.41%，相較于ED-MAC協議數據平均時延減小了約2.12%。這是因為“快速波束賦形”機制縮短了波束賦形過程所用時間，在整體上降低控制開銷，有利于縮短數據幀的傳輸延遲。

    圖5表明，相較于另外兩種協議，FE-MAC協議有更高傳輸成功率，這是因為“快速波束賦形”機制提高了數據傳輸的時隙利用率，更多的時隙資源用于數據幀的傳輸，使得數據幀的傳送成功率得到了提升。

    圖6表明FE-MAC協議比另外兩種協議的波束賦形開銷顯著減少，這是因為另外兩種協議采用了遍歷每個扇區的方式進行波束賦形，FE-MAC協議采用“快速波束賦形”機制，縮小了波束賦形的范圍，減少了節點間波束賦形的比特數，以更小的開銷完成波束賦形。

5 結束語

    本文針對太赫茲MAC協議中波束賦形開銷過大、傳輸時延較大、Beacon幀冗余的問題，提出了一種靜態場景下的快速波束賦形機制和自適應Beacon幀機制，通過縮小波束賦形范圍，采用自適應Beacon幀的方法，降低了波束賦形的開銷，減少了傳輸時延，提高了網絡的吞吐量。未來將對動態場景下的太赫茲MAC協議進行研究。

參考文獻

[1] SMULDERS P.The road to 100 Gb/s wireless and beyond：basic issues and key directions[J].Communications Magazine.IEEE，2013，51(12)：86-91.

[2] Cao Jianling，Cui Pingfu，Liu Wenpeng，et al.High throughput low-delay MAC protocol for terahertz ultra-high data-rate wireless networks[J].Systems Engineering and Electonics，2016，38(3)：679-684.

[3] Ren Zhi，Chen Cong，You Lei，et al.High throughput and low delay MAC protocol for terahertz wireless personal area networks[J].Application Research of Computers，2016，33(10)：3143-3146.

[4] PETROV V，PYATTAEV A，MOLTCHANOV D，et al.Terahertz band communications：applications，research challenges，and standardization activities[C].International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops.IEEE，2016：183-190.

[5] PRIEBE S.MAC layer concepts for THz communications[EB/OL].(2013-03-17)[2018-07-17].https：//mentor.ieee.org/802.15/dcn/13/15-13-0119-00-0thz-mac-layer-concepts-for-thz-communications.pdf.

[6] Huang Kaocheng，Wang Zhaocheng.Terahertz terabitwireless communication[J].IEEE Microwave Magazine，2011，12(4)：108-116.

作者信息:

邱鐘維，任  智，葛利嘉

(重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶400065)