太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究綜述

［趙亞楠 曹紅偉］

太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究綜述

［趙亞楠 曹紅偉］

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。首先簡介了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)的拓撲結(jié)構(gòu)；接著著重描述了現(xiàn)有的太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，并對協(xié)議進行分析介紹。

太赫茲波 太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò) 路由協(xié)議

趙亞楠

重慶郵電大學(xué)移動通信技術(shù)省部級重點實驗室，碩士研究生，主要研究方向：通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

曹紅偉

重慶郵電大學(xué)移動通信技術(shù)省部級重點實驗室，碩士研究生，主要研究方向：通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

1　引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，短距離通信的帶寬需求呈幾何級數(shù)增長，目前現(xiàn)有的通信系統(tǒng)如藍牙（Bluetooth）、局域網(wǎng)（LANs）等，都不能滿足高數(shù)據(jù)傳輸速率的需要。

太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)是一種新型的無線通信網(wǎng)絡(luò)，其工作在太赫茲頻段，并且可支持10Gbit/s以上的數(shù)據(jù)傳輸速率［1，3］。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境監(jiān)測及醫(yī)療等眾多鄰域具有廣闊的應(yīng)用前景和較高的應(yīng)用價值。它被認為是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一。

近年來，太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到越來越廣泛的研究。太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議逐漸成為研究的重點和熱點問題。

2　太赫茲波介紹

2.1太赫茲波

太赫茲（terahertz， THz）波［4］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0.03～3mm，頻率范圍則為0.1～10THz。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)，它是人類一個尚未完全認知利用的頻段。

太赫茲頻段具有較大的帶寬和較高的傳輸容量，但是太赫茲波在空氣中傳播時衰減較大，且當(dāng)空氣中水分子較多時衰減尤其嚴重。太赫茲波的衰減特性決定了其在短距離超高速無線通信方面有巨大的應(yīng)用潛力，尤其是室內(nèi)短距離無線通信方面。

2.2太赫茲波特性

太赫茲波具有優(yōu)于其他波普獨特的特點，主要表現(xiàn)在。

圖1　太赫茲波在電磁波譜中的位置

（1）THz單個脈沖的頻帶可以覆蓋GHz至THz的頻率范圍，能獲得物質(zhì)更豐富的光譜數(shù)據(jù)；

（2）可支持Gbit/s以上的無線傳輸速率，太赫茲波的頻段在0.1～10THz之間，可提供較大的傳輸容量［5］。

（3）THz波的光子能量較低，非常適用于針對人體或其他生物樣品的活體檢查。另外，水對太赫茲輻射有極強的吸收，所以該輻射對人體是很安全的。

（4）更好的保密性和抗干擾能力［6］。

（5）太赫茲具有良好的穿透性，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［7］。

（6）太赫茲波波長相對更短，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。

（7）太赫茲波在空氣中傳播時會有較大的衰減［8］，而且當(dāng)空氣中水分子較多（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。

2.3太赫茲波的應(yīng)用領(lǐng)域

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?？梢詾楣叹W(wǎng)和移動網(wǎng)提供高服務(wù)質(zhì)量（QoS）寬帶多媒體10Gbit/s左右的無線業(yè)務(wù)，滿足人們?nèi)找嬖鲩L的生活需求。

第二，太赫茲電磁波是很好的寬帶信息載體［9，10］，THz電磁波比微波能做到的信道數(shù)多得多，特別適合于衛(wèi)星間及局域網(wǎng)的寬帶移動通訊。

第三，太赫茲電磁波的光子能量比可見光的光子能量小得多，因而利用太赫茲電磁波做信息載體比用可見光或近中紅外光的能量效率要高得多。

第四，太赫茲技術(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［11］。

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。

3　IEEE 802.15.3協(xié)議

3.1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

目前關(guān)于太赫茲無線網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議研究還比較少，而太赫茲無線通信網(wǎng)絡(luò)是未來通信的一個重要實現(xiàn)場景。

圖2為IEEE 802.15.3標(biāo)準(zhǔn)的定義的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖［12］，即一個微微網(wǎng)由一些相互之間可以進行通信的節(jié)點組成，每一個節(jié)點稱為DEV。其中一個節(jié)點做為該微微網(wǎng)的PNC（piconet coordinator，微微網(wǎng)協(xié)調(diào)者），PNC通過廣播信標(biāo)幀（beacon）為該微微網(wǎng)提供基本的定時機制。同時，PNC管理微微網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求、省電模式和信道接入控制。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［13］，節(jié)點通信范圍約為10米，且可處于靜態(tài)或動態(tài)，可支持10Gbit/s以上的數(shù)據(jù)傳輸速率。

圖2　IEEE 802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

整個網(wǎng)絡(luò)由一個具備PNC能力的節(jié)點發(fā)起，周期性地廣播信標(biāo)幀，收到該幀的節(jié)點從中提取網(wǎng)絡(luò)信息，并根據(jù)這些信息節(jié)點在規(guī)定的時間內(nèi)執(zhí)行恰當(dāng)?shù)牟僮?，如發(fā)出網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)請求或時隙請求、收發(fā)數(shù)據(jù)、保持靜默等。PNC節(jié)點并不是固定不變的，可以通過執(zhí)行PNC功能移交或退出網(wǎng)絡(luò)操作進行更改。

3.2IEEE 802.15.3協(xié)議超幀結(jié)構(gòu)

太赫茲無線個域網(wǎng)將信道時間資源劃分為一系列等長超幀（Superframe），PNC可以對超幀長度進行改變。每個超幀又分為信標(biāo)幀時段（Beacon，BP）、競爭接入時段（Contention Access Period，CAP）和信道時間分配時段（Channel Time Allocation Period，CTAP），如圖3所示。

圖3　太赫茲無線個域網(wǎng)超幀結(jié)構(gòu)

Beacon時段是每個超幀的起始時段，主要用來發(fā)送Beacon幀。PNC通過Beacon幀實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡(luò)信道接入過程的管理。Beacon幀傳輸結(jié)束后，經(jīng)過一個保護時隙進入CAP時段。CAP時段主要用于新節(jié)點關(guān)聯(lián)進網(wǎng)絡(luò)、已關(guān)聯(lián)節(jié)點發(fā)送信道時隙請求以及其他一些命令幀交互，采用CSMA/CA （Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）機制接入信道。CTAP由一系列CTA （Channel Time Allocation）組成，采用TDMA（Time Division Multiple Access）機制接入信道。CTA主要用于節(jié)點之間數(shù)據(jù)傳輸，各CTA之間具有保護時隙。

4　太赫茲無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

現(xiàn)有的太赫茲無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信范圍，可以分為無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)內(nèi)通信和無線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)間通信。

4.1網(wǎng)內(nèi)通信

文獻［14］提出了一種網(wǎng)內(nèi)多跳路由協(xié)議，使用集群的分層體系，并通過多跳傳輸節(jié)省網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量，優(yōu)化調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和跳距離。

文獻［15］［16］中，首先為PNC設(shè)計了一個多跳選擇度量，為節(jié)點通信選擇合適的中繼節(jié)點，旨在提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，并均衡網(wǎng)絡(luò)中的流量負載。然后提出一種MHCT（Multi-Hop Concurrent Transmission）機制，如圖4所示。利用無線個域網(wǎng)中的空間容量，顯著的提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

文獻［16］是對文獻［15］中MHCT算法的改進協(xié)議。通過分析并發(fā)傳輸概率和時分復(fù)用概率，發(fā)現(xiàn)該MHCT方案能夠提高網(wǎng)絡(luò)中的時隙利用率。

文獻［17］為毫米波無線個域網(wǎng)提出一種提高有效吞吐量的偏轉(zhuǎn)路由機制。由于DF （Decode-and-Forward）機制具有需要額外的時間、減小有效吞吐量和速率低等缺點，提出新的路由協(xié)議—BFDR/RFDR （Best Fit Deflection Routing/Random Fit Deflection Routing）。如圖5所示，在該協(xié)議中，對于距離相對較遠的節(jié)點，采用中繼節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)，為了不減小有效吞吐量，要求第二跳時不再需要PNC節(jié)點重新分配時隙，而使用已經(jīng)占用的時隙，以防止有效吞吐量減小。

圖4　無線個域網(wǎng)內(nèi)的并行傳輸

4.2網(wǎng)間通信

文獻［18］提出了一個高效的信道時間分配機制，該機制可以應(yīng)用在在IEEE 802.15.3標(biāo)準(zhǔn)支持的高速率WPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)的多跳通信。所提出的CTA分配機制允許PNC為DEV和子微微網(wǎng)分配足夠的CTA，并且同時考慮到這些DEVs之間的公平性。在該機制中，考慮到超幀長度的動態(tài)性，子網(wǎng)的PNCs比DEV授予更大的CTA分配比。此外，它確保在隨后的超幀配置的同步流中授予的CTA之間最小化時延。

文獻［19］中，提出了一種自適應(yīng)信道時間分配的方案，包括公共CTAs和常規(guī)CTAs，自適應(yīng)地管理網(wǎng)間無干擾通信。在移動環(huán)境中，公共CTAs和常規(guī)CTAs也可以根據(jù)鏈路狀態(tài)自適應(yīng)地進行分配，從而減少了干擾，并提高了信道時間的利用率。相比較與P/C和P/N網(wǎng)絡(luò)，新提出方案能夠達到更大的吞吐量，并有較高的鏈路成功率。

無線個域網(wǎng)絡(luò)的通信范圍非常有限，在文獻［20］中，通過跨越多個相互連接的無線個域網(wǎng)的多跳通信，來拓展網(wǎng)絡(luò)的通信范圍；而微微網(wǎng)之間的多跳通信，需要通過橋節(jié)點實現(xiàn)；與此同時，橋節(jié)點成為這些網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。因此，涉及到橋節(jié)點的未優(yōu)化的資源配置機制可能會嚴重降低網(wǎng)絡(luò)的性能。因此，文獻［20］提出了一種新的資源分配機制和基于QoS認知的跨層設(shè)計：資源分配與路由發(fā)現(xiàn)過程相結(jié)合，可以減輕網(wǎng)間預(yù)留資源的碰撞。

文獻［21］著重介紹了IEEE 802.15.3標(biāo)準(zhǔn)下的太赫茲無線個域網(wǎng)絡(luò)，以及mesh結(jié)構(gòu)下的網(wǎng)絡(luò)擴展，無干擾的網(wǎng)間資源分配機制，以及資源合作下的尋路過程機制，和beacon隊列的自適應(yīng)CTA進程機制。

來的5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，毫米波通信是一種前沿技術(shù)，可以為移動設(shè)備提供非常高的數(shù)據(jù)速率。在定向毫米波網(wǎng)絡(luò)中，采用D2D通信技術(shù)顯著地提高帶寬利用率，增加網(wǎng)絡(luò)的容量。在文獻［22］中，詳細討論了毫米波通信的傳播特征，以及5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)影響。為5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)引入新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)—毫米波+4G，并提出了一種允許非干擾D2D鏈接同時運行的有效資源共享方案。

60GHz毫米波無線個域網(wǎng)絡(luò)中，嚴格QoS要求的多媒體流應(yīng)用需要高速率和低延遲的數(shù)據(jù)傳輸，以降低服務(wù)中斷。在文獻［23］中將穩(wěn)健的繼電器置入60GHz的無線個域網(wǎng)中。并且制定了穩(wěn)健的最低中繼安置問題和穩(wěn)健的最大效用中繼安置的方案，其目的是最大限度地減少部署中繼的數(shù)量，最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)的利用率。

圖5　轉(zhuǎn)發(fā)路由的時隙安排

5　結(jié)束語

隨著技術(shù)不斷突破，太赫茲無線通信對大眾也不再是遙不可及，而太赫茲無線個域網(wǎng)作為近距離無線通信的重要場景，必將發(fā)揮巨大的應(yīng)用潛力。

本文介紹了太赫茲波特性和太赫茲應(yīng)用領(lǐng)域；其次，對超高速無線個域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和超幀結(jié)構(gòu)進行了介紹；最后對現(xiàn)有的太赫茲無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議做出介紹。

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，滿足人們對太赫茲無線網(wǎng)絡(luò)日益增長的需求，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)路由協(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。

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（2016-05-30）