0 引言

    太赫兹无线个域网(Terahertz Wireless Personal Area Networks，THz-WPANs)是一种数据传输速率能够达到数十吉比特每秒且以太赫兹波作为载波的自组织网络^[1]。作为一种自组织网络，其应用范围比较广泛：在会议现场，可以手机、PAD以及笔记本等作为终端设备形成自组高速通信网络；在室内环境中，可以各家用电子产品进行物物相连而实现各家用器件间的高速通信网络^[2-3]。

    创建于2008年的太赫兹兴趣小组IEEE 802.15 IG 太赫兹^[4]的首要目标是提出一种适用于300 GHz频段及以上的标准化的无线接入协议。在收发机技术取得巨大突破的条件下，太赫兹兴趣小组于2013年成功转变为100 Gb/s的研究小组IEEE 802.15 SG 100G^[5]，这为实现太赫兹无线通信标准化迈出了重要一步。该研究小组于2014年顺利完成了工作任务，并向100 GHz任务小组进行了转变^[6]。随后该任务组提出了向太赫兹无线通信进行过渡的具体思路： THz-WPANs接入协议应该以IEEE 802.15.3c^[7]为参考模型，在现有相关技术的基础上，实现能够达到10 Gb/s以上数据传输速率的接入协议。

1 太赫兹无线个域网组成及问题描述

1.1 太赫兹无线个域网组成

    THz-WPANs是一种包含多个普通节点(device，DEV)和一个具有网络协调功能的网络协调器(Piconet Network Coordinator, PNC)的集中式网络，其网络结构如图1所示。其中双向实线代表的是可能存在的数据流线，单向虚线表示PNC向DEV广播的beacon帧流线和单播的各种命令帧流线。

    THz-WPANs将网络时间划分为一个一个的超帧(Superframe)结构，如图2所示。从图中可以知道，一个超帧又分为信标(Beacon Period，BP)、信道时间分配(Channel Time Allocation Period，CTAP)以及竞争接入(Contention Access Period，CAP)3个时段，而一个CTAP时段又可以包含有多个CTA^[8]。在BP时段，PNC通过集中控制的方式向整个网络广播包含定时、同步以及时隙分配等信息的beacon帧；CTAP时段，各DEV之间以TDMA的方式进行数据传输；CAP时段，暂时没有入网的DEV会以CSMA/CA的方式入网，有数据发送需求的DEV向PNC申请时隙^[9]。

1.2 问题描述

    （1）标准帧聚合机制即源节点首先将多个（通常为8）数据子帧聚合到一起成为一个大的聚合帧，如图3所示，发送到目的节点。但由于聚合帧所含比特数较多，与未聚合的单个数据子帧相比出错概率会增加。在MAC子头部出错的情况下，如果MAC子头部的前半部分内容及其对应的数据帧是正确的，它们便不用重传，但现有机制将它们全部重传，会导致较明显的冗余开销。

    （2）在现有时隙申请方式下，PNC会对每个时隙请求帧以时隙回复帧的方式做出响应，但在传输的过程中可能会发生碰撞。这使得该源节点在CAP时段结束时都可能收不到时隙回复帧，产生PNC成功分配了时隙但是节点以为PNC没有为其分配时隙的假象，导致PNC为节点分配的时隙资源的连续浪费。

    面对上述未解决难题，本文提出了一种高时隙利用率太赫兹无线个域网接入协议（High Time Slot Utilization MAC Protocol, HTSU-MAC）。

2 HTSU-MAC协议

2.1 HTSU-MAC协议新机制

    （1）帧聚合内容按需重传

    该机制的主要思路是：源DEV对聚合帧MAC子头部中前4个数据帧的子头部进行一次专门的8 bit循环冗余校验，校验结果保存在聚合帧中MAC子头部的8 bit保留位中。目的DEV收到聚合帧后如果发现MAC子头部出错，则取出前4个数据帧的子头部进行循环冗余校验，比对校验结果是否和保留位中携带的数据相等；若相等，说明前4个数据帧的子头部正确，则根据它们取出对应的数据帧进行检验看是否正确；如果有正确的数据帧，则在回复帧中告诉源DEV不用重传已正确接收的数据帧。若8 bit校验也发生错误，则不作处理，源DEV重传整个聚合帧。

    “聚合帧内容按需重传”新机制能够在聚合帧中前4个数据帧的子头部正确时减少不必要的数据帧重传，从而降低重传冗余开销，提高网络带宽和时隙资源利用率，降低数据传输时延。

    （2）无确认时隙利用

    该机制的主要思路是：若源节点未收到PNC发送的时隙回复帧，在下一超帧的BP时段收到beacon帧后，提取其中CTA IE信息（包含了PNC为各节点分配的时隙信息），若其中包含有该节点ID的CTA块，则节点认为PNC已经为自己分配了时隙，就会在给自己分配的时段按时进行数据传输操作。

    “无确认时隙利用”新机制能够保证源节点在没有收到时隙回复帧的条件下，仍然可以利用PNC为其分配的时隙资源，有效地避免了时隙资源的浪费，提高了时隙资源利用率。

2.2 HTSU-MAC协议操作流程

    该协议总共涉及两种改进机制，具体操作步骤如下：

    (1)在当前超帧的BP时段，整个网络进行初始化操作，PNC向整个网络广播beacon帧。转步骤(2)。

    (2)在CTAP时段，各节点以TDMA的接入方式与目的节点进行数据传输。转步骤(3)。

    (3)在CAP时段，有数据发送需求的节点（节点A）向PNC发送时隙请求帧申请时隙。转步骤(4)。

    (4)PNC收到该时隙请求帧之后，向节点A发送时隙回复帧。待临近CAP时段结束时，PNC会对时隙资源进行划分。转步骤(5)。

    (5)在下一超帧的BP时段，PNC会利用beacon帧对时隙分配等信息进行广播。节点A接收到该beacon帧之后会提取其中的CTA IE，此时节点A会启用新提出的无确认时隙利用机制来确认自己的时隙分配情况。转步骤(6)。

    (6)在CTAP时段，节点A会利用新提出的帧聚合内容按需重传新机制，以标准聚合帧的方式向目的节点发送聚合帧，目的节点收到聚合帧后以块确认的方式进行确认。

3 理论分析

    现结合IEEE 802.15.3c，对HTSU-MAC协议的网络性能进行一定的理论分析。

    引理1：HTSU-MAC在网络吞吐量上性能更优。

    证明：文献[10]提出了一种适用于CSMA/CA+TDMA的混合接入协议的网络吞吐量分析模型，结合THz-WPANs超帧结构特性，假设IEEE 802.15.3c和HTSU-MAC的网络吞吐量分别为S₁、S₂，则：

    引理2：HTSU-MAC在网络子帧数据重传上性能更优。

    证明：假设整个网络的误比特率为R_BER；每个子帧头部所占比特数为M；聚合的子帧个数为n，其中第i个子帧的长度为l_i比特。故任一子帧头部出错概率为：

    然后利用泰勒公式：

    通过计算可知，在2≤n≤8时，总是满足R₂<R₁，故可以证明相较于IEEE 802.15.3c，HTSU-MAC在网络子帧数据重传上性能更优，得证。

4 仿真分析

4.1 仿真参数设置

    本文采用OPNET Modeler 14.5 仿真工具分别对HTSU-MAC、HEF-MAC以及IEEE 802.15.3c进行仿真验证，通过改变节点数量比较３种协议的网络吞吐量、数据接入时延等性能。主要仿真参数设置如表1所示。

4.2 仿真结果及分析

    （1）网络吞吐量

    网络吞吐量仿真结果如图4所示。由图可知，网络吞吐量随着节点数的增加而增加，当节点数增加到一定程度后趋于平稳。在节点数不多的条件下，3种协议所表现出来的吞吐量差不多，但随着节点数的增加，HTSU-MAC协议的优越性能逐渐体现出来。其主要原因是：无确认时隙利用机制使得已经分配的CTAP时隙资源不会被浪费而用于数据传输，增大了网络吞吐量。

    （2）平均时延

    数据平均时延仿真结果如图5所示。由图可知，数据平均时延随着节点数增加而越来越大，当网络趋于稳定时，HTSU-MAC协议所表现出的平均时延较另外两种协议更小，其主要原因是：帧聚合内容按需重传机制减少了冗余数据传输，使得数据平均时延有一定减少。

    （3）数据重传率

    数据重传率仿真结果如图6所示。由图可知，HTSU-MAC协议所反映的数据重传率较另外两种协议降低了接近一半。其主要原因是：帧聚合内容按需重传机制使得在目的端检测出聚合帧MAC子头部出错的情况下，如果发现MAC子头部前半部分及其对应的数据帧没有出错，就不会要求源节点重传整个聚合帧，只是对后半部分子帧进行重传，明显地降低数据重传率。

    （4）时隙利用率

    时隙利用率仿真结果如图7所示。由图可知，在节点数较少条件下，3种协议所支持的时隙利用率大体相同，且此时信道利用率较低。随着节点数的增加，系统总业务量增加，信道会基本达到饱和。HTSU-MAC在时隙利用率方面会展现出较大的优势，其主要原因是：无确认时隙利用机制使得为节点分配的时隙资源不会被浪费，节点可以合理利用该时段，明显提高时隙利用率。

5 结论

    本文针对标准帧聚合机制以及时隙申请方式进行了详细分析，并提出了一种高时隙利用率太赫兹无线个域网接入协议——HTSU-MAC，从总体上介绍了整个协议操作流程；接着对该协议的优越性进行了理论分析；最后，利用OPNET Modeler 14.5仿真工具进行了仿真验证，仿真结果表明，HTSU-MAC协议较其他协议具有更高的时隙利用率。

参考文献

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作者信息:

任  智，田洁丽，游  磊，吕昱辉

（重庆邮电大学 移动通信技术重庆市重点实验室，重庆400065）