基于网络协调器高效切换的太赫兹无线个域网接入协议

任 智, 田洁丽, 游 磊, 吕昱辉

(重庆邮电大学 移动通信技术重庆市重点实验室, 重庆 400065)

0 引言

太赫兹(Terahertz, THz)波是指频率范围在0.1～10 THz，波长范围在0.03～3 mm的电磁波，介于微波与红外之间[1-2]，因此兼具两者优势，在维持通信链路稳定的同时可提供较大的带宽容量。对比于常见的60 GHz及以下频段，THz频段尚未得到开发，具有极大的开发潜力，因此相关的THz通信技术被看作是第五代移动通信的关键技术之一[3]；但在实际通信应用场景中，大气衰减(尤其是水汽吸收)会影响太赫兹波的传播距离[4]，因此，太赫兹通信目前更多地被考虑用于较短距离的无线通信，其中一种典型的组网应用形式是无线个域网(Wireless Personal Area Network, WPAN)[5-6]。

太赫兹无线个域网(Terahertz Wireless Personal Area Network, THz-WPAN)是一种数据速率能够达到数十Gb/s且以THz波作为载波的自组织网络[7]。THz-WPAN是一种覆盖范围较小的集中式网络，通常由多个具有THz无线通信功能的节点构成。与传统无线个域网[8]最大的不同是，它可以为不断出现的新型应用业务提供超过10 Gb/s的数据传输保证。作为一种自组织网络，其应用范围比较广泛：在会议现场，可以手机、PAD以及笔记本等作为终端设备形成自组高速通信网络；在室内环境中，可以各家用电子产品进行物物相连而实现各家用器件间的高速通信网[7,9]。

目前，专门针对于THz-WPAN接入协议的研究成果很少。文献[10]针对纳米传感网介绍了一种基于物理层感知的THz网络接入方法。该接入方法的整个运行过程包括握手和数据传输两个阶段。该协议充分利用脉冲通信的优点，节点能够在任意时刻发送数据，并且利用低权重编码和重复编码的方式减少数据帧的碰撞概率，但是该接入协议也存在明显的弊端，即每次数据传输之前都要进行握手操作，浪费信道资源，降低了时隙资源利用率。文献[11]针对纳米传感网介绍了一种频谱感知接入协议。该纳米网络以集中式的方式来组织网络运行的，网络包含具有进行集中管理能力的协调器节点和普通网络节点。该协议提出的这种时分多址(Time Division Multiple Address, TDMA)+随机接入(Random Access, RA)的信道接入方式对于THz-WPAN接入协议具有重要的指导意义。

文献[12]指出THz-WPAN接入协议应该以IEEE 802.15.3c或者IEEE 802.11ad为基础，结合现有的数据帧聚合技术以及波束成型技术，在其上进行修改形成与用途模型匹配的THz-WPAN接入协议。文献[13]提出了一种适应于太赫兹无线网络的高吞吐量低时延MAC协议(High Throughput and Low Latency MAC protocol, HTLL-MAC)，以动态均衡思想为核心设计新接入机制，提高网络性能，同时动态更改重传竞争窗口，充分利用信道时间分配(Channel Time Allocation, CTA)剩余时隙资源，能够有效提高网络吞吐量、降低数据时延，可较好地应用于THz-WPAN中。

1 太赫兹无线个域网网络模型

现有讨论的THz-WPAN是一种集中控制式自组织网络，该网络允许各相互独立的节点间自由通信。如图1所示，该网络的基本组成单元是DEV(DEVice)，且在网络运行的过程中始终会有一个DEV作为网络协调器 (PicoNet Coordinator, PNC)存在。PNC会以定期广播beacon帧，向整个网络提供定时同步功能、时隙分配功能以及其他的网络控制功能[15]。可见，网络协调器PNC是整个网络的核心，对网络的正常运行起着无法替代的作用。

图1 THz-WPAN结构 Fig. 1 THz-WPAN structure

THz-WPAN将网络时间划分为一个一个的超帧(Superframe)结构，如图2所示，一个超帧又分为信标时段(Beacon Period, BP)、信道时间分配时段(Channel Time Allocation Period, CTAP)以及竞争接入时段(Contention Access Period, CAP)等3个时段[15]，而CTAP时段又可以包含有多个CTA时段。在BP时段，PNC通过集中控制的方式向整个网络广播包含定时、同步以及时隙分配等信息的beacon帧，收到beacon帧的DEV会从中提取相应信息；在CTAP时段，各源DEV会以TDMA的方式在PNC分配给自己的CTA中与目的DEV进行数据传输；在CAP时段，暂时没有入网的DEV会以竞争接入的方式入网，有时隙申请倾向的DEV会以竞争接入的方式向PNC申请时隙。

任何节点在刚加入现有微网之后，PNC都会对该节点进行检测以验证该节点是否在成为PNC上有比自己更高的优先级。如果通过验证新入网节点确实有更强能力成为新PNC，那么现有PNC会执行PNC切换流程，主动让出对于微网的控制权。同样地，当现有PNC因为某种原因打算离开微网时，现有PNC也会执行PNC切换流程，在现有网络中选出一个具有最高优先级的节点替换自己，成为新的网络协调器[7]。

图2 THz-WPAN超帧结构 Fig. 2 THz-WPAN superframe structure

2 问题描述

IEEE802.15.3系列[8,15]提出PNC切换机制；此外，HTLL-MAC协议主要以动态均衡思想为核心设计新介入机制，未对原有PNC切换机制提出改进。因此现有PNC切换机制有着基本数据传输存在冗余、PNC切换机制不完善以及时隙资源利用率较低等问题，不能更好地适用于具备高业务量需求环境的THz-WPAN中。

1)在PNC切换过程中，现有PNC会利用PNC切换评判准则选出某一指定DEV作为网络新的PNC。此时现有PNC会向指定DEV发送包含网络中所有节点基本信息的三大信息命令帧[15]：PNC信息命令帧(如图3所示)表明网络中所有节点的基本信息；PNC切换信息命令帧(如图4所示)表明当前尚未完全满足的时隙请求等信息；节能集合信息响应命令帧(如图5所示)表明网络中各DEV的节能模式等信息。对现有PNC来说，指定DEV是网络中可以成为PNC的普通节点，指定DEV在需要自己的有关信息时可以直接提取获得。而在现有PNC发送的PNC信息命令帧和节能集合信息响应命令帧中包含指定DEV的基本信息，这使得数据传输存在冗余。

图3 PNC信息命令帧 Fig. 3 PNC information command frame

图4 PNC切换信息命令帧 Fig. 4 PNC handover information command frame

图5 节能集合信息响应命令帧 Fig. 5 Energy saving collection information response command frame

2)在现有的PNC切换流程中，没有考虑以下两种情况下，指定DEV会拒绝切换请求[8]：①如果该指定DEV已经是某子网的PNC，虽然经过现有PNC的判断，该指定DEV有成为本网络新PNC的最高优先级，但一个节点不能成为多个网络的PNC，该指定DEV会拒绝PNC切换请求；②如果该指定DEV不能加入父微网，虽然收到PNC切换请求，但指定DEV仍会拒绝其切换请求。

3)在上一超帧的CAP时段，由于当前PNC已向指定DEV发送了PNC切换请求命令，故在当前超帧，现有PNC会占据整个CTAP时段向指定DEV发送三大信息命令帧，即现有的PNC切换操作可能会影响到其他节点正常的数据传输。虽然三大信息命令帧字节数较多，但从信道利用率的角度上看，三大信息命令帧的传输不会占用整个CTAP时段的长度。故如果把整个CTAP时段全部用于三大信息命令帧的传输，必然会导致较为严重的时隙资源浪费现象。

3 PCHEH-AP协议

针对上述问题，本文提出了一种基于PNC高效切换的太赫兹无线个域网接入协议 (Piconet Coordinator High Efficient Handover Access Protocol, PCHEH-AP)。PCHEH-AP从总体上规范了PNC切换流程，提高了信道利用率，减少了数据时延。

3.1 PCHEH-AP协议新机制

3.1.1 删除指定节点冗余信息

PNC信息命令帧包含网络中所有关联入网节点的基本信息，这些信息包括节点地址、节点ID、节点信息实体，以及表征节点是否具有PNC能力的Overall capabilities字段等，每个节点信息占有20个字节单位长度。节能集合信息响应命令帧结构包含了网络中所有DEV采用的节能模式等信息，每个节点可以占据高达39个字节单位长度。在PNC切换过程中，指定DEV基本信息的传送显得毫无意义，因为当指定DEV在需要这些信息时，可以直接获取。从整体上说，删除指定节点冗余信息新机制可以减少不必要的数据传输，缩短数据传输时延，提高信道利用率。

3.1.2 切换先确认

在如图6所示的原PNC切换流程中(PNC表示当前PNC，DEV-2代表当前PNC指定DEV，DEV-3表示网络中的其他DEV)，PNC假定指定DEV一定会接受PNC切换请求，故在没有得到指定节点是否可以成为新PNC的前提下，就向指定DEV发送了作为新PNC所需的三大信息命令帧。

图6 原PNC切换流程 Fig. 6 Original PNC handover process

在切换先确认新机制中，现有指定DEV在收到如图7 所示的PNC切换请求命令帧之后，会检测自身状态，并通过如图8所示的PNC切换响应命令帧来作出回应。在现有PNC收到PNC切换响应命令帧确认该指定DEV可以作为新PNC时才会向指定DEV发送三大信息命令帧。

图7 PNC切换请求命令帧 Fig. 7 PNC handover request command frame

图8 PNC切换响应命令帧

Fig. 8 PNC handover response command frame

切换先确认新机制操作如下：

步骤1 当现有PNC将要离开微网或网络中存在新入网节点时，PNC会查看各节点入网时PNC记录的Capabilities IE信息，结合表1所示的PNC切换优先级比较方法，依次比较各节点的PNC Des Mod位、SEC位以及PSRC位等选出最佳节点作为指定DEV。转步骤2。

表1 PNC切换字段优先级Tab. 1 PNC switching field priority

步骤2 PNC在CAP时段以CSMA/CA的接入方式向指定DEV发送PNC切换请求命令帧。转步骤3。

步骤3 指定DEV收到PNC切换请求命令帧之后，准备好PNC切换响应命令帧。若该指定DEV通过以往接收beacon帧确定当前网络为独立微网(指定DEV与PNC具有相同的唯一微网ID)，转步骤4；若检测到自身已经是子微网PNC(指定DEV存在作为PNC的标识符)，转步骤5；若检测到自身并不是子微网PNC但自身不可以加入父微网(指定DEV中所含微网ID与当前PNC的父微网ID不匹配)，转步骤6。

步骤4 设置PNC切换响应命令帧中的Reason Code字段为0x00，并以CSMA/CA的接入方式发送给当前PNC，表明已作好PNC切换准备。转步骤7。

步骤5 设置PNC切换响应命令帧中的Reason Code字段为0xff，表明该指定DEV已经是一个网络的PNC，并以CSMA/CA的接入方式发送给当前PNC，表明不能成功进行PNC切换操作。转步骤7。

步骤6 设置PNC切换响应命令帧中的Reason Code字段为0xfe，并以CSMA/CA的接入方式发送给当前PNC，表明该指定DEV不能加入父微网，不能进行PNC切换操作。转步骤7。

步骤7 PNC收到PNC切换响应命令帧之后，提取其中的Reason Code字段，如果其值为0x00，就在下一超帧的CTAP时段向指定DEV发送三大信息命令帧；否则，表明指定DEV不能成为新的PNC，结束PNC切换操作。

切换先确认新机制弥补了原有PNC切换机制的不足，使得整个PNC切换逻辑更加合理，不会出现当前指定DEV不能成为PNC而现有PNC已经将基本信息发送给指定DEV的情况。该机制在一定情况下，可以减少无效数据的传输，更加合理地利用时隙资源。

图9 新PNC切换流程 Fig. 9 New PNC handover process

3.1.3 PNC切换自适应时隙分配

一般情况下，一个网络所拥有的节点数是有限的，三大信息命令帧的传输不会占用完整个CTAP时段，会存在一定的剩余时隙。该机制可以在保证三大信息命令帧正确传输的前提下，将CTAP剩余时隙充分利用于各时隙请求，这样不仅可以满足部分节点的时隙请求，而且PNC切换信息命令帧的传输也会变得更加简化(已经成功分配时隙的时隙请求不必出现)。

设TCTAP为当前超帧可以提供的时隙总量，t3代表三大信息命令帧从当前PNC传输到指定DEV所需要的总时间，N代表当前超帧中PNC收到的时隙请求个数，其具体操作步骤如下。

步骤1 在采用PNC切换自适应时隙分配新机制之前，对各参数进行初始化。根据超帧设置情况得出当前超帧可以提供的时隙总量TCTAP；由时隙申请准则以及三大信息命令帧的总比特数，可以得出当前PNC为自己分配的时隙总数为t3；根据收到的时隙请求统计出总的时隙请求个数N；提取出各CTA之间的保护间隔Tguardtime。转步骤2。

步骤2 原PNC对所有接收到的时隙请求按照从小到大的顺序排序，N个时隙请求大小分别为:l1,l2, …,li,…,lN，其中li代表排序后第i个时隙请求的时隙请求量，Li代表前i个时隙请求量的总和，即Li=l1+l2+…+li；且令i=0，L0=0。转步骤3。

步骤3 判断t3+Li+i*Tguardtime与TCTAP的大小关系，其中t3除去了冗余信息传输所占时间以及前i个时隙请求在PNC切换信息命令帧中所占字节数传输所占用时间。如果t3+Li+i*Tguardtime

步骤4i++，并利用时隙申请准则及时更新t3。转步骤3。

步骤5 原PNC把剩余的未满足的N-(i-1)个时隙量(只有时隙量更小的i-1个时隙请求得到了满足)更大的时隙请求相关信息装入PNC切换信息命令帧中，作好信息传输准备。转步骤6。

步骤6 在当前超帧，只为i-1个时隙请求分配了时隙。故在接下来的BP时段，PNC会利用广播beacon帧的方式通告前面的时隙分配结果。转步骤7。

步骤7 在CTAP时段，各节点以TDMA的方式接入信道，故PNC首先分配时隙完成三大信息命令帧的传输操作，然后将剩余时隙用于前i-1个时隙请求进行数据传输。

PNC切换自适应时隙分配新机制保证了在进行PNC切换操作的条件下网络的正常运行，使PNC切换操作尽量不影响网络中其他节点操作行为。该机制通过利用原本不会利用的时隙极大地减少了时隙资源的浪费，减少了数据平均时延。

3.2 PCHEH-AP协议操作流程

上述已经对PCHEH-AP协议中使用到的新机制作了详细介绍，下面就PCHEH-AP协议的整个操作流程展开详细叙述。

为了方便理解PCHEH-AP协议的整个操作流程，可以假设网络当前处于一种稳定的状态。假设当前网络包含许多节点，现有PNC经过一系列的优先级比较之后，得知节点A具有成为PNC的最高优先级。

步骤1 如图2所示，新超帧结构从BP时段开始。在BP时段，现有PNC会通过beacon帧来广播网络的时隙分配信息、同步信息以及超帧定界信息等。转步骤2。

步骤2 在CTAP时段，各节点会以TDMA的接入方式，依照beacon帧中时隙分配的结果接入信道，进行高速数据传输。转步骤3。

步骤3 在接下来的CAP时段，有操作行为的DEV开始发送各种请求命令帧。例如有数据发送需求的节点开始向PNC发送时隙请求命令帧，存在PNC切换倾向的PNC在选定了指定DEV(节点A)之后开始向节点A发送PNC切换请求命令帧等。在此CAP时段，各节点均以CSMA/CA的方式接入信道，故当节点发送的各种命令帧发生碰撞时都会执行回退操作。转步骤4。

步骤4 PNC收到时隙请求命令帧之后，按照时隙请求量从小到大的顺序对各时隙请求进行排序；节点A收到PNC发送的PNC切换请求命令帧之后，利用切换先确认机制对PNC作出回应。转步骤5。

步骤5 PNC收到节点A发送的PNC切换响应命令帧之后，提取其中的Reason Code字段。如果其值为0x00，转步骤6；否则，转步骤7。

步骤6 利用PNC切换自适应时隙分配机制，对下一超帧的CTAP时段时隙资源进行分配，计算出可以分配时隙的时隙请求量(保证三大信息命令帧的传输在数据传输之前)，并结合删除指定节点冗余信息机制准备好三大信息命令帧。转步骤8。

步骤7 放弃PNC切换操作，直接利用现有的时隙分配机制对下一超帧的CTAP时段时隙资源进行划分，得出划分结论。转步骤8。

步骤8 依次进入下一超帧的BP时段，此时利用CTA IE对时隙分配结果进行广播，使已关联入网节点均可以获取时隙分配信息。转步骤9。

步骤9 依次进入下一超帧的CTAP时段，此时按照CTA IE中时隙资源的划分方式对时隙资源进行利用，即：如果PNC切换流程仍在继续，则首先PNC会向节点A发送事先准备好的三大信息命令帧，然后才是各节点的数据传递；而如果已经放弃了PNC切换操作，此时整个CTAP时段均会用于节点间的数据传递。转步骤10。

步骤10 PNC全网广播自己作为PNC的最后一个beacon帧。该beacon帧中包含有PNC Handover IE，通过该beacon帧，网络中的其他节点就会知道网络中已经完成了PNC切换，新PNC的ID等信息也可以从中获取。这样整个PNC切换流程已经完成，下一个超帧结构以新PNC(节点A)全网广播beacon开始。

4 仿真分析

本文采用OPNET Modeler 14.5仿真工具分别对PCHEH-AP协议、HTLL-MAC协议以及IEEE 802.15.3c进行仿真验证，主要考察各协议在不同节点数的网络场景下的性能指标。

4.1 仿真参数设置

仿真中以节点数来区分不同的网络场景，即依据节点数分别为4、7、10、13、16、19设置6类网络场景。具体参数设置如表2所示。

表2 主要仿真参数Tab. 2 Main simulation parameters

4.2 仿真结果及分析

4.2.1 MAC层吞吐量

MAC层吞吐量是在单位时间内，所有节点在MAC层正确接收到数据并向上层传输的总比特数。由图10可知，从总体上看，MAC层吞吐量会随着节点数的增加而增加，而当节点数增加到一定程度时MAC层吞吐量会保持不变(此时随着节点数的增加，协议所支持的业务量已达到上限)。PCHEH-AP较另两种协议具有较高网络吞吐量的主要原因是：1)切换先确认机制保证PNC在切换时不会出现浪费信道资源而没有切换成功的情况，原本被浪费的信道资源可以用于数据传输；2)PNC切换自适应时隙分配新机制保证在PNC切换过程中，当前其他节点的数据传输不会被影响，吞吐量得到相应提高。

4.2.2 数据平均时延

数据平均时延是指数据帧从产生到目的节点成功接收的平均耗时，其仿真结果如图11所示。由图可知，数据平均时延随着节点数的增加而增加，但从整体上看，PCHEH-AP较另两种协议的数据平均时延有所下降。其主要原因是：1)删除指定节点冗余信息机制使得PNC减少了冗余信息的传输，有效数据传输增加，数据传输平均时延相应减小；2)切换先确认机制使PNC不会占用信道资源进行无效数据传输，在确定可以成功进行PNC切换之后才进行有效数据传输；3)PNC切换自适应时隙分配机制使得整个CTAP时段不仅可以用于PNC切换操作，也可以用于安排其他节点进行数据传输操作，同样可以减少平均数据时延。

图10 MAC层吞吐量 Fig. 10 MAC layer throughput

图11 数据平均时延 Fig. 11 Average delay of data

4.2.3 信道利用率

信道利用率是指节点占用信道进行有效数据帧传输所用时间占网络运行总时间的比值，其仿真结果如图12所示。由图可知，信道利用率随节点数的增加而增加，但增加到一定程度时会保持不变。PCHEH-AP协议信道利用率稍高的主要原因为PNC切换自适应时隙分配新机制会使当前的CTAP时段不仅用于PNC切换，也会用于其他节点的数据传输操作，也就是PNC切换并不干扰其他节点进行数据传输的过程，这样可以相应地提升信道利用率。

图12 信道利用率 Fig. 12 Channel utilization

4.2.4 发送缓存数据量

发送缓存数据量是指在节点发送缓冲区中的平均数据量，其仿真结果如图13所示。由图可知，发送缓存数据量比原有接入协议稍低。其主要原因是：1)删除指定节点冗余信息机制减少了不必要的冗余信息的传输，加快了其他缓存数据的传输；2)切换先确认机制使PNC在进行切换之前就选准了可以进行PNC切换操作的节点，避免了因节点选择失误而导致的时隙浪费，从而加快了缓存中数据传输；3)PNC切换自适应时隙分配新机制使整个CTAP时段不会完全用于PNC切换操作，在当前超帧完成PNC切换操作之后接着进行数据传输操作，加快了缓存中数据传输。

图13 发送缓存数据量 Fig. 13 Data of buffer

5 结语

本文针对PNC切换过程中存在的传输冗余信息、整体的PNC 切换机制不是很完善以及较为明显的时隙资源浪费等问题提出了一种专门针对于高业务量需求环境的基于PNC高效切换的太赫兹无线个域网接入协议——PCHEH-AP，提出删除指定节点冗余信息、切换先确认以及PNC切换自适应时隙分配三种新机制。对该接入协议相比其他接入协议进行了仿真验证和比较，仿真结果表明该接入协议减少了数据时延，增加了信道利用率，从而提高了网络吞吐量。在未来的研究中，将以PCHEH-AP协议为基础，研究PNC切换操作对太赫兹无线个域网的影响。

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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.