古金東　任智　陳春宇　劉洋

摘 要：為了使兩個獨立運行的太赫茲無線局域網能快速完成協(xié)調融合以及提升融合后網絡的性能，提出一種高效快速融合的雙LAN太赫茲無線局域網MAC協(xié)議——EFC-MAC（efficient and fast convergence of MAC protocols）。首先，針對現有網橋節(jié)點選舉機制不完善以及網絡協(xié)調融合機制存在不足之處的問題，提出了在第一個網間節(jié)點進行申請入網時就開始進行網橋節(jié)點的選舉，并將選舉結果在下一超幀的BP時段進行通告的機制，并根據網絡是否已經完成了協(xié)調融合而決定是否申請CTA以轉發(fā)heartbeat消息的機制，使網絡能高效快速完成融合；然后，針對網間節(jié)點申請公共時隙方式不夠靈活的問題，提出根據P-CTAP所剩時隙量來動態(tài)申請CTA的機制，提升了網絡的性能；最后，針對網橋節(jié)點切換機制尚不明確的問題，提出了采用一個CAP時段長度完成網橋節(jié)點切換的機制。仿真結果表明，所提協(xié)議有效提高了網絡吞吐量，提升了時隙利用率以及降低了數據傳輸時延。

關鍵詞：太赫茲波；網絡融合；網橋節(jié)點；協(xié)調超幀

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A 文章編號：1001-3695（2023）10-035-3114-06

doi：10.19734/j.issn.1001-3695.2023.03.0089

Efficient and fast convergence of dual-LAN terahertz wireless LAN MAC protocol

Gu Jindonga，b，c，Ren Zhia，b，c，Chen Chunyua，b，c，Liu Yanga，b，c

（a.School of Communication & Information Engineering，b.Key Laboratory of Mobile Communications Technology of Chongqing，c.Enginee-ring Research Center of Mobile Communications of the Ministry of Education，Chongqing University of Posts & Telecommunications，Chongqing 400065，China）

Abstract：In order to make two independently operated terahertz wireless LANs quickly complete coordinated convergence and improve the performance of the converged network，this paper proposed an efficient and fast convergence of MAC protocols（EFC-MAC） .Firstly，in view of the imperfection of the existing bridge node election mechanism and the shortcomings of the network coordination and convergence mechanism，this paper proposed a mechanism to start the election of bridge nodes when the first network node applied for network access，and announced the election results in the BP period of the next superframe，and other mechanism to decide whether to apply for CTA to forward heartbeat messages according to whether the network had completed coordinated convergence.So that the network could complete convergence efficiently and quickly.Then，aiming at the problem that the application method of public time slots by network nodes are not flexible enough，this paper proposed a me-chanism to dynamically apply for CTA according to the amount of time slot remaining in P-CTAP，which improved the performance of the network.Finally，aiming at the problem that the bridge node switching mechanism is not clear，this paper proposed a mechanism to complete the bridge node switching by using a CAP period length.Simulation results show that the proposed protocol can effectively improve network throughput，improve slot utilization and reduce data transmission delay.

Key words：terahertz waves；network convergence；bridge nodes；reconcile superframe

0 引言

隨著移動通信技術的飛速發(fā)展，人們已經邁入了5G時代，目前看來，大多數應用程序所需的網絡帶寬在短期內得到了滿足［1］。然而，隨著人工智能、VR、云計算、區(qū)塊鏈、物聯網以及元宇宙等技術的快速發(fā)展，一些頗具前景的應用需要無線網絡具有數10 Gbps以上的數據傳輸速率［2］，因此，現有的低頻段頻譜資源支持的數據傳輸速率顯然不能滿足這些新興技術的需要，于是，不得不開始探尋一種新的無線網絡通信方式以滿足無線數據流量日益增長的需要。截至目前，現有的無線局域網技術難以支持高達數10 Gbps大小的數據傳輸速率［3］。因此，太赫茲技術成為了未來提高數據傳輸速率的關鍵候選技術［4］。由于太赫茲波是非電離的［5］，所以它較易被空氣當中的極性分子吸收，從而導致嚴重的大氣衰減，當空氣中的水分子變多時，太赫茲波的信號衰減愈發(fā)嚴重，這些因素就決定了太赫茲波非常適用于室內短距離無線通信［6］。太赫茲波在電磁波譜上的位置如圖1所示。目前，眾多學者研究的太赫茲無線局域網能夠通信的范圍十分有限，通常只有20 m左右，因此眾多國內外學者希望將多個同時運行的太赫茲無線局域網進行協(xié)調融合，來拓展整個網絡的通信范圍。

文獻［1］針對多PAN太赫茲無線個域網中某些節(jié)點在CTAP時段可能存在鄰近干擾的問題，提出了網邊節(jié)點的概念，并引入了常規(guī)節(jié)點報告的機制。各DEV節(jié)點在入網前偵聽信道結束后，主動發(fā)送關聯請求幀請求入網，其中，關聯請求幀的command type字段使用保留值來表明自己的節(jié)點類型。由于太赫茲無線網絡是靜態(tài)或準靜態(tài)（節(jié)點緩慢移動）網絡，網絡結構可能會逐漸發(fā)生變化，所以當各節(jié)點發(fā)現自己的節(jié)點類型發(fā)生變化后，在CAP時段發(fā)送時隙請求幀時，應使用合適的command type字段來報告自己的節(jié)點類型。

文獻［2］基于太赫茲無線個域網，提出了一種有序公平時隙分配機制。該機制首先將各節(jié)點的時隙請求量升序排列，接著計算位于第一個位置節(jié)點的時隙請求數是否小于等于CTAP時段剩余時隙數的均值，如果是，則直接分配，否則，就將CTAP時段剩余時隙數的均值分配給該節(jié)點，之后再對下一個位置節(jié)點的時隙請求進行同樣的操作。該機制可保證申請時隙的各節(jié)點都可獲得CTA的分配，一定程度上能提升接入信道的公平性和增大網絡吞吐量。

文獻［3］針對太赫茲無線個域網，提出了一種新穎的超幀結構，將CAP時段與CTAP時段調換位置，同時CAP時段的CTRq幀如果發(fā)生了重傳，在重傳之前應更新時隙請求量。文獻還提出了合并同一對節(jié)點間的時隙請求，以減少CTA保護時隙的個數。該文獻提出的幾種機制降低了數據平均時延以及提高了網絡吞吐量。新超幀結構如圖2所示。

文獻［4］基于太赫茲的體內無線納米傳感器網絡，提出了一種根據數據的緊急性和節(jié)點的能量消耗聯合計算優(yōu)先級的新機制，并根據網絡中節(jié)點的數量和節(jié)點的數據服務優(yōu)先級來分配傳輸階段的時隙，避免了節(jié)點之間的沖突。經過仿真表明，該機制可有效降低平均時延以及提升網絡吞吐量。

文獻［5］針對信道時間不能被完全利用的問題，提出了一種基于動態(tài)隊列長度的時隙分配機制。在該機制中，各個DEV節(jié)點主動向PNC節(jié)點發(fā)送包含本節(jié)點MAC層數據緩沖隊列長度大小的時隙請求幀。然而，這種載有數據隊列長度信息的時隙請求幀只能以間隔的方式發(fā)送，因此，PNC節(jié)點不能及時更新最新的隊列長度。于是，該機制利用歷史到達的數據隊列大小，動態(tài)地計算出數據隊列大小的概率函數。然后，PNC節(jié)點根據這些概率函數來給各DEV節(jié)點分配信道時間。仿真結果表明，該機制可以提高信道時間的利用率。

1 雙LAN太赫茲無線局域網網絡模型

1.1 系統(tǒng)模型與超幀結構

雙LAN太赫茲無線局域網網絡模型主要由兩個WLAN構成，如圖3所示，每個WLAN由一個PNC和一些DEV節(jié)點構成，其中PNC節(jié)點可以與本網內的所有DEV節(jié)點進行單跳通信，DEV節(jié)點隨機散落在局域網中，相距較近的DEV節(jié)點可以進行單跳通信，而相距較遠的則需要通過PNC進行中繼通信。DEV節(jié)點分為網內節(jié)點以及網間節(jié)點，只能偵聽到一個WLAN廣播的beacon幀的DEV節(jié)點為網內節(jié)點，而能偵聽到兩個WLAN廣播的beacon幀的DEV節(jié)點為網間節(jié)點。網間節(jié)點通過選舉機制可以決策出網橋節(jié)點，網橋節(jié)點可以通過轉發(fā)載有協(xié)調超幀信息的控制消息使兩個同時運行的太赫茲無線局域網完成協(xié)調融合以及轉發(fā)跨LAN的數據幀。

太赫茲網絡的運行時間被劃分為無數個超幀。雙LAN太赫茲無線局域網在最初的運行階段是兩個并行的WLAN，均使用普通超幀結構。兩個WLAN在進行協(xié)調融合之后，均采用協(xié)調超幀結構。普通超幀結構和協(xié)調超幀結構分別如圖4和5所示。

每個普通超幀由四個具有時間先后順序的時段構成，即信標幀時段（beacon period，BP）、競爭接入時段（contention access period，CAP）及信道時間分配時段（channel time allocation period，CTAP）。BP時段用于PNC節(jié)點向本WLAN內的所有DEV節(jié)點廣播beacon幀；在CAP時段，WLAN內所有DEV節(jié)點以CSMA的方式競爭接入信道，以向PNC發(fā)送關聯請求幀請求關聯入網或發(fā)送CTRq幀申請下一超幀的時隙資源；CTAP時段用于節(jié)點間以TDMA方式進行數據流的傳輸。

每個協(xié)調超幀仍由四個具有時間先后順序的階段構成，即信標幀隊列時段（beacon alignment period，BAP）、競爭接入時段（contention access period，CAP）、常規(guī)信道時間分配時段（normal channel time allocation period，N-CTAP）和公共信道時間分配時段（public channel time allocation period，P-CTAP）。比較特殊的是，信標幀隊列階段劃分為了兩個具有時間先后順序的beacon時段，用于兩個WLAN內的PNC先后向各自網絡內的所有DEV節(jié)點發(fā)送beacon幀，beacon幀中主要包含了協(xié)調融合后網絡內的所有節(jié)點信息、各個時段的起始時刻及時長和CTAP時段CTA的分配情況；協(xié)調超幀CAP時段和普通超幀的CAP時段所起的作用大致類似；協(xié)調超幀的CTAP時段被細分為了N-CTAP時段和P-CTAP時段，而P-CTAP時段又進一步劃分成P-CTAP1時段和P-CTAP2時段，兩個WLAN的N-CTAP時段在時間上是并行的，用于傳輸網內節(jié)點之間的數據流，P-CTAP1、P-CTAP2在時間上是串行的，分別用于傳輸WLAN1、WLAN2內涉及到網間節(jié)點的數據流。

1.2 雙LAN太赫茲無線局域網協(xié)調融合分析

由于太赫茲超高的頻率會導致嚴重的路徑損耗，所以太赫茲波非常適合于短距離通信。在太赫茲網絡中，節(jié)點之間的通信距離最遠為10 m，因此單個太赫茲無線局域網的最大覆蓋范圍為20 m，太赫茲無線局域網的網絡拓撲圖如圖6所示。

太赫茲無線局域網是一種具有超高速數據傳輸速率的無線網絡，然而單個網絡的傳輸距離十分有限，同時，當兩個獨立運行的太赫茲無線網絡的覆蓋范圍出現交叉重疊時，位于重疊區(qū)域的節(jié)點會受到干擾。因此，太赫茲無線網絡進行協(xié)調融合的需求變得勢在必行。

雙LAN太赫茲無線網絡的協(xié)調融合方式主要是位于重疊區(qū)域的網橋節(jié)點在收到兩個網絡的普通超幀的beacon幀信息后，經計算將兩個獨立運行網絡的普通超幀經計算合并為協(xié)調超幀，并通告給兩個網絡的PNC節(jié)點，之后，兩個網絡均使用協(xié)調超幀。

1.3 現有協(xié)議相關機制介紹

文獻［6］提出了一種基于網橋節(jié)點的超幀統(tǒng)一機制。該機制主要是讓網橋節(jié)點在收到兩個網絡的普通超幀的beacon幀后，計算出協(xié)調超幀信息，然后以CSMA的方式在CAP時段將載有協(xié)調超幀信息的heartbeat消息發(fā)送給兩個網絡的PNC節(jié)點以完成協(xié)調融合。

文獻［7］提出了一種基于能量有效的網橋節(jié)點選擇機制。該機制主要是定義了一種可以攜帶自身剩余能量值信息的特殊時隙請求幀，使網間節(jié)點在CAP時段進行申請時隙的同時，可以主動向高級PNC匯報自身剩余能量值信息，高級PNC根據各節(jié)點的剩余能量值大小選擇好網橋節(jié)點后通過時隙請求回復幀向所有網間節(jié)點作出通告。

文獻［7］提出了一種網間節(jié)點的時隙分配機制。該機制主要是只讓高級PNC為網間節(jié)點之間的數據傳輸分配時隙。

現有IEEE 802.15.3標準并未對網橋節(jié)點的切換方式作出說明，相關的太赫茲MAC協(xié)議也未對其進行過研究。

2 問題描述

經過研究發(fā)現，現有雙LAN太赫茲無線局域網MAC協(xié)議仍存在方案設計不完善，造成網絡吞吐量低、數據平均時延大以及時隙利用率低等問題，具體如下：

2.1 網橋節(jié)點選舉機制不完善

a）一個超幀的最大長度約為0.06 s，而每個DEV節(jié)點入網前都要主動偵聽信道至少一個最大超幀長度的時間，所以DEV節(jié)點在請求入網時，已經判斷出了自身是否為網間節(jié)點。因此，網間節(jié)點在時隙申請階段才發(fā)送攜帶自身能量信息的特殊CTRq幀，會造成選舉網橋節(jié)點所需的耗時較大。

b）在CAP時段，只有DEV節(jié)點在有數據傳輸需求時才會發(fā)送CTRq幀，所以高級PNC節(jié)點究竟在本超幀的CAP時段的哪個時刻才結束網橋節(jié)點的選舉過程便成了一個不可預知的問題。

c）按照現有機制，假設能量值分別為10、20的節(jié)點優(yōu)先以CSMA的方式競爭到了信道，高級PNC便會選取能量值為20的節(jié)點作為網橋節(jié)點，但之后能量值為1 000的節(jié)點才在本超幀的CAP時段靠后的位置競爭到了信道，這會導致網絡并未選取到最合適的網橋節(jié)點。

d）CAP時段占整個普通超幀的時長不足5%，除了網間節(jié)點要發(fā)送CTRq幀以外，其余網內節(jié)點也要申請時隙，而且網橋節(jié)點在收到兩個網絡的beacon幀后極易錯過某一網絡的CAP時段，因此在本超幀的CAP時段同時完成網橋節(jié)點選舉和網絡的協(xié)調融合過程不太可能，現有機制不必要地過早選舉出了網橋節(jié)點。

2.2 現有網絡協(xié)調融合機制不夠完善

a）CTAP時段大約占整個超幀時長的95%，因此當網橋節(jié)點先后收到兩個WLAN的beacon幀后，其中一個WLAN已經進入CTAP時段的可能性極大，這種情況如圖7所示。由于普通超幀是不定長結構，故網橋節(jié)點在封裝heartbeat消息時需要等待最新的兩個beacon幀接收完畢，所以網橋節(jié)點在以CSMA方式轉發(fā)heartbeat消息時，若某一WLAN已經進入了CTAP時段，則存在本超幀以及接下來幾個超幀均不能成功轉發(fā)heartbeat消息的可能性，導致兩個WLAN不能快速完成協(xié)調融合。

b）現有heartbeat消息格式存在冗余且某些字段不能適用于太赫茲網絡協(xié)調融合過程的所有情況?，F有heartbeat消息首部格式及消息負載分別如圖8和9所示。

2.3 網間節(jié)點申請公共CTA時未考慮兩個WLAN所剩公共時隙的負載均衡

由于網間節(jié)點要通過高級PNC進行網橋節(jié)點的選舉，所以網間節(jié)點在申請關聯入網時，就都會加入到高級PNC所在的WLAN中，導致該WLAN的P-CTAP時段負載過重甚至超載，而另一P-CTAP可能相對空閑，如圖10所示，這在一定程度上抑制了MAC層吞吐量、降低了時隙利用率以及增大了數據平均時延。

3 EFC-MAC協(xié)議新機制

為解決上述問題，本章提出EFC-MAC協(xié)議新機制，其包含基于剩余能量值的網橋節(jié)點高效選舉機制、基于動態(tài)申請時隙的雙LAN高效協(xié)調融合機制、基于公共時段剩余時隙量動態(tài)申請時隙的負載均衡機制以及基于剩余能量值的網橋節(jié)點切換機制這四種新機制。仿真表明，這四種新機制能有效提高MAC層吞吐量、提升時隙利用率以及降低平均數據傳輸時延。

3.1 基于剩余能量值的網橋節(jié)點高效選舉機制

針對2.1節(jié)中網橋節(jié)點選舉開始及結束時刻均不恰當而導致網絡性能下降的問題，本文提出了基于剩余能量值的網橋節(jié)點高效選舉機制以選舉出最合適的網橋節(jié)點。

基于剩余能量值的網橋節(jié)點高效選舉機制的主要步驟如下所示：

a）各節(jié)點在入網前先偵聽信道至少一個最大超幀長度，判斷出自身是否為網間節(jié)點，若是，則轉步驟b）；否則，退出該機制。

b）網間節(jié)點在請求關聯入網時，定義一種攜帶自身剩余能量值大小的特殊關聯請求幀，command type字段使用保留值0x0026，該幀的MAC頭部及有效載荷分別如圖11和12所示，轉步驟c）。

c）從高級PNC第一次收到網間節(jié)點的關聯入網請求幀所在時刻起，高級PNC選取本超幀CAP時段內請求入網中剩余能量值最大的一個網間節(jié)點作為網橋節(jié)點，并在下一超幀以廣播一種特殊的beacon幀的方式來把選舉結果通知給所有網間節(jié)點，該特殊beacon幀中frame control字段的frame type使用保留值101，其MAC頭部如圖13所示，轉步驟d）。

d）網橋節(jié)點選舉機制執(zhí)行完畢。

3.2 基于動態(tài)申請時隙的雙LAN高效協(xié)調融合機制

針對2.2節(jié)中雙LAN太赫茲網絡在經歷多個普通超幀后仍可能完成不了協(xié)調融合以及現有heartbeat消息格式存在冗余且不能適用于太赫茲網絡協(xié)調融合過程的所有情況的問題，本文提出了基于動態(tài)申請時隙的雙LAN高效協(xié)調融合機制。

將現有heartbeat消息去除了冗余字段以及修改部分字段的語義后，定義出了新heartbeat消息，command type字段使用保留值0x0028，MAC頭部和有效載荷分別如圖14和15所示。

基于剩余能量值的網橋節(jié)點高效選舉機制的主要步驟如下：

a）網橋節(jié)點在先后收到兩個PNC廣播的beacon幀后，首先計算出協(xié)調超幀的起始時刻以及各時段時長，接著把這些信息同各WLAN內DEV個數等信息一同封裝入heartbeat消息中，然后以CSMA的方式競爭接入信道以廣播heartbeat消息，直至有一個普通超幀結束，轉步驟b）。

b）網橋節(jié)點根據接收到的beacon幀，判斷出在上一普通超幀是否成功向該WLAN轉發(fā)了heartbeat消息，如果是，則轉步驟e）；否則，轉步驟c）。

c）網橋節(jié)點向未完成網絡協(xié)調融合的WLAN以發(fā)送特殊CTRq幀的方式申請一個位置靠后的TU來轉發(fā)heartbeat消息，該特殊CTRq幀通過使用command type保留值0x0033來通知PNC在分配時隙時將該節(jié)點的CTA放在CTAP時段靠后的位置。轉步驟d）。

d）網橋節(jié)點在成功申請到時隙的下一超幀到來時，持續(xù)偵聽信道，當收到兩個PNC廣播的beacon幀后，重新計算出協(xié)調超幀的開始時刻并更新heartbeat消息。在CTAP時段到來后，網橋節(jié)點根據beacon幀中CTA分配信息，計算出自身進行數據傳輸的起始時刻，當這一時刻到來后，立刻廣播heartbeat消息。轉步驟e）。

e）該WLAN完成了網絡協(xié)調融合過程，等待正式進入協(xié)調超幀時期。

3.3 基于公共時段剩余時隙量動態(tài)申請時隙的負載均衡機制

針對2.3節(jié)中網間節(jié)點在申請時隙時未考慮兩個LAN中的各自P-CTAP時段所剩時隙量的問題，本文提出了基于公共時段剩余時隙量動態(tài)申請時隙的負載均衡機制。

該機制定義tspare為 P-CTAP1或P-CTAP2時段全部空閑時對應的TU個數大小，tCTRq為CTRq幀中請求的TU個數大小。該機制的主要步驟如下所示。

a）網橋節(jié)點、網間節(jié)點、PNC1、PNC2初始化m1、m2的大小分別為本超幀P-CTAP1時段剩余時隙的對應的TU個數與tspare之和、P-CTAP2時段剩余時隙的對應的TU個數與tspare之和。轉步驟b）。

b）網橋節(jié)點、網間節(jié)點在CAP時段申請彼此之間通信所需的時隙前，先比對m1、m2的大小。如果m1≥m2，則向PNC1發(fā)送CTRq幀，command type字段使用保留值0x0022；否則，向PNC2發(fā)送CTRq幀，command type字段使用保留值0x0023。轉步驟c）。

c）PNC1若收到command type字段值為0x0022的CTRq幀，判斷m1≥tspare的結果是否為真，若是，轉步驟d）；否則，直接將申請的時隙分配到下一超幀的P-CTAP1時段，轉步驟f）。若PNC1收到command type字段為0x0023的CTRq幀，則直接丟棄，轉步驟f）。PNC2若收到command type字段值為0x0023的CTRq幀，判斷m2≥tspare的結果是否為真，若是，轉步驟e）；否則，直接將時隙分配在下一超幀P-CTAP2時段，轉步驟f）。若收到command type字段為0x0022的CTRq幀，則直接丟棄，轉步驟f）。

d）PNC1判斷m1-tspare≤tCTRq的結果是否為真，如果是，則將t=m1-tspare的大小分配在本超幀的P-CTAP1時段，將tCTRq-t的值分配到下一超幀的P-CTAP1時段；否則，直接將申請的全部時隙分配在本超幀的P-CTAP1時段。令m1-=tCTRq。轉步驟f）。

e）PNC2判斷m2-tspare≤tCTRq的結果是否為真，如果是，則將t=m2-tspare的大小分配在本超幀的P-CTAP2時段，將tCTRq-t的值分配到下一超幀的P-CTAP2時段；否則，直接將申請的全部時隙分配在本超幀的P-CTAP2時段。令m2-=tCTRq。轉步驟f）。

f）網橋節(jié)點、網間節(jié)點在CAP時段收到CTRp幀后，查看該幀的frame control字段的b15保留值是否為1，如果是，轉步驟g）；如果否，則直接忽略，轉步驟l）。

g）網橋節(jié)點或網間節(jié)點查看PNID的值，如果PNID是WLAN1的網絡號，轉步驟h）；否則，轉步驟i）。

h）網橋節(jié)點、網間節(jié)點判斷m1-tspare>0是否為真，如果是，轉步驟j）；否則，忽略，轉步驟l）。

i）網橋節(jié)點、網間節(jié)點判斷m2-tspare>0是否為真，如果是，轉步驟k）；否則，忽略，轉步驟l）。

j）網橋節(jié)點、網間節(jié)點判斷m1-tspare> tCTRq的結果是否為真，如果是，則將tCTRq和目的ID插入到L1的尾部，并讓m1-=tCTRq；否則，只將m1-tspare的值和目的ID插入到L1的尾部，并令m1=tspare。轉步驟l）。

k）網橋節(jié)點、網間節(jié)點判斷m2-tspare> tCTRq的結果是否為真，如果是，則將tCTRq和目的ID插入到L2的尾部，并讓m2-=tCTRq；否則，只將m2-tspare的值和目的ID插入到L2的尾部，并令m2=tspare。轉步驟l）。

l）在P-CTAPi（i=1，2）的剩余時段，網間節(jié)點、網橋節(jié)點按照Li（i=1，2）中鏈表項的順序來進行數據傳輸。假設P-CTAPi的剩余時隙起始時刻為Tc，CTA之間的保護間隔時間為guard_time，Li鏈表中的TU個數分別為t1、t2、t3、…、tn，共計有n項。如果DEV1節(jié)點遍歷Li鏈表后發(fā)現自身位于第m項，則該節(jié)點在P-CTAPi的剩余時隙進行數據傳輸的起始時刻為Tstart=Tc+guard_time+（t1+t2+…+tm-1）（TU+ guard_time），接入信道的時長為Tduring=tm×TU。轉步驟m）。

m）基于公共時段剩余時隙量動態(tài)申請時隙的負載均衡機制結束。

3.4 基于剩余能量值的網橋節(jié)點切換機制

針對現有IEEE 802.15.3標準以及相關太赫茲MAC協(xié)議未考慮到網橋節(jié)點切換的情形，本文提出了基于剩余能量值的網橋節(jié)點切換機制。

該機制的主要步驟如下所示。

a）當網橋節(jié)點檢測出自身剩余能量值不足時，若有數據業(yè)務傳輸需求，則向高級PNC發(fā)送command type字段為0x0029的CTRq幀，在進行時隙申請的同時也表明請求切換網橋節(jié)點；否則，向高級PNC發(fā)送command type字段為0x0030的控制幀，表明請求切換網橋節(jié)點。轉步驟b）。

b）高級PNC在接收到command type字段為0x0029或0x0030的控制幀后，回復保留位b15為1的ACK幀，通知所有網間節(jié)點上報自身的剩余能量值。同時，高級PNC開啟一個時間長度為CAP時段長度的定時器，該定時器只在CAP時段啟用，在其余時段均處于暫停狀態(tài)。轉步驟c）。

c）網間節(jié)點在接收到保留位b15為1的ACK幀后，主動發(fā)送攜帶自身能量信息的CTRq幀，該CTRq幀的MAC頭部與圖11保持一致，command type字段使用保留值0x0031，表明該CTRq幀攜帶有節(jié)點剩余能量信息。轉步驟d）。

d）定時器到時后，高級PNC選取期間發(fā)送剩余能量值最大的節(jié)點作為網橋節(jié)點，并將其設備ID號填入到command type字段使用了保留值0x0032的特殊命令幀的DestID字段，然后以CSMA的方式發(fā)送該特殊命令幀。轉步驟e）。

e）基于剩余能量值的網橋節(jié)點切換機制結束。

4 EFC-MAC協(xié)議操作流程

EFC-MAC協(xié)議適用于具有重疊區(qū)域的雙LAN太赫茲無線局域網。其中，高級PNC是指具有更高優(yōu)先級值的PNC節(jié)點。EFC-MAC協(xié)議的操作流程具體如下所示。

a）節(jié)點入網前主動偵聽信道至少一個最大超幀長度的時間，如果未接收到beacon幀，則表明周邊尚未形成太赫茲局域網，轉步驟b）；否則，轉步驟c）。

b）該節(jié)點主動成為本WLAN的PNC節(jié)點，在0～65 535隨機選取一個值作為PNID，之后周期性廣播beacon幀，正式組建了太赫茲局域網，轉步驟d）。

c）如果接收到了具有不同PNID的beacon幀，則該節(jié)點為網間節(jié)點，轉步驟d）；否則，該節(jié)點為網內節(jié)點，轉步驟d）。

d）普通超幀進入到了CAP時段，在本超幀準備入網的網內節(jié)點發(fā)送普通關聯請求幀，已入網的節(jié)點有數據業(yè)務傳輸需求時發(fā)送CTRq幀來申請時隙資源，在本超幀準備入網的網間節(jié)點和高級PNC執(zhí)行基于剩余能量值的網橋節(jié)點高效選舉機制以選舉出目前最合適的網橋節(jié)點，轉步驟e）。

e）網橋節(jié)點執(zhí)行基于動態(tài)申請時隙的雙LAN高效協(xié)調融合機制，完成了兩個太赫茲無線局域網的協(xié)調融合過程，轉步驟f）。

f）兩個太赫茲局域網均已進入了協(xié)調超幀時期，PNC將網內節(jié)點之間的數據傳輸請求分配在N-CTAP時段，將網間節(jié)點和網內節(jié)點之間的數據傳輸請求分配在P-CTAP時段。網間節(jié)點之間有數據業(yè)務傳輸需求時，網間節(jié)點和PNC執(zhí)行基于公共時段剩余時隙量動態(tài)申請時隙的負載均衡機制。網橋節(jié)點若檢測出自身剩余能量值不足，執(zhí)行基于剩余能量值的網橋節(jié)點切換機制。

5 仿真分析

本文采用OPNET Modeler 14.5仿真工具分別對IEEE 802.15.3協(xié)議、AHT-MAC協(xié)議和EFC-MAC協(xié)議進行仿真驗證。

5.1 仿真參數設置

主要仿真參數設置如表1所示。

在整個仿真驗證過程中，根據各LAN中DEV節(jié)點個數的不同，設置5個場景，將EFC-MAC協(xié)議、AHT-MAC協(xié)議和IEEE 802.15.3協(xié)議這三個協(xié)議的性能進行對比。

5.2 仿真統(tǒng)計量

5.2.1 MAC層吞吐量

MAC層吞吐量是指在單位時間內各節(jié)點在MAC層成功接收的數據量之和。MAC層吞吐量計算公式如下：

其中：n是雙LAN太赫茲無線局域網中節(jié)點的個數；Bi是第i個節(jié)點成功接收的數據量，單位為bps；t表示網絡仿真運行時間。

5.2.2 數據平均時延

數據平均時延是指數據幀從源節(jié)點產生到成功被目的節(jié)點接收的平均耗時，單位為s，其計算公式為

其中：N是各節(jié)點成功接收數據幀的個數；Ti是每個被成功接收的數據幀從產生到被接收的耗時。

5.2.3 時隙利用率

時隙利用率是指各節(jié)點發(fā)送數據幀所需的傳輸時間之和占仿真總時間的比例，其計算公式為

其中：Ti是節(jié)點發(fā)送第i個數據幀所用的傳輸時間；t是仿真運行總時間。

5.3 仿真結果及分析

5.3.1 MAC層吞吐量

根據圖16的結果分析可知，MAC層吞吐量會隨著各LAN中DEV個數的增加而逐漸上升，當DEV個數到達一定數量時，MAC層吞吐量會趨于飽和，這主要是由于這時的MAC層吞吐量已經基本到達了協(xié)議所支持的上限。當網絡趨于飽和時，EFC-MAC協(xié)議的MAC層吞吐量穩(wěn)定在了4.6 Gbps左右且高于另外兩種協(xié)議，主要原因在于：a）基于剩余能量值的網橋節(jié)點高效選舉機制能夠快速高效地選舉出合適的網橋節(jié)點，更快地使跨LAN數據得到轉發(fā)，增大了MAC層吞吐量；b）基于動態(tài)申請時隙的雙LAN高效協(xié)調融合機制能使兩個同時運行的WLAN快速完成協(xié)調融合，減少了heartbeat消息一直以CSMA的方式競爭接入信道對在CTAP時段傳輸的數據流的干擾，增大了MAC層吞吐量；c）基于公共時段剩余時隙量動態(tài)申請時隙的負載均衡機制能使網間節(jié)點充分利用P-CTAP1、P-CTAP2的剩余時隙，增大了MAC層吞吐量；d）基于剩余能量值的網橋節(jié)點切換機制能快速準確地切換網橋節(jié)點，維持了跨網數據幀的正常交互，增大了MAC層吞吐量。

5.3.2 數據平均時延

根據圖17的結果分析可知，數據平均時延會隨著各LAN中DEV個數的增加而逐漸上升，這主要是由于在CAP時段，所有節(jié)點都是以CSMA的方式競爭接入信道，所以節(jié)點愈多，碰撞的可能性愈大，導致節(jié)點不能及時申請到用于數據傳輸的時隙。然而，從整體上來看，EFC-MAC協(xié)議的數據平均時延較另外兩種協(xié)議的數據平均時延有一定程度的下降。主要原因在于：a）基于剩余能量值的網橋節(jié)點高效選舉機制能夠快速高效地選舉出合適的網橋節(jié)點，減少網絡中不必要的控制幀交互，提升了有數據業(yè)務傳輸需求的節(jié)點能成功接入信道的概率，降低了數據平均時延；b）基于動態(tài)申請時隙的雙LAN高效協(xié)調融合機制能使兩個同時運行的WLAN快速完成協(xié)調融合，減少了heartbeat消息一直以CSMA的方式競爭接入信道對在CTAP時段傳輸的數據流的干擾，降低了數據平均時延；c）基于公共時段剩余時隙量動態(tài)申請時隙的負載均衡機制能使網間節(jié)點充分利用P-CTAP1、P-CTAP2的剩余時隙，降低了數據平均時延；d）基于剩余能量值的網橋節(jié)點切換機制能快速準確的切換網橋節(jié)點，維持了跨網數據幀的正常交互，降低了數據平均時延。

5.3.3 時隙利用率

根據圖18的結果分析可知，時隙利用率會隨著各LAN中DEV個數的增加而逐漸上升，當DEV個數到達一定數量時，時隙利用率會趨于穩(wěn)定。當網絡達到飽和時，EFC-MAC協(xié)議的時隙利用率穩(wěn)定在了0.57左右且高于另外兩種協(xié)議，主要原因是：a）基于剩余能量值的網橋節(jié)點高效選舉機制能夠快速高效地選舉出合適的網橋節(jié)點，更快地使跨LAN數據得到轉發(fā)，提升了時隙利用率；b）基于動態(tài)申請時隙的雙LAN高效協(xié)調融合機制能使兩個同時運行的WLAN快速完成協(xié)調融合，減少了heartbeat消息一直以CSMA的方式競爭接入信道對在CTAP時段傳輸的數據流的干擾，提升了時隙利用率；c）基于公共時段剩余時隙量動態(tài)申請時隙的負載均衡機制能使網間節(jié)點充分利用P-CTAP1、P-CTAP2的剩余時隙，提升了時隙利用率；d）基于剩余能量值的網橋節(jié)點切換機制能快速準確地切換網橋節(jié)點，維持了跨網數據幀的正常交互，提升了時隙利用率。

6 結束語

本文針對現有協(xié)議中存在的網橋節(jié)點選舉機制不完善、網絡協(xié)調融合機制存在不足之處、網間節(jié)點申請公共時隙方式不夠靈活以及網橋節(jié)點切換機制尚不明確等問題，提出了一種高效快速融合的雙LAN太赫茲無線局域網MAC協(xié)議——EFC-MAC協(xié)議。將提出的EFC-MAC協(xié)議與另外兩種協(xié)議進行了比較，仿真結果表明，EFC-MAC協(xié)議提高了MAC層吞吐量，提升了時隙利用率以及降低了數據平均時延。在未來的研究中，將以EFC-MAC協(xié)議為基礎，研究在兩個以上WLAN的條件下，太赫茲無線局域網能快速高效進行協(xié)調融合的方法。

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收稿日期：2023-03-12；修回日期：2023-04-28基金項目：國家自然科學基金資助項目（61971080）

作者簡介：古金東（1997-），男（通信作者），河北張家口人，碩士研究生，CCF會員，主要研究方向為雙LAN太赫茲無線局域網MAC協(xié)議（1078100933@qq.com）；任智（1971-），男，四川內江人，教授，博導，博士，主要研究方向為寬帶無線通信網絡理論與技術；陳春宇（1999-），男，重慶人，碩士研究生，主要研究方向為太赫茲無人機局域網定向MAC協(xié)議；劉洋（1997-），男，重慶石柱人，碩士研究生，主要研究方向為太赫茲MAC協(xié)議.