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基于太赫兹无线网络的高速MAC协议研究与实现

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2017年第1期信息通信2017 (总第169 期）INFORMATION & COMMUNICATIONS (Sum. N o 169)基于太赫兹无线网络的高速MAC协议研究与实现李桂林，陈炼，赵亚楠，部明芮,李光彬(重庆邮电大学移动通信技术重庆市重点实验室，重庆400065;中物院八所，四川成都610000)摘要：为解决现有无线网络的M AC协议无法匹配太赫兹无线网络物理层(PHY)的问题，提出了一种新的太赫兹无线网 络M AC协议，并对该协议加以实现验证。

该协议通过新的超帧结构，减少了数据发送的等待时间，加快了端到端数据 的传输,从而获得更高的网络端到端呑吐量。

通过实现结果表明，在带宽为3.125 G bps下，采用新协议可以实现均值约2.78 Gbps的端到端呑吐量；同时，在端到端平均时延的性能上也有较大提升。

该协议的实现为将来太赫兹无线网络MAC协议的进一步研究提供了有力的支持。

关键词：太赫兹;M AC协议;呑吐量;平均时延中图分类号:TN92 文献标识码:A文章编号：1673-1131(2017)01-0222-03Research and implementation of H igh-Speed MAC Protocol based on Terahertz wireless networkLi Guilin,Chen L ian,Zhao Yanan(l.Chongiqng Key Lab o f Mobile Communications Technology,Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing400065, China;2.China Academy of Engineering Physics Eighth,Chengdu610000) Abstract:In order to solve the problem that the MAC protocol of existing wireless networks can’t match the physical layer (PHY)of t he terahertz wireless network，a new terahertz wireless network MAC protocol is proposed and verified.Through the new super frame structure,the protocol reduces the waiting time o f data transmission,speeds up the transmission o f end-to-end data,and achieves higher network end-to-end throughput.The implementation results show that the new protocol can achieve an end-to-end tooughput o f2.67 Gbps at a bandwidth o f3.125 Gbps，and the end-to-end average delay performance is impro-ved.The implementation of this protocol provides powerful support for future research of MAC protocols in terahertz wireless networks.Key words:Terahertz；MAC protocol；throughput；average delay.随着无线通信和计算机网络技术迅速发展，无线网络早 已深入到人们工作和生活当中。

最近几年，人们产生、分享、消费信息的方式发生了巨大的变化，新兴的应用不断出现，一方面导致了无线数据流量的急剧增加，另一方面也促使了 人们在任何时间、任何地点进行更高速率无线通信的需求日 益增长，一些颇具前景的应用甚至要求无线数据速率达到数 10Gbit/S[1],但几乎没有支持lO G bps以上数据传输速率的网 络实施方案。

为了满足人们日益增长的对更高速率无线通 信的需求，利用太赫兹频段[2]进行通信是首要选择。

太赫兹 波的频段较宽，且大部分尚未被分配使用，能够承载Gbps 的数据量，具有广泛的应用前景;利用太赫兹频带进行通信 能够有效缓解日益紧张的频谱资源和当前无线系统的容量 限制气为适应太赫兹无线网络超高速的特点，需要适应高速数 据传输的 MAC协议。

现有的 IEEE 802.15.3c/IEEE 802.11ad MAC w协议能够适用于太赫兹无线网络，但802.11a d相较 802.15.3c具有更大的开销，且太赫兹无线网络是一种无线自 组织网络，所以太赫兹兴趣小组建议太赫兹无线网络采用 IEEE 802.15.3c M AC协议作为基准，在其上进行修订以形成 新的M AC协议。

本文将对IEEE802.15.3c进行改进,并利用 FPG A的高速并行特点来对其进行实现。

1新太赫兹MAC层概述在现有的IEEE802.15.3c协议的基础上,改进的M AC协 议设计了一种新的超帧结构，它包含三个具有先后顺序的时 段，gfl:Beacon时段、CTAP时段和CAP/SAP时段[5]，如下图所 示-相比较之前含Beacon时段、C A P时段和CTAP时段的超帧结构，新的超帧结构更加合理：节点如果有数据需要发送，就在当前超帧的CAP/S A P时期发送时隙请求帧；在下一个超巾贞中，节点能够在Beacon时段获得取时隙分 配信息后立即进入CT A P时期发送数据，从而避免了 C A P时 期造成的数据等待，明显减小了数据时延。

当网络中只有一个P N C[M]和一个D E V时，D E V发送时 隙申请无需竞争信道，我们提出了一种改进的用自适应SAP (S l o t Applica tion Period)^"山时段代替C A P时段的机制，合理 地考虑了 P N C自身数据发送需求该自适应机制的主要思路 为：P N C通过接收D E V的时隙分配申请来对D E V的数量进 行周期性的检测;当P N C发现只有一个D E V时，则将原来的 C A P时段替换成了时长更小、使用T O M A方式的S A P时段，S A P时段仅供D E V发送包含D E V需要的时隙请求量的时隙 申请侦；这样既不会影响接入效果，又能缩短控制时段，同时 P N C也能自适应地给自身分配时隙，使更多的时隙资源投入 CTAP用于数据传输,有利于提高吞吐量。

2系统实现2.1系统设计框图本方案模块化设计结构，将M A C协议按照功能分为发送 缓存、帧生成模块、帧解析模块、控制模块和收发模块。

发送 缓存主要用来存储将要通过M A C协议发送的数据，帧生成模 块的主要作用是在控制模块的控制下，生成各种帧数据，最后 将帧数据通过发送模块发送出去。

同理，帧解析模块在控制 模块的控制下，将接收模块里的数据进行帧解析并进行校验, 如果数据正确则将数据送到网络层，而控制模块会发送相应 的 A C K。

222图1系统设计框图2.2各个模块介绍Tx_Buffer模块：时^同步是数据传输的基础。

该模块主要为其它模块提供相应的时钟以及同步信号：超帧结束、CAP开始与结束、发送与接收开始与结束，为正确的接收数据提供准确的时序。

Beacon顿生成模块：每一个微网@13]中，有且仅有一个PNC节点，该节点需要在Beacon时段向该微网中的所有节点广播Beacon帧，用来说明控制以及时隙分配消息。

CAP帧生成模块：一个微网中的所有节点共享信道资源，如果没有统一协调的分配，会发生数据冲突，导致数据发送失败，甚至网络瘫痪，信道申请模块就是申请与统一分配信道资源。

CTAP帧生成模块：通过读取发送缓存中的数据，根据数据大小计算TU长度及总个数，经过加帧头子帧头等一系列处理后得到完整的数据帧。

Beacon解析模块，CAP解析模块，CTAP解析模块，对应各个帧生成模块，对相应的帧数据进行解析。

Tx模块：将帧生成模块中的各个帧数据在超帧的不同时期下发送出去。

Rx模块：接收信道数据，经过去帧头，分析子帧头等一系列处理得知数据类型以及数据单元大小，接收数据帧中的有效数据；组网模块：一个节点如果要进行数据传输，就必须加入一个己有的微网或组建一个微网，在这里PNC节点还有路由器的功能，需要为新加入的节点分配一个ID1141、并存储该微网中所有节点的ID。

在节点组网过程中，需要多次握手。

time模块：根据Beacon模块解析信道信息，计算出各个时隙相应的起始或结束时间，用来进行时隙的同步。

立即帧模块：当R x接收到数据并进行CRC校验得到正确的数据后，则需要发送立即确认帧进行ACK回复。

2.3协议验证利用FPGA【_高速并行的特点，协议验证在KC705开发板上进行，PC机上的测试软件将数据通过PCIE接口将数据发送到开发板上，MAC协议对数据进行收发，并得到数据的吞吐量。

其软硬件结构如图4所示，测试得到的平均吞吐量为 2_78Gps。

图2硬件测U平合欢迎»用»丨试平台玫迎使用测试平含焚送开始时网：Ous禅改开始时间；〇ys玟送结來时间：2A74125W播收结柬时W: 28741 Wut贫送文件大小： a.OOCbics接^文件大小：8.00 Gbcs贫送平均il率： 2.703456 Gbps友憑遇出中止換坎平均速率： 2 7«34S& Gbpsi m迅次中止图3测试软件5t k+^T得的速虎时间（s)戣据大小(G b it)速度(G b it/s)2. 8750818 2. 782532. 8757268 2. 7819062-8748078 2. 7827962. 874678 2. 7829282. 87446882- 7831242. 87528 2. 7824152. 8754528 2. 7821712. 8740782- 7835092. 8754188 2. 7822042. 8745698 2. 7830262. 87494618 2. 7826609图4吞吐里统计3结语本文针对太赫兹无线网络髙速率的特点，通过对相关MAC协议的研究，提出了一种改进的髙速MAC协议，并利用FPGA高速并行的特点，在KC705硬件平台上进行相应协议的验证。

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无线传感网MAC协议研究--金巍

无线传感网MAC协议研究--金巍


2. 无线传感器网络MAC协议 无线传感器网络MAC协议
目前对于无线传感网本身的研究热点集中在3 目前对于无线传感网本身的研究热点集中在3个方面的关键 技术上：网络通信协议、网络管理协议和网络支撑技术。在通信 技术上：网络通信协议、网络管理协议和网络支撑技术。在通信 协议上，研究的重点是数据链路层MAC协议和网络层路由协议； 协议上，研究的重点是数据链路层MAC协议和网络层路由协议； 在网络管理技术层，研究的重点是收集数据的管理、节能降耗问 题以及网络通信安全的实现；在网络支撑技术层，主要研究节点 定位问题、时间同步技术的实现以及用户应用接口的实现问题。 基于WSN网络的能量限制，为了延长网络的寿命，能量有效 基于WSN网络的能量限制，为了延长网络的寿命，能量有效 性成为WSN网络应用中首要的一个指标，能量高效的WSN网络通信 成为WSN网络应用中首要的一个指标，能量高效的WSN网络通信 协议是目前的一个热点研究领域。 通过对现有系统的分析可知， 射频模块是节点最大的耗能部件，是优化的主要目标。介质访问 射频模块是节点最大的耗能部件，是优化的主要目标。介质访问 控制协议（MAC）直接控制射频模块，对节点功耗有重要影响， 控制协议（MAC）直接控制射频模块，对节点功耗有重要影响， 能源效率是无线传感网MAC层协议最主要的设计目标。 能源效率是无线传感网MAC层协议最主要的设计目标。
以数据为中心
目前的互联网是一个以地址为中心的网络，如果想访问互联网中的资 源，首先要知道存放资源的服务器的IP地址。WSN是任务型的网络， 源，首先要知道存放资源的服务器的IP地址。WSN是任务型的网络， 脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。WSN中的节点采用节 脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。WSN中的节点采用节 点编号标识，节点编号不需要全网唯一。由于传感器节点随机部署， 节点编号和节点位置之间的关系是完全动态的，没有必然联系。用户 查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确 定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这是一种 以数据本身作为查询或者传输线索的思想。所以通常说传感器网络是 一个以数据为中心的网络。
无限传感网MAC协议节能分析研究

无限传感网MAC协议节能分析研究

基于WSN网络的能量限制，为了延长网络的寿命，能量有效性成为WSN网络应用中首要的一个指标，能量高效的WSN网络通信协议是目前的一个热点研究领域。

通过对现有系统的分析可知，射频模块是节点最大的耗能部件，是优化的主要目标。

介质访问控制协议<MAC）直接控制射频模块，对节点功耗有重要影响，能源效率是无线传感网MAC层协议最主要的设计目标。

WSN网络中能量浪费的主要原因：1）空闲侦听节点不知道邻居节点何时向自己发送数据，射频模块必须一直处于接收状态，消耗大量的能量。

这是无效功耗的最主要的来源。

2）消息碰撞<冲突）同时向同一节点发送多个数据包时，信号会互相干扰，接收方无法准确接收，这时节点消耗在发送和接收数据上的能量就被浪费了，而重新发送数据消耗更多的能量。

3）串扰<窃听）无线信道是一个共享的媒体，一个节点可能会接收到发送给其他节点的消息，这时节点消耗在接收数据上的能量属于无效功耗。

4）控制报文开销在MAC协议的头字段和控制消息包中没有包含有效的数据，消耗的能量也是无效的。

5）发送失效在目的节点没有准备好接收时。

发生节点发送了消息，造成能量的浪费。

MAC协议降低功耗的主要方法1）减少数据流减少数据流量是最根本的解决方案，目前主要靠在网络层或者在数据链路层上增加一个数据融合层来实现，但在MAC层是否能够进行数据融合以及如何进行融合是目前的研究的较少的领域。

2）增加射频模块的休眠时间节点在没有数据接收或发送时，关闭射频模块，节点转入休眠状态，这种方法可以降低工作占空比，减少串扰和空闲侦听带来的能量浪费，代价是增加延迟和降低系统的吞吐量。

3）冲突避免冲突避免主要采用RTS/CTS/DATA/ACK握手机制，既解决了隐藏节点的冲突，又实现了链路层的可靠传输，但也增加了控制开销。

WSN网络中典型的MAC协议1>带冲突避免的载波侦听多路访问MAC层协议<CSMA/CA）为发尽量减少数据的传输碰撞和重试发送，防止各节点无序地争用无线信道，提出CSMA/CA协议，它主要是应用于无线局域网IEEE 802.11MAC协议的分布式协调工作模式下的一种协议。

太赫兹无线局域网媒体访问控制协议的优化设计

太赫兹无线局域网媒体访问控制协议的优化设计

太赫兹无线局域网媒体访问控制协议的优化设计邹明芮;周海东;李光彬;任智;周逊【摘要】针对太赫兹无线局域网络,为满足网络中对数据传输性能的要求,提出一种媒体访问控制(medium access control,MAC)层协议超帧结构,在新超帧结构的基础上,进一步提出3种优化机制,分别是自适应动态调整竞争接入时段的长度、合并申请量的免申请预分配时隙和删除冗余控制字段.通过采用OPNET仿真软件,对新提出的优化后的MAC层协议进行了仿真验证,并将仿真结果与现有的能够应用于太赫兹超高速无线网络的高吞吐量低时延MAC(high-throughput low-delay MAC,HLMAC)协议和IEEE 802.15.3c标准协议进行了比较.仿真结果表明,所提的MAC协议相较于HLMAC协议和IEEE 802.15.3c标准协议在网络吞吐量方面的性能得到了约3.45％和11.11％o的优化提升,在平均接入时延方面的性能提升了约28％和50％,而在数据帧的传送成功率方面的性能也得到了约3.3％和10.6％的提升效果.%In Terahertz wireless local area networks,to fulfill the request of data transmission efficiency,a superframe structure of medium access control (MAC) protocol is proposed.Based on the proposed superframe structure,three optimization mechanisms are further proposed,which are dynamically adjusting the length of contention access period,slots distribution without further sending slots requests and deleting redundancy control bits.By applying the network simulator software OPNET,the performance of the proposed optimized MAC protocol is compared with the existed high-throughput low-delay MAC (HLMAC) protocol as well as the standard IEEE 802.15.3c protocol.From the perspective of network throughput,the proposed optimized MAC protocolis about 3.45 ％ and 11.11％ better than the HLMAC protocol and the standard protocol.In the view point of average access delay,around 28％and 50％ improvements are obtained.And the probability of data frame transmission gains about 3.3％ and 10.6％ than that of the HLMAC and the standard protocol.【期刊名称】《系统工程与电子技术》【年(卷),期】2017(039)012【总页数】7页(P2824-2830)【关键词】太赫兹;无线局域网;媒体访问控制层协议;优化设计;超帧【作者】邹明芮;周海东;李光彬;任智;周逊【作者单位】中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900;中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900;重庆邮电大学移动通信技术重庆市重点实验室,重庆400065;中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900;重庆邮电大学移动通信技术重庆市重点实验室,重庆400065;中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900【正文语种】中文【中图分类】TP393.04随着无线通信技术和计算机网络技术的迅速发展,人们的工作和生活已经越来越离不开无线网络;无线网络的各种设备也日益增多,包括智能手机、平板电脑等。

无线传感网络中的低功耗MAC协议优化研究

无线传感网络中的低功耗MAC协议优化研究

无线传感网络中的低功耗MAC协议优化研究无线传感网络是近年来兴起的一种新型网络，其将传感器节点分布在需要监测的环境中，通过数据的采集和传输，实现对这个环境的实时监测和控制。

传感器节点通常是一种小型设备，具有低功耗、低成本、低复杂度等特点。

为了延长传感器节点的寿命，降低能耗，需要研究低功耗的MAC协议。

低功耗MAC协议是无线传感网络中的一种重要协议。

它主要负责节点之间的通信和协调。

低功耗MAC协议需要解决以下几个问题：1.能耗问题低功耗MAC协议需要尽可能地减小通信过程中的能耗，同时尽量降低节点的待机功耗和空闲功耗。

这可以通过设计能够提高通信效率的协议、调节节点的功率、延迟休眠等方法来解决。

2.协议冲突问题无线传感网络中，由于节点数量巨大、节点分布复杂，很容易出现协议冲突问题。

这种情况下，不同节点之间会同时尝试发起通信，导致信号干扰，通信失败。

因此，低功耗MAC协议需要设计能够减少协议冲突的机制，防止多个节点同时尝试访问同一信道。

3.节点异构性问题无线传感网络中存在不同类型、不同功耗节点，节点的状态可能不同，这就导致低功耗MAC协议需要能够适应不同类型节点的特点，在保证低功耗的同时，也需要满足节点的实际需要。

为了解决以上问题，研究者们提出了许多低功耗MAC协议，其中一些比较有代表性的协议如下：1.LEACH协议LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）协议是一种典型的分簇协议。

它采用分簇的方式来降低通信过程中的能耗。

具体来说，LEACH协议将所有节点分组，每个组有一个簇头，负责向汇聚节点传输数据。

同时，LEACH协议还采用动态簇头选择机制，每轮由不同的节点充当簇头，避免簇头频繁更换造成的能耗开销。

2.SMART协议SMART（Scalable Medium Access Control with Rendezvous-based Token-passing）协议是一种基于令牌传递的协议。