新太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)媒體訪問控制協(xié)議

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1、新太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)媒體訪問控制協(xié)議　　摘要：針對(duì)現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)媒體訪問控制（MAC）協(xié)議難以在太赫茲（THz）載頻條件下實(shí)現(xiàn)10Gbps級(jí)別超高速無線接入的問題，提出一種新的太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議——MACT。MACT設(shè)計(jì)了新的時(shí)分多路訪問（TDMA）+載波偵聽多路訪問（CSMA）自適應(yīng)混合MAC接入機(jī)制和一種新的超幀結(jié)構(gòu)，并定義了對(duì)應(yīng)于太赫茲通信的關(guān)鍵參數(shù)，從而使最大數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到10Gbps以上。理論分析和仿真結(jié)果表明：MACT協(xié)議能夠在太赫茲無線網(wǎng)絡(luò)中正常運(yùn)行，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到了18.3Gbps，是IEE

2、E802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)定義的最大速率5.78Gbps的2.16倍，數(shù)據(jù)幀的平均接入時(shí)延約為0.0044s，性能相對(duì)于IEEE802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)提高了42.1%，從而在MAC協(xié)議方面為太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的研究和應(yīng)用提供了有力支撐。關(guān)鍵詞：太赫茲；無線網(wǎng)絡(luò)；媒體訪問控制協(xié)議；超高速；超幀0引言12當(dāng)前無線通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)逐漸擴(kuò)展到人們工作和生活當(dāng)中。隨著無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的逐步深入和規(guī)模的日益擴(kuò)大，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)高數(shù)據(jù)傳輸速率的需求變得越來越顯著。目前，多媒體視頻文件下載、海量數(shù)據(jù)傳輸對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率有著很高

3、的要求，而在研究和已投入應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)，如無線個(gè)域網(wǎng)（WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN）、無線局域網(wǎng)（WirelessLocalAreaNetwork，WLAN）和無線城域網(wǎng)（WirelessMetropolitanAreaNetworkWMAN）等，均難以支持Gbps以上的數(shù)據(jù)傳輸速率；因此，人們正在付出更多努力研發(fā)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以滿足這些需要。在此背景下，太赫茲（terahertz，THz）超高速無線網(wǎng)絡(luò)[1]逐漸引起人們的關(guān)注。太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)是一種不同于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的新型無線網(wǎng)絡(luò)

4、，它工作在太赫茲頻段而且可支持10Gbps以上的數(shù)據(jù)傳輸速率。太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行離不開媒體訪問控制（MediumAccessControl，MAC）協(xié)議的支持，而目前關(guān)于太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議方面的研究尚不多見，這對(duì)太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的研究和應(yīng)用帶來了不利影響。由于IEEE802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)[2-3]定義的高速無線通信技術(shù)在載波頻率（60GHz）和數(shù)據(jù)傳輸速率（5.78Gbps）方面已經(jīng)接近太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)，因此本文以它為借鑒，通過設(shè)計(jì)新的接入控制機(jī)制、定義新的超幀（superframe）結(jié)構(gòu)

5、和關(guān)鍵參數(shù)，提出了一種適用于太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的新MAC協(xié)議——MACT（MediumAccessControlforTHz），使最大數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到了10Gbps以上。121太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)1.1太赫茲波太赫茲波[4-5]是一種位于毫米波和紅外光波之間的電磁波，波長在0.03mm～3mm，頻率范圍為0.14THz～10THz，如圖1所示。太赫茲波處于宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過渡區(qū)，是最后一個(gè)人類尚未完全認(rèn)知和利用的頻段。雖然太赫茲波在空氣中傳播時(shí)會(huì)有一定衰減[6]，但它能夠提供較大的帶寬和較高的傳輸容量，因此在

6、短距離超高速無線通信方面有巨大的應(yīng)用潛力，尤其在室內(nèi)短距無線通信方面較有前途。目前，世界上已有包括我國在內(nèi)的多個(gè)國家在研究太赫茲通信技術(shù)，我國的太赫茲通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)10Gbps以上的數(shù)據(jù)傳輸速率。1.2太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)是使用太赫茲頻段無線載波進(jìn)行通信、數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)Gbps級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)。目前受人們關(guān)注的太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)主要以包含多個(gè)節(jié)點(diǎn)（稱為Device，DEV）的個(gè)域網(wǎng)（PersonalAreaNetwork，PAN）的形式出現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可為靜態(tài)或動(dòng)態(tài)，通信范圍通常約為10m；網(wǎng)絡(luò)含有一

7、個(gè)中心控制節(jié)點(diǎn)——微微網(wǎng)協(xié)調(diào)器（Piconet12Coordinator，PNC）[7]，由一個(gè)DEV充當(dāng)，通過廣播信標(biāo)幀（beacon）提供基本的定時(shí)機(jī)制和信道接入控制信息；網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可以直接通信，最大數(shù)據(jù)（data）傳輸速率可達(dá)10Gbps以上；網(wǎng)絡(luò)組成如圖2所示。1.3太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)MAC協(xié)議的要求為使太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行且在MAC層的最大數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到Gbps級(jí)別，其MAC協(xié)議應(yīng)滿足以下要求：1）適合太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)是有中心控制節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，所以其MAC協(xié)議應(yīng)適

8、用于這種集中控制的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。2）支持10Gbps以上的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的最大數(shù)據(jù)傳輸速率在10Gbps以上，MAC協(xié)議必須支持該級(jí)別的通信。3）保障信道資源分配的公平性。各個(gè)節(jié)點(diǎn)成功接入網(wǎng)絡(luò)的概率應(yīng)相等。4）應(yīng)有較高的接入概率。接入概率反映了網(wǎng)絡(luò)對(duì)于試圖接入信道的業(yè)務(wù)流的接納能力。