1、小 型 微 型 计 算 机 系 统 ：年 月 第 期 收稿日期：收修改稿日期：基金项目：国家自然科学基金面上项目（）资助 作者简介：任 智，男，年生，博士，教授，研究方向为宽带无线通信网络理论与技术；刘奕君（通讯作者），男，年生，硕士研究生，研究方向为太赫兹定向 协议；李维政，男，年生，硕士研究生，研究方向为太赫兹 协议；周佳琦，男，年生，硕士研究生，研究方向为软件定义无人机自组网高效高带宽利用率的太赫兹无线网络定向 协议任 智，刘奕君，李维政，周佳琦（重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆）：摘 要：现有太赫兹无线定向网络中，随着网络规模的扩大，用于节点接入网络的 帧长度不断变长，导致过多的
2、控制开销；同时，由于定向天线的使用，中心控制节点需要在全方向各个扇区发送多个 帧，随着扇区数目的增加，时段的长度和在整个超帧中的占比也会随着增加，由于超帧的长度是固定的，时段过长的时隙占用会导致更少的时隙用于传输数据，浪费信道资源 针对上述问题，本文提出一种高效高带宽利用率的太赫兹无线网络定向 协议 本协议采用基于常短帧精简 帧机制减少了 帧的长度，采用基于常短时隙压缩基本时隙机制压缩基本时隙的长度，减少了 时段的时隙占用，从而极大地降低了控制开销，提高了信道利用率关 键 词：太赫兹网络；定向通信；协议；控制开销；时隙压缩中图分类号：文献标识码：文 章 编 号：（），（，）：，：；引 言随着无
3、线数据流量的爆炸式增长，现有的无线通信技术已经逐渐达到瓶颈，未来的全息通信、无人驾驶等都需要更高的传输速率以及更低的时延来支持 太赫兹频段具有丰富的频谱资源，可以在频谱效率较低的情况下实现较高速率的无线数据传输 太赫兹（，）通信技术采用太赫兹波作为载波，是未来移动通信的主导方向之一太赫兹信号容易被大气中的极性分子吸收，从而形成严重的大气衰减，因此 频段主要适用于短距离无线通信现有的太赫兹网络定向接入控制主要是以 和 作为参考，在 中，定向 时段需要微网控制节点（，）在全方向各个扇区连续发送扇区数量个 帧，以便让所有节点（，）都能在一个超帧时间内收到，这个过程耗费时间过长，导致信道利用率低，并且
4、随着扇区以及节点数量的增加，帧中的信息不断增加，导致定向 时段控制开销过大以及占用时隙过多 针对控制开销问题，文献中提出一种“自适应 帧”机制，通过在上一超帧的竞争接入时期（，）确定 在扇区内的分布情况，当 向一个扇区内发送 帧时，帧的时隙信息分配字段放入该扇区内 参与的时隙信息 该方法虽然可以在一定程度上降低控制开销，但总体上降低比例不大，时段控制开销仍然很多 针对信道利用率低的问题，文献中提出了“机会性复用定向 时段”机制，该机制通过收到关联请求帧的信号强度来判断 与 之间的相对距离，将源和目标 在同一个扇区并且距离 位置较远的通信安排在 时段，达到提高信道利用率的目的本文针对现有的太赫兹
5、无线网络定向 时段中控制开销过大以及占用时间过长的问题，提出一种高效高带宽利用率的太赫兹无线网络定向 协议，减少了控制开销，同时降低了 时段的时隙占用，提高了信道利用率 网络模型和问题描述 网络模型如图 所示，太赫兹无线网络是由多个 和一个 组成的网络 网络中的任意两个 之间可以进行通信，主要负责整个网络的同步以及信道资源管理图 网络拓扑模型 太赫兹无线网络采用与 相同的超帧结构，如图 所示 每一个超帧都分为 个时期：信标时期（）、竞争接入时期（）、信道时期分配时期（，）其中，时段用于节点接入网络，时段用于 向 发送时隙申请，时段用于分配了信道资源的 在分配的信道资源（，）中完成数据传输图 超
6、帧结构 问题描述通过深入研究发现，现有太赫兹无线网络的定向 时段在控制开销以及信道利用率方面还存在如下问题：在太赫兹定向网络中，帧用于网络中的 进行同步、获取全网节点信息以及时隙分配信息，因此必须保证在每一个超帧中，所有 都要收到 发出的 帧 但是由于定向天线的使用，每一个节点的波束方向是随机不确定的，因此为了确保全网所有节点都能收到 发出的 帧，在每一个超帧的 时段都会在每一个扇区方向连续发送扇区数量个 帧，则不断进行波束扫描，并且 在波束扫描过程中有一次与 波束对齐的机会随着网络规模的扩大和扇区数目的增加，帧的长度也会增加，时段的长度和在整个超帧中的占比也会随着增加，这样会导致越来越多的控
7、制开销 如何在不影响 接入效果的前提下，减少 时段的控制开销和时隙占用，提高太赫兹无线网络定向接入协议的运行效率和带宽资源利用率，是一个待解决的问题 针对以上问题，本文提出了一种高效高带宽利用率的太赫兹无线网络定向 协议，该协议分为“基于常短帧精简 帧”机制以及“基于常短时隙压缩基本时隙”机制 通过这两种机制，减少了 时段的控制开销，降低了 时段的时隙占用，让更多的时隙可以用于数据传输，提高了太赫兹无线网络的运行效率和带宽资源利用率 基于常短帧精简 帧机制针对 中的控制开销过大问题，提出了基于常短帧精简 帧机制，该机制的主要思路是在 时段，将 帧由以前的 种帧类型，增加到 种帧类型，不同帧类型
8、用帧长度进行区分，未进行删减的 帧称为常规 帧，删减了部分字段的 帧称为短 帧，在不影响 时段效果（指 在 时段都能收到 发出的同步、时隙分配等信息）的前提下，在每一个扇区方向先发送短 帧用于 与 之间的波束对准，发送最后一个 帧时才使用常规 帧常规 帧的帧结构如图 所示，其中 字段包含关联 信息以及时隙分配信息，不同的 具体帧格式也各不相同图 常规 帧结构 字段用于指明当前 帧是短 帧还是完整的常规 帧；字段表示在该帧是在当前扇区发送的第几个 帧，用于接收节点计算接收天线在某一个方向的停留时间，如果停留时间过了以后还没收到常规 帧，则继续旋转到其他扇区对于 来说，在每一个超帧的 时段，只有一
9、次与 波束对准的机会，在没有对准前，发送的 帧均无法被 正确接收，因此可以先使用较短的短 帧用于 与 之间的波束对齐，对齐之后，再发送完整的 帧，用于 获取相关时隙分配信息，并且完成与 之间的同步 期 任 智 等：高效高带宽利用率的太赫兹无线网络定向 协议 精简后的短 帧的帧结构如图 所示图 短 帧结构 在传统方法中，在每一个扇区方向，会连续发送（为扇区数量）个常规 帧，而基于常短帧精简 帧机制的不同之处在于，在每一个扇区发送前 个帧时使用短 帧，发送第 个帧时才使用常规 帧 这样 与 之间未对准波束时，使用短 帧用于与 之间对准波束，对准之后 才发送常规 帧，从而极大程度的降低了控制开销基于
10、常短帧精简 帧机制具体操作步骤如下：）基本操作：在每一个扇区发送 帧时，首先判断当前发送的 帧是本扇区中发送的第几个帧（即帧序号），如果发送的 帧的帧序号小于扇区数量，则组装短 帧发送出去；如果发送的 帧的帧序号等于扇区数量，则组装常规 帧发送出去）基本操作：节点在 时段旋转天线方向尝试接收来自 的 帧，当在某一个方向上收到来自 的 帧后，则停止转动波束方向 判断收到的 帧的帧类型，如果收到短 帧，则停止波束扫描，并且根据收到的短 帧的帧序号算出需要等待的时间（此等待时间如公式（）所示），经过该等待时间后，继续旋转扫描接收；如果在该等待时间内，收到常规 帧，则提取其中的时隙分配信息、同步信息等
11、，并且将天线方向固定在当前扇区，等待 时段到后再向 发送入网请求或者时隙请求在使用了精简后的常短 帧后，在 时段旋转过程中首先收到的既可能是常规 帧，也可能是短 帧，但无论 先收到的是常规 帧还是短 帧，都不会影响网络的其他功能 在先收到常规 帧的情况下，由于常规 帧中包含了全网关联 信息、时隙分配信息以及同步信息，因此 可以立即完成与 之间的同步，并且获取自己需要的信息，与使用该机制之前的操作一致，使用新机制后不会产生负面影响；当 在 时段先收到的是短 帧时，由于短 帧中只含有帧类型、序列号以及同步信息，与常规 帧相比减少了全网关联 信息以及时隙分配信息，虽然此时 获取的信息不全，但是在新机
12、制中，收到短 帧后就不再旋转天线，由于 在一个方向上发生连续多个短 帧之后最后一定接着一个常规 帧，因此收到短 帧的 在该方向上一定能收到来自 的一个常规 帧，这样 也能从最后收到的常规 帧中获得完整的信息，因此使用新机制后 仍能正常获取 发送的信息，不会对网络的其他功能造成影响 基于常短时隙压缩基本时隙机制针对 中 时段占用超帧比例过大的问题，提出基于常短时隙压缩基本时隙机制 该机制的主要思路是：在超帧的 时段，为了节约时间开销，将原来的一种基本时隙，增加为两种；两种基本时隙通过长度来区分，新类型基本时隙的长度比原基本时隙的长度更短，为此，将原基本时隙称为“常规基本时隙”，新类型基本时隙称为
13、“短基本时隙”通过大量使用较短的短基本时隙，少使用较长的常规基本时隙，达到降低 时段占用超帧比例的目的由于一个常规基本时隙由传输时延、处理时延、保护时隙 个部分组成，为了将原基本时隙压缩为更短的短基本时隙，必须要压缩传输时延、处理时延以及保护时隙中的某一个 考虑到处理时延以及保护时隙压缩后可能影响网络的正常运行，并且使用短 帧后，可以将短 帧在更短的时间内发送出去，因此选择压缩传输时延）计算短基本时隙的算法如下：一个短 帧的总比特数 为 （其中 占用 字节，占用 字节，同步信息占用 字节），一个常规 帧的总比特数为与全网 数目有关，设发信机的发送速率为，全网的最大节点数目为，一个 信息占用 字
14、节，一个时隙分配信息占用 字节，头部占用 字节 则一个最大常规 帧的总比特数计算如式（）所示：（）（）即：（）设处理时延为，保护时隙为，常规基本时隙为，则常规基本时隙计算如式（）所示：（）短 帧节约的比特数如式（）所示：（）因此，短基本时隙计算如式（）所示：（）短基本时隙和常规基本时隙的差值计算如式（）所示：（）每个扇区节约的扫描时间由于 在每个扇区发送 个短 帧和 个常规 帧，常规 帧最后发，因此 消耗 个短基本时隙和 个常规基本时隙 则使用常短时隙 在每个扇区消耗的时间如式（）所示：（）（）在不使用短基本时隙时，在每个扇区发送 个常规 帧，消耗 个常规基本时隙，因此不使用短基本时隙时 在每
15、个扇区消耗的时间如式（）所示：（）（）因此，使用短基本时隙后，在每一个扇区节省的时间如式（）所示：小 型 微 型 计 算 机 系 统 年 （）（）扇区扫描节约的总时间计算如式（）所示：（）（）非 节点收到短 帧后，会根据短 帧的帧序号 计算在当前扇区剩余扫描等待时间，扫描等待时间计算如式（）所示：（）（）（）（）基于常短时隙压缩基本时隙机制具体操作步骤如下：）基本操作：在发送 帧时，判断当前发送的 帧是本扇区中发送的第几个帧（即帧序号），如果当前发送的 帧的帧序号小于扇区数量，则 每经过一个短基本时隙发送下一个 帧，并且每发送一个 帧，帧序号就加一；如果当前发送的 帧的帧序号等于扇区数量，则
16、经过一个常规基本时隙后，将天线方向转向下一个扇区，重新发送 帧，并且将帧序号置）基本操作：在 时段，的操作与“基于常短帧精简 帧”机制中 的操作一致“基于常短时隙压缩基本时隙”机制的使用依赖于常短 帧，由于短 帧的帧长相较于常规 帧大大减少，从而 在发送短 帧时，发送时延也随之减少，如果仍采用旧的常规基本时隙，会造成时隙的浪费 在新的时隙压缩机制中，为了确保使用短基本时隙后不会对网络的其他部分功能造成影响，新的短基本时隙仅仅对传输时延进行了压缩，对处理时延以及保护时延未做任何改动，压缩后的短基本时隙足够发送短 帧，因此在使用常短时隙机制后，短基本时隙和常规基本时隙都不会影响 帧的正常发送 性能分析定理 与基于 的太赫兹 协议相比，的接入控制开销更小证明：假设网络中的节点数量为 个，扇区数量为 个在 中，在每个扇区发送 个短 帧和 个常规 帧，而在 标准中，在每个扇区发送 个常规 帧，因此 节约的控制开销为：（）（）（）由于扇区数量 以及节点数量 的取值不为，可得：（）由公式（）可知，的接入控制开销更小，证毕定理 与基于 的太赫兹 协议相比，采用 的网络吞吐量更高证明：由 节可知，在 中
