0 引言

    太赫兹无线个域网是一种自组织网络，其通信频率范围为0.1 THz～10 THz^[1]。与传统的无线网络相比，太赫兹无线个域网的最大优势在于其具有巨大的可用带宽，可以支持10 Gb/s的数据速率，这可以满足人们越来越高的需求。

    在关于太赫兹无线个域网的现有研究^[2-3]中，大多数考虑的是全向传输的场景。在功率受限的条件下，太赫兹频段的高路径衰减使其全向传输的距离只能达到1 m^[4]左右，这严重影响了它在实际中的应用。而通过波束赋形技术，源目的节点可以实现定向通信，即源节点在对准接收节点的方向上发送数据。目的节点在对准源节点的方向上接收数据，这可以显著提高太赫兹频段的通信距离。因此，波束赋形技术在太赫兹无线个域网的应用显得尤为重要。文献[5]提出了基于码本的60 GHz波束赋形协议。该协议将节点间的波束赋形训练过程分为3个级别：准全向级别、扇区级别、波束级别。这3个级别的定向增益依次增大，而覆盖范围依次减小。为了达到相同的传播距离，3个级别采用的编码调制方案也不同，定向增益大的级别使用更高阶调制方案。上一级别确定后，下一级别再根据需求启动。上一级别是前提，下一级别是细分。不同级别划分的方法避免了大量的不必要的同步开销。文献[6]提出了一种适用于室内THz通信的快速波束扫描策略。该策略的主要思路是收发端首先通过2.4 GHz频段进行粗略的扫描，确定大概方位后再进行THz频段的精细扫描。在该文中，2.4 GHz频段的定向波束宽度被设置为36°，而THz频段的定向波束宽度被设置为12°。发送端在进行粗略扫描时要进行离开角度估计(Angle of Depature estimation，AoD)，接收端在进行粗略扫描时要进行到达角度估计(Angle of Arrival estimation，AoA)。粗略扫描结束后，收发两端得到了关于对方的大概方位信息，然后收发两端根据大概的方位信息缩小THz频段的波束扫描范围，从而达到减少波束赋形时长的目的。这种方法虽然减少了波束赋形的时间，但是增加了硬件成本。

    针对上述问题，KIM E J等人提出基于IEEE 802.15.3c（以下简称3c）标准的CAP自适应分配机制^[7]（ACAP-MAC）。ACAP-MAC优化了3c协议的CAP时段划分，主要思想是取消了没有节点的Regular S-CAP时段，以及根据节点数量动态分配该时段，避免了不必要的时段浪费。但是，该协议在节点间波束赋形训练和单节点扇区时段分配方面没有进行优化。

    本文提出了一种太赫兹无线个域网高时隙利用率快速定向MAC协议(High Slot Utilization Rate and Fast Directional MAC Protocol，HUFD-MAC)，可有效提高时隙利用率，减少网络开销，降低波束赋形用时。

1 网络模型与问题分析

1.1 网络模型

    本文基于3c标准研究太赫兹无线个域网的波束赋形问题，其超帧结构如图1所示。

    在Beacon时期，PNC首先向各个方向广播携带网络基本信息的Beacon帧，微网中的节点循环旋转接收Beacon帧。未入网的节点会在对应的Association S-CAP时段进行关联操作，加入该微微网(Piconet)。已入网且有数据传输的节点会在Regular S-CAP时段向PNC请求时隙，Regular CAP可以用于节点间数据帧传输，CAP各时期均采用CSMA/CA接入方式。CTAP包括CTAs(Channel Time Allocations)和MCTAs(Management CTAs)两种。CTAs主要用于网络中节点之间发送同步/异步数据流、命令帧等信息，采用TDMA的接入方式，提供具有QoS保证的数据传输服务。而MCTAs在某些情况下可替代CAP传输命令帧，但该时期主要是用来进行DEV和PNC之间通信。

1.2 问题分析

    (1)在ACAP-MAC协议中，Regular S-CAP中各个子时段长度是按照式(1)分配的。

其中，m_j表示扇区j中的节点数，m_total表示所有扇区的节点总数，s_{total_CAP}表示在3c中Regular S-CAP的时段总长，s_j表示分配给扇区j的子时段时长。通过改变Regular S-CAP start time字段和S-CAP duration字段的值来实现这种自适应的扇区时段分配。考虑到扇区j中只有一个节点的情况，则由式(1)求得分配给扇区j的子时段时长为：

    此时会出现一种情况：按照式(2)计算出来的sj大于节点与PNC交互时隙请求消息的时间。在这种情况下，均会存在时隙的浪费情况。

    (2)在现有波束训练过程中，在收到源节点发出的波束训练帧后，目的节点会向源节点所在扇区发出多个波束训练帧，以便让源节点成功接收其中的一个。而在能够准确计算源节点接收扇区的情况下，目的节点只需要在对应的时刻向源节点发送一个波束训练帧，该帧便能被源节点成功接收。因此，现有波束训练操作存在冗余的控制开销和时间消耗。

2 HUFD-MAC协议

2.1 利用冗余单节点扇区传输下行数据

    该机制的基本思路是：PNC利用分配给单节点扇区的多余时长传输下行数据。具体方案如下：

    当网络中存在单节点扇区且分配给该扇区的时长大于节点与PNC交互时隙请求消息所需的时间时，PNC在该扇区发送one-device标志位置1的Beacon帧。节点收到Beacon帧，并提取one-device字段，如果值为1且在当前超帧对应的Association S-CAP时段没有收到PNC对于其他节点的关联回复(表明在同一扇区没有其他节点入网)，则在Regular S-CAP start time到期时直接向PNC发送时隙请求帧。PNC利用单节点扇区的Regular S-CAP时段进行下行数据的传输。Beacon帧Regular S-CAP info字段格式如图2所示。

2.2 基于时间信息减少目的节点发帧

    该机制的基本思路是：数据帧目的节点根据收到的源节点发出的波束训练帧序号、发送一个波束训练帧的时间、节点监听一个波束训练帧的时间等信息，计算源节点在旋转监听过程中转到自己所在扇区的准确时刻，然后在该时刻向数据帧源节点发送一个波束训练帧。具体方案如下：

    目的节点在收到了源节点的波束训练帧后会从中提取天线信息和序号，并根据式(3)计算其位于源节点的扇区号。

其中，t_s表示供节点发送一个波束训练帧所用时间(包括帧间间隔)，t_r表示供节点监听一个波束训练帧所用时间(包括帧间间隔)；t_p、m分别表示当前节点收到源节点发出的波束训练帧的时刻和该波束训练帧的序号，n表示扇区总数。目的节点在t_a时刻向源节点所在扇区发送一个带有序号和自己天线信息的波束训练帧。至此，本新机制操作结束，流程图如图3所示。

2.3 性能分析

    引理1：HUFD-MAC协议的吞吐量不低于3c和ACAP-MAC。

    证明：在3c和ACAP-MAC中，节点间数据的发送/接收均在CTAP时段进行。而在HUFD-MAC中，节点不仅可以在CTAP时段传输数据，还可以在CAP时段机会性地传输数据。假设一个超帧长为L，CTAP的占比为R，数据传输速率为D。为简化计算，假设CTAP时段全部用于发送数据，则3c和ACAP-MAC一个超帧传输的数据总量A₁的计算公式为式(5)，每秒包含的超帧个数Q的计算公式为式(6)：

    由式(5)和式(6)可知，3c和ACAP-MAC的网络吞吐量T₁为： 

    引理2：HUFD-MAC为一次节点间波束赋形训练所用的开销低于ACAP-MAC。

    证明：假设节点的扇区数均为S，则在ACAP-MAC中节点间的波束赋形训练开销C_ACAP分为两个部分：C_ACAP1和C_ACAP2。

其中，C_HUFD1表示HUFD-MAC协议波束赋形训练第一阶段所用的开销，C_HUFD2表示HUFD-MAC协议波束赋形训练第二阶段所用的开销。

    由式(9)～式(12)可得：

    由C_BF>0，S>1可得：C_ACAP>C_HUFD，得证。

3 仿真分析

    本文通过OPNET仿真工具比较HUFD-MAC、3c以及ACAP-MAC协议的性能，仿真参数设置如表1所示。

3.1 MAC层吞吐量

    MAC层吞吐量是指单位时间内MAC层成功接收到的比特数。图4表明HUFD-MAC拥有更高的吞吐量，这是因为：(1)该协议利用冗余单节点扇区传输下行数据使得PNC可以不占用CTAP时段发送部分下行数据，这样更多其他节点的数据可以在CTAP时段发送；(2)该协议基于时间信息减小了节点间波束赋形训练的冗余开销，使得更多的数据得以发送。

3.2 数据平均时延

    数据时延是指源节点产生数据包到目的节点接收数据包的时间，而数据包平均时延是所有数据包的时延总和取均值。图5表明HUFD-MAC协议的数据平均时延最低，其主要原因是：(1)利用冗余单节点扇区传输下行数据机制使得PNC的部分数据得以提前发送；(2)基于时间信息减少了目的节点发帧数量，缩短了节点间波束赋形训练的时间，从而使得本应在后发送的数据可以提前发送。

3.3 归一化控制开销

    归一化控制开销是指所有控制帧所占的比特数与控制帧和数据帧总共所占比特数的比值。图6表明HUFD-MAC的归一化控制开销最小，这是因为该协议采用了基于时间信息减少目的节点发帧机制，这显著减小了节点间波束赋形发送的训练帧数量，从而使得控制开销所占比例降低。

4 结束语

    本文针对现有定向MAC协议存在冗余单节点扇区时段分配、波束赋形训练开销过大以及用时过长等问题，提出了一种太赫兹无线个域网高时隙利用率快速定向MAC协议（HUFD-MAC）。该协议采用冗余单节点扇区传输下行数据以及基于时间信息减少发送波束训练帧数量的机制，有效提高时隙利用率，减少网络开销，降低波束赋形用时。

参考文献

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[3] 任智，陈葱，游磊，等.一种高吞吐量低时延的太赫兹无线个域网MAC协议[J].计算机应用研究，2016，33（10）：3143-3146.

[4] Wang Pu，MIQUEL J J，ABBAS M M G，et al.Energy and spectrum-aware MAC protocol for perpetual wireless nanosensor networks in the Terahertz band[J].Ad Hoc Networks，2013，11(8)：2541-2555.

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[6] BILE P，SEBASTIAN P，THOMAS K.Fast beam searching concept for indoor Terahertz communications[C].The 8th European Conference on Antennas and Propagation(EuCAP 2014).Netherlands：IEEE Press，2014：639-643.

[7] KIM E J，JUNG J J.Adaptive CAP assignment approach for IEEE 802.15.3c[J].Computer Science and Its Applications，2015，330(1)：149-154.

作者信息:

任  智，徐兆坤，康  健

（重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆400065）