0 引言

    太赫兹超高速无线网络^[1]是一种新型的无线网络，与传统的无线网络不同，它工作在太赫兹频段，可支持10 Gb/s～1 Tb/s的数据传输速率。目前对太赫兹无线个域网的研究大部分是考虑网内设备天线采用全向传输的方式^[2-3]，太赫兹无线个域网内，在一定的功率范围内，太赫兹的全向传输范围小于1 m；发送端采用定向发送的方式，而接收端采用全向接收的方式，通信范围仅为2 m；发送端采用定向发送，接收端采用定向接收的方式，可使通信距离达到十多米^[4]。为了增大节点的通信距离，在太赫兹无线个域网中，收发设备都需要采用定向天线进行波束赋形。

    现有的超高速无线MAC协议标准中，适用于高载波频率的协议有IEEE 802.15.3和IEEE 802.11.ad，它们都用于载波频率为60 GHz的无线通信。PRIEBE S^[5]在对太赫兹无线通信MAC层技术进行深入研究后，指出了IEEE 802.15.3c开销相对较少，更适用于太赫兹无线通信。IEEE 802.15.3c标准提出了基于码本的波束赋形，该波束赋形方法分为3个阶段，3个阶段的定向增益依次增大，而覆盖范围依次减小。由于太赫兹波波束较窄的特性^[6]，太赫兹无线个域网内收发设备只能进行波束级别的扫描，波束赋形时间过长是个亟待解决的问题。

    目前的太赫兹无线个域网MAC协议更多是对网内设备的处于动态的场景进行考虑，然而对于网内设备是静态的场景，如服务器机房内大型服务器间的数据传输、家庭影院设备间的数据传输等，仍然采用动态场景下的MAC协议是不合适的。动态场景下的MAC协议应用在静态场景下会造成过多的控制开销，针对这些问题，本文提出一种适用于静态场景下的太赫兹MAC协议。

1 网络模型与问题描述

1.1 网络模型

    太赫兹无线个域网通常由一个微网协调设备(PicoNet Coordinator，PNC)和多个普通设备(DEVice，DEV)组成。PNC作为一种特殊的DEV，负责整个网络的同步，使DEV接入网络，安排DEV进行数据传输。

    本文讨论的超帧结构如图1所示，该超帧结构与802.15.3cMAC协议采用的超帧相同。整个超帧一共划分为3个部分：信标(Beacon)时段、竞争接入时段(Contention Access Period，CAP)时段、信道时隙分配时段(Channel Time Allocation Period，CTAP)，其中CTAP由多个信道时隙(Channel Time Allocation，CTA)组成。在Beacon时段，PNC向所划分的扇区依次发送多个Beacon帧，DEV收到Beacon帧后，提取出时隙分配信息，在该时隙里进行数据传输。CAP时段分为关联竞争接入子时段(Association S-CAP)和常规竞争接入子时段(Regular S-CAP)，分别用于DEV进行关联入网和向PNC申请时隙。CTAP时段用于分配给DEV进行波束赋形和数据传输。

1.2 问题描述

    (1)问题一：在太赫兹无线个域网中，源DEV与目的DEV进行波束赋形时，源DEV会遍历自己所划分的扇区寻找最佳发送扇区和接收扇区，这种遍历的方式带来了波束赋形时间过长的问题，由此导致了数据较大的传输时延，减小了网络吞吐量。

    (2)问题二：在太赫兹无线个域网中，在Beacon时段，PNC会在每个扇区发送多个Beacon帧告知各个DEV时隙分配信息，Beacon帧包含了所有DEV的时隙分配信息，然而每个DEV收到Beacon帧后，仅提取出与自己有关的时隙信息，由此增加了不必要的控制开销。

2 FE-MAC协议

2.1 快速波束赋形机制

    针对问题一提出“快速波束赋形机制”，该机制主要运行在CAP时段和CTAP时段，主要思想是：Beacon和CAP时段，PNC完成与各个DEV的波束赋形并确定出各个DEV位置，当DEV1需要对DEV2进行数据传输时，DEV1向PNC申请时隙，PNC利用各个DEV的位置信息计算出DEV1与DEV2的相对位置关系，然后告知DEV1，DEV1在发送数据前根据相对位置信息对DEV2进行波束赋形。

    具体方案如下：

    (1)在Association S-CAP时段，DEV在最佳发送扇区，发送多个申请入网信息，此时PNC轮流在各个扇区监听收到的信息，当收到DEV发送的申请信息后，通过物理层的测试计算，PNC可确定各个DEV所位于自己的扇区号、信号到达角、距离，建立位置信息表，将DEV的ID号、位于的扇区号、信号到达角、距离存储在里面。

    (2)在Regular S-CAP时段，有数据传输的DEV会向PNC申请时隙，PNC通过位置信息表里的各个DEV的位置信息，计算两个DEV的相对位置关系。

    计算方法如下：

    ①如图2所示，当DEV1有数据向DEV2传输时，DEV1、PNC、DEV2可构成一个三角形，假设DEV1的到达角为α，DEV2的到达角为β，由几何关系可得DEV1、PNC、DEV2所形成的角为|α-β|。

    ②假设DEV1与PNC的距离是a，DEV2与PNC的距离是b，由正余弦定理可得γ：

    ③PNC根据DEV1的到达角可以对DEV1的发射角进行计算：如果α的范围是0°≤α<180°，则δ=α+180°；如果α的范围是180°≤α<360°，则δ=α-180°。

    ④PNC通过与DEV1连线的延长线判断DEV2的相对位置。通过连线和延长线判断DEV2所在该连线的左侧右侧还是线上，以此决定在DEV1在发射角δ上进行顺时针运算还是逆时针运算。

    ⑤通过ε的值PNC可以得出DEV2所位于DEV1的象限。对DEV1、PNC、DEV2三者共线和不共线分情况进行讨论，如果DEV1、PNC、DEV2三者不共线，通过ε的值即可判断出DEV2所位于DEV1的象限；如果DEV1、PNC、DEV2三者共线，考虑DEV1、DEV2是否位于PNC的同一侧。

    如果位于同一侧，需要DEV1与DEV2的距离信息进行进一步判断，如果a>b说明DEV1离PNC较远，则根据δ的值取象限信息即可；如果a<b说明DEV离PNC较近，则取δ所在象限对称的象限。对于ε可能取0°、90°、180°、270°的情况，象限取该角度所在的两个象限。

    (3)PNC在回复DEV1的数据请求帧时，将象限信息放入请求回复帧里的保留字段里捎带给DEV1。

    (4)DEV1获取了象限信息后，则做出判断，如果该象限信息只包含一个象限，则从这个象限里的扇区开始进行对DEV2的波束赋形；如果象限信息里包含了两个象限，则取这两个象限的中间部分进行波束赋形。

    该机制相较于现有太赫兹MAC协议遍历每个扇区进行波束赋形的方式，PNC对网络中节点的相对位置进行计算，源DEV利用该相对位置信息缩小了对目的DEV的波束赋形范围，在不影响波束赋形效果和不增加额外的网络控制开销的前提下，减少了进行波束赋形的控制开销，减小了数据传输时延。

2.2 自适应Beacon帧

    针对问题二提出“自适应Beacon帧”机制，该机制运行在Beacon时段和CAP时段，其主要思想是：在上一超帧的CAP时段，PNC可确定DEV在扇区内的分布情况，当PNC向一个扇区内发送Beacon帧时，Beacon帧的时隙信息分配字段放入该扇区内DEV参与的时隙信息。

    具体方案如下：

    (1)在Association S-CAP时段，PNC在每个扇区监听关联请求信息时，确定DEV在各个扇区的分布情况，建立位置信息表，该表用于存储每个扇区存在的DEV ID号。

    (2)在Regular S-CAP时段，PNC通过DEV发送的信道时隙请求命令帧可确定需要进行数据传输的源DEV和目的DEV，建立数据传输表，将源DEV和目的DEV的ID号、时隙分配信息存储在里面。

    (3)在下一超帧的Beacon时段，PNC向每个扇区发送Beacon帧前利用位置信息表先判断该扇区内是否存在DEV，如果不存在DEV，则Beacon帧去掉时隙分配信息字段；如果存在，则利用数据传输表判断该扇区内的DEV是否存在目的DEV或源DEV。如果不存在目的DEV或源DEV，则Beacon帧去掉时隙分配信息字段；如果存在，则Beacon帧时隙分配字段放入这些DEV参与的时隙信息。

    该机制采用自适应的方式对Beacon帧进行调整，根据DEV在各个扇区的分布情况自适应地添加时隙分配信息，相较于现有太赫兹MAC协议每个扇区都发送完整Beacon帧的方式，减少了控制开销，提升网络的整体传输速率。

3 性能分析

    定理1：与基于802.15.3c的太赫兹MAC协议相对比，FE-MAC协议控制开销较小。

    证明：假设网络中有一个PNC和n个DEV(n>1)，每个DEV与其余DEV通信，每个节点有m个扇区，波束赋形训练帧长为224 bit，802.15.3c中Beacon帧长为L₁，FE-MAC协议中Beacon帧长为L₂。

    802.15.3cMAC协议总的控制开销C₁为：

    由式(4)可知，因为L₁>L₂，n-1>0，所以C₁>C₂，证毕。

    定理2：FE-MAC协议的网络吞吐量高于基于802.15.3c 的太赫兹MAC协议。

    证明：假设在相同超帧时间内，则CTAP也相等，设数据传输速率为Data_rate。

    802.15.3c太赫兹MAC协议进行波束赋时间为T_B1，进行数据传输的时间为T_D1，数据传输总量Amount₁为： 

    因为采用了快速波束赋形机制，波束赋形时间减少，所以T_B1>T_B2，T_D1<T_D2；Amount₁<Amount₂，证毕。

4 仿真验证

4.1 仿真参数设置

    该实验通过OPNET仿真工具，将基于802.15.3c的太赫兹MAC协议、FE-MAC协议和ED-MAC协议行了仿真验证，仿真中每个节点的业务量相同，主要考察改变节点个数对各性能指标的影响，具体仿真参数设置如表1所示。

4.2 仿真结果分析

    图3表明FE-MAC协议相较于802.15.3c太赫兹MAC协议吞吐量增加约为6.53%，相较于ED-MAC协议吞吐量增加约为3.12%，这是因为“快速波束赋形”机制减少了波束赋形时间，在相同的CTAP里有更多的时隙资源用于数据传输。802.15.3cMAC协议和ED-MAC协议采用完整Beacon帧，ED-MAC协议采用自适应的Beacon帧，减少了控制开销，有利于整体提升网络的平均传输速率。

    图4表明相较于基于802.15.3c的太赫兹MAC协议，FE-MAC协议在业务量饱和的情况下数据平均时延减小了约6.41%，相较于ED-MAC协议数据平均时延减小了约2.12%。这是因为“快速波束赋形”机制缩短了波束赋形过程所用时间，在整体上降低控制开销，有利于缩短数据帧的传输延迟。

    图5表明，相较于另外两种协议，FE-MAC协议有更高传输成功率，这是因为“快速波束赋形”机制提高了数据传输的时隙利用率，更多的时隙资源用于数据帧的传输，使得数据帧的传送成功率得到了提升。

    图6表明FE-MAC协议比另外两种协议的波束赋形开销显著减少，这是因为另外两种协议采用了遍历每个扇区的方式进行波束赋形，FE-MAC协议采用“快速波束赋形”机制，缩小了波束赋形的范围，减少了节点间波束赋形的比特数，以更小的开销完成波束赋形。

5 结束语

    本文针对太赫兹MAC协议中波束赋形开销过大、传输时延较大、Beacon帧冗余的问题，提出了一种静态场景下的快速波束赋形机制和自适应Beacon帧机制，通过缩小波束赋形范围，采用自适应Beacon帧的方法，降低了波束赋形的开销，减少了传输时延，提高了网络的吞吐量。未来将对动态场景下的太赫兹MAC协议进行研究。

参考文献

[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:

邱钟维，任  智，葛利嘉

(重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆400065)