2021, Vol. 47
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在当今信息化时代，人们对高带宽和高速率的数据传输需求日益增加，而传统无线通信(2G~5G)的数据传输速率[1-2]低于10 Gb/s。毫米波通信是第5代移动通信系统的替代方案之一[3]，尽管毫米波频段的数据速率可以达到GB级[4-5]，但仍无法满足未来无线通信中不断增长的数据流量需求。因此，研究人员开始关注尚未完全发掘的太赫兹频段(0.1~10 THz)[6]，并致力于太赫兹无线通信[7-9]的研究。
太赫兹无线通信满足5G以上的超高速通信要求[10-12]。太赫兹波已成为第6代通信技术(6G)的主要使用频段，即使在未来继续发展的第7代通信技术中也需要太赫兹相关技术支持[13]。太赫兹相关技术的研究重点是太赫兹频段媒体接入控制协议[14]，传统MAC协议采用全向天线，但考虑到太赫兹传播损耗较大，所以研究者引入定向天线[15]以提高其传输性能。根据IEEE 802.15.3c标准[16]，网络中配备定向天线的设备在进行通信时需要进行波束赋形以获取节点位置。在波束赋形过程若按照标准所提供的方法执行，会产生n×n时间复杂度，带来不必要的开销，同时增大数据传输时延。经典的ENLBT-MAC协议[17]改进后是按照节点入网顺序进行波束赋形，其时间复杂度为O(n)~O(n2)，但也会带来额外的控制开销。
随着频率增大，波束变得越窄[18]，在60 GHz的通信中，如此窄的波束用于波束赋形会产生浪费。针对此问题，文献[19]提出快速波束赋形方案，首先在低频段进行信道扫描及信令交互，通过在2.4 GHz频段确定方位角和发射角大致方位，然后在太赫兹频段进行定向数据传输，但该方案会增加设备成本。针对波束赋形产生的数据时延、Beacon字段冗余等问题，文献[20]提出FED-MAC协议，该协议只能对1/2的区域进行优化，并没有考虑节点运动等情况。
本文提出太赫兹网络场景下节点移动感知的定向MAC协议。通过引入微微网节点位置预估算法和动态场景节点位置感知机制，使协议在进行节点发现时只需要在目的节点所在范围内发送训练序列，从而减少不必要的控制开销。同时通过计算多个设备(DEV)的运动轨迹并预测其在下一时刻的位置，使源DEV和目的DEV能在目的DEV发生移动后及时恢复已经断开的链路。
1 网络拓扑与问题描述 1.1 网络模型太赫兹网络应用在高速数据传输的场景，为了满足高速数据传输需求，需要制定相应的各层通信协议，其中MAC协议作为太赫兹网络的核心协议，具有信道接入、信道资源分配等作用。太赫兹无线个域网的网络拓扑结构如图 1所示。
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| 图 1 网络拓扑结构 Fig. 1 Structure of network topology | |
整个网络由一个微微网协调器(Piconet Coordinator，PNC)和多个设备(DEV)组成。本文讨论的超帧结构如图 2所示。
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| 图 2 超帧结构 Fig. 2 Super-frame structure | |
该超帧结构与IEEE802.15.3c标准协议的超帧结构一致，太赫兹无线个域网的网络运行时间由多个超帧组成，每个超帧由以下3部分组成：1)信标时期(Beacon Period，BP)用于PNC在每个波束方向上发送多个定向信标帧，该帧包含分配给DEV的时隙信息、网络同步等信息；2)信道竞用时期(Contention Access Period，CAP)分为关联S-CAP(Sub-Contention Access Period，S-CAP)和常规S-CAP两个子时段，关联S-CAP中每个S-CAP子时段用于节点向PNC申请入网，常规S-CAP子时段的每个S-CAP子时段用于节点向PNC申请时隙；3)信道时隙分配时期(Channel Time Allocation Period，CTAP)由信道时隙(Channel Time Allocation，CTA)组成，部分CTA用于节点发现，部分用于节点间的数据交互。
1.2 问题描述在使用定向天线的条件下，太赫兹无线个域网按照15.3c标准协议执行会出现以下2个问题：
1) 配备定向天线的节点与其他节点通信时，在空间进行循环往复扫描，以获取其他节点的位置信息。在3c/ad标准中，根据划分的扇区，节点在每个扇区重复发送多个训练序列，以寻找目的节点，但目的节点只可能在源节点的某个范围内，对于其他方向的扫描和遍历，只会增加节点的发现时长。
2) 在动态场景中，节点位置可能会发生变动。在标准和相关协议中，网络协调器PNC需要全方位、周期性地发送完整信标消息，使得移动后的节点能准确接收到相应配置信息和时隙分配信息。但信标消息是整个网络中最大的控制消息。若盲目性、周期性发送这些消息使得整个网络性能变差，也会增加PNC负载，进而影响数据传输时延和吞吐量。此外，节点发生移动后，源节点和该节点建立好的链路就会断开，需要重新进行节点发现，增大了数据传输时延。
2 NMA-MAC协议针对上述存在的问题，本文提出太赫兹网络场景下的节点移动感知定向MAC(NMA-MAC)协议，该协议包含了微微网节点快速发现和动态场景节点位置感知2种新机制。
2.1 微微网节点快速发现机制在超帧CAP时段，PNC根据DEV发送的时隙申请等消息，确定源DEV以及目的DEV所在位置，由此建立扇区-位置表，然后在物理层根据信号接收的强度指示(Received Signal Strength Indication，RSSI)机制计算出源DEV、目的DEV的相对位置，最后将相对位置信息通过时隙申请回复帧告知给源DEV。此后，源DEV与目的DEV进行相互发现时，只需根据相对位置信息对目的DEV进行相应握手，即源DEV在知道目的DEV的大致方位时，只需要在该方向发送波束赋形训练帧，目的DEV旋转接收该训练帧。目的DEV选择接收信噪比最强的扇区作为最佳扇区，并在该扇区向源DEV发送训练帧。此时源DEV旋转接收目的DEV的训练帧，同样选择接收信噪比最强的扇区作为最佳扇区。这样就完成了一次握手过程，避免了源DEV在每个扇区重复发送多个训练帧，从而减少节点发现时长，使源DEV和目的DEV更快速地找到彼此位置。相比原有协议，在新机制下源DEV不需要全方位搜索目的DEV，根据PNC提供的信息，可以更快地发现目的DEV，从而减少节点发现时间。
微微网节点快速发现流程如图 3所示，该机制在CAP时段由PNC执行。
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| 图 3 微微网节点快速发现流程 Fig. 3 Rapid discovery procedure of piconet node | |
步骤 1 PNC在CAP时段判断是否有节点申请时隙，若有，则执行下一步骤；若无，则结束本机制。
步骤 2 定向天线将无线空间以一定角度划分成多个扇区[21]，每个设备扇区数量相同，PNC根据每个扇区分布的DEV数量，建立扇区-位置信息表。该表包含DEV的编号ID、PNC与DEV的距离、DEV所在扇区号、获知DEV距离的时刻、目的DEV的ID、相对位置信息。若有节点向PNC发送时隙申请，则PNC根据这些信息以及通过物理层RSSI机制，将相关信息存入扇区-位置信息表。PNC判断目的DEV与源DEV是否进行过波束赋形，若没有，则转至步骤3；若有，则转至步骤5。
步骤 3 PNC通过扇区-位置信息表计算出目的DEV相对于源DEV的位置，并将该位置信息填入扇区-位置表的相对位置信息中，转至步骤4。
首先以PNC为原点建立坐标。1)若源DEV与目的DEV所在象限相对，则其相对位置为目的DEV所在的象限，如源DEV在第一象限，目的DEV在第三象限，则目的DEV在以源DEV为原点建立坐标的第三象限。2)若源DEV与目的DEV所在象限相邻，则其相对位置为源DEV所在象限的相对象限与目的DEV所在象限联合的象限区域。3)若源DEV与目的DEV所在象限相同，假设源DEV距PNC距离为x，目的DEV距PNC的距离为y，则进一步判断：
1) 源DEV与目的DEV在同一扇区，若x < y，则相对位置为不包含源DEV、目的DEV所在象限的其他象限；若x > y，则相对位置为不包含源DEV、目的DEV所在象限相对象限的其他象限。
2) 若不在同一个扇区，且源DEV的扇区号为n，目的DEV的扇区号为m，假设源DEV、目的DEV所在象限为α(1≤α≤4)，其中规定若A mod 4=0，则A=4(mod求余)。若
步骤 4 PNC在回复DEV1的时隙请求帧时，查看扇区-位置信息表，并将表中象限信息提取出来，在回复给DEV的时隙请求时，将象限信息装入回复帧的帧头部MAC Header的Index Stream字段中，Index Stream字段的前4 bit分别对应1~4象限，每位上的0表示该象限不用做波束赋形，1表示需要做波束赋形，通过该字段将象限信息给DEV1，转下一步。
步骤5 在CTAP时段，源DEV根据PNC回复消息，判断Fragmentation Control中的保留字段是否为1，若是，则按新的节点发现机制进行；若不是，则按原有节点发现机制进行。
2.2 动态场景下的节点位置感知机制在默认情况下，当节点发生移动，为了使移动的节点能收到Beacon消息，PNC需要在每个方向循环发送该消息，从而使移动后的节点还能与网络进行同步，但这会造成很严重的时延以及控制开销。此外，源节点在没有目的节点位置信息情况下，需要重新对目的节点进行节点发现操作。新机制的主要思想是PNC通过一种动态算法计算出移动后节点的位置，并且通过该位置信息针对性地发送Beacon消息。另外，若该移动的DEV在下个超帧的CTAP时段没有参与数据收发，则PNC向该DEV所在位置发送Beacon消息时，不需要在Beacon消息中携带时隙分配信息。在下个CAP时段，执行新机制1，把目的DEV的位置告知给源DEV，使得源DEV可以在具体位置对目的DEV进行发现操作。
当节点发生移动时，首先，由PNC建立扇区-DEV表，用于记录某个扇区经过移动可能出现的DEV；然后，通过CAP时段收集DEV的相关信息(ID、与PNC距离、获取时刻等)，在CTAP时段结束后，根据在CAP时段收集到的信息，计算出该DEV在本超帧结束时移动后的大致位置，根据该位置信息更新扇区-DEV表；最后，在下一超帧的Beacon时段根据表中信息自适应调整发送Beacon帧的方向和Beacon帧的内容。
1) 在当前Beacon时段，PNC建立2个扇区-DEV信息表，表1记录当前超帧的各个扇区所对应的DEV，表2记录当前超帧结束时，各个扇区可能出现的经过移动后的DEV。如表1中扇区号为0，记录的ID为1、3，表2中扇区为0，记录ID为1、5，表示DEV3和DEV5都发生过移动。
2) 在当前CAP时段，PNC判断是否有DEV进行时隙申请，若无，则结束本机制；若有，则PNC建立位置-信息表。通过物理层RSSI机制确定DEV所在扇区、与PNC距离、获取信息时刻，将这些信息填入表中，并在表中加入源DEV、目的DEV的ID信息，转下一步。
3) 若某个节点发生移动，则在CTAP的最后一个时隙开始，PNC根据预先知道的节点最大运动速率
扇区号范围计算方法是以PNC为中心建立坐标轴，网络覆盖范围半径为X的圆，设每个扇区角度为
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| 图 4 微微网节点运动轨迹 Fig. 4 Motion trajectory of piconet node | |
(1) 若
(2) 若
该DEV下次可能出现的扇区号范围如式(1)、式(2)所示：
| $\left[ {\left\lfloor {\frac{{\alpha ( + 1) - {\rm{arcsin}}\frac{L}{R}}}{\alpha }} \right\rfloor - 1, \frac{{360}}{\alpha } - 1} \right]$ | (1) |
| $\left[ {0, \left\lfloor {\frac{{\alpha (\varepsilon + 1) + {\rm{arcsin}}\frac{L}{R} - 360}}{\alpha }} \right\rfloor - 1} \right]$ | (2) |
若
| $\left[ {\left\lfloor {\frac{{\alpha ( + 1) - {\rm{arcsin}}\frac{L}{R} + 360}}{\alpha }} \right\rfloor - 1, \frac{{360}}{\alpha } - 1} \right]$ | (3) |
| $\left[ {0{\rm{, }}\left\lfloor {\frac{{\alpha (\varepsilon + 1) - {\rm{arcsin}}\frac{L}{R}}}{\alpha }} \right\rfloor - 1} \right]$ | (4) |
| $\left[ {\left\lfloor {\varepsilon + \frac{{\alpha - {\rm{arcsin}}\frac{L}{R}}}{\alpha }} \right\rfloor - 1, \left\lfloor {\varepsilon + \frac{{\alpha + {\rm{arcsin}}\frac{L}{R}}}{\alpha }} \right\rfloor - 1} \right]$ | (5) |
4) 在下个Beacon时段，PNC查找扇区-DEV表 2，若表为空，说明没有DEV移动，则结束本机制；若表不为空，说明在前一个超帧结束时，DEV发生移动，且PNC已经计算如各个扇区DEV的移动情况，继续执行下一步。
5) PNC根据表1和表2，推断DEV的分布情况，然后向移动后的DEV所在扇区发送Beacon帧，对于那些经移动后空置的扇区不发Beacon帧。此外判断该移动后的DEV是否申请过时隙，若没有，则在Beacon帧中删除时隙分配信息。
6) 若移动的节点是某个DEV的目的DEV，则在下个CAP时段，继续执行新机制1，PNC将移动后的节点位置告知给源DEV；否则结束本机制。
3 协议性能分析关于新协议性能，给出如下引理及相关证明。
引理 1 节点间在进行相互发现时，与IEEE802.15.3c标准协议以及ENLBT-MAC协议相比，NMA-MAC协议节点发现过程中所产生的控制开销更小。
证明 假设太赫兹无线个域网中有1个PNC，每个PNC的周围有m个DEV(m > 1)，DEV产生的每个控制帧帧长为α，DEV需要在
| $ {C}_{1}=m\times S{}_{1}\times \alpha \times f $ | (6) |
| $ {C}_{2}=m\times {S}_{2}\times \alpha \times f $ | (7) |
| $ {C}_{3}=m\times {S}_{3}\times \alpha \times f $ | (8) |
由于协议所适用的网络模型相同，在新机制的操作下，NMA-MAC协议节点发现过程中，不需要对全方位的扇区进行遍历，只需要对某个或某几个扇区进行遍历，所以
引理 2 与IEEE802.15.3c标准协议以及ENLBT-MAC协议相比，NMA-MAC协议在数据传输过程中的传输成功率将会更高。
证明 传输成功率是指网络中目的节点接收到的数据量与源节点发送的数据量的比值。设IEEE802.15.3c协议的成功率为
| $ {P}_{1}=\frac{N{r}_{1}}{N{s}_{1}} $ | (9) |
| $ {P}_{2}=\frac{N{r}_{2}}{N{s}_{2}} $ | (10) |
| $ {P}_{3}=\frac{N{r}_{3}}{N{s}_{3}} $ | (11) |
如果源节点持续向相同的方向发送数据帧，随着源节点的移动，可能会导致目的节点收到的数据帧会越来越少。而在新机制的作用下，PNC可以预先知道移动节点的位置，然后将位置信息告知给源DEV，此时源DEV可以根据该消息调整发送方向。由此可以得出
引理 3 与IEEE802.15.3c标准协议以及ENLBT-MAC协议相比，NMA-MAC协议在数据传输过程中的吞吐量将会更高。
证明 吞吐量是指单位时间内，目的节点收到的bit数总和。超帧的长度一定，设网中节点数为N，CTAP时段源DEV向目的DEV发送帧的总长为
| $ {S}_{1}=\mathop \sum \limits_{i=1}^{N}{S}_{i}=\mathop \sum \limits_{i=1}^{N}\frac{{l}_{\mathrm{d}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{a}}\times {P}_{1}}{T} $ | (12) |
| $ {S}_{2}=\mathop \sum \limits_{i=1}^{N}{S}_{i}=\mathop \sum \limits_{i=1}^{N}\frac{{l}_{\mathrm{d}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{a}}\times {P}_{2}}{T} $ | (13) |
| $ {S}_{3}=\mathop \sum \limits_{i=1}^{N}{S}_{i}=\mathop \sum \limits_{i=1}^{N}\frac{{l}_{\mathrm{d}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{a}}\times {P}_{3}}{T} $ | (14) |
在网络拓扑和各节点参数相同的情况下，
本文利用OPNET仿真工具模拟实际网络中业务，并主要研究随着节点数目的增加，对协议各性能指标的影响。仿真参数设置如表 1所示。
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下载CSV 表 1 仿真参数设置 Table 1 Simulation parameters setting |
不同协议的波束赋形控制开销对比如图 5所示。随着节点增加，各协议控制开销都有所上升，由于NMA-MAC协议使用新的机制，使得运行网络所产生的的控制开销在网络饱和情况降低30.86%，仿真结果和引理1分析一致。由于IEEE802.15.3c标准协议需要在每个方向遍历，导致每个方向都会产生控制开销；而ENLBT-MAC协议根据入网顺序进行遍历，产生的开销会相应减少，但仍然需要在每个方向进行遍历。NMA-MAC协议使用新机制不需要在每个方向进行遍历，只在有节点的方向产生所需要的开销，所以总开销更小。
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| 图 5 不同协议的波束赋形控制开销对比 Fig. 5 Beamforming control cost comparison among different protocols | |
不同协议的消息传输成功率如图 6所示。当节点数从10增加到13时，网络中某些节点发生了移动。相比IEEE802.15.3c标准协议，NMA-MAVC协议的网络传输成功率增长了4.575%，仿真结果和引理2分析一致。由于存在节点移动的情况，当节点发生移动后，IEEE 802.15.3c协议或ENLBT-MAC协议的源节点在原方向发送数据，此时目的节点收不到该消息，在下个超帧中，源DEV与目的DEV需要重新进行节点发现后，再进行数据传输，此时源节点重复发送了相同数据，而目的节点只接收到一次数据。而NMA-MAC协议下源节点通过PNC预先知道目的DEV的位置，只需要向移动后的方向发送一次数据，从而提升数据消息传输成功率。
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| 图 6 不同协议的消息传输成功率对比 Fig. 6 Message transmission success rate comparison among different protocols | |
不同协议的吞吐量对比如图 7所示。相比IEEE802.15.3c标准协议，NMA-MAC协议的吞吐量增加了13.28%，仿真结果与引理3分析一致。3种协议在节点没有发生移动的情况下，吞吐量的走势是差不多的，若节点发生移动，使得IEEE802.15.3c标准协议和ENLBT-MAC协议的吞吐量发生短暂下降，而后节点需要重新进行波束赋形重新发现节点，吞吐量又逐渐开始上升。在节点移动后，NMA-MAC协议通过计算获取移动节点位置，然后动态调整数据发送方向，其吞吐量不会呈下降的趋势。随着节点数的增加，各协议的吞吐量逐渐趋于平稳状态。
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| 图 7 不同协议MAC层吞吐量对比 Fig. 7 MAC layer throughput comparison among different protocols | |
不同协议的数据传输时延如图 8所示。从图 8可以看出，在不同节点场景下3种协议的数据传输时延的差别不是很大。随着节点个数增加，由于申请时隙的节点个数逐渐增多，而超帧的长度是不变的，每个节点被安排的时隙也会推后，因此时延逐渐增加。而NMA-MAC协议通过减少在部分扇区的扫描时间，从而调整常规S-CAP的长度，PNC有足够时间处理节点的时隙申请，可以缩短数据的传输时延。
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| 图 8 不同协议平均时延对比 Fig. 8 Average delay comparison among different protocols | |
本文提出一种太赫兹网络场景下的节点移动感知定向MAC协议。在分析节点波束赋形的过程中，采用软件建模方式模拟微微网中节点的运动状态，引入微微网节点快速发现和动态场景节点位置感知机制，并使用归一化方法分析网络性能指标。仿真结果表明，相比IEEE802.15.3c标准协议和ENLBT-MAC协议，NAM-MAC协议能有效提高吞吐量和消息传输成功率，降低数据平均时延。后续将利用定向天线空分复用的特点，对太赫兹定向并行传输协议做进一步优化。
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