太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)MAC接入?yún)f(xié)議研究

曹亞楠，任智

(1.鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，河南 鶴壁，458030；2.重慶郵電大學(xué) 移動通信技術(shù)重慶市重點實驗室，重慶 400065)

太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)MAC接入?yún)f(xié)議研究

曹亞楠1，任智2

(1.鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，河南 鶴壁，458030；2.重慶郵電大學(xué) 移動通信技術(shù)重慶市重點實驗室，重慶 400065)

太赫茲波是一種位于毫米波和紅外光波之間的電磁波；有較寬的未被分配的頻帶且可支持Gbps以上的無線數(shù)據(jù)傳輸速率；因此近年來太赫茲通信技術(shù)成為各國研究的熱點.本文在IEEE 802.15.3c標準基礎(chǔ)之上首先簡介太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)；然后敘述太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)和目前所面臨的挑戰(zhàn)；接著描述太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)MAC接入?yún)f(xié)議的研究現(xiàn)狀以及現(xiàn)有接入?yún)f(xié)議存在的問題；在此基礎(chǔ)之上深入研究其超幀結(jié)構(gòu)和信道接入?yún)f(xié)議，進而對其進行改進，并對該改進算法進行分析.

太赫茲波；超高速無線網(wǎng)絡(luò)；信道接入?yún)f(xié)議；超幀

0 引 言

當前無線通信和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)逐漸擴展到人們工作和生活當中.隨著無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的逐步深入和規(guī)模的日益擴大，無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率及傳輸成功率變得越來越重要.目前在研究和已投入應(yīng)用的大多數(shù)無線網(wǎng)絡(luò)有無線個域網(wǎng)(WPAN)、無線局域網(wǎng)(Wi-Fi)、無線城域網(wǎng)(WiMax)和無線傳感器網(wǎng)(Wireless Sensor Networks,WSNs)等；但很少有支持Gbps以上數(shù)據(jù)傳輸速率的網(wǎng)絡(luò)實施方案.因此，隨著人們對無線網(wǎng)絡(luò)傳輸速率要求越來越高，人們正在付出更多努力研發(fā)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以滿足這些預(yù)期的需要.以上背景和需求促進了太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的誕生和發(fā)展.太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)[1]是一種新型的無線網(wǎng)絡(luò)；傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)不同，它工作在太赫茲頻段且可支持10 Gbps以上的數(shù)據(jù)傳輸速率.

本文擬對太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)MAC接入?yún)f(xié)議方面的研究進展進行綜述.后續(xù)部分內(nèi)容安排如下：第2節(jié)介紹太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的概念、超幀、組網(wǎng)過程等內(nèi)容；第3節(jié)描述太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)及目前所面臨的挑戰(zhàn)；第4節(jié)重點分析和闡述該研究開展以來現(xiàn)有的MAC接入?yún)f(xié)議并分析現(xiàn)有接入?yún)f(xié)議存在的問題；最后是問題的解決方案及下一步的研究工作.

1 太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)簡介

1.1 太赫茲波

太赫茲(terahertz, THz)波[2]是一種位于毫米波和紅外光波之間的電磁波(如圖1所示)，其波長范圍為0.03-3 mm，頻率范圍則為0.1-10 THz.太赫茲波正好處于宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過渡區(qū)，它是人類最后一個尚未完全認知利用的頻段.太赫茲波可提供較大的帶寬和較高的傳輸容量，但它在空氣中傳播時會有較大的衰減，且當空氣中水分子較多(如下雨)時衰減尤其嚴重.因此，太赫茲波在短距離超高速無線通信方面有巨大的應(yīng)用潛力，且被優(yōu)先考慮應(yīng)用于室內(nèi)短距無線通信方面.目前，世界上已有多個國家在研究太赫茲通信技術(shù)，而日本的NTT公司[3]已實現(xiàn)速率達到10 Gbps以上的太赫茲無線通信平臺.

圖1 太赫茲波在電磁波普中的位置 圖2 太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的組成示意圖

1.2 太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)

基于IEEE 802.15.3c標準，太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)與piconet類似；它亦是網(wǎng)絡(luò)中任何兩個節(jié)點(稱之為“DEV”)之間均可進行高速短距離通信、具有中心控制節(jié)點的WPAN無線自組織網(wǎng)絡(luò).節(jié)點通信范圍約為10 m，且可處于靜態(tài)或動態(tài)，可支持10G bps以上的數(shù)據(jù)傳輸速率.

太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的組成如圖2所示.一個太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)由一些相互之間可進行通信的節(jié)點(稱之為“DEV”)組成，其中一個節(jié)點做為該網(wǎng)絡(luò)的PNC (piconet coordinator，微微網(wǎng)協(xié)調(diào)者)；即中心控制節(jié)點.PNC[4][5]通過廣播信標幀(beacon)為該網(wǎng)絡(luò)提供基本的定時機制和信道接入控制信息.網(wǎng)絡(luò)中任意兩個節(jié)點之間均可進行雙向數(shù)據(jù)傳輸.

1.3 太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的超幀

根據(jù)IEEE 802.15.3c標準，太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的信道時間也可由一系列的超幀[13][14]組成.超幀又包括：信標幀(beacon)，競爭接入時期(contention access period, CAP)和信道時間分配時期(channel time allocation period, CTAP)三部分.

圖3 太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的超幀 圖4 太赫茲波譜范圍的大氣衰減 圖5 太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的超幀結(jié)構(gòu)如圖3所示.在信標幀時期，PNC首先廣播一個信標幀給該網(wǎng)絡(luò)中的DEVs，該信標幀包含了該網(wǎng)絡(luò)中的基本信息，如網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的狀態(tài)信息，超幀的持續(xù)時間、競爭接入的起止時間等；收到第一個信標幀后，有數(shù)據(jù)傳輸需求的DEVs會向PNC請求分配時隙資源；PNC收到請求后，再廣播一個信標幀以通告時隙分配情況.競爭接入時期CAP(Contention Access Period)[6]主要用于交換網(wǎng)絡(luò)中的命令幀和同步數(shù)據(jù)幀等；CAP在超幀中是否出現(xiàn)，出現(xiàn)的起止時間等均由PNC決定.信道時間分配時期CTAP (Channel Time Allocation Period)[7]同樣由PNC分配，它包括CTAs(channel time allocations)和MCTAs(management CTAs)兩種；CTAs主要用于交換網(wǎng)絡(luò)中的同步/異步數(shù)據(jù)流、命令幀等信息；而MCTAs在某些情況下可替代CAP傳輸命令幀.

1.4 太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)過程

要形成一個太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)；首先，DEV應(yīng)掃描信道不少于65535 μs[8][9]以接收其他網(wǎng)絡(luò)PNC廣播的beacon.若在此期間該DEV收到beacon，則它應(yīng)開始關(guān)聯(lián)過程以成為該網(wǎng)絡(luò)的成員或嘗試開始一個子網(wǎng)絡(luò)或鄰居網(wǎng)絡(luò).若在此期間該DEV沒有收到beacon，即表明信道空閑，在該DEV附近無太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的存在；則該DEV將承擔PNC的角色建立一個太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò).

此時，該PNC開始廣播beacon，能收到該beacon的其他DEV會在超幀的CAP時期進行關(guān)聯(lián)過程以成為該網(wǎng)絡(luò)的成員.同時，需傳輸數(shù)據(jù)的DEV會在CAP時期給PNC發(fā)送CTA request command，收到CTA request command[10]的PNC會給DEV分配CTAs且將分配CTAs的信息在beacon中廣播給該網(wǎng)絡(luò)的所有成員.然后，源DEV和目的DEV即會按照分配的CTAs進行數(shù)據(jù)傳輸.其他DEVs在這些CTAs期間則不能進行數(shù)據(jù)傳輸.

另外，若PNC要離開該網(wǎng)絡(luò)且無其他DEVs擔任該網(wǎng)絡(luò)的PNC角色，則該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)停止運行.因此若時間足夠，在PNC離開之前，PNC應(yīng)將PNC shutdown IE信息通過信標幀廣播給該網(wǎng)絡(luò)的DEVs以通知它們該網(wǎng)絡(luò)即將關(guān)閉.

1.5 太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的特點

太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)具有一些區(qū)別于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的特點，主要表現(xiàn)在：

(1) 可支持Gbps以上的無線傳輸速率，太赫茲波的頻段在0.1-10 THz之間，可提供較大的傳輸容量[14].

(2) 更好的保密性和抗干擾能力[11].

(3) 太赫茲波波長相對更短，在完成同樣功能的情況下，天線的尺寸可以做的更小，其他的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也可以做的更加簡單、經(jīng)濟.

(4) 太赫茲波具有很好的穿透沙塵煙霧的能力，因此可以在大風(fēng)沙塵以及濃煙等惡劣的環(huán)境下進行正常通信工作.

(5) 但是，太赫茲波在空氣中傳播時會有較大的衰減[12]，而且當空氣中水分子較多(如下雨)時衰減尤其嚴重；因此，太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離較小.圖4即為太赫茲波在通過大氣時水蒸氣等導(dǎo)致的強吸收.

鑒于太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)在高頻段運行，歷經(jīng)衰減嚴重.而且由于復(fù)雜無線環(huán)境中陰影、阻擋等因素的影響，將使得用戶難以獲得長距離的高速和高質(zhì)量的通信服務(wù).因此，太赫茲波在短距離超高速無線通信方面有巨大的應(yīng)用潛力，且被優(yōu)先考慮應(yīng)用于室內(nèi)短距無線通信方面.

1.6 太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的研發(fā)意義

首先，在通信傳輸方面太赫茲波通信技術(shù)對于無線通信網(wǎng)絡(luò)的支持更加具有優(yōu)勢，更適合于短距離通信和有良好傳輸介質(zhì)特性的空間傳輸.而無線移動通信呈現(xiàn)寬帶化和移動化的發(fā)展趨勢，開拓新的頻段成為未來無線通信的重要方向.太赫茲波頻段恰恰屬于空白頻段，目前還沒有分配執(zhí)照，有望提供固網(wǎng)和移動網(wǎng)的高服務(wù)質(zhì)量(QoS)寬帶多媒體10 Gb/s左右的無線業(yè)務(wù).

其次，THz技術(shù)可廣泛應(yīng)用于雷達、遙感、國土安全與反恐、高保密的數(shù)據(jù)通信與傳輸、大氣與環(huán)境監(jiān)測、實時生物信息提取以及醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域.因此THz波的研究對國民經(jīng)濟和國家安全有重大的應(yīng)用價值.將THz頻段用在通信領(lǐng)域還剛剛起步，目前商業(yè)設(shè)備供應(yīng)商和國際標準化組織如ITU和IEEE等正在研發(fā)THz通信并制定相應(yīng)標準.

第三，目前我國在接入網(wǎng)擴容上有一種無線接入方案.無線接入成本低，覆蓋面廣，特別是對那些偏僻的山區(qū)有著獨特的優(yōu)勢.但是帶寬越大需要的載波頻率也就越高，按照摩爾定律的增長速度在不久的將來無線通信的載波就會進入THz波譜范圍，這就使得研究THz通信成為必然的趨勢.此外就我國來說，太赫茲通信的發(fā)展填補了300 GHz以上帶寬的空白.對于無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供技術(shù)和戰(zhàn)略上的支持，太赫茲通信技術(shù)必然是未來通信系統(tǒng)技術(shù)中的主流；未來技術(shù)和硬件上的提升也必然會使太赫茲通信技術(shù)的許多概念化設(shè)計成為現(xiàn)實，使其成為未來光速時代的核心通信技術(shù).

由此可見，我國開展THz通信研究對于搶占帶寬資源，拓展無線通信帶寬等具有非常重要的戰(zhàn)略意義.

2 太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)及面臨的挑戰(zhàn)

2.1 太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)如圖5所示.其體系結(jié)構(gòu)與一般的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相同，從上到下一次為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、MAC層和物理層.我們的主要研究工作在MAC層，即主要研究其MAC層的信道接入?yún)f(xié)議.以使得太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)可達到較高傳輸速率，較大的成功率，較小的時延和開銷等.

2.2 太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)

太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的研究目前還存在很多需要解決的問題.為整個網(wǎng)絡(luò)高速有效的實現(xiàn)帶來了巨大挑戰(zhàn)，主要的難題有：

(1) 通信范圍?。禾掌澆ㄔ谕ㄟ^大氣時水蒸氣等導(dǎo)致的強吸收會導(dǎo)致太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的通信范圍較小.目前提出的解決方案有中繼和波束賦形兩種.

(2) 由于大氣層對THz波的吸收比較嚴重，研究人員則提出光纖載太赫茲通信研究方案；即無線通信網(wǎng)絡(luò)與基于光纖的太赫茲通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，則就需要解決光通信與無線通信網(wǎng)絡(luò)共存與兼容的問題.

(3) 在光信道中傳播時太赫茲波會有不小的任意衰減的問題.主要受通信鏈路的幾何分布，通過大氣層的通信鏈路數(shù)量和天氣條件等的影響.

(4) 當前技術(shù)還不能很好的保證太赫茲波在大氣中傳輸?shù)姆€(wěn)定頻段，而且即使控制在穩(wěn)定的頻段，當前在通信領(lǐng)域也沒有十分完善的調(diào)制技術(shù)來進行波段的控制.

(5) 在太赫茲超高速網(wǎng)絡(luò)運行時可能會有飛機進入和離開該網(wǎng)絡(luò)進而影響網(wǎng)絡(luò)的正常運行.所以網(wǎng)絡(luò)拓撲分析要有能夠發(fā)現(xiàn)飛機的有效方法和完善的飛機出口方案；使得在網(wǎng)絡(luò)運行時，網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點和鏈路能夠通過飛機飛行的航線.

(6) 太赫茲通信網(wǎng)絡(luò)需要多條信道的問題,因為需要多種設(shè)備來滿足一個多重存取微微網(wǎng)場景的很多用戶.

(7) 由于大氣湍流會引起太赫茲波的不穩(wěn)定，所以需要較大的鏈路容量(large link margins)和高能量的傳輸.因此網(wǎng)絡(luò)的鏈路容量和太赫茲信號的能量也是需要考慮的問題.

(8) 天空中云彩的形成會導(dǎo)致光路閉塞的問題.即要求覆蓋一個多云天氣拓撲的結(jié)點數(shù)目怎樣決定，對于不可靠鏈路的協(xié)議怎么修改，為了達到一個穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)而需要的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)怎樣計算.假設(shè)在云存在期間，有足夠的開放路徑以使得一些平臺能夠連接其他平臺而傳送數(shù)據(jù).同時可以通過加強網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽和重發(fā)業(yè)務(wù)來改進網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以保持達到用戶希望的數(shù)據(jù)流和服務(wù)質(zhì)量.問題的關(guān)鍵是怎樣決定最小的鏈路數(shù)目以保持網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定拓撲結(jié)構(gòu).

(9) 由于太赫茲波對于信號的載波功率很低，而通信技術(shù)要求的載波功率通常要高于實際的太赫茲載波，如果要進行改善就必須有一套科學(xué)的太赫茲波信號放大技術(shù)來進行支撐，但是目前還沒有一種完善的太赫茲波放大與縮小技術(shù).

(10) 超幀結(jié)構(gòu)的確定：太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、開銷和時延主要由超幀長度以及CAP和CTAP在超幀中所占的比例決定.超幀越大，CTAP所占的比例越大，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量會隨之增大；但是時延和開銷也會隨之增大.因此，怎樣確定超幀長度以及CAP和CTAP在超幀中所占的比例以達到較大的吞吐量、較小的時延和開銷是研究的一個難題.

(11) 仿真實現(xiàn)：用OPNET仿真實現(xiàn)太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)，包括應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、MAC層和物理層.以及這幾層的聯(lián)合改進優(yōu)化，特別是MAC層和網(wǎng)絡(luò)層的趕緊優(yōu)化.

以上的問題和挑戰(zhàn)，均需要針對不同的應(yīng)用背景進一步研究.但太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)能實現(xiàn)較大的傳輸速率能滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需要等特點使得我們對其研究勢在必行.

3 太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)MAC接入?yún)f(xié)議研究現(xiàn)狀

目前關(guān)于太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的MAC接入?yún)f(xié)議研究還比較少，而超高速無線通信網(wǎng)絡(luò)是太赫茲通信未來的一個重要實現(xiàn)場景.由于IEEE 802.15.3c標準和太赫茲超高速短距離無線網(wǎng)絡(luò)均支持使用高頻載波(>50 GHz)的超高速(>1 Gbps)短距離(<1000 m)無線通信，因此，太赫茲超高速無線通信網(wǎng)絡(luò)MAC接入?yún)f(xié)議的設(shè)計參考了IEEE 802.15.3c標準.即將太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的信道時間分為若干個超幀，且其超幀可繼續(xù)分為幾個不同的時期；然后，根據(jù)節(jié)點不同的數(shù)據(jù)傳輸需求在不同的時期執(zhí)行CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)或TDMA(Time Division Multiple Access)的信道接入?yún)f(xié)議.這樣不僅有較高的信道利用效率且可保證數(shù)據(jù)的高速傳輸.

3.1 太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)MAC層

基于IEEE 802.15.3c標準，目前設(shè)計的太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)MAC接入?yún)f(xié)議如下：

DEVs的基本信道接入機制為CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)和TDMA(Time Division Multiple Access)[13][14].在超幀的不同時期DEVs采用不同的信道接入?yún)f(xié)議；CSMA/CA用于CAP時期而TDMA用于CTAP時期.具體信道接入過程如下：

(1) 若超幀中有CAP時期，則該時期DEVs使用CSMA/CA和退避機制 (backoff procedure)實現(xiàn)信道介入.在開始CSMA/CA過程之前，首先列出在退避機制中用到的4個參數(shù)[13][14]：

a) retry_count: 一個整形數(shù)據(jù)，取值范圍是[0,3].

b) backoff_window(retry_count): 其有效取值有：[7, 15, 31, 63].

c) pBackoffSlot: 檢測信道所需時間以決定物理層的相關(guān)參數(shù).

d) bw_random(retry_count): 一個隨機整數(shù)，在[0, backoff_window(retry_count)]之間隨機選擇.

在CAP開始時，有傳輸數(shù)據(jù)需求的DEVs應(yīng)首先檢測信道是否空閑一個隨機的一段時間(約為9.3μs)；若信道在該段時間之后仍然空閑，則該DEV即可傳輸數(shù)據(jù)且retry_count應(yīng)設(shè)置為0.而DEV檢測信道等待的這段時間即稱之為退避機制.退避機制的具體過程為：首先，需傳輸數(shù)據(jù)的DEV應(yīng)使backoff_count等于bw_random(retry_count)且為backoff_count開始一個計數(shù)器；同時若DEV檢測到信道空閑時間大于或等于pBackoffSlot(約為9.3 μs)，則計數(shù)器應(yīng)減1；否則計數(shù)器掛起.之后，若計數(shù)器減小至0，則該DEV即可傳輸數(shù)據(jù)，否則表示信道忙該DEV不能傳輸數(shù)據(jù).

(2) 在超幀的CTAP期間，DEVs使用TDMA的方法接入信道.其具體過程為：需傳輸具有QoS保證數(shù)據(jù)的DEVs應(yīng)首先在CAP時期給PNC發(fā)送Channel Time Request command，PNC在收到Channel Time Request command之后會給相應(yīng)的DEVs分配CTAs.然后，PNC會將給DEVs分配的每個CTA的順序，起止時間等信息在信標幀中廣播給piconet中的所有DEVs.收到信標幀的DEVs即會知道自己應(yīng)該在哪個CTA期間傳輸自己的數(shù)據(jù)以及自己傳輸數(shù)據(jù)的起止時間等信息.此時，DEVs即可在分配給自己的CTAs期間內(nèi)傳輸數(shù)據(jù).

3.2 現(xiàn)有太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)MAC接入?yún)f(xié)議存在的問題

從文獻上分析，迄今為止研究主要集中于超幀的結(jié)構(gòu)，超幀各時期完成的功能及混合的信道接入?yún)f(xié)議等方面；以使得增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量，減小時延和開銷.我們在研究中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有MAC接入?yún)f(xié)議存在以下問題：

(1) 太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)期望達到的數(shù)據(jù)傳輸速率在10 Gbps以上；而作為其參考依據(jù)的IEEE 802.15.3c標準的理論最大速率僅為5.775 Gbps.

(2) IEEE 802.15.3c標準中規(guī)定的超幀只占2個字節(jié)；限制了超幀的時間長度進而影響數(shù)據(jù)的傳輸數(shù)速率.

(3) IEEE 802.15.3c標準中所描述的信道接入過程需要兩個Beacon.第一個Beacon用于廣播網(wǎng)絡(luò)中的基本定時信息等；第二個Beacon用于廣播CTAP時期網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的時隙分配情況.但該標準給出的超幀只包含一個Beacon.

(4) 網(wǎng)絡(luò)吞吐量主要由超幀長度以及CAP和CTAP在超幀中所占的比例決定.超幀越大，CTAP所占的比例越大，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量會隨之增大.而IEEE 802.15.3c標準的超幀結(jié)構(gòu)中包含了MCTAs，且MCTAs的作用完全可以由CAP和CTAs代替；所以MCTAs占用了超幀的時間，一定程度上影響了網(wǎng)絡(luò)吞吐量.

(5) IEEE 802.15.3c標準的載波頻率在60 GHz；而太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的工作頻率明顯要高于60 GHz.

4 解決方案及未來研究方向

4.1 解決方案

(1) 超幀所占字節(jié)從2個增加到3個

研究表明網(wǎng)絡(luò)吞吐量主要受幀大小，超幀時間長度，CAP和CTAP時間長度的影響.較長的CAP時期會導(dǎo)致較短的TDMA數(shù)據(jù)傳輸時間；影響數(shù)據(jù)傳輸速率.而較短的CAP時期會導(dǎo)致該時期有較多的數(shù)據(jù)碰撞；進而影響CTAP時期的數(shù)據(jù)傳輸.可見在保證CAP時期命令幀能正確傳輸?shù)那闆r下， CTAP時期越長，幀所占字節(jié)越大，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸也就速率越大.所以我們將超幀所占字節(jié)數(shù)由2個增大到3個.

(2) 網(wǎng)絡(luò)中只有一個DEV節(jié)點

當網(wǎng)絡(luò)中只有一個DEV節(jié)點和一個PNC節(jié)點時；超幀結(jié)構(gòu)可設(shè)計為只包含一個Beacon和CTAP兩部分.因為，CAP時期主要用于有數(shù)據(jù)發(fā)送需求的節(jié)點以CSMA/CA的方式發(fā)送信道時間請求幀；進而由PNC給其分配時隙.而網(wǎng)絡(luò)中只有一個DEV節(jié)點時，則無需爭用信道可直接將信道時間分配給該DEV節(jié)點.同樣，此時的超幀結(jié)構(gòu)也不需要包含MCTAs.

(3) 網(wǎng)絡(luò)中DEV節(jié)點大于1

當網(wǎng)絡(luò)中不止一個DEV節(jié)點時，超幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計如下：

(a) 新設(shè)計的超幀結(jié)構(gòu)將MCTAs完全去掉，使之不再占用超幀時間；進而增大CTAP時間以提高數(shù)據(jù)傳輸速率.因為MCTAs可作為一般的CTA使用，即由PNC分配給源節(jié)點，使之與目的節(jié)點之間進行通信；信道接入使用TDMA.MCTAs也可代替CAP進行命令幀的傳輸，信道接入使用時隙阿羅華.可見CAP和CTAs完全可以完成MCTAs的功能；因此，可完全去掉超幀中的MCTAs且不影響網(wǎng)絡(luò)正常工作.

(b) 新設(shè)計的超幀結(jié)構(gòu)包含2個Beacon.根據(jù)IEEE 802.15.3c標準所敘述的信道接入過程，在一個超幀中應(yīng)有2個Beacon.第一個Beacon用于廣播網(wǎng)絡(luò)中的基本定時信息等；第二個Beacon用于廣播CTAP時期網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的時隙分配情況.

(c) 新設(shè)計的超幀結(jié)構(gòu)使得CAP并非一直存在于超幀中，而是每隔一段時間才(仿真中該段時間為60秒)在超幀中加入一個CAP時期；用于網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點爭用信道.其余時間超幀中無CAP時期，只分配CTAP時期，用于數(shù)據(jù)傳輸.

為及時告知網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點超幀結(jié)構(gòu)，可利用Beacon中的一個保留字段表示超幀中有無CAP；以告知網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點是否可以開始爭用信道.該保留字段可用1和0分別表示超幀中是否有CAP.當超幀中有CAP時，第一個Beacon在CAP時期之前，用于廣播網(wǎng)絡(luò)中的基本信息如節(jié)點的狀態(tài)信息，超幀的持續(xù)時間，超幀中有無CAP時期等.第二個Beacon在CAP時期之后，用于廣播超幀時隙分配情況如各個CTAs的持續(xù)時間和順序等信息.Beacon與CAP之間有一個SIFS時間.之后是CTAP時期，用于節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸.

由此可知，若超幀中無CAP時期，超幀只包含一個Beacon和一個CTAP時期兩部分；如圖7所示.若超幀中有CAP時期，超幀包含2個Beacon，一個CAP時期和一個CTAP時期；如圖8所示.

圖7 超幀無CAP時期 圖8 超幀有CAP時期

(4) IEEE 802.15.3c標準的載波頻率為60 GHz；而太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的工作頻率明顯要高于60 GHz.所以，將載波頻率從60 GHz提高至太赫茲頻段(仿真中載波頻率設(shè)置為在太赫茲頻段的340 GHz) 以增大傳輸容量.

4.2 未來研究方向

目前的工作還只是一個探索性研究，研究成果只是在模擬軟件上獲得的，還需要放到實踐中進一步檢測.有些研究結(jié)果并不是很理想，還需要進一步的研究和探索.接下來進一步還可以從如下方面來研究太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的MAC接入?yún)f(xié)議：

(1) 在不引入過多額外開銷的情況下提高數(shù)據(jù)傳輸速率，并減小時延.

(2) 太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)MAC接入?yún)f(xié)議與萬兆以太網(wǎng)接入?yún)f(xié)議相結(jié)合在確保傳輸性能的前提下，進一步改進網(wǎng)絡(luò)吞吐量及其他性能.

(3) 超幀的CAP和CTAP時期各種參數(shù)的設(shè)置和數(shù)據(jù)發(fā)送機制的設(shè)置.

(4) 時延與吞吐量的均衡考慮，超幀越長度越大可使得網(wǎng)絡(luò)吞吐量越大，但時延會隨之增大.因此，要均衡考慮時延和網(wǎng)絡(luò)吞吐量的關(guān)系.解決吞吐量增大的同時不會增大時延.

(5) 網(wǎng)絡(luò)安全問題也可以作為以后完善方向.

5 結(jié)束語

在太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)中，基于其能夠?qū)崿F(xiàn)Gbps以上的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足人們對超高速無線網(wǎng)絡(luò)日益增長的需求.因而盡量提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量是人們非常關(guān)心的問題.因此，對太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)MAC接入?yún)f(xié)議提出研究能很大程度上推動對太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的深入研究.

[1] Song HJ, Nagatsuma T.Present and Future of Terahertz Communications[J].IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 2011, 1(1): 256-263.

[2] Chaiyasoonthorn S, Limpailbool P, Mitatha S, Yupapin PP.High Capacity Mobile Ad Hoc Network Using THz Frequency Enchancement[J].International Journal of Communications, Network and System Sciences, 2010, 3(12): 954-961.

[3] Thomas KO, Nagatsuma T.A review on terahertz communications research[J].Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 2011, 32(2): 143-171.

[4] Jacob M, Priebe S, Kvrner T, et al.An Overview of Ongoing Activities in the Field of Channel Model, Spectrum Allocation and Standardization for mm-Wave and THz Indoor Communications[C].The 2009 IEEE Conference on GLOBECOM Workshops.Honolulu, USA: IEEE Press, 2009, 1-6.

[5] Baykas T, Sum CS, Zhou L, et al.IEEE 802.15.3c: the first IEEE standard for data rates over 1Gb/s[J].IEEE Communication Magazine, 2011, 49(7): 114-121.

[6] Pyo CW, Kojima F, Wang J, Harada H, et al. Enhancement for High Speed Communications in the 802.15.3c mmWave WPAN[J].Wireless Personal Communications, 2009, 51(4): 825-841.

[7] Pyo CW, Zhou L, Kojima F, Funada R, et al.MAC Development and Enhancement of IEEE 802.15.3c WPAN Realizing Gbps Throughput[J].IEICE TRANSACTIONS on Communications, 2011, E94-B(11): 3065-3076.

[8] Zhou W, Nandagopa SS, Qiao D.A Simulation Study of CSMA/CA Performance in 60GHz WPANs[C].The 28th IEEE conference on Global telecommunications.New Jersey, USA, IEEE Press, 2009, 2462-2467.

[9] Wong DTC, Chin F.Saturated Throughput of a Cognitive IEEE 802.15.3c MAC in the Directinoal Contention Access Period[C].The 2010 IEEE 72nd Vehicular Technology Conference.Ottawa, Canada: IEEE Press, 2010, 1-5.

[10] Singh H, Yong SK, Oh J, Ngo C.Principles of IEEE 802.15.3c: Multi-Gigabit Millimeter-wave Wireless PAN[C].The 18th international conference on Computer Communications and Networks.San Francisco, USA: IEEE Press, 2009, 1-6.

[11] Chao HL, Hsu MP.CTAP-Minimized Scheduling Algorithm for Millimeter-Wave-Based Wireless Personal Area Networks[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2011, 60(8): 3840-3852.

[12] 姚建銓，遲楠，楊鵬飛,等.太赫茲通信技術(shù)的研究與展望[J].中國激光, 2009. 36(9): 2214-2216.

[13] 802.15.3c-2009-IEEE standard for information technology telecommunications and information exchange between systems local and metropolitan area networks-specific requirements.Part 15.3: wireless medium access control(MAC) and physical layer(PHY) specifications for high rate wireless personal area networks(WPANs) amendment 2: millimeter-wave-based alternative physical layer extension[S].IEEE Computer Society, 2009,12: 3-57.

[14] 802.15.3-2003-IEEE standard for information technology telecommunications and information exchange between systems local and metropolitan area networks-specific requirements.Part 15.3: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for High Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs)[S].IEEE Computer Society, 2003,9: 8-182.

[責任編輯：王軍]

Study on MAC access protocols of terahertz ultra-high data-rate wireless networks

CAO Yanan1,REN Zhi2

(1.Hebi Polytechnic, Electronic Information Engineering College, Hebi 458030, China；2.Chongqing Key Lab of Mobile Communications Technology, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)

Terahertz is a kind of electromagnetic waves which located between millimeter waves and infrared lightwaves.It has large bandwith which not been allocated and can support Gbps or higher wireless data rates.Therefore, terahertz communication technology becomes various countries’ researching hot spot in recent years.This paper first briefly introduces the terahertz ultra-high data-rate wireless networks which based on the standard IEEE 802.15.3c.Then, it describes the architecture and challenges of terahertz ultra-high data-rate wireless networks.After that, the paper narratives the MAC access protocols of terahertz ultra-high data-rate wireless nerworks which proposed in the literature and some problems about the existing access protocols.On this basis, this thesis puts emphasis researching on the superframe structure and the access protocols.Then, we propose an improved access protocol to enhance the networks’ performance.

terahertz; ultra-high data-rate wireless networks; channel access protocols; superframe

2015-04-28

曹亞楠(1987-)，女，河南鶴壁人，鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，碩士研究生，主要從事太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)MAC接入?yún)f(xié)議的研究.

TN925.93

A

1672-3600(2015)09-0065-07