高吞吐量低時延太赫茲超高速無線網(wǎng)絡M A C接入?yún)f(xié)議

曹建玲，崔平付，劉文朋，任 智，陳前斌（重慶郵電大學移動通信技術(shù)重慶市重點實驗室，重慶400065）

高吞吐量低時延太赫茲超高速無線網(wǎng)絡M A C接入?yún)f(xié)議

曹建玲，崔平付，劉文朋，任 智，陳前斌
（重慶郵電大學移動通信技術(shù)重慶市重點實驗室，重慶400065）

針對現(xiàn)有能夠應用于太赫茲超高速無線網(wǎng)絡的能量和頻譜感知的媒介接入控制（energy and spectru m-aware media access control，ES-M A C）及IE E E802.15.3c協(xié)議存在的時隙申請量未及時更新、超幀結(jié)構(gòu)不合理及分配時隙時未合并同一對節(jié)點之間的時隙請求等問題，提出了一種高吞吐量低時延M A C（high throughput low delay M A C，H L M A C）協(xié)議。通過設計一種新的超幀結(jié)構(gòu)，使節(jié)點及時得到時隙分配信息，大大降低數(shù)據(jù)接入時延；通過更新時隙請求量和合并同一對節(jié)點的時隙請求，增加了數(shù)據(jù)發(fā)送量，提高了網(wǎng)絡吞吐量。理論分析表明了H L M A C協(xié)議的有效性，仿真結(jié)果顯示它比ES-M A C協(xié)議增加了65.7%的網(wǎng)絡吞吐量，同時降低了30%的接入時延。

太赫茲；無線網(wǎng)絡；媒介接入控制協(xié)議；超幀；低時延

網(wǎng)址：w w w.sys-ele.co m

0 引 言

近年來隨著多媒體業(yè)務的快速發(fā)展，人們對無線網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸速率要求越來越高［1］。根據(jù)Edholm定律［2］預測的無線通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率曲線圖［3］可以看出，到2020年左右無線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率將接近100 Gbit/s。為了支持超高速數(shù)據(jù)傳輸，可以提高頻譜利用率或增加網(wǎng)絡帶寬［3］。對于60 G Hz通信若要支持10 Gbps甚至幾百Gbps的傳輸速率，就要求頻譜利用率高達十幾bit/s/Hz，目前難以實現(xiàn)。太赫茲波［4］是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 m m，頻率范圍為0.1～10 T Hz。太赫茲頻段可以提供較大的帶寬和較高的傳輸容量，但該頻段的電磁波在空氣中傳播時衰減較大且當空氣中水分子較多時衰減尤其嚴重，因此其傳輸距離較短，主要應用于室內(nèi)短距離無線通信方面，也可應用于無線數(shù)據(jù)中心［6-7］。

圖1 太赫茲波在電磁波譜中位置

目前關(guān)于太赫茲超高速無線網(wǎng)絡媒介接入控制（media access control，M A C）協(xié)議的研究非常少。P H L A M［8］協(xié)議是聯(lián)合物理層信息設計的一種M A C協(xié)議。在該協(xié)議中，接收端協(xié)助發(fā)送端選擇符號速率和信道編碼機制，并通過協(xié)調(diào)使多個設備同時傳輸數(shù)據(jù)。該協(xié)議研究重點為物理層技術(shù)對M A C協(xié)議沒有具體介紹。文獻［9］中提出了一種基于能量和頻譜感知的（energy and spectru m-aware media access control，ES-M A C）協(xié)議。該協(xié)議基于脈沖物理層技術(shù)提出了一種新的符號壓縮調(diào)度算法，其利用符號間隔的可伸縮性實現(xiàn)多個節(jié)點間并行無干擾的數(shù)據(jù)傳輸。文獻中提出了一種實現(xiàn)節(jié)點生存期和吞吐量平衡的調(diào)度算法，但其主要考慮的是如何降低能耗，這與太赫茲超高速無線網(wǎng)絡焦點集中于提高網(wǎng)絡吞吐量不同。

由于在載波頻率和最大數(shù)據(jù)速率等指標上比較接近，現(xiàn)有超高速無線網(wǎng)絡M A C協(xié)議（如IE E E802.15.3c和IE E E802.11ad）可以考慮用于太赫茲超高速無線網(wǎng)絡［10］。

T G 3d（100G）任務組［11］對太赫茲頻段的無線鏈路特性進行了大量研究［12 13］，而對于M A C協(xié)議還沒有相關(guān)研究。為了解決該問題，本文根據(jù)ES-M A C協(xié)議和T G 3d（100G）任務組前期研究成果，提出了一種高吞吐量低時延太赫茲超高速無線網(wǎng)絡M A C協(xié)議—H L M A C，通過優(yōu)化設計了一種新的超幀結(jié)構(gòu)，采用更新時隙請求量機制和合并時隙請求機制，有效地降低了數(shù)據(jù)接入時延，提升了網(wǎng)絡吞吐量。

1 網(wǎng)絡模型及問題描述

1.1 網(wǎng)絡模型

太赫茲超高速無線網(wǎng)絡［3，14］如圖2所示，網(wǎng)絡中的基本組成單元為節(jié)點（device，D E V），其中一個節(jié)點為中心控制節(jié)點［14］（piconet coordinator，P N C）。該網(wǎng)絡的信道資源被劃分為一系列的超幀，超幀由信標幀、競爭接入期（contention access period，C A P）和信道時間分配期（channel time allocation period，C T A P）3部分組成。在Beacon時期，P N C廣播包含全網(wǎng)基本信息的信標幀；C A P時期主要用于發(fā)送命令幀，在該時期采用CS M A/C A接入方式；C TA P時期由信道時間分配（channeltime allocation，C TA）組成，主要用于設備之間傳輸數(shù)據(jù)，該時期采用T D M A接入方式。

圖2 太赫茲超高速無線網(wǎng)絡組成

1.2 問題描述

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有太赫茲無線網(wǎng)絡ES-M A C協(xié)議［9］及能夠應用于太赫茲超高速無線網(wǎng)絡的CS M A/C A+T D M A混合接入方式存在以下問題。

（1）現(xiàn)有超幀結(jié)構(gòu)如圖3所示，該超幀結(jié)構(gòu)會導致以下兩個問題：①節(jié)點在第N個超幀的C A P時期發(fā)送的時隙請求只能在第N+1個超幀的Beacon中分配并廣播給全網(wǎng)中的設備，數(shù)據(jù)在第N+1個超幀中的C T A P時期發(fā)送給目的節(jié)點，數(shù)據(jù)從申請時隙到接入信道被延遲了一個超幀長度，這引入了較大的時延，且超幀長度越長時延越大；②Becaon中分配的時隙請求量不能反應此時節(jié)點最新的時隙請求量（為上一超幀C A P時期的請求量，中間相隔一個C T A P時期），若C T A P時期有剩余而此時仍使用上一超幀的時隙請求量會降低網(wǎng)絡吞吐量，增大數(shù)據(jù)的接入時延。

圖3 現(xiàn)有超幀結(jié)構(gòu)

（2）現(xiàn)有協(xié)議在C A P時期發(fā)送時隙請求幀時存在以下問題：①若發(fā)生碰撞則需退避重傳，但此時可能有新數(shù)據(jù)到達，時隙請求量已發(fā)生變化，現(xiàn)有協(xié)議并未對其更新；②若在當前超幀C A P時期剩余時隙內(nèi)無法發(fā)送該幀，則需掛起退避計數(shù)器，并在下一超幀C A P時期重啟退避計數(shù)器，當退避計數(shù)器減為0時發(fā)送該幀。但此時時隙請求量已發(fā)生巨大變化，現(xiàn)有協(xié)議并未進行相關(guān)操作。上述兩種情況會導致節(jié)點發(fā)送的時隙請求量不是最新，增大數(shù)據(jù)接入時延，降低網(wǎng)絡吞吐量。

（3）P N C在分配時隙時，現(xiàn)有協(xié)議并未考慮到時隙請求列表內(nèi)有多個來自同一對節(jié)點間的時隙請求的情況，若為每個時隙請求分配一個C T A則會增加C T A之間的保護時隙，從而產(chǎn)生時隙浪費。

2 H L M A C協(xié)議

為解決第1.2節(jié)所述3個問題，本文提出了一種新的M A C接入?yún)f(xié)議—高吞吐量低時延M A C（high throughputlow delay M A C，H L M A C）。通過設計一種新的超幀結(jié)構(gòu)、更新時隙請求量和合并時隙請求等機制H L M A C協(xié)議提升了網(wǎng)絡吞吐量，降低了數(shù)據(jù)接入時延。

2.1 H L M A C協(xié)議包含的新機制

（1）一種新的高效低時延超幀結(jié)構(gòu)

為解決現(xiàn)有超幀結(jié)構(gòu)導致的數(shù)據(jù)接入時延較大及時隙請求量非最新的問題，設計了一種新的超幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 H L M A C協(xié)議超幀結(jié)構(gòu)

新的超幀結(jié)構(gòu)如圖4（b）所示，調(diào)整了原超幀中各部分之間順序，其包含Beacon、C TA P和C A P 3部分。在Beacon時期發(fā)送時隙分配信息及超幀各部分長度信息，接下來為C T A P時期，用來節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，最后為C A P時期，節(jié)點在該時期發(fā)送時隙請求幀。考慮到網(wǎng)絡運行初期需要在C A P時期進行組網(wǎng)操作，此時C TA P時期內(nèi)沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，若仍保留C TA P時期會產(chǎn)生資源浪費，所以在網(wǎng)絡運行初期采用圖4（a）所示超幀結(jié)構(gòu)。該機制具體操作步驟如下。

步驟1 Beacon時期，P N C檢查時隙請求列表，若為空，則表明此時為網(wǎng)絡組建初期或在本超幀內(nèi)節(jié)點沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，則使用如圖4（a）所示超幀結(jié)構(gòu)，否則使用如圖4（b）所示超幀結(jié)構(gòu)。P N C將超幀結(jié)構(gòu)信息及信道時隙分配信息寫入Beacon幀中廣播給網(wǎng)絡中各個節(jié)點，轉(zhuǎn)步驟2。

步驟2 節(jié)點接收到Beacon幀，取出其中各時期長度信息及時隙分配信息。若存在C T A P時期，則節(jié)點進入C T A P時期并根據(jù)收到的時隙分配信息在相應C T A內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，在C T A P時期結(jié)束后轉(zhuǎn)步驟3，否則直接轉(zhuǎn)步驟3。

步驟3 節(jié)點進入C A P時期，并采用CS M A/C A接入方式發(fā)送時隙請求幀申請時隙資源，該時隙請求會在本超幀C A P時期結(jié)束后，下一超幀開始的Beacon幀中立即進行分配。當C A P時期結(jié)束，進入下一超幀，轉(zhuǎn)步驟1。

在該機制中，節(jié)點在第N個超幀的C A P時期發(fā)送時隙請求幀，在接下來的第N+1個超幀開始的Beacon中立即廣播時隙分配信息（時隙請求和分配間隔很短），并在接下來的C T A P時期將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，大大降低了數(shù)據(jù)接入時延。由于時隙請求和分配只間隔一個C A P時期加保護時間的長度，因此Beacon中所分配的時隙請求量是此時節(jié)點最新的時隙請求量。

（2）更新時隙請求量機制

針對C A P時期節(jié)點重傳時隙請求幀未更新時隙請求量和跨超幀的時隙請求幀未更新時隙請求量的問題，提出了一種更新時隙請求量機制，具體步驟如下。

步驟1 節(jié)點進入C A P時期，首先檢查是否有上一超幀C A P時期未發(fā)送的時隙請求幀，若有，則節(jié)點根據(jù)此時緩存內(nèi)數(shù)據(jù)量重新計算時隙請求量，若該時隙請求量與上次保存值相同則不進行任何操作，執(zhí)行退避過程，發(fā)送該幀，否則解析此幀并更新該幀內(nèi)的時隙請求量，同時將該最新時隙請求量保存，進入步驟2。若沒有上一超幀未發(fā)送的時隙請求幀則直接進入步驟2。

步驟2 若節(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)送，則準備時隙請求幀并保存其時隙請求量。使用CS M A/C A機制發(fā)送時隙請求幀，若發(fā)送成功則在收到立即確認幀后將保存的時隙請求量清零，否則保持不變。在發(fā)送時隙請求幀后若檢測到發(fā)生沖突（未收到立即確認幀），則執(zhí)行重傳操作。在重傳開始時節(jié)點根據(jù)此時緩存內(nèi)數(shù)據(jù)量重新計算時隙請求量，并判斷此時時隙請求量是否與保存值相同，若不同則解析該時隙請求幀，更新其中的時隙請求量為當前節(jié)點最新的請求量，同時保存最新的時隙請求量以備下次比較使用。若此幀發(fā)送成功則節(jié)點在收到立即確認幀后將保存的時隙請求量清零，否則保持原值。若時隙請求量與保存值相同則按正常退避機制執(zhí)行，不進行更新操作。

（3）合并同一對節(jié)點間的時隙請求

在分配時隙時P N C為請求列表內(nèi)的每一個時隙請求分配一個C TA，相鄰C TA之間有保護時隙，因此C TA越多，保護時隙就越多，用于發(fā)送數(shù)據(jù)的時隙就會減少。因此提出了合并同一對節(jié)點的時隙請求，以減少C TA個數(shù)從而減少保護時隙個數(shù)，增加用于發(fā)送數(shù)據(jù)的時隙，其具體思路如下。

初始化i為1，執(zhí)行如下步驟。

步驟1 若i大于P N C請求列表內(nèi)時隙請求個數(shù)則結(jié)束算法，否則P N C取出時隙請求列表內(nèi)的第i個時隙請求，并保存其源地址SrcIDi、目的地址DestIDi和時隙請求量Ti，令j=i+1，轉(zhuǎn)步驟2。

步驟2 若j小于等于P N C時隙請求列表內(nèi)時隙請求個數(shù)，則P N C取出第j個時隙請求，保存其源地址SrcIDj、目的地址DestIDj和時隙請求量Tj，并比較SrcIDi、SrcIDj及DestIDi、DestIDj是否相同，若相同，則轉(zhuǎn)步驟3，否則j加1，轉(zhuǎn)步驟2；若j＞P N C時隙請求列表內(nèi)時隙請求個數(shù)則i加1，轉(zhuǎn)步驟1。

步驟3 第i個時隙請求與第j個時隙請求屬于同一對節(jié)點，更新第i個時隙請求量Ti=Ti+Tj，并將第j個時隙請求從時隙請求列表內(nèi)刪除，轉(zhuǎn)步驟2。

2.2 H L M A C協(xié)議操作步驟

以下操作步驟從網(wǎng)絡組建初期開始，具體如下。

步驟1 Beacon時期，P N C檢查時隙請求列表，若為空，則表明此時為網(wǎng)絡組建初期或在本超幀內(nèi)節(jié)點沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，則采用圖4（a）所示超幀結(jié)構(gòu)，取消C T A P時期，使C A P時期增長，并將C A P開始時間寫入Beacon，轉(zhuǎn)步驟3；若時隙請求列表不為空則表明本超幀內(nèi)有節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，采用圖4（b）所示超幀結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)步驟2。

步驟2 P N C檢查時隙請求列表內(nèi)所有請求，若存在同一對節(jié)點間的時隙請求，則根據(jù)合并時隙請求機制進行合并操作。操作完畢后P N C按請求列表內(nèi)信息進行時隙分配，并將時隙分配信息及C A P開始時間寫入Beacon幀中，以告知節(jié)點何時發(fā)送數(shù)據(jù)及何時進入C A P時期，轉(zhuǎn)步驟3。

步驟3 節(jié)點收到Beacon幀，取出其中時隙分配信息和C A P開始時間。若有C T A P時期則進入C T A P時期，在相應時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，并在C T A P時期結(jié)束后進入C A P時期轉(zhuǎn)步驟4，否則直接轉(zhuǎn)步驟4。

步驟4 節(jié)點進入C A P時期，若此時為網(wǎng)絡組建初期則發(fā)送關(guān)聯(lián)請求幀進行關(guān)聯(lián)操作；若此時有未發(fā)送的時隙請求幀，則按照更新時隙請求量機制對時隙請求量進行更新并重啟退避計數(shù)器開始退避操作發(fā)送該幀；若沒有未發(fā)送的時隙請求幀，則檢查緩存內(nèi)是否有未發(fā)送的數(shù)據(jù)，若有則準備時隙請求幀，使用CS M A/C A機制發(fā)送該幀，轉(zhuǎn)步驟5。

步驟5 在C A P時期，若節(jié)點在發(fā)送時隙請求幀時發(fā)生沖突，則按照更新時隙請求量機制進行更新。只要在發(fā)送時隙請求幀時產(chǎn)生沖突需重傳，均進行此操作。若C A P結(jié)束而此時時隙請求幀未發(fā)送，則將退避計數(shù)器掛起；轉(zhuǎn)步驟1進入下一超幀。

3 H L M A C協(xié)議理論分析

關(guān)于H L M A C協(xié)議的性能，有如下引理，并通過數(shù)學證明進行論證。

性質(zhì)1 與IE E E802.15.3c相比，H L M A C協(xié)議能夠降低數(shù)據(jù)接入時延。

證明 假設兩種協(xié)議的網(wǎng)絡業(yè)務模型及節(jié)點行為均相同。考慮數(shù)據(jù)從申請到發(fā)送期間接入時延計算公式為Ta=Ts-Tr，即數(shù)據(jù)發(fā)送時間Ts與接收時間Tr之差。兩種協(xié)議均在Beacon時期和C T A P時期接收數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)接收時間可認為相同，則接入時延可以表示為如圖5所示。

圖5 接入時延對比圖

對于IE E E802.15.3c中的超幀結(jié)構(gòu)如圖5（a）所示，由于節(jié)點只能在第N個超幀的C A P時期申請時隙，并在第N+1個超幀的Beacon幀中將其時隙請求進行分配并廣播給節(jié)點，數(shù)據(jù)在第N+1個超幀的C T A P時期發(fā)送出去，因此其接入時延約為

對于H L M A C協(xié)議超幀結(jié)構(gòu)的接入時延如圖5（b）所示。在該超幀結(jié)構(gòu)中，D E V在第N個超幀的C A P時期請求時隙，在第N+1個超幀的Beacon中將時隙分配信息廣播出去，并在接下來的C T A P時期發(fā)送數(shù)據(jù)，但由于C A P時期與Beacon時期相鄰，因此其接入時延為

在相同網(wǎng)絡場景下由于IE E E802.15.3c、H L M A C協(xié)議各個時期長度均相同，則由式（1）和式（2）知TAI＞TA H，因此H L M A C協(xié)議能夠大大降低接入時延。證畢

性質(zhì)2 與802.15.3c協(xié)議相比，H L M A C協(xié)議能夠增加網(wǎng)絡吞吐量。

證明 假設兩種協(xié)議中的時隙分配模型均相同考察網(wǎng)絡吞吐量性能。在參考文獻［15］中作者提出了一種混合接入?yún)f(xié)議的網(wǎng)絡吞吐量分析模型。設H L M A C及IE E E802.15.3c協(xié)議的吞吐量分別為SH，SI，則可得SI和SH分別如式（3）和式（4）所示。其中，M為網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)量，NC T Ai和N′C T Ai為超幀內(nèi)C T A個數(shù)，μ和μ′為C T A內(nèi)傳輸?shù)膸瑐€數(shù)，其與時隙請求量有關(guān)，B為幀負載大小，Lsf為超幀長度。

在網(wǎng)絡場景和超幀長度相同的條件下，兩種協(xié)議中的節(jié)點數(shù)量和幀負載均相同。由于H L M A C協(xié)議采用更新C A P時期的時隙請求量機制，使C T A內(nèi)發(fā)送的幀個數(shù)增加，因此有μ′＞μ，則可得出SH＞SI。證畢

性質(zhì)3 H L M A C協(xié)議中有效時隙量≥IEEE802.15.3c中有效時隙量。

證明 有效時隙量定義為C T A P時期可用于發(fā)送數(shù)據(jù)的時隙長度，即為C T A P時期內(nèi)所有C T A時隙之和，兩種協(xié)議中的有效時隙量概念定義相同。設H L M A C協(xié)議及IE E E802.15.3c協(xié)議中，P N C收到的時隙請求個數(shù)分別為RH和RI。兩種協(xié)議的網(wǎng)絡場景（業(yè)務量相同）、超幀長度及各個時期長度均相同，則應有RH=RI，TI_C T A P= TH_C T A P，即兩種協(xié)議中PNC收到的時隙請求個數(shù)相同，C T A P長度相同。P N C在分配時隙時為時隙請求列表內(nèi)的每個請求分配一個C T A，則時隙請求個數(shù)即為所分配的C T A個數(shù)，則有效時隙量計算如式（5）所示。

H L M A C協(xié)議中，P N C在進行時隙分配前對時隙請求列表進行了重新整理，合并了來自同一對節(jié)點之間的時隙請求，則有RH＜=RI，則根據(jù)式（5）有TIa＜=TH a。證畢

由于有效時隙量越大，節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)就越多，吞吐量也就越高，由此也可證H L M A C協(xié)議網(wǎng)絡吞吐量高于IE E E 802.15.3c。

4 仿真及結(jié)果分析

選取ES-M A C協(xié)議、IE E E802.15.3c協(xié)議作為比較對象，通過改變網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)量比較3種協(xié)議的網(wǎng)絡吞吐量、數(shù)據(jù)接入時延等性能。

4.1 仿真設置

使用O P N E T14.5仿真工具對3種協(xié)議進行仿真實現(xiàn)。根據(jù)節(jié)點數(shù)量不同設置6個不同場景，在每個場景中分別運行3種協(xié)議，每組實驗又分別使用不同的隨機種子進行仿真，并取其平均值作為最終結(jié)果。節(jié)點業(yè)務模型采用泊松分布，主要仿真參數(shù)的設置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設置

4.2 仿真結(jié)果分析

（1）網(wǎng)絡吞吐量

改變網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)量分別運行3種協(xié)議得到了如圖6所示的節(jié)點數(shù)量與網(wǎng)絡吞吐量關(guān)系圖。由圖可知：隨著網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)量增加，3種協(xié)議的網(wǎng)絡吞吐量逐漸增加最后趨于平穩(wěn)，而H L M A C協(xié)議吞吐量高于IE E E802.15.3c和ES-M A C協(xié)議，這是由于H L M A C協(xié)議采用更新時隙請求量機制，增加了節(jié)點的時隙請求量使其能夠在C T A P時期發(fā)送更多數(shù)據(jù)；合并時隙請求機制能夠減少C T A之間保護時隙個數(shù)，從而增加有效時隙以發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖6 網(wǎng)絡吞吐量對比

（2）數(shù)據(jù)接入時延

圖7為仿真得到的節(jié)點數(shù)量與數(shù)據(jù)接入時延關(guān)系圖。由圖可知：隨著網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)量增加，網(wǎng)絡負載逐漸增大，數(shù)據(jù)接入時延也逐漸上升，但H L M A C協(xié)議的接入時延比其他兩個協(xié)議均低，其主要原因是：①在新的超幀結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)的時隙申請和發(fā)送時間差值大大減小，數(shù)據(jù)在緩沖區(qū)內(nèi)的等待時間減少，從而降低了數(shù)據(jù)接入時延；②更新時隙請求量機制能夠使更多數(shù)據(jù)在本超幀內(nèi)及時發(fā)送給目的節(jié)點而不必推遲到下一超幀中發(fā)送，同樣能夠大大減小接入時延；③合并時隙請求機制，能夠增加CTAP時期的可用時隙，使更多數(shù)據(jù)在本超幀內(nèi)發(fā)送給目的節(jié)點，減小了數(shù)據(jù)接入信道的時間。

圖7 數(shù)據(jù)接入時延對比

（3）緩存包數(shù)

仿真中設置3種協(xié)議的緩沖區(qū)大小為10 M B，得到節(jié)點數(shù)量對緩存包數(shù)影響的結(jié)果圖，如圖8所示。隨著網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)量增多，網(wǎng)絡負載加重，3種協(xié)議的緩存包數(shù)逐漸增多，最終趨于相同并穩(wěn)定在一定數(shù)值內(nèi)。由圖知H L M A C協(xié)議的緩存包數(shù)始終低于其余兩種協(xié)議，這是由于：①更新時隙請求量機制能夠及時將數(shù)據(jù)發(fā)送給目的節(jié)點，從而降低了緩存中的數(shù)據(jù)量；②合并時隙請求機制能夠減少C T A之間保護時隙，增加C T A P時期用于發(fā)送數(shù)據(jù)的時隙量，從而使更多數(shù)據(jù)及時發(fā)送出去，降低了緩存中數(shù)據(jù)量。

圖8 緩存包數(shù)對比

（4）數(shù)據(jù)接入成功率

設置3種協(xié)議的緩存大小為10 M B，得到如圖9所示節(jié)點數(shù)量與接入成功率關(guān)系圖。由圖知，隨著節(jié)點數(shù)量增加，3種協(xié)議的數(shù)據(jù)接入成功率逐漸下降，但H L M A C協(xié)議的接入成功率高于其余兩種協(xié)議的接入成功率。這是由于：①更新時隙請求量機制能夠?qū)?shù)據(jù)及時發(fā)送給目的節(jié)點，降低了緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)量，從而減少了緩存中數(shù)據(jù)的溢出增加了數(shù)據(jù)接入成功率；②合并時隙請求機制，減少了C TA之間保護時隙，增加了數(shù)據(jù)發(fā)送量從而減少了緩存內(nèi)數(shù)據(jù)量，降低了緩存內(nèi)數(shù)據(jù)的溢出從而提高了數(shù)據(jù)接入成功率。

圖9 數(shù)據(jù)接入成功率對比

5 結(jié)束語

針對現(xiàn)有能夠應用于太赫茲超高速無線網(wǎng)絡的ES-M A C 及IEEE802.15.3c協(xié)議存在的問題，提出了一種新的M A C協(xié)議—H L M A C。H L M A C協(xié)議設計了一種新的超幀結(jié)構(gòu)，更新了時隙請求量同時合并了同一對節(jié)點間時隙請求。理論分析和仿真結(jié)果表明了H L M A C協(xié)議降低了數(shù)據(jù)接入時延，提升了網(wǎng)絡吞吐量。在未來工作中，我們將研究一種適用于太赫茲無線網(wǎng)絡中的自適應幀聚合機制以降低太赫茲頻段的衰減對數(shù)據(jù)傳輸效率的影響。

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High throughput low-delay M A C protocol for Terahertz ultra-high data-rate wireless networks

C A O Jian-ling，C UI Ping-fu，LIU W en-peng，R E N Zhi，C H E N Qian-bin
（Chongqing Key Lab of M obile Com m unications Technology，Chongqing University of Post and Com m unications，Chongqing 400065，China）

To resolve the problems that not updating the time slots nu m ber in real time，unreasonable superframe structure and not merging the same pairs of nodes’channel time request in the existing media access control（M A C）protocol such as energy and spectru m-aware M A C（ES-M A C）protocol and IE E E802.15.3c w hich can be applied in Terahertz ultra-high data-rate wireless networks，a high throughput low-delay M A C protocol for Terahertz ultra-high data rate wireless networks called H L M A C is proposed.By designing a new superframe structure，nodes can get channeltime allocation information im mediately w hich can reduce access delay greatly.The network throughput can be im proved by updating the time slots nu m ber and merging the same pairs of nodes’channeltime request w hich willincrease the nu m ber of data sent by nodes.Theoretical analysis verifies the effectiveness of H L M A C and sim ulation results show that co m paring with the ES-M A C，H L M A C im proves network throughput by 65.7%and decreases the access delay by 30%.

Terahertz；wireless networks；media access control（M A C）protocol；superframe；low-delay

T P 393.04

A

10.3969/j.issn.1001-506 X.2016.03.31

1001-506 X（2016）03-0679-06

2015-04-03；

2015-09-01；網(wǎng)絡優(yōu)先出版日期：2015-09-16。

網(wǎng)絡優(yōu)先出版地址：http：//w w w.cnki.net/kcms/detail/11.2422.T N.20150916.1551.006.html

國家自然科學基金（60972068）；教育部長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃（IR T1299）；重慶市科委重點實驗室專項經(jīng)費（D2011-24）；重慶市自然科學基金（cstc2012jjA40051）；重慶市教委科研項目（KJ120510）資助課題

曹建玲（1974-），女，副教授，碩士，主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡路由算法、太赫茲無線網(wǎng)絡M A C協(xié)議。

E-mail：caojl@cqupt.edu.cn

崔平付（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向為基于博弈的移動傳感器網(wǎng)絡路由算法研究、太赫茲無線網(wǎng)絡M A C協(xié)議。

E-mail：455414313@qq.com

劉文朋（1988-），男，碩士，主要研究方向為太赫茲無線網(wǎng)絡M A C協(xié)議。

E-mail：573751336@qq.com

任 智（1971-），男，教授，博士，主要研究方向為寬帶無線移動網(wǎng)絡及網(wǎng)絡優(yōu)化。

E-mail：renzhi@cqupt.edu.cn

陳前斌（1967-），男，教授，博士研究生導師，主要研究方向為寬帶無線網(wǎng)絡技術(shù)、多媒體信息處理與傳輸。

E-mail：chenqb@cqupt.edu.cn