《电子技术应用》

高吞吐量低时延的太赫兹无线个域网MAC协议

2017年电子技术应用第1期 作者:任 智,游 磊,陈 葱,吕煜辉
2017/3/3 13:13:00

任  智,游  磊,陈  葱,吕煜辉

(重庆邮电大学 移动通信重点实验室,重庆400065)


    摘  要: 针对现有太赫兹无线个域网MAC协议存在的基于动态均衡思想的网络不稳定、不合理的竞争窗口导致退避时间过长,以及所分配CTA长度大于节点的时隙请求量时会导致时隙剩余3个问题,提出了一种高吞吐量时延的太赫兹无线个域网MAC协议——HTLL-MAC(High Throughput and Low Latency MAC protocol)。HTLL-MAC协议通过基于动态均衡思想的接入机制提高网络稳定性,引入动态更改重传竞争窗口方法缩短了退避所需时间,并且启用CTA剩余时隙机制充分利用剩余时隙,从而达到增加网络吞吐量、降低数据传输时延的效果。理论分析验证了HTLL-MAC协议的有效性。仿真结果表明,相较于IEEE 802.15.3c和HTLD-MAC的MAC层,吞吐量提高了6.15%,数据平均时延降低了32.53%。

    关键词: 太赫兹;无线个域网络;MAC协议;吞吐量;时延

    中图分类号: TN92

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.01.032


    中文引用格式: 任智,游磊,陈葱,等. 高吞吐量低时延的太赫兹无线个域网MAC协议[J].电子技术应用,2017,43(1):121-124,128.

    英文引用格式: Ren Zhi,You Lei,Chen Cong,et al. A high throughput and low latency MAC protocol for terahertz wireless personal area networks[J].Application of Electronic Technique,2017,43(1):121-124,128.

0 引言

    太赫兹波[1,2]是位于毫米波和远红外光波之间的电磁波,其波长范围为0.03 mm~3 mm,相应频率范围为0.1 THz~10 THz。太赫兹波处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区,它是人类最后一个尚未完全认知利用的频段。

    太赫兹无线个域网[3]是一种新型的无线网络,与传统无线个域网[4]不同,它工作在太赫兹频段且可支持数十Gb/s乃至1 Tb/s的数据传输速率。现有的太赫兹无线个域网都是在结合太赫兹频段的特点下基于IEEE 802.15.3c信道接入部分进行研究。PRIEBE S[5]提出太赫兹通信的MAC层理论,对比分析几种不同太赫兹用途模型的MAC层需实现的功能,指出针对不同的用途模型应采用不同的太赫兹MAC解决方案,并建议太赫兹无线个域网MAC协议以IEEE 802.15.3c为基准,在其上修改形成新的协议。JORNET J M等[6]提出一种太赫兹电磁纳米网络MAC协议,利用物理层脉冲通信的特性,使节点有数据可以直接发送而不需等待,并采取低权重编码和重复编码降低误码率,但这些编码方案的采用将大大降低编码效率。文献[7]基于IEEE 802.15.3c对太赫兹环境特点进行研究,设计了以提高太赫兹无线个域网性能的HTLD-MAC(High Throughput Low Delay MAC protocol for Terahertz wireless network environment)协议。在HTLD-MAC中,作者提出了一种动态均衡超帧思想,即调整时隙请求与数据发送之间的占时比例,以保证本超帧的时隙请求量与时隙资源量达到动态平衡,实现网络吞吐量最大化及接入时延最小化,其超帧结构如图1所示。

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1 网络模型与问题描述

1.1 网络模型

    太赫兹无线个域网通常由多个DEV(Device)和一个PNC(Piconet coordinator)组成。DEV是网络中基本单元,承载数据通信;而PNC是一种特殊的DEV,具备更为强大的功能,负责网络中信道接入管理。

    太赫兹无线个域网的信道资源根据时间被划分为一个个超帧,每个超帧由三阶段构成:信标BP(Beacon period)、竞争接入时段CAP(Channel Access Period)、信道时间分配时段CTAP(Channel Time Allocation Period),如图2所示,DEV在各时期采用CSMA/CA+TDMA混合方式接入信道。

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    PNC在每个超帧的BP时期全向广播Beacon帧,包含网络同步信息、时隙分配信息和其他一些控制信息,DEV在收到Beacon帧后,根据同步信息进行时间同步,同时获取自己在CTAP时期时隙分配情况。CAP时期采用CSMA/CA方式竞争信道,有数据发送需求的DEV向PNC发送信道时隙申请帧,PNC根据收到的信道时隙申请在下一超帧的Beacon帧中广播时隙分配信息。CTAP由一系列CTA(Channel time allocation)组成,采用TDMA方式接入信道,各DEV在属于自己的时隙中发送数据。

1.2 问题描述

    研究发现,现有相关MAC协议仍然存在方案设计不完善、信道利用率较低等问题,具体如下:

    (1)在文献[7]提出的动态均衡超帧思想中,假设网络中所有节点在每个超帧均参与数据发送,而一旦超出此假设条件,如某个节点在一个超帧中没有发送时隙请求,网络中满足超帧时隙资源量TCTAP大于TR且时隙请求个数NR等于网络总关联节点个数NA减1,因无法触发PNC判断条件,故CAP时段将持续到再次有节点发送时隙请求时才可能结束,这极大地增加了数据时延,降低了网络吞吐量。

    (2)在现有相关MAC协议[8]中,节点在请求时隙时需要进行退避,退避值为0到退避窗口之间的一个随机值,而其退避窗口根据重传次数(0、1、2、3)依次取值为(7、15、31、63)。实际上,在一个超帧中每个节点只请求一次时隙,成功后该节点将不再竞争信道,而越到后面成功发送时隙请求的节点越多,信道竞争将越小。故不合理的竞争窗口会导致大量信道资源浪费在执行退避过程上。

    (3)现有相关MAC协议中一个CTA的长度是固定的,PNC不能随意更改CTA的长度,且一个CTA不能同时分配给多个节点。此时,若分配的整数个CTA的长度大于节点的时隙请求量,CTA中存在的剩余时隙将被浪费。

2 HTLL-MAC协议新机制

2.1 基于动态均衡思想的接入机制

    该机制核心思想是:PNC设置一个变量tb存放Beacon帧发送时间,同时在收到时隙请求后及时更新tb,且在立即确认时把tb写入未利用字段Fragmentation control中,节点通过提取tb值判断CAP时段是否结束。

    PNC收到时隙请求后,得出当前时隙请求总量Rtotal,计算出满足此请求量所需的CTAP长度TCTAP。为便于计算,假设每个CTA都具有相同的长度TCTA,超帧长度为TS,Beacon帧传输时间为TB,信道保护时隙为TG,TCTAP计算公式如下所示:

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式中,ceil实现向上取整功能,此时可通过式(2)计算出新的Beacon帧发送时间tupdate,并赋值给tb。在立即确认帧的头部字段Fragmentation control中写入Beacon帧的预计发送时间,即tb的值。

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    该接入机制能够充分发挥动态均衡超帧结构的优势,在初期网络中节点少业务量小时延长CAP时段,便于新节点加入;而在后期节点多负载高时缩短CAP时段,加快数据转发,有效提高网络吞吐量,减少数据时延。

2.2 动态更改重传竞争窗口

    该机制核心思想是:在节点发送时隙请求帧之前,根据当前参与信道竞争的节点数目来更改重传竞争窗口。

    该机制具体操作可分为两部分。设网络中当前已关联节点数量为Nassoc,已成功发送时隙请求节点数量为NS,机制执行标识fc,每次进入新超帧CAP时段之前,节点都初始化NS=0,fc=1。

    首先,节点监听信道。节点监听收到MAC帧,提取头部字段信息进行判断,若该帧为命令帧且目的节点非PNC,或者该帧为立即确认帧而保留字段为0,则表明网络中有其他命令帧在进行交互,本超帧不再执行该机制,设置fc=0;若该帧为立即确认帧,源节点为PNC且保留字段值为1,则说明已有节点成功发送时隙请求,对NS执行加1操作。

    然后,设置重传竞争窗口。节点的时隙请求帧若成功发送,PNC将回复一个立即确认帧,并置保留字段为1,表明是对某一节点时隙请求的确认;若节点发出请求后未收到PNC确认,则表明发生碰撞,在达到最大重传次数前需要重传。在设置重传竞争窗口前判断fc,若fc=0,则重传竞争窗口依然设置为原本的退避窗口BWold,否则重传竞争窗口BWnew根据式(4)得出。

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    该机制根据已成功发送时隙请求的节点个数占已关联节点总数的比例,动态缩减时隙请求帧重传时的竞争窗口,提高信道利用率,减少数据时延。

2.3 启用CTA剩余时隙

    该机制的核心思想是:CTA中剩余时隙可以用于源节点在发送时隙请求时间内缓存中新产生的数据以及目的节点的数据传输需求。具体如下:

    (1)节点提取时隙分配信息,记录自身作为源节点分配的CTA信息,以及每个CTA中目的节点的信息;

    (2)在自身既不是源也不是目的的CTA中,节点将接收天线对准当前CTA目的节点的方向;而在自身作为源节点分配的CTA中,若分配的时隙量大于自己请求的时隙量,则在多余的时隙内,只要缓存中有数据就可以一直发送,当缓存中没有数据时,源节点发送一个空数据帧,并设置头部中more data字段为0;

    (3)目的节点在收到头部more data字段值为0的空数据帧时,则知道源节点数据已经发送完毕,判断自身缓存中是否有数据需要发送,若有则计算当前CTA剩余时隙TCTA-R是否足够发送数据,在满足式(5)的条件下,目的节点可以一直发送自身的数据,直到当前CTA结束。

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式中,Taggr为聚合帧传输耗时,Tblk-ack为块确认帧传输耗时。

    该方法充分利用了CTA剩余时隙,又不会产生冗余开销,同时对新数据到来以及信道质量导致数据重传的情况进行了考虑,有利于减少数据时延,提高信道利用率。

3 仿真分析

3.1 仿真统计量及参数设置

3.1.1 仿真统计量

    (1)MAC层吞吐量

    MAC层吞吐量是指MAC层单位时间内向上层提交数据的总量,单位取比特每秒(b/s),计算公式如下:

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其中,Brec为各节点MAC层正确接收的数据开销大小,Ts为网络通信总时长,在仿真中即数据产生开始时间到当前时刻。MAC层吞吐量除了受物理层条件限制,还受MAC协议工作效率的影响。

    (2)数据平均时延

    数据时延一般指数据开销自产生到被正确接收中间所用时间。平均时延则是对所有的时延值取平均,计算公式如下:

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其中,di为第i个数据时延,包括层间处理、MAC层排队、传输以及传播耗时,一般不考虑目的节点处理时延,当数据出错重传时,重传耗时也包括在内;而N为当前网络中MAC层已正确接收的数据个数。

    (3)信道利用率

    信道利用率是指数据帧传输时间占信道总时间的比例,最能体现MAC协议的工作效率,其计算公式如下:

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其中Ti为第i个数据帧传输时延,TS为网络通信总时长。数据帧传输时间所占比例越大,说明信道资源无效浪费越少,MAC层工作效率越高。

3.1.2 仿真参数设置

    仿真中采用仿真工具OPNET14.5对HTLL-MAC、HTLD-MAC以及IEEE802.15.3c仿真实现。主要的仿真参数如表1所示。

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3.2 仿真结果及分析

3.2.1 MAC层吞吐量

    如图3所示,当网络达到饱和时,HTLL-MAC协议MAC层吞吐量提高了6.15%,这主要原因在于:(1)基于动态均衡超帧结构的接入机制根据时隙请求量设置中断触发PNC发送Beacon帧,使得Beacon帧发送不再受最后一个时隙请求帧发送时间的限制,减少信道浪费;(2)时隙请求帧在出错重传时根据当前网络中竞争节点数更改竞争窗口,总体上减少了退避时间,使得更多信道时隙资源用于CTAP时段数据发送,可承载的业务量也就越大。

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3.2.2 数据平均时延

    如图4所示,HTLL-MAC协议数据平均时延至少降低了32.53%。时延降低的主要原因为:(1)动态更改重传竞争窗口使节点更快请求到时隙,增加CTAP长度,促进数据转发,减少数据时延;(2)充分利用CTA剩余时隙,使新到来的数据无需等待即可立马发送,减少了请求时隙等流程中的耗时。

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3.2.3 信道利用率

    如图5所示,HTLL-MAC协议在网络饱和的情况下信道利用率提高了6.96%。信道利用率提高的主要原因为:(1)新接入机制根据当前业务量调整CTAP的长度,在网络饱和情况下可以最大程度地减少冗余开销,增加数据发送时间,提高信道利用率;(2)动态更改重传竞争窗口可以减少信道资源在退避过程中的浪费,使信道利用率得到提高。

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4 结束语

    本文首先阐述了现有MAC协议存在的一些问题,继而提出了一种满足太赫兹无线个域网通信需求的高吞吐量低时延MAC协议——HTLL-MAC。通过采用基于动态均衡思想的接入机制、动态更改重传竞争窗口以及启用CTA剩余时隙等机制,从总体上提高了网络吞吐量,降低了数据时延。最后通过仿真验证了HTLL-MAC的有效性。

参考文献

[1] 姚建铨.太赫兹技术及其应用[J].重庆邮电大学学报(自然科学版),2010,22(6):703-707.

[2] 张健,邓贤进,王成,等.太赫兹高速无线通信:体制,技术与验证系统[J].太赫兹科学与电子信息学报,2014(1):1-13.

[3] AKYILDIZ I F,JORNET J M,HAN C.Terahertz band:Next frontier for wireless communications[J].Physical Communication,2014,12(4):16-32.

[4] 802.15.3c-2009-IEEE Standard for Information technology-Telecommunications and information exchange between sys-tems-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) Amendment2:Millimeter-wave-based Alternative Physical Layer Extension[S].IEEE Computer Society,2009.

[5] PRIEBE S.MAC layer concepts for THz communications[EB/OL].(2013-03)[2016-06].https://mentor.ieee.org/802.15/dcn/13/15-13-0119-00-0thz-mac-layer-con-cepts-for-thz-communications.pdf.

[6] JORNET J M,PUJOL J C,PARETA J S.Phlame:a physical layer aware mac protocol for electromagnetic nanonetworks in the terahertz band[J].Nano Communication Networks,2012,3(1):74-81.

[7] 刘文朋.太赫兹无线个域网MAC协议研究[D].重庆:重庆邮电大学,2015.

[8] REN Z,CAO Y N,ZHOU X,et al.Novel MAC protocol for terahertz ultra-high data-rate wireless networks[J].The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications,2013,20(6):69-76.

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