基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器高效切換的太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)接入?yún)f(xié)議

任 智, 田潔麗, 游 磊, 呂昱輝

(重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400065)

0 引言

太赫茲(Terahertz, THz)波是指頻率范圍在0.1～10 THz，波長(zhǎng)范圍在0.03～3 mm的電磁波，介于微波與紅外之間[1-2]，因此兼具兩者優(yōu)勢(shì)，在維持通信鏈路穩(wěn)定的同時(shí)可提供較大的帶寬容量。對(duì)比于常見的60 GHz及以下頻段，THz頻段尚未得到開發(fā)，具有極大的開發(fā)潛力，因此相關(guān)的THz通信技術(shù)被看作是第五代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一[3]；但在實(shí)際通信應(yīng)用場(chǎng)景中，大氣衰減(尤其是水汽吸收)會(huì)影響太赫茲波的傳播距離[4]，因此，太赫茲通信目前更多地被考慮用于較短距離的無線通信，其中一種典型的組網(wǎng)應(yīng)用形式是無線個(gè)域網(wǎng)(Wireless Personal Area Network, WPAN)[5-6]。

太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)(Terahertz Wireless Personal Area Network, THz-WPAN)是一種數(shù)據(jù)速率能夠達(dá)到數(shù)十Gb/s且以THz波作為載波的自組織網(wǎng)絡(luò)[7]。THz-WPAN是一種覆蓋范圍較小的集中式網(wǎng)絡(luò)，通常由多個(gè)具有THz無線通信功能的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。與傳統(tǒng)無線個(gè)域網(wǎng)[8]最大的不同是，它可以為不斷出現(xiàn)的新型應(yīng)用業(yè)務(wù)提供超過10 Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸保證。作為一種自組織網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用范圍比較廣泛：在會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)，可以手機(jī)、PAD以及筆記本等作為終端設(shè)備形成自組高速通信網(wǎng)絡(luò)；在室內(nèi)環(huán)境中，可以各家用電子產(chǎn)品進(jìn)行物物相連而實(shí)現(xiàn)各家用器件間的高速通信網(wǎng)[7,9]。

目前，專門針對(duì)于THz-WPAN接入?yún)f(xié)議的研究成果很少。文獻(xiàn)[10]針對(duì)納米傳感網(wǎng)介紹了一種基于物理層感知的THz網(wǎng)絡(luò)接入方法。該接入方法的整個(gè)運(yùn)行過程包括握手和數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)階段。該協(xié)議充分利用脈沖通信的優(yōu)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)能夠在任意時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)，并且利用低權(quán)重編碼和重復(fù)編碼的方式減少數(shù)據(jù)幀的碰撞概率，但是該接入?yún)f(xié)議也存在明顯的弊端，即每次數(shù)據(jù)傳輸之前都要進(jìn)行握手操作，浪費(fèi)信道資源，降低了時(shí)隙資源利用率。文獻(xiàn)[11]針對(duì)納米傳感網(wǎng)介紹了一種頻譜感知接入?yún)f(xié)議。該納米網(wǎng)絡(luò)以集中式的方式來組織網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的，網(wǎng)絡(luò)包含具有進(jìn)行集中管理能力的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。該協(xié)議提出的這種時(shí)分多址(Time Division Multiple Address, TDMA)+隨機(jī)接入(Random Access, RA)的信道接入方式對(duì)于THz-WPAN接入?yún)f(xié)議具有重要的指導(dǎo)意義。

文獻(xiàn)[12]指出THz-WPAN接入?yún)f(xié)議應(yīng)該以IEEE 802.15.3c或者IEEE 802.11ad為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)有的數(shù)據(jù)幀聚合技術(shù)以及波束成型技術(shù)，在其上進(jìn)行修改形成與用途模型匹配的THz-WPAN接入?yún)f(xié)議。文獻(xiàn)[13]提出了一種適應(yīng)于太赫茲無線網(wǎng)絡(luò)的高吞吐量低時(shí)延MAC協(xié)議(High Throughput and Low Latency MAC protocol, HTLL-MAC)，以動(dòng)態(tài)均衡思想為核心設(shè)計(jì)新接入機(jī)制，提高網(wǎng)絡(luò)性能，同時(shí)動(dòng)態(tài)更改重傳競(jìng)爭(zhēng)窗口，充分利用信道時(shí)間分配(Channel Time Allocation, CTA)剩余時(shí)隙資源，能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、降低數(shù)據(jù)時(shí)延，可較好地應(yīng)用于THz-WPAN中。

1 太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型

現(xiàn)有討論的THz-WPAN是一種集中控制式自組織網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)允許各相互獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)間自由通信。如圖1所示，該網(wǎng)絡(luò)的基本組成單元是DEV(DEVice)，且在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的過程中始終會(huì)有一個(gè)DEV作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 (PicoNet Coordinator, PNC)存在。PNC會(huì)以定期廣播beacon幀，向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供定時(shí)同步功能、時(shí)隙分配功能以及其他的網(wǎng)絡(luò)控制功能[15]?？梢姡W(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器PNC是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行起著無法替代的作用。

圖1 THz-WPAN結(jié)構(gòu) Fig. 1 THz-WPAN structure

THz-WPAN將網(wǎng)絡(luò)時(shí)間劃分為一個(gè)一個(gè)的超幀(Superframe)結(jié)構(gòu)，如圖2所示，一個(gè)超幀又分為信標(biāo)時(shí)段(Beacon Period, BP)、信道時(shí)間分配時(shí)段(Channel Time Allocation Period, CTAP)以及競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)段(Contention Access Period, CAP)等3個(gè)時(shí)段[15]，而CTAP時(shí)段又可以包含有多個(gè)CTA時(shí)段。在BP時(shí)段，PNC通過集中控制的方式向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播包含定時(shí)、同步以及時(shí)隙分配等信息的beacon幀，收到beacon幀的DEV會(huì)從中提取相應(yīng)信息；在CTAP時(shí)段，各源DEV會(huì)以TDMA的方式在PNC分配給自己的CTA中與目的DEV進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；在CAP時(shí)段，暫時(shí)沒有入網(wǎng)的DEV會(huì)以競(jìng)爭(zhēng)接入的方式入網(wǎng)，有時(shí)隙申請(qǐng)傾向的DEV會(huì)以競(jìng)爭(zhēng)接入的方式向PNC申請(qǐng)時(shí)隙。

任何節(jié)點(diǎn)在剛加入現(xiàn)有微網(wǎng)之后，PNC都會(huì)對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)以驗(yàn)證該節(jié)點(diǎn)是否在成為PNC上有比自己更高的優(yōu)先級(jí)。如果通過驗(yàn)證新入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)確實(shí)有更強(qiáng)能力成為新PNC，那么現(xiàn)有PNC會(huì)執(zhí)行PNC切換流程，主動(dòng)讓出對(duì)于微網(wǎng)的控制權(quán)。同樣地，當(dāng)現(xiàn)有PNC因?yàn)槟撤N原因打算離開微網(wǎng)時(shí)，現(xiàn)有PNC也會(huì)執(zhí)行PNC切換流程，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中選出一個(gè)具有最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)替換自己，成為新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器[7]。

圖2 THz-WPAN超幀結(jié)構(gòu) Fig. 2 THz-WPAN superframe structure

2 問題描述

IEEE802.15.3系列[8,15]提出PNC切換機(jī)制；此外，HTLL-MAC協(xié)議主要以動(dòng)態(tài)均衡思想為核心設(shè)計(jì)新介入機(jī)制，未對(duì)原有PNC切換機(jī)制提出改進(jìn)。因此現(xiàn)有PNC切換機(jī)制有著基本數(shù)據(jù)傳輸存在冗余、PNC切換機(jī)制不完善以及時(shí)隙資源利用率較低等問題，不能更好地適用于具備高業(yè)務(wù)量需求環(huán)境的THz-WPAN中。

1)在PNC切換過程中，現(xiàn)有PNC會(huì)利用PNC切換評(píng)判準(zhǔn)則選出某一指定DEV作為網(wǎng)絡(luò)新的PNC。此時(shí)現(xiàn)有PNC會(huì)向指定DEV發(fā)送包含網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)基本信息的三大信息命令幀[15]：PNC信息命令幀(如圖3所示)表明網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的基本信息；PNC切換信息命令幀(如圖4所示)表明當(dāng)前尚未完全滿足的時(shí)隙請(qǐng)求等信息；節(jié)能集合信息響應(yīng)命令幀(如圖5所示)表明網(wǎng)絡(luò)中各DEV的節(jié)能模式等信息。對(duì)現(xiàn)有PNC來說，指定DEV是網(wǎng)絡(luò)中可以成為PNC的普通節(jié)點(diǎn)，指定DEV在需要自己的有關(guān)信息時(shí)可以直接提取獲得。而在現(xiàn)有PNC發(fā)送的PNC信息命令幀和節(jié)能集合信息響應(yīng)命令幀中包含指定DEV的基本信息，這使得數(shù)據(jù)傳輸存在冗余。

圖3 PNC信息命令幀 Fig. 3 PNC information command frame

圖4 PNC切換信息命令幀 Fig. 4 PNC handover information command frame

圖5 節(jié)能集合信息響應(yīng)命令幀 Fig. 5 Energy saving collection information response command frame

2)在現(xiàn)有的PNC切換流程中，沒有考慮以下兩種情況下，指定DEV會(huì)拒絕切換請(qǐng)求[8]：①如果該指定DEV已經(jīng)是某子網(wǎng)的PNC，雖然經(jīng)過現(xiàn)有PNC的判斷，該指定DEV有成為本網(wǎng)絡(luò)新PNC的最高優(yōu)先級(jí)，但一個(gè)節(jié)點(diǎn)不能成為多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的PNC，該指定DEV會(huì)拒絕PNC切換請(qǐng)求；②如果該指定DEV不能加入父微網(wǎng)，雖然收到PNC切換請(qǐng)求，但指定DEV仍會(huì)拒絕其切換請(qǐng)求。

3)在上一超幀的CAP時(shí)段，由于當(dāng)前PNC已向指定DEV發(fā)送了PNC切換請(qǐng)求命令，故在當(dāng)前超幀，現(xiàn)有PNC會(huì)占據(jù)整個(gè)CTAP時(shí)段向指定DEV發(fā)送三大信息命令幀，即現(xiàn)有的PNC切換操作可能會(huì)影響到其他節(jié)點(diǎn)正常的數(shù)據(jù)傳輸。雖然三大信息命令幀字節(jié)數(shù)較多，但從信道利用率的角度上看，三大信息命令幀的傳輸不會(huì)占用整個(gè)CTAP時(shí)段的長(zhǎng)度。故如果把整個(gè)CTAP時(shí)段全部用于三大信息命令幀的傳輸，必然會(huì)導(dǎo)致較為嚴(yán)重的時(shí)隙資源浪費(fèi)現(xiàn)象。

3 PCHEH-AP協(xié)議

針對(duì)上述問題，本文提出了一種基于PNC高效切換的太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)接入?yún)f(xié)議 (Piconet Coordinator High Efficient Handover Access Protocol, PCHEH-AP)。PCHEH-AP從總體上規(guī)范了PNC切換流程，提高了信道利用率，減少了數(shù)據(jù)時(shí)延。

3.1 PCHEH-AP協(xié)議新機(jī)制

3.1.1 刪除指定節(jié)點(diǎn)冗余信息

PNC信息命令幀包含網(wǎng)絡(luò)中所有關(guān)聯(lián)入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的基本信息，這些信息包括節(jié)點(diǎn)地址、節(jié)點(diǎn)ID、節(jié)點(diǎn)信息實(shí)體，以及表征節(jié)點(diǎn)是否具有PNC能力的Overall capabilities字段等，每個(gè)節(jié)點(diǎn)信息占有20個(gè)字節(jié)單位長(zhǎng)度。節(jié)能集合信息響應(yīng)命令幀結(jié)構(gòu)包含了網(wǎng)絡(luò)中所有DEV采用的節(jié)能模式等信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以占據(jù)高達(dá)39個(gè)字節(jié)單位長(zhǎng)度。在PNC切換過程中，指定DEV基本信息的傳送顯得毫無意義，因?yàn)楫?dāng)指定DEV在需要這些信息時(shí)，可以直接獲取。從整體上說，刪除指定節(jié)點(diǎn)冗余信息新機(jī)制可以減少不必要的數(shù)據(jù)傳輸，縮短數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，提高信道利用率。

3.1.2 切換先確認(rèn)

在如圖6所示的原PNC切換流程中(PNC表示當(dāng)前PNC，DEV-2代表當(dāng)前PNC指定DEV，DEV-3表示網(wǎng)絡(luò)中的其他DEV)，PNC假定指定DEV一定會(huì)接受PNC切換請(qǐng)求，故在沒有得到指定節(jié)點(diǎn)是否可以成為新PNC的前提下，就向指定DEV發(fā)送了作為新PNC所需的三大信息命令幀。

圖6 原PNC切換流程 Fig. 6 Original PNC handover process

在切換先確認(rèn)新機(jī)制中，現(xiàn)有指定DEV在收到如圖7 所示的PNC切換請(qǐng)求命令幀之后，會(huì)檢測(cè)自身狀態(tài)，并通過如圖8所示的PNC切換響應(yīng)命令幀來作出回應(yīng)。在現(xiàn)有PNC收到PNC切換響應(yīng)命令幀確認(rèn)該指定DEV可以作為新PNC時(shí)才會(huì)向指定DEV發(fā)送三大信息命令幀。

圖7 PNC切換請(qǐng)求命令幀 Fig. 7 PNC handover request command frame

圖8 PNC切換響應(yīng)命令幀

Fig. 8 PNC handover response command frame

切換先確認(rèn)新機(jī)制操作如下：

步驟1 當(dāng)現(xiàn)有PNC將要離開微網(wǎng)或網(wǎng)絡(luò)中存在新入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)時(shí)，PNC會(huì)查看各節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)PNC記錄的Capabilities IE信息，結(jié)合表1所示的PNC切換優(yōu)先級(jí)比較方法，依次比較各節(jié)點(diǎn)的PNC Des Mod位、SEC位以及PSRC位等選出最佳節(jié)點(diǎn)作為指定DEV。轉(zhuǎn)步驟2。

表1 PNC切換字段優(yōu)先級(jí)Tab. 1 PNC switching field priority

步驟2 PNC在CAP時(shí)段以CSMA/CA的接入方式向指定DEV發(fā)送PNC切換請(qǐng)求命令幀。轉(zhuǎn)步驟3。

步驟3 指定DEV收到PNC切換請(qǐng)求命令幀之后，準(zhǔn)備好PNC切換響應(yīng)命令幀。若該指定DEV通過以往接收beacon幀確定當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)為獨(dú)立微網(wǎng)(指定DEV與PNC具有相同的唯一微網(wǎng)ID)，轉(zhuǎn)步驟4；若檢測(cè)到自身已經(jīng)是子微網(wǎng)PNC(指定DEV存在作為PNC的標(biāo)識(shí)符)，轉(zhuǎn)步驟5；若檢測(cè)到自身并不是子微網(wǎng)PNC但自身不可以加入父微網(wǎng)(指定DEV中所含微網(wǎng)ID與當(dāng)前PNC的父微網(wǎng)ID不匹配)，轉(zhuǎn)步驟6。

步驟4 設(shè)置PNC切換響應(yīng)命令幀中的Reason Code字段為0x00，并以CSMA/CA的接入方式發(fā)送給當(dāng)前PNC，表明已作好PNC切換準(zhǔn)備。轉(zhuǎn)步驟7。

步驟5 設(shè)置PNC切換響應(yīng)命令幀中的Reason Code字段為0xff，表明該指定DEV已經(jīng)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的PNC，并以CSMA/CA的接入方式發(fā)送給當(dāng)前PNC，表明不能成功進(jìn)行PNC切換操作。轉(zhuǎn)步驟7。

步驟6 設(shè)置PNC切換響應(yīng)命令幀中的Reason Code字段為0xfe，并以CSMA/CA的接入方式發(fā)送給當(dāng)前PNC，表明該指定DEV不能加入父微網(wǎng)，不能進(jìn)行PNC切換操作。轉(zhuǎn)步驟7。

步驟7 PNC收到PNC切換響應(yīng)命令幀之后，提取其中的Reason Code字段，如果其值為0x00，就在下一超幀的CTAP時(shí)段向指定DEV發(fā)送三大信息命令幀；否則，表明指定DEV不能成為新的PNC，結(jié)束PNC切換操作。

切換先確認(rèn)新機(jī)制彌補(bǔ)了原有PNC切換機(jī)制的不足，使得整個(gè)PNC切換邏輯更加合理，不會(huì)出現(xiàn)當(dāng)前指定DEV不能成為PNC而現(xiàn)有PNC已經(jīng)將基本信息發(fā)送給指定DEV的情況。該機(jī)制在一定情況下，可以減少無效數(shù)據(jù)的傳輸，更加合理地利用時(shí)隙資源。

圖9 新PNC切換流程 Fig. 9 New PNC handover process

3.1.3 PNC切換自適應(yīng)時(shí)隙分配

一般情況下，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)所擁有的節(jié)點(diǎn)數(shù)是有限的，三大信息命令幀的傳輸不會(huì)占用完整個(gè)CTAP時(shí)段，會(huì)存在一定的剩余時(shí)隙。該機(jī)制可以在保證三大信息命令幀正確傳輸?shù)那疤嵯拢瑢TAP剩余時(shí)隙充分利用于各時(shí)隙請(qǐng)求，這樣不僅可以滿足部分節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙請(qǐng)求，而且PNC切換信息命令幀的傳輸也會(huì)變得更加簡(jiǎn)化(已經(jīng)成功分配時(shí)隙的時(shí)隙請(qǐng)求不必出現(xiàn))。

設(shè)TCTAP為當(dāng)前超幀可以提供的時(shí)隙總量，t3代表三大信息命令幀從當(dāng)前PNC傳輸?shù)街付―EV所需要的總時(shí)間，N代表當(dāng)前超幀中PNC收到的時(shí)隙請(qǐng)求個(gè)數(shù)，其具體操作步驟如下。

步驟1 在采用PNC切換自適應(yīng)時(shí)隙分配新機(jī)制之前，對(duì)各參數(shù)進(jìn)行初始化。根據(jù)超幀設(shè)置情況得出當(dāng)前超幀可以提供的時(shí)隙總量TCTAP；由時(shí)隙申請(qǐng)準(zhǔn)則以及三大信息命令幀的總比特?cái)?shù)，可以得出當(dāng)前PNC為自己分配的時(shí)隙總數(shù)為t3；根據(jù)收到的時(shí)隙請(qǐng)求統(tǒng)計(jì)出總的時(shí)隙請(qǐng)求個(gè)數(shù)N；提取出各CTA之間的保護(hù)間隔Tguardtime。轉(zhuǎn)步驟2。

步驟2 原PNC對(duì)所有接收到的時(shí)隙請(qǐng)求按照從小到大的順序排序，N個(gè)時(shí)隙請(qǐng)求大小分別為:l1,l2, …,li,…,lN，其中l(wèi)i代表排序后第i個(gè)時(shí)隙請(qǐng)求的時(shí)隙請(qǐng)求量，Li代表前i個(gè)時(shí)隙請(qǐng)求量的總和，即Li=l1+l2+…+li；且令i=0，L0=0。轉(zhuǎn)步驟3。

步驟3 判斷t3+Li+i*Tguardtime與TCTAP的大小關(guān)系，其中t3除去了冗余信息傳輸所占時(shí)間以及前i個(gè)時(shí)隙請(qǐng)求在PNC切換信息命令幀中所占字節(jié)數(shù)傳輸所占用時(shí)間。如果t3+Li+i*Tguardtime

步驟4i++，并利用時(shí)隙申請(qǐng)準(zhǔn)則及時(shí)更新t3。轉(zhuǎn)步驟3。

步驟5 原PNC把剩余的未滿足的N-(i-1)個(gè)時(shí)隙量(只有時(shí)隙量更小的i-1個(gè)時(shí)隙請(qǐng)求得到了滿足)更大的時(shí)隙請(qǐng)求相關(guān)信息裝入PNC切換信息命令幀中，作好信息傳輸準(zhǔn)備。轉(zhuǎn)步驟6。

步驟6 在當(dāng)前超幀，只為i-1個(gè)時(shí)隙請(qǐng)求分配了時(shí)隙。故在接下來的BP時(shí)段，PNC會(huì)利用廣播beacon幀的方式通告前面的時(shí)隙分配結(jié)果。轉(zhuǎn)步驟7。

步驟7 在CTAP時(shí)段，各節(jié)點(diǎn)以TDMA的方式接入信道，故PNC首先分配時(shí)隙完成三大信息命令幀的傳輸操作，然后將剩余時(shí)隙用于前i-1個(gè)時(shí)隙請(qǐng)求進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

PNC切換自適應(yīng)時(shí)隙分配新機(jī)制保證了在進(jìn)行PNC切換操作的條件下網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，使PNC切換操作盡量不影響網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)操作行為。該機(jī)制通過利用原本不會(huì)利用的時(shí)隙極大地減少了時(shí)隙資源的浪費(fèi)，減少了數(shù)據(jù)平均時(shí)延。

3.2 PCHEH-AP協(xié)議操作流程

上述已經(jīng)對(duì)PCHEH-AP協(xié)議中使用到的新機(jī)制作了詳細(xì)介紹，下面就PCHEH-AP協(xié)議的整個(gè)操作流程展開詳細(xì)敘述。

為了方便理解PCHEH-AP協(xié)議的整個(gè)操作流程，可以假設(shè)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前處于一種穩(wěn)定的狀態(tài)。假設(shè)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)包含許多節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)有PNC經(jīng)過一系列的優(yōu)先級(jí)比較之后，得知節(jié)點(diǎn)A具有成為PNC的最高優(yōu)先級(jí)。

步驟1 如圖2所示，新超幀結(jié)構(gòu)從BP時(shí)段開始。在BP時(shí)段，現(xiàn)有PNC會(huì)通過beacon幀來廣播網(wǎng)絡(luò)的時(shí)隙分配信息、同步信息以及超幀定界信息等。轉(zhuǎn)步驟2。

步驟2 在CTAP時(shí)段，各節(jié)點(diǎn)會(huì)以TDMA的接入方式，依照beacon幀中時(shí)隙分配的結(jié)果接入信道，進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。轉(zhuǎn)步驟3。

步驟3 在接下來的CAP時(shí)段，有操作行為的DEV開始發(fā)送各種請(qǐng)求命令幀。例如有數(shù)據(jù)發(fā)送需求的節(jié)點(diǎn)開始向PNC發(fā)送時(shí)隙請(qǐng)求命令幀，存在PNC切換傾向的PNC在選定了指定DEV(節(jié)點(diǎn)A)之后開始向節(jié)點(diǎn)A發(fā)送PNC切換請(qǐng)求命令幀等。在此CAP時(shí)段，各節(jié)點(diǎn)均以CSMA/CA的方式接入信道，故當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的各種命令幀發(fā)生碰撞時(shí)都會(huì)執(zhí)行回退操作。轉(zhuǎn)步驟4。

步驟4 PNC收到時(shí)隙請(qǐng)求命令幀之后，按照時(shí)隙請(qǐng)求量從小到大的順序?qū)Ω鲿r(shí)隙請(qǐng)求進(jìn)行排序；節(jié)點(diǎn)A收到PNC發(fā)送的PNC切換請(qǐng)求命令幀之后，利用切換先確認(rèn)機(jī)制對(duì)PNC作出回應(yīng)。轉(zhuǎn)步驟5。

步驟5 PNC收到節(jié)點(diǎn)A發(fā)送的PNC切換響應(yīng)命令幀之后，提取其中的Reason Code字段。如果其值為0x00，轉(zhuǎn)步驟6；否則，轉(zhuǎn)步驟7。

步驟6 利用PNC切換自適應(yīng)時(shí)隙分配機(jī)制，對(duì)下一超幀的CTAP時(shí)段時(shí)隙資源進(jìn)行分配，計(jì)算出可以分配時(shí)隙的時(shí)隙請(qǐng)求量(保證三大信息命令幀的傳輸在數(shù)據(jù)傳輸之前)，并結(jié)合刪除指定節(jié)點(diǎn)冗余信息機(jī)制準(zhǔn)備好三大信息命令幀。轉(zhuǎn)步驟8。

步驟7 放棄PNC切換操作，直接利用現(xiàn)有的時(shí)隙分配機(jī)制對(duì)下一超幀的CTAP時(shí)段時(shí)隙資源進(jìn)行劃分，得出劃分結(jié)論。轉(zhuǎn)步驟8。

步驟8 依次進(jìn)入下一超幀的BP時(shí)段，此時(shí)利用CTA IE對(duì)時(shí)隙分配結(jié)果進(jìn)行廣播，使已關(guān)聯(lián)入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)均可以獲取時(shí)隙分配信息。轉(zhuǎn)步驟9。

步驟9 依次進(jìn)入下一超幀的CTAP時(shí)段，此時(shí)按照CTA IE中時(shí)隙資源的劃分方式對(duì)時(shí)隙資源進(jìn)行利用，即：如果PNC切換流程仍在繼續(xù)，則首先PNC會(huì)向節(jié)點(diǎn)A發(fā)送事先準(zhǔn)備好的三大信息命令幀，然后才是各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳遞；而如果已經(jīng)放棄了PNC切換操作，此時(shí)整個(gè)CTAP時(shí)段均會(huì)用于節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳遞。轉(zhuǎn)步驟10。

步驟10 PNC全網(wǎng)廣播自己作為PNC的最后一個(gè)beacon幀。該beacon幀中包含有PNC Handover IE，通過該beacon幀，網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)就會(huì)知道網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)完成了PNC切換，新PNC的ID等信息也可以從中獲取。這樣整個(gè)PNC切換流程已經(jīng)完成，下一個(gè)超幀結(jié)構(gòu)以新PNC(節(jié)點(diǎn)A)全網(wǎng)廣播beacon開始。

4 仿真分析

本文采用OPNET Modeler 14.5仿真工具分別對(duì)PCHEH-AP協(xié)議、HTLL-MAC協(xié)議以及IEEE 802.15.3c進(jìn)行仿真驗(yàn)證，主要考察各協(xié)議在不同節(jié)點(diǎn)數(shù)的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下的性能指標(biāo)。

4.1 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真中以節(jié)點(diǎn)數(shù)來區(qū)分不同的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，即依據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為4、7、10、13、16、19設(shè)置6類網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 主要仿真參數(shù)Tab. 2 Main simulation parameters

4.2 仿真結(jié)果及分析

4.2.1 MAC層吞吐量

MAC層吞吐量是在單位時(shí)間內(nèi)，所有節(jié)點(diǎn)在MAC層正確接收到數(shù)據(jù)并向上層傳輸?shù)目偙忍財(cái)?shù)。由圖10可知，從總體上看，MAC層吞吐量會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而增加，而當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)增加到一定程度時(shí)MAC層吞吐量會(huì)保持不變(此時(shí)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，協(xié)議所支持的業(yè)務(wù)量已達(dá)到上限)。PCHEH-AP較另兩種協(xié)議具有較高網(wǎng)絡(luò)吞吐量的主要原因是：1)切換先確認(rèn)機(jī)制保證PNC在切換時(shí)不會(huì)出現(xiàn)浪費(fèi)信道資源而沒有切換成功的情況，原本被浪費(fèi)的信道資源可以用于數(shù)據(jù)傳輸；2)PNC切換自適應(yīng)時(shí)隙分配新機(jī)制保證在PNC切換過程中，當(dāng)前其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸不會(huì)被影響，吞吐量得到相應(yīng)提高。

4.2.2 數(shù)據(jù)平均時(shí)延

數(shù)據(jù)平均時(shí)延是指數(shù)據(jù)幀從產(chǎn)生到目的節(jié)點(diǎn)成功接收的平均耗時(shí)，其仿真結(jié)果如圖11所示。由圖可知，數(shù)據(jù)平均時(shí)延隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而增加，但從整體上看，PCHEH-AP較另兩種協(xié)議的數(shù)據(jù)平均時(shí)延有所下降。其主要原因是：1)刪除指定節(jié)點(diǎn)冗余信息機(jī)制使得PNC減少了冗余信息的傳輸，有效數(shù)據(jù)傳輸增加，數(shù)據(jù)傳輸平均時(shí)延相應(yīng)減小；2)切換先確認(rèn)機(jī)制使PNC不會(huì)占用信道資源進(jìn)行無效數(shù)據(jù)傳輸，在確定可以成功進(jìn)行PNC切換之后才進(jìn)行有效數(shù)據(jù)傳輸；3)PNC切換自適應(yīng)時(shí)隙分配機(jī)制使得整個(gè)CTAP時(shí)段不僅可以用于PNC切換操作，也可以用于安排其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸操作，同樣可以減少平均數(shù)據(jù)時(shí)延。

圖10 MAC層吞吐量 Fig. 10 MAC layer throughput

圖11 數(shù)據(jù)平均時(shí)延 Fig. 11 Average delay of data

4.2.3 信道利用率

信道利用率是指節(jié)點(diǎn)占用信道進(jìn)行有效數(shù)據(jù)幀傳輸所用時(shí)間占網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行總時(shí)間的比值，其仿真結(jié)果如圖12所示。由圖可知，信道利用率隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而增加，但增加到一定程度時(shí)會(huì)保持不變。PCHEH-AP協(xié)議信道利用率稍高的主要原因?yàn)镻NC切換自適應(yīng)時(shí)隙分配新機(jī)制會(huì)使當(dāng)前的CTAP時(shí)段不僅用于PNC切換，也會(huì)用于其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸操作，也就是PNC切換并不干擾其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程，這樣可以相應(yīng)地提升信道利用率。

圖12 信道利用率 Fig. 12 Channel utilization

4.2.4 發(fā)送緩存數(shù)據(jù)量

發(fā)送緩存數(shù)據(jù)量是指在節(jié)點(diǎn)發(fā)送緩沖區(qū)中的平均數(shù)據(jù)量，其仿真結(jié)果如圖13所示。由圖可知，發(fā)送緩存數(shù)據(jù)量比原有接入?yún)f(xié)議稍低。其主要原因是：1)刪除指定節(jié)點(diǎn)冗余信息機(jī)制減少了不必要的冗余信息的傳輸，加快了其他緩存數(shù)據(jù)的傳輸；2)切換先確認(rèn)機(jī)制使PNC在進(jìn)行切換之前就選準(zhǔn)了可以進(jìn)行PNC切換操作的節(jié)點(diǎn)，避免了因節(jié)點(diǎn)選擇失誤而導(dǎo)致的時(shí)隙浪費(fèi)，從而加快了緩存中數(shù)據(jù)傳輸；3)PNC切換自適應(yīng)時(shí)隙分配新機(jī)制使整個(gè)CTAP時(shí)段不會(huì)完全用于PNC切換操作，在當(dāng)前超幀完成PNC切換操作之后接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸操作，加快了緩存中數(shù)據(jù)傳輸。

圖13 發(fā)送緩存數(shù)據(jù)量 Fig. 13 Data of buffer

5 結(jié)語

本文針對(duì)PNC切換過程中存在的傳輸冗余信息、整體的PNC 切換機(jī)制不是很完善以及較為明顯的時(shí)隙資源浪費(fèi)等問題提出了一種專門針對(duì)于高業(yè)務(wù)量需求環(huán)境的基于PNC高效切換的太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)接入?yún)f(xié)議——PCHEH-AP，提出刪除指定節(jié)點(diǎn)冗余信息、切換先確認(rèn)以及PNC切換自適應(yīng)時(shí)隙分配三種新機(jī)制。對(duì)該接入?yún)f(xié)議相比其他接入?yún)f(xié)議進(jìn)行了仿真驗(yàn)證和比較，仿真結(jié)果表明該接入?yún)f(xié)議減少了數(shù)據(jù)時(shí)延，增加了信道利用率，從而提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。在未來的研究中，將以PCHEH-AP協(xié)議為基礎(chǔ)，研究PNC切換操作對(duì)太赫茲無線個(gè)域網(wǎng)的影響。

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This work is partially supported by the National Natural Science Foundation of China (61379159), the Key Project of Fundamental and Frontier Research of Chongqing (cstc2015jcyjBX0085).

RENZhi, born in 1971, Ph. D., professor. His research interests include broadband wireless communication network.

TIANJieli, born in 1992, M. S. candidate. Her research interests include inter-personal-area-network communication for terahertz wireless network.

YOULei, born in 1992, M. S.. His research interests include access protocol for terahertz wireless personal area network.

LYUYuhui, born in 1993, M. S. candidate. His research interests include directional MAC protocol for terahertz wireless personal area network.