0 引言

    太赫茲無線個域網是一種自組織網絡，其通信頻率范圍為0.1 THz～10 THz^[1]。與傳統的無線網絡相比，太赫茲無線個域網的最大優勢在于其具有巨大的可用帶寬，可以支持10 Gb/s的數據速率，這可以滿足人們越來越高的需求。

    在關于太赫茲無線個域網的現有研究^[2-3]中，大多數考慮的是全向傳輸的場景。在功率受限的條件下，太赫茲頻段的高路徑衰減使其全向傳輸的距離只能達到1 m^[4]左右，這嚴重影響了它在實際中的應用。而通過波束賦形技術，源目的節點可以實現定向通信，即源節點在對準接收節點的方向上發送數據。目的節點在對準源節點的方向上接收數據，這可以顯著提高太赫茲頻段的通信距離。因此，波束賦形技術在太赫茲無線個域網的應用顯得尤為重要。文獻[5]提出了基于碼本的60 GHz波束賦形協議。該協議將節點間的波束賦形訓練過程分為3個級別：準全向級別、扇區級別、波束級別。這3個級別的定向增益依次增大，而覆蓋范圍依次減小。為了達到相同的傳播距離，3個級別采用的編碼調制方案也不同，定向增益大的級別使用更高階調制方案。上一級別確定后，下一級別再根據需求啟動。上一級別是前提，下一級別是細分。不同級別劃分的方法避免了大量的不必要的同步開銷。文獻[6]提出了一種適用于室內THz通信的快速波束掃描策略。該策略的主要思路是收發端首先通過2.4 GHz頻段進行粗略的掃描，確定大概方位后再進行THz頻段的精細掃描。在該文中，2.4 GHz頻段的定向波束寬度被設置為36°，而THz頻段的定向波束寬度被設置為12°。發送端在進行粗略掃描時要進行離開角度估計(Angle of Depature estimation，AoD)，接收端在進行粗略掃描時要進行到達角度估計(Angle of Arrival estimation，AoA)。粗略掃描結束后，收發兩端得到了關于對方的大概方位信息，然后收發兩端根據大概的方位信息縮小THz頻段的波束掃描范圍，從而達到減少波束賦形時長的目的。這種方法雖然減少了波束賦形的時間，但是增加了硬件成本。

    針對上述問題，KIM E J等人提出基于IEEE 802.15.3c（以下簡稱3c）標準的CAP自適應分配機制^[7]（ACAP-MAC）。ACAP-MAC優化了3c協議的CAP時段劃分，主要思想是取消了沒有節點的Regular S-CAP時段，以及根據節點數量動態分配該時段，避免了不必要的時段浪費。但是，該協議在節點間波束賦形訓練和單節點扇區時段分配方面沒有進行優化。

    本文提出了一種太赫茲無線個域網高時隙利用率快速定向MAC協議(High Slot Utilization Rate and Fast Directional MAC Protocol，HUFD-MAC)，可有效提高時隙利用率，減少網絡開銷，降低波束賦形用時。

1 網絡模型與問題分析

1.1 網絡模型

    本文基于3c標準研究太赫茲無線個域網的波束賦形問題，其超幀結構如圖1所示。

    在Beacon時期，PNC首先向各個方向廣播攜帶網絡基本信息的Beacon幀，微網中的節點循環旋轉接收Beacon幀。未入網的節點會在對應的Association S-CAP時段進行關聯操作，加入該微微網(Piconet)。已入網且有數據傳輸的節點會在Regular S-CAP時段向PNC請求時隙，Regular CAP可以用于節點間數據幀傳輸，CAP各時期均采用CSMA/CA接入方式。CTAP包括CTAs(Channel Time Allocations)和MCTAs(Management CTAs)兩種。CTAs主要用于網絡中節點之間發送同步/異步數據流、命令幀等信息，采用TDMA的接入方式，提供具有QoS保證的數據傳輸服務。而MCTAs在某些情況下可替代CAP傳輸命令幀，但該時期主要是用來進行DEV和PNC之間通信。

1.2 問題分析

    (1)在ACAP-MAC協議中，Regular S-CAP中各個子時段長度是按照式(1)分配的。

其中，m_j表示扇區j中的節點數，m_total表示所有扇區的節點總數，s_{total_CAP}表示在3c中Regular S-CAP的時段總長，s_j表示分配給扇區j的子時段時長。通過改變Regular S-CAP start time字段和S-CAP duration字段的值來實現這種自適應的扇區時段分配。考慮到扇區j中只有一個節點的情況，則由式(1)求得分配給扇區j的子時段時長為：

    此時會出現一種情況：按照式(2)計算出來的sj大于節點與PNC交互時隙請求消息的時間。在這種情況下，均會存在時隙的浪費情況。

    (2)在現有波束訓練過程中，在收到源節點發出的波束訓練幀后，目的節點會向源節點所在扇區發出多個波束訓練幀，以便讓源節點成功接收其中的一個。而在能夠準確計算源節點接收扇區的情況下，目的節點只需要在對應的時刻向源節點發送一個波束訓練幀，該幀便能被源節點成功接收。因此，現有波束訓練操作存在冗余的控制開銷和時間消耗。

2 HUFD-MAC協議

2.1 利用冗余單節點扇區傳輸下行數據

    該機制的基本思路是：PNC利用分配給單節點扇區的多余時長傳輸下行數據。具體方案如下：

    當網絡中存在單節點扇區且分配給該扇區的時長大于節點與PNC交互時隙請求消息所需的時間時，PNC在該扇區發送one-device標志位置1的Beacon幀。節點收到Beacon幀，并提取one-device字段，如果值為1且在當前超幀對應的Association S-CAP時段沒有收到PNC對于其他節點的關聯回復(表明在同一扇區沒有其他節點入網)，則在Regular S-CAP start time到期時直接向PNC發送時隙請求幀。PNC利用單節點扇區的Regular S-CAP時段進行下行數據的傳輸。Beacon幀Regular S-CAP info字段格式如圖2所示。

2.2 基于時間信息減少目的節點發幀

    該機制的基本思路是：數據幀目的節點根據收到的源節點發出的波束訓練幀序號、發送一個波束訓練幀的時間、節點監聽一個波束訓練幀的時間等信息，計算源節點在旋轉監聽過程中轉到自己所在扇區的準確時刻，然后在該時刻向數據幀源節點發送一個波束訓練幀。具體方案如下：

    目的節點在收到了源節點的波束訓練幀后會從中提取天線信息和序號，并根據式(3)計算其位于源節點的扇區號。

其中，t_s表示供節點發送一個波束訓練幀所用時間(包括幀間間隔)，t_r表示供節點監聽一個波束訓練幀所用時間(包括幀間間隔)；t_p、m分別表示當前節點收到源節點發出的波束訓練幀的時刻和該波束訓練幀的序號，n表示扇區總數。目的節點在t_a時刻向源節點所在扇區發送一個帶有序號和自己天線信息的波束訓練幀。至此，本新機制操作結束，流程圖如圖3所示。

2.3 性能分析

    引理1：HUFD-MAC協議的吞吐量不低于3c和ACAP-MAC。

    證明：在3c和ACAP-MAC中，節點間數據的發送/接收均在CTAP時段進行。而在HUFD-MAC中，節點不僅可以在CTAP時段傳輸數據，還可以在CAP時段機會性地傳輸數據。假設一個超幀長為L，CTAP的占比為R，數據傳輸速率為D。為簡化計算，假設CTAP時段全部用于發送數據，則3c和ACAP-MAC一個超幀傳輸的數據總量A₁的計算公式為式(5)，每秒包含的超幀個數Q的計算公式為式(6)：

    由式(5)和式(6)可知，3c和ACAP-MAC的網絡吞吐量T₁為： 

    引理2：HUFD-MAC為一次節點間波束賦形訓練所用的開銷低于ACAP-MAC。

    證明：假設節點的扇區數均為S，則在ACAP-MAC中節點間的波束賦形訓練開銷C_ACAP分為兩個部分：C_ACAP1和C_ACAP2。

其中，C_HUFD1表示HUFD-MAC協議波束賦形訓練第一階段所用的開銷，C_HUFD2表示HUFD-MAC協議波束賦形訓練第二階段所用的開銷。

    由式(9)～式(12)可得：

    由C_BF>0，S>1可得：C_ACAP>C_HUFD，得證。

3 仿真分析

    本文通過OPNET仿真工具比較HUFD-MAC、3c以及ACAP-MAC協議的性能，仿真參數設置如表1所示。

3.1 MAC層吞吐量

    MAC層吞吐量是指單位時間內MAC層成功接收到的比特數。圖4表明HUFD-MAC擁有更高的吞吐量，這是因為：(1)該協議利用冗余單節點扇區傳輸下行數據使得PNC可以不占用CTAP時段發送部分下行數據，這樣更多其他節點的數據可以在CTAP時段發送；(2)該協議基于時間信息減小了節點間波束賦形訓練的冗余開銷，使得更多的數據得以發送。

3.2 數據平均時延

    數據時延是指源節點產生數據包到目的節點接收數據包的時間，而數據包平均時延是所有數據包的時延總和取均值。圖5表明HUFD-MAC協議的數據平均時延最低，其主要原因是：(1)利用冗余單節點扇區傳輸下行數據機制使得PNC的部分數據得以提前發送；(2)基于時間信息減少了目的節點發幀數量，縮短了節點間波束賦形訓練的時間，從而使得本應在后發送的數據可以提前發送。

3.3 歸一化控制開銷

    歸一化控制開銷是指所有控制幀所占的比特數與控制幀和數據幀總共所占比特數的比值。圖6表明HUFD-MAC的歸一化控制開銷最小，這是因為該協議采用了基于時間信息減少目的節點發幀機制，這顯著減小了節點間波束賦形發送的訓練幀數量，從而使得控制開銷所占比例降低。

4 結束語

    本文針對現有定向MAC協議存在冗余單節點扇區時段分配、波束賦形訓練開銷過大以及用時過長等問題，提出了一種太赫茲無線個域網高時隙利用率快速定向MAC協議（HUFD-MAC）。該協議采用冗余單節點扇區傳輸下行數據以及基于時間信息減少發送波束訓練幀數量的機制，有效提高時隙利用率，減少網絡開銷，降低波束賦形用時。

參考文獻

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作者信息:

任  智，徐兆坤，康  健

（重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶400065）