CN106658747B - 基于时段精简的太赫兹无线个域网公平接入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太赫兹无线个域网领域，具体涉及一种基于时段精简的公平接入方法，主要解决现有相关接入方法存在的时隙请求量大于两个超帧提供的时隙容量时随机接入时段变得冗余、现有公平接入方法难以完全分配可分配时隙和现有低时延帧聚合机制在子帧头部的长度信息损坏时后续子帧不必要重传问题，其包括信标广播、数据传输和随机接入三个时段的操作，在信标广播时段自适应地根据时隙请求量的大小取消随机接入时段并基于请求量的大小有序公平地为节点分配时隙，在数据传输时段使用帧聚合方式时将最长的子帧进行逆向聚合，从而能够在不影响太赫兹无线个域网正常接入和保障节点接入公平性的前提下提高时隙利用率、提升网络吞吐量和数据时延性能。

Description

基于时段精简的太赫兹无线个域网公平接入方法
技术领域
本发明属于使用太赫兹无线个域网络(terahertz wireless personal areanetworks)技术的领域，尤其涉及在网络的MAC层采用了“TDMA+CSMA”混合接入方式的太赫兹无线个域网场合。
背景技术
太赫兹波是指频率范围在0.1THz-10THz的电磁波，其波长小于毫米波而大于红外光波，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。但在实际通信中，大气衰减(尤其是水汽吸收)会影响太赫兹波的传播距离，因此，太赫兹频段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。
太赫兹无线个域网是一种无需基础设施的覆盖范围较小的中心式网络，通常由多个具有太赫兹频段无线通信功能的设备组成，适用于近距离内多个网络设备之间的高速数据交换。太赫兹无线个域网使用太赫兹频段进行数据传输，与传统无线个域网在工作频段和网络带宽方面有所不同；它利用太赫兹频段高带宽的优势，可为不断出现的新型业务提供10Gbps以上的数据传输速率保障。太赫兹无线个域网是一种能够自我组织、自我管理的大带宽无线网络，作为未来近距离超高速无线通信的一种重要应用形式，具有明显的研究和应用价值。
接入方法工作在网络的MAC层，承担着节点信道接入控制等重要功能，在通信体系架构中具有重要地位和作用。近年来，人们已开始对太赫兹无线个域网接入方法进行研究，取得一些进展，相关研究工作正在逐步推进中。
较早开展太赫兹无线个域网接入方法研究的是Joan Capdevila Pujol等人，他们提出了一种基于物理层感知的、用于纳米传感网的太赫兹网络接入方法——PHLAME(aPHysical Layer Aware MAC protocol for Electromagnetic nanonetworks，参见文献：[1]Joan Capdevila Pujol,Josep Miquel Jornet,and Josep Sole Pareta.PHLAME:APhysical Layer Aware MAC Protocol for Electromagnetic Nanonetworks[C].2011IEEE Conference on Computer Communications Workshops(INFOCOM WKSHPS),2011:431-436.[2]Josep Miquel Jornet,Joan Capdevila Pujol,Josep SolePareta.PHLAME:A Physical Layer Aware MAC protocol for Electromagneticnanonetworks in the Terahertz Band[J].Nano Communication Networks,January2012,3(1):74-81.)。PHLAME的运行包括握手和数据传输两个过程，网络节点先进行握手操作，成功后才传输数据。在握手过程中，需发送数据的节点(以下简称“源节点”)向接收数据的节点(以下简称“目的节点”)发送一个TR(Transmission Request，传输请求)消息，目的节点收到该TR消息后，回复一个TC(Transmission Confirmation，传输确认)消息；如果在设定的时间内，源节点未收到目的节点回复的TC消息，它会再次发送TR消息，直至达到TR消息重发次数阈值。如果源节点收到了目的节点回复的TC消息，便进入数据传输过程；在此过程中，源节点使用双方协商好的数据符号率DSR(Data Symbol Rate)等参数向目的节点发送数据。PHLAM结合物理层脉冲通信的特点，使节点可以在任意时刻发送数据，并通过采用低权重编码和重复编码机制在不影响节点数据传输速率的前提下缓解数据帧的碰撞问题，有利于提高吞吐量。但每次发送数据都需要在源、目的节点间进行一对一的握手操作，不仅会增加控制开销，还会降低时隙资源的利用率，对网络吞吐量造成不利影响。
在后续研究中，PHLAME方法的设计者们仔细琢磨了包括握手请求和握手回复操作在内的整个握手过程，认为复杂的握手过程可能会限制太赫兹网络整体的吞吐量，因而握手过程不太适用于太赫兹网络环境，于是在参考IEEE802.11ad标准定义的接入方法(参见文献：Part 11:Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications,Amendment 3:Enhancements for Very High Throughput in the 60GHzBand,IEEE Std 802.11adTM-2012[S].IEEE Computer Society,New York,December2012.)等现有技术的基础上，提出了一种能量和频谱感知的接入方法——DSS-TDMA(aDynamic Scheduling Scheme based on TDMA，参见文献：Pu Wang,Josep Miquel Jornet,M.G.Abbas Malik,Nadine Akkari,Ian F.Akyildiz.Energy and spectrum-aware MACprotocol for perpetual wireless nanosensor networks in the Terahertz Band[J].Ad Hoc Networks,2013,11(8):2541-2555.)。DSS-TDMA将纳米传感器网络中的节点分为两种类型：逻辑地位更高、具有无线个域网控制功能的控制器节点controller和一般的纳米传感器节点nanosensor；它采用了一种基于TDMA的集中式动态时隙调度机制，控制器节点会根据传感器节点需要传输的数据量为其分配相应的时隙长度。DSS-TDMA将网络运行时间划分为多个相对独立的帧(frame)，每帧包含3个子帧(sub-frame)：DL(Down Link，下行链路)子帧、UL(Up Link，上行链路)子帧和RA(Random Access，随机接入)子帧，如说明书附图1所示。在DL子帧中，控制器节点在无线个域网全网范围内广播帧长度和子帧定界等控制信息；在UL子帧中，基于TDMA的时隙分配方式，传感器节点向控制器节点传输数据；在RA子帧中，基于随机竞争接入的方式，传感器节点向控制器节点申请在下一帧中传输数据的时隙，或者传感器节点相互之间交换信息。虽然在功能设计和名称确定等方面稍显简单，但DSS-TDMA开创性地为太赫兹无线个域网提供了一种基于TDMA+RA(时分多址+随机接入)的接入方法，对于引导后续太赫兹无线个域网接入方法的研究和设计，具有重要的指导意义。
Jian Lin等研究了在太赫兹微微网中具备能量控制的脉冲级别波束切换的接入方法(参见文献：Jian Lin,Weitnauer,Mary Ann Weitnauer.Pulse-level beam-switching MAC with energy control in picocell Terahertz networks[C].2014IEEEGlobal Communications Conference,2014:4460-4465.)，他们认为太赫兹波段的接入方法应更多关注的是“传输调度”而不是“竞争接入”，其中的主要原因就是因为太赫兹波段能够提供极大的传输带宽。一方面，为了克服太赫兹波段的高路径衰减以及扩大节点的传输范围，波束赋形中的可控窄带波束不可或缺；另一方面，在太赫兹波段产生的飞秒级别的脉冲无线电使得波束方向由传统的包级别切换为脉冲级别。
Shahram Mohrehkesh等指出数据成功传输需要接收节点有足够能量接收数据，为了提高能量利用率，提出了一种由接收节点发起的、集能感知的太赫兹无线网络接入方法——RIH-MAC(Receiver-Initiated Harvesting-aware MAC，参见文献：ShahramMohrehkesh,Michele C.Weigle.RIH-MAC:Receiver-Initiated Harvesting-aware MACfor Nanonetworks[C].Proceedings of the First ACM Annual InternationalConference on Nanoscale Computing and Communication,2014:1-9.)。RIH-MAC要求数据发送节点和接收节点在时间上同步，它将网络运行时间划分为等长的时隙，在每个时隙内收发节点共交换两个包；首先，接收节点发送一个RTR(Ready To Receive)包，发送节点收到RTR包后，将数据包发送给接收节点；如果需要，在下一个RTR包中，接收节点会向发送节点回复一个ACK消息。这种由接收节点主导的接入方法在多个发送节点向同一个接收节点发送数据的情况下如何避免数据帧碰撞，是一个较难解决的问题。
为了使RIH-MAC方法更加适应分布式的网络环境，Shahram Mohrehkesh等提出了一种改进的RIH-MAC接入方法——DRIH-MAC(DistributedReceiver-InitiatedHarvesting-aware MAC，参见文献：S Shahram Mohrehkesh,Michele C.Weigle,SajalK.Das.DRIH-MAC:A Distributed Receiver-Initiated Harvesting-Aware MAC forNanonetworks[J].IEEE Transactions on Molecular,Biological,and Multi-ScaleCommunications,March 2015,1(1):97-110.)。DRIH-MAC同样采用接收端发起数据传输的思路，但基于图着色问题来设计分布式的媒介接入方案，并通过预估周围邻居节点的当前能量级别和下一次通信的能量消耗来决定是否进行数据通信，从而有利于能够提高能量利用率，延长网络生存时间，最大化网络吞吐量；但它和RIH-MAC方法一样存在较难从原理上避免数据帧碰撞的问题。
Sebastian Priebe对太赫兹通信的MAC层技术进行了理论探讨(参见文献：Sebastian P.MAC Layer Concepts for THz Communications[EB/OL].March2013[2016-04-01],https://mentor.ieee.org/802.15/dcn/13/15-13-0119-00-0thz-mac-layer-concepts-for-thz-communications.pdf.)，通过分析多种用途模型的MAC层需实现的功能，指出应根据太赫兹通信用途模型设计相应的MAC接入方案，并建议太赫兹无线个域网接入方法以IEEE 802.15.3c标准(参见文献：IEEE 802.15.3c-2009Part 15.3:wirelessmedium access control(MAC)and physical layer(PHY)specifications for high ratewireless personal area networks(WPANs)amendment 2:millimeter-wave-basedalternative physical layer extension[S].IEEE Computer Society,2009)或IEEE802.11ad标准定义的接入方法为基准，在其上修改形成新的协议，现有相关接入方法的波束赋形、帧聚合等技术都可以考虑加以利用。他同时也在该文献中指出：IEEE802.15.3c定义的接入方法的控制开销少于IEEE802.11ad定义的接入方法。
在前期研究中，我们参考IEEE802.15.3c标准定义的接入方法，采用TDMA+CSMA/CA混合接入的思路，提出了一种新的太赫兹无线个域网接入方法——MAC-TUDWN(a MACprotocol for THz Ultra-high Data-rate Wireless Networks，参见文献：Zhi Ren,Yanan Cao,Shuang Peng,Hongjiang Lei.A MAC Protocol for Terahertz Ultra-HighData-Rate Wireless Networks[J].Applied Mechanics and Materials,2013,427-429(2013):2864-2869.)。MAC-TUDWN将太赫兹无线个域网的节点分为两种类型：逻辑地位更高、具有无线个域网控制功能的PNC(piconet coordinator)节点和一般的DEV(device)节点；同时，它将网络运行时间划分为多个超帧(superframe),并提出了一种双Beacon超帧结构：每个超帧包括Beacon1、CAP(Contention Access Period)、Beacon2和CTAP(ChannelTime Allocation Period)四个时段；在Beacon1时段，PNC广播超帧结构等信息；在CAP时段，有数据发送需求的DEV向PNC申请时隙；在Beacon2时段，PNC为DEV分配时隙并广播分配结果；在CTAP时段，获得时隙的DEV进行数据传输；此外，MAC-TUDWN还采用了免申请预分配机制避免冗余时隙请求。MAC-TUDWN的双Beacon超帧结构有利于在当前超帧CAP时段发出的时隙请求及时得到分配，也能避免重复的时隙请求，但双Beacon的相关操作增加了接入方法的复杂性。
刘文朋对太赫兹无线个域网的通信特点进行了研究，在IEEE 802.15.3c协议的基础上设计了一种高效公平的接入方法——HEF-MAC(High Efficiency Fairness MAC，参见文献：刘文朋.太赫兹无线个域网接入方法研究[D].硕士学位论文，重庆：重庆邮电大学,2015:21-47.)。HEF-MAC是较早考虑节点公平性的一种太赫兹无线个域网接入方法，在借鉴IEEE802.15.3c标准定义的接入方法的基础上，它采用了“分配给节点的时隙量≤可分配给节点的平均时隙量”的思路，以提高时隙分配的公平性；同时，精简了Beacon帧以减少冗余控制开销。HEF-MAC在效率和时隙分配公平性方面取得了进步，但我们通过深入研究发现它的公平性时隙分配机制存在时隙可能难以完全分配的问题，有待解决。
综上所述，人们对太赫兹无线个域网接入方法、尤其是使用TDMA+RA混合接入机制的方法已开展了一段时间的研究，在超帧结构、公平接入等方面取得一些进展，但我们通过深入研究发现，现有基于TDMA+RA混合接入方式的太赫兹无线个域网接入方法存在以下影响时隙利用率的问题：
1.当待分配的时隙请求量大于两个超帧能提供的时隙容量时，即使在当前超帧的随机接入时段申请了时隙，在下一超帧的数据传输时段也无法分配到时隙，从而导致当前超帧的随机接入时段成为冗余时段，时隙资源产生浪费。
2.现有太赫兹无线个域网中考虑了公平性问题的接入方法存在可分配时隙难以完全分配的问题，有可能浪费时隙资源。
3.在现有的低时延帧聚合机制中，子帧头部和子帧体依次拼接在一起，子帧头部包含子帧体的长度信息。如果某个子帧头部的子帧体长度信息损坏，那么该子帧和后续的子帧都无法正确拆解，因此即使后续的子帧头和子帧体都传送正确，也不得不全部重传，这样就带来了冗余的子帧重传操作，导致时隙资源浪费。
上述问题的存在导致太赫兹无线个域网中的时隙资源产生浪费，降低了时隙利用率，为了提高太赫兹无线个域网的吞吐量等性能，有必要提出新的接入方法对它们加以解决。本发明将针对这些问题提出切实可行的解决方案。
发明内容
为了解决上文所述的现有太赫兹无线个域网接入方法存在的浪费时隙资源的3个问题，本发明提出一种基于时段精简的太赫兹无线个域网新接入方法。
本发明提出的太赫兹无线个域网新接入方法包含“自适应取消随机接入时段”、“基于请求量的有序公平时隙分配”和“子帧逆向聚合”三种新机制，解决了时隙请求量大于两个超帧时隙容量时RA时段出现冗余的问题，在公平分配时隙的同时解决了时隙资源不能被全部分配的问题，并且减少了子帧头部出错时低时延帧聚合机制产生的时隙资源浪费，从而在不影响太赫兹无线个域网正常接入并保障接入公平性的前提下提高了时隙利用率，有利于吞吐量和数据时延等性能的提升。
与现有太赫兹无线个域网接入方法类似，本发明提出的太赫兹无线个域网新接入方法将网络节点从逻辑功能上分为PNC(PicoNet Controller，微微网控制器)和DEV(DEVice，设备)两类，两类节点的物理构成可以相同，节点两两间均能直接通信，如说明书附图2所示；并且将网络运行时间划分为长度可不等的多个超帧(superframe)，每个超帧通常由具有先后顺序的BA(Beacon Advertisment，信标广播)、DT(Data Transmission，数据传输)和RA(Random Access，随机接入)三个时段组成；但与现有相关方法不同的是：根据实际的情况和需求，RA或DT时段在部分超帧中可以不存在。
(一)本发明提出的新机制的基本原理
以下具体介绍本发明提出的“自适应取消随机接入时段”、“基于请求量的有序公平时隙分配”和“子帧逆向聚合”三种新机制的基本原理。
1.自适应取消随机接入时段
在现有太赫兹无线个域网接入方法中，当终端节点需要发送的总数据量较大，使用连续两个超帧的时隙资源都发送不完时，即使终端节点在当前超帧的RA时段申请了时隙，由于之前待发的数据尚未发完，终端节点在下一超帧里也得不到时隙，无法发送数据；这样，就导致当前超帧的RA时段是冗余的，可以取消。
“自适应取消随机接入时段”新机制的基本思路是：在超帧的BA时段，PNC确定当前超帧各时段的长度时，判断当前待发数据总量所需时隙数是否大于两个DT时段加上一个RA时段所包含的可用时隙数(如果DT时段和RA时段长度可变，则用它们的最大值进行判断)；如果大于，则将当前超帧的RA时段取消，BA时段后的时间都安排给DT时段；当前超帧未能申请时隙的DEV可以在下一超帧的RA时段申请，数据同样可以安排在下一超帧之后的超帧里传送。这样，便能在不影响DEV申请时隙的情况下增加可用于传输数据的时隙数量，提高时隙利用率，促进吞吐量的提高和数据时延的降低。“自适应取消随机接入时段”新机制的操作流程如说明书附图3所示。
2.基于请求量的有序公平时隙分配
根据现有使用“TDMA+RA”混合接入机制且考虑了公平性的太赫兹无线个域网接入方法，在PNC中，终端节点按请求时隙的先后顺序被分配时隙；每次分配之前计算可分配的平均时隙数(＝剩余时隙总数/已申请但未被分配节点总数)，按照，“分配给节点的时隙量≤可分配给节点的平均时隙量”的原则，每个节点被分配的时隙数不超过可分配的平均时隙数。根据该机制，当时隙请求量小于可分配平均时隙数的节点排在后面分配时隙时，有可能出现时隙分不完的问题，影响时隙利用率。
为解决该问题，本发明提出一种“基于请求量的有序公平时隙分配”的新机制，它的基本原理如下：
PNC分配时隙时，先根据请求时隙量从小到大的顺序对请求节点进行排序，然后，按照此顺序(请求时隙量从小到大)依次为终端节点分配时隙；在每次分配之前计算可分配的平均时隙数(＝剩余时隙总数/已申请但未被分配节点总数)，每个节点被分配的时隙数不超过平均可分时隙数。这样，在保障节点时隙分配公平性的同时，也解决了当时隙请求量小于可分配平均时隙数的节点排在后面分配时隙时可能出现的时隙分不完的问题。“基于请求量的有序公平时隙分配”新机制的操作流程如说明书附图4所示。
3.子帧逆向聚合
在现有使用“TDMA+RA”混合接入机制的太赫兹无线个域网接入方法的低时延帧聚合机制中，子帧头部、子帧体和子帧尾部(通常是帧校验序列FCS)依次拼接在一起(如说明书附图5所示)，子帧头部包含子帧体的长度信息。如果某个子帧头部的子帧体长度信息损坏，那么该子帧和后续的子帧都无法正确拆解，即使后续的子帧头和子帧体都传送正确，也不得不全部重传，从而导致冗余的子帧重传操作，浪费时隙资源。为解决此问题，我们提出了“子帧逆向聚合”的新机制，该新机制基本原理如下：
为了缓解位置在前的子帧头部损坏时影响后续子帧的拆解，先从待聚合的子帧中选出长度最大的子帧；然后将该子帧进行“逆向变换”—将帧头、帧体和帧尾的位置倒换，从帧头在前变为帧尾在前；最后，将该逆向子帧放到聚合帧的尾部作为最后一个子帧。这样做的效果是：即使聚合帧前面有子帧头部损坏，只要放置在聚合帧尾部的逆向子帧头部没有损坏，该逆向子帧也能被正常拆分解析出来，从而能够在子帧头部出错时解析出更多的子帧，减少需要重传的子帧，节约时隙资源。“子帧逆向聚合”新机制的操作流程如说明书附图6所示，新的聚合帧结构如说明书附图7所示。
(二)本发明提出的太赫兹无线个域网接入方法的主要操作
本发明提出的太赫兹无线个域网接入方法将网络节点从逻辑功能上分为PNC和DEV两类，并将网络运行时间划分为长度可不等的多个超帧，每个超帧通常由具有先后顺序的BA、DT和RA三个时段组成，根据实际情况和需求，RA或DT时段在部分超帧中可以不存在。
本发明提出的太赫兹无线个域网接入方法包含“自适应取消随机接入时段”、“基于请求量的有序公平时隙分配”和“子帧逆向聚合”三种新机制，其中，“自适应取消随机接入时段”和“基于请求量的有序公平时隙分配”两种新机制工作在BA时段，“子帧逆向聚合”新机制工作在DT时段,如说明书附图8所示。下面按照BA、DT和RA时段的顺序，具体介绍本发明提出的太赫兹无线个域网接入方法的主要操作。
1.BA时段
本发明提出的太赫兹无线个域网接入方法在BA时段的主要操作是广播及接收信标消息，由PNC和DEV执行，具体步骤如下：
步骤1：PNC根据DEV的时隙请求量确定当前超帧的长度和所含时段。主要操作如下：
(1)PNC判断DEV有无时隙请求。
(2)如果DEV没有时隙请求，则将当前超帧长度定为最小值，只设BA和RA两个时段，不设DT时段；然后，转步骤3。
(3)如果DEV有时隙请求，PNC则采用本发明提出的“自适应取消随机接入时段”新机制，判断时隙请求量是否大于两个DT时段加上一个RA时段(即两个超帧)所包含的最大可用时隙数；如果大于，将当前超帧长度设为最大值，同时只设BA和DT两个时段，不设RA时段以更充分地利用时隙资源；如果不大于，则根据时隙请求量设置当前超帧长度(如果当前超帧不能满足时隙请求则将当前超帧的长度设置为最大)，并且设置BA、DT和RA三个时段。
步骤2：PNC根据DEV时隙请求量有序公平分配时隙，在该过程中采用本发明提出的“基于请求量的有序公平时隙分配”新机制，主要操作如下：
(1)PNC根据时隙请求量从小到大的顺序将DEV进行排序。
(2)PNC按照排序结果依次为DEV分配时隙，时隙请求量小的节点先分配。具体如下：
设待分配DEV数量为N，可分配时隙数为S，排序后第i个节点的时隙请求量为Ai(i＝1,2,…，N),PNC为第i个DEV分配的时隙数为Di(i＝1,2,…，N)。
1)PNC首先为第1个DEV分配时隙(即计算D1)，它判断A1<N/S是否成立，如果成立，则令D1＝A1，否则，令D1＝[N/S](向下取整)。
2)接下来，PNC为第2个DEV分配时隙，它判断A2<(N-D1)/(S-1)是否成立；如果成立，则令D2＝A2，否则，令D2＝[(N-D1)/(S-1)](向下取整)。
3)当PNC为第i个DEV分配时隙时，它判断Ai<(N-)/(S-(i-1))是否成立；如果成立，则令Di＝Ai，否则，令Di＝[(N-)/(S-(i-1))](向下取整)。
4)PNC按照上述方法反复操作，直至为所有N个DEV全部分配时隙。
步骤3：PNC生成一个Beacon帧，将超帧长度及构成、DEV时隙分配结果等信息装入其中，然后，向太赫兹无线个域网中的所有DEV广播该Beacon帧。
步骤4：DEV收到Beacon帧后，取出超帧长度及构成、DEV时隙分配结果等信息并存储，以备后续操作之用。
2.DT时段
DT时段的核心操作是收发数据。如果在超帧中设有DT时段，则PNC和DEV执行如下操作步骤：
步骤1：分到了时隙的DEV根据时隙分配结果，在对应的时隙向PNC或者其它DEV发送数据帧。DEV在发送数据时如果使用了低时延帧聚合机制，则采用本发明提出的“子帧逆向聚合”新机制，具体操作如下：
(1)DEV从待聚合的子帧中选出最长子帧——长度最大的子帧。
(2)DEV对最长子帧进行“逆向变换”——将帧头、帧体和帧尾的位置倒换。
(3)将该逆向子帧放到聚合帧的尾部作为最后一个子帧。
(4)按现有方式对其余待聚合的子帧进行聚合。
步骤2：作为目的节点的PNC或者DEV接收数据并做处理(如存储)。如果设置了回复ACK操作，则向发送数据的DEV回复ACK消息。
3.RA时段
RA时段的核心操作是DEV请求时隙。如果在超帧中设有RA时段，则DEV和PNC执行如下操作步骤：
步骤1：DEV检查自己的数据发送缓冲区，看是否有数据需要发送；如果没有则不做后续操作；如果有，DEV则计算发送数据需要的时隙量；接着，生成一个时隙请求消息，将需要的时隙量装入其中；然后，DEV使用随机接入方式向PNC单播该时隙请求消息。
步骤2：PNC收到DEV发来的时隙请求消息后，从中提取出DEV的时隙请求量；接着，计算可以分配多少时隙给该DEV：可分配的时隙量＝min{申请时隙量，剩余可分配时隙量}；然后，生成一个请求回复消息，将可分配给DEV的时隙量装入其中(如果没有时隙可分配给DEV，则令可分配给DEV的时隙量＝0)；最后，用随机接入方式将该请求回复消息单播给DEV。
步骤3：DEV接收回复请求消息，从中提取出已分配的时隙量，并据此计算出在下一超帧中可以发送的数据量以及还需申请的时隙量(＝申请的时隙量-已分配的时隙量)以备后用。
(三)本发明的有益效果
本发明的有益效果主要是：在不影响太赫兹无线个域网正常接入和保障节点接入公平性的前提下，提高时隙利用率，从而提升网络吞吐量和数据时延等性能。
本发明提高时隙利用率的有益效果主要来自以下三个方面：
(1)采用“自适应取消随机接入时段”新机制，在DEV时隙请求量大于两个超帧能提供的时隙量时取消随机接入(RA)时段，从而能够避免出现冗余的随机接入时段，增加可用时隙量，提高时隙利用率。
(2)采用“基于请求量的有序公平时隙分配”新机制，在公平分配时隙的同时能够将可用时隙全部分配，避免了时隙资源的浪费，提高了时隙利用率。
(3)采用“子帧逆向聚合”新机制，在使用低时延帧聚合机制的过程中遇到子帧头部出错时，能够在子帧头部出错时解析出更多的子帧，从而减少需要重传的子帧，降低时隙资源的浪费，提高时隙利用率。
附图说明
附图1为DSS-TDMA接入方法的帧结构示意图。
DSS-TDMA将网络运行时间划分为多个相对独立的帧(frame)，每帧包含3个子帧(sub-frame)：DL(Down Link，下行链路)子帧、UL(Up Link，上行链路)子帧和RA(RandomAccess，随机接入)子帧。
附图2为太赫兹无线个域网节点类型和网络拓扑示意图。
太赫兹无线个域网络PNC和DEV两种类型的节点组成，它们的物理构成通常相同；网络中任意两个节点之间均可进行双向数据传输，最高数据传输速率可达到10Gbps级别。
附图3为“自适应取消随机接入时段”新机制操作流程图。
“自适应取消随机接入时段”新机制的主要操作步骤包括在超帧的BA时段PNC判断当前待发数据总量所需时隙数是否大于两个DT时段加上一个RA时段所包含的可用时隙数，以及根据上述判断结果确定是否在当前超帧中设置RA时段。
附图4为“基于请求量的有序公平时隙分配”新机制的操作流程图。
基于请求量的有序公平时隙分配”新机制的主要操作包括对请求量进行排序和依序分配时隙两个部分。
附图5为现有相关接入方法采用的低时延聚合帧结构。
现有低时延聚合帧结构的主要特点是参与聚合的子帧首尾相连，每个子帧的帧头在前、帧体在中、帧尾在后；子帧头部含有子帧长度的信息。
附图6为“子帧逆向聚合”新机制的操作流程图。“子帧逆向聚合”新机制的主要思想是将最长的子帧放在聚合帧的末尾且帧头、帧体和帧尾倒换位置，从而能够在前面的子帧头部损坏时仍然正确地解析出最后一个子帧。
附图7为含逆向子帧的聚合帧结构。
含逆向子帧的聚合帧在结构上的主要特点是最后一个子帧最长而且帧头、帧体和帧尾倒换位置，即帧体在前，帧头在后，而帧尾FCS部分则在帧体前面。
附图8为本发明提出的基于时段精简的太赫兹无线个域网公平接入方法组成示意图。
本发明提出的太赫兹无线个域网接入方法由BA、DT和RA三个时段的操作组成，包含“自适应取消随机接入时段”、“基于请求量的有序公平时隙分配”和“子帧逆向聚合”三种新机制，其中，“自适应取消随机接入时段”和“基于请求量的有序公平时隙分配”两种新机制工作在BA时段，“子帧逆向聚合”新机制工作在DT时段。
具体实施方式
在网络节点数不小于3的太赫兹无线个域网络中，一个节点被选为PNC，其余节点作为DEV，所有节点处于静止或缓慢移动状态，每个节点既可以是业务的源节点，也可以是业务的目的节点；任意两个节点之间均可以直接进行双向通信。网络中的每个节点都运行本发明提出的高信道利用率的太赫兹无线个域网接入方法，在操作上通常可分为BA、DT和RA三个时段，或者根据实际情况和需求分为BA、DT或BA、RA两个时段。具体实施方式如下：
1.BA时段
本发明提出的太赫兹无线个域网接入方法在BA时段的主要操作具体如下：
P1-S1：PNC根据DEV的时隙请求量确定当前超帧的长度和所含时段。主要操作如下：
P1-S11：PNC判断DEV有无时隙请求。
P1-S12：如果DEV没有时隙请求，则将当前超帧长度定为最小值，只设BA和RA两个时段，不设DT时段；然后，转步骤3。
P1-S13：如果DEV有时隙请求，PNC则采用本发明提出的“自适应取消随机接入时段”新机制，判断时隙请求量是否大于两个DT时段加上一个RA时段所包含的最大可用时隙数；如果大于，将当前超帧长度设为最大值，同时只设BA和DT两个时段，不设RA时段以更充分地利用时隙资源；如果不大于，则根据时隙请求量设置当前超帧长度(如果当前超帧不能满足时隙请求则将当前超帧的长度设置为最大)，并且设置BA、DT和RA三个时段。
P1-S2：PNC根据DEV时隙请求量有序公平分配时隙，在该过程中采用本发明提出的“基于请求量的有序公平时隙分配”新机制，主要操作如下：
P1-S21：PNC根据时隙请求量从小到大的顺序将DEV进行排序。
P1-S22：PNC按照排序结果依次为DEV分配时隙，时隙请求量小的节点先分配。具体如下：
设待分配DEV数量为N，可分配时隙数为S，排序后第i个节点的时隙请求量为Ai(i＝1,2,…，N),PNC为第i个DEV分配的时隙数为Di(i＝1,2,…，N)。
P1-S221：PNC首先为第1个DEV分配时隙(即计算D1)，它判断A1<N/S是否成立，如果成立，则令D1＝A1，否则，令D1＝[N/S](向下取整)。
P1-S222：接下来，PNC为第2个DEV分配时隙，它判断A2<(N-D1)/(S-1)是否成立；如果成立，则令D2＝A2，否则，令D2＝[(N-D1)/(S-1)](向下取整)。
P1-S223：当PNC为第i个DEV分配时隙时，它判断Ai<(N-)/(S-(i-1))是否成立；如果成立，则令Di＝Ai，否则，令Di＝[(N-)/(S-(i-1))](向下取整)。
P1-S224：PNC按照上述方法反复操作，直至为所有N个DEV全部分配时隙。
P1-S3：PNC生成一个Beacon帧，将超帧长度及构成、DEV时隙分配结果等信息装入其中，然后，向太赫兹无线个域网中的所有DEV广播该Beacon帧。
P1-S4：DEV收到Beacon帧后，取出超帧长度及构成、DEV时隙分配结果等信息并存储，以备后续操作之用。
2.DT时段
如果在超帧中设有DT时段，则PNC和DEV执行如下操作步骤：
P2-S1：分到了时隙的DEV根据时隙分配结果，在对应的时隙向PNC或者其它DEV发送数据帧。DEV在发送数据时如果使用了低时延帧聚合机制，则采用本发明提出的“子帧逆向聚合”新机制，具体操作如下：
P2-S11：DEV从待聚合的子帧中选出最长子帧——长度最大的子帧。
P2-S12：DEV对最长子帧进行“逆向变换”——将帧头、帧体和帧尾的位置倒换。
P2-S13：将该逆向子帧放到聚合帧的尾部作为最后一个子帧。
P2-S14：按现有方式对其余待聚合的子帧进行聚合。
P2-S2：作为目的节点的PNC或者DEV接收数据并做处理(如存储)。如果设置了回复ACK操作，则向发送数据的DEV回复一个ACK消息。
3.RA时段
如果在超帧中设有RA时段，则DEV和PNC执行如下操作步骤：
P3-S1：DEV检查自己的数据发送缓冲区，看是否有数据需要发送；如果没有则不做后续操作；如果有，DEV则计算发送数据需要的时隙量；接着，生成一个时隙请求消息，将需要的时隙量装入其中；然后，DEV使用随机接入方式向PNC单播该时隙请求消息。
P3-S2：PNC收到DEV发来的时隙请求消息后，从中提取出DEV的时隙请求量；接着，计算可以分配多少时隙给该DEV：可分配的时隙量＝min{申请时隙量，剩余可分配时隙量}；然后，生成一个请求回复消息，将可分配给DEV的时隙量装入其中(如果没有时隙可分配给DEV，则令可分配给DEV的时隙量＝0)；最后，用随机接入方式将该请求回复消息单播给DEV。
P3-S3：DEV接收回复请求消息，从中提取出已分配的时隙量，并据此计算出在下一超帧中可以发送的数据量以及还需要申请的时隙量(＝申请的时隙量-已分配的时隙量)以备后用。

Claims (1)

1.一种基于时段精简的太赫兹无线个域网公平接入方法，它以超帧为基本单位划分网络运行时间，每个超帧包括信标广播、数据传输和随机接入三个时段；包含“自适应取消随机接入时段”、“基于请求量的有序公平时隙分配”和“子帧逆向聚合”三种新机制；网络中的微微网控制器节点——PNC和设备节点——DEV在上述三个时段内的操作如下：
P1：信标广播时段
信标广播时段用于PNC向全网广播信标消息；本时段运行“自适应取消随机接入时段”新机制；本时段运行过程和新机制具体实现过程如下：
S1-1：PNC确定超帧结构和时隙分配结果；在确定超帧结构的过程中，PNC运行“自适应取消随机接入时段”新机制，判断时隙请求总量是否大于两个超帧所包含的最大可用时隙数；如果大于，则将当前超帧的结构设置为只包含信标广播和数据传输两个时段，取消随机接入时段，原用于随机接入时段的时隙划入数据传输时段；
S1-2：PNC通过信标帧向所有DEV广播超帧结构和时隙分配结果；
S1-3：DEV收到信标帧后存储其中的信息；
P2：数据传输时段
数据传输时段用于网络节点传输数据，网络节点包括PNC和DEV；本时段运行“子帧逆向聚合”新机制；本时段运行过程和新机制具体实现过程如下：
S2-1：源节点根据时隙分配结果使用对应的时隙发送数据；在发送数据时，节点如果使用了低时延帧聚合方式，则运行“子帧逆向聚合”新机制，将聚合帧中长度最大的子帧的帧头、帧体和帧尾的位置倒换，从帧头在前变为帧尾在前；然后，将逆向子帧放到聚合帧的尾部作为最后一个子帧；最后，将聚合帧发送出去；
S2-2：目的节点收到数据后进行存储并在需要时回复ACK消息；
P3：随机接入时段
随机接入时段用于DEV申请时隙和PNC分配时隙；本时段运行“基于请求量的有序公平时隙分配”新机制；本时段运行过程和新机制具体实现过程如下：
S3-1：有数据传送需求的DEV采用信道竞争接入的方式向PNC发送时隙申请消息以申请数据传输时隙；
S3-2：PNC收到时隙请求消息后，为DEV分配时隙；在此过程中，PNC运行“基于请求量的有序公平时隙分配”新机制，先将时隙请求量按照从小到大的顺序进行排序，然后按照该顺序依次为DEV分配时隙，每个DEV分得的时隙量不大于可分配给节点的平均时隙量；可分配给节点的平均时隙量＝剩余可分配时隙总量/待分配DEV数；
S3-3：PNC发送回复消息将时隙分配结果告知申请时隙的DEV。
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