CN107548163B - 一种可靠高时隙利用率的太赫兹无线个域网接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种可靠高时隙利用率的太赫兹无线个域网接入方法。它将网络运行时间分为长度可不等的多个超帧，每个超帧由Beacon、CAP和CTAP三个有序时段组成；它包含“多维度双向子帧帧体提取”、“PNC基于监听自适应使用CTA时隙”和“子帧头部字段数量动态化”三种新机制，这些新机制均工作在超帧的CTAP时段。通过从三个维度和两个方向尽可能多地提取标准聚合帧中的子帧帧体、让PNC有待传数据而无分配时隙时自适应地使用分给DEV而未被使用的CTA时隙、根据子帧头部实际数量动态调整准聚合帧中子帧头部字段的数量，新接入方法提升了数据帧传输的可靠性和时隙利用率并减少了控制字段，从而能够提高数据帧传送成功率和吞吐量、降低控制开销和数据帧平均时延。

Description

一种可靠高时隙利用率的太赫兹无线个域网接入方法

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(Medium Access Control,媒介接入控制)层采用了TDMA(Time Division Multiple Access,时分多址接入)+CSMA(Carrier SenseMultiple Access,载波侦听多址接入)混合接入方式和标准帧聚合机制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，波长介于毫米波和红外光波之间，能在维持通信链路稳定的同时提供较高的带宽容量。但在实际的通信环境中，其受大气衰减(尤其是水汽吸收)影响严重，导致其传播距离较短。因此，太赫兹频段通信目前更多地被考虑应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(网络组成请参见说明书附图1)，它能提供10Gbps以上的传输速率，但其有效通信的距离一般小于10m，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，具有重要的研究和应用价值。

接入方法工作在网络中的MAC层，其主要功能是实现信道的接入控制，在通信体系架构中起着重要的作用。对于太赫兹无线个域网接入方法的研究，已经取得了一些进展，相关的研究工作还在继续进行。

在太赫兹无线个域网接入方法研究方面，Joan Capdevila Pujol等较早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(a PHysicalLayer Aware MAC protocol for Electromagnetic nanonetworks，参见文献[1]:JoanCapdevila Pujol,Josep Miquel Jornet,and Josep Sole Pareta.PHLAME:A PhysicalLayer Aware MAC Protocol for Electromagnetic Nanonetworks[C].2011IEEEConference on Computer Communications Workshops(INFOCOM WKSHPS),2011:431-436,以及文献[2]:Josep Miquel Jornet,JoanCapdevila Pujol,Josep Sole Pareta.PHLAME:A Physical Layer Aware MAC Protocol for Electromagnetic Nanonetworks in theTerahertz Band[J].Nano Communication Networks,January 2012,3(1):74-81)。PHLAME协议的运行包括握手和数据传输两个阶段，网络中的节点先进行握手操作，成功后才能够进行数据传输。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(Transmiss ion 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优势在于其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，通过采用不同的符号速率机制、低权重编码机制和重复编码机制，能够缓解数据帧的碰撞问题，有利于提高吞吐量。PHLAM的不足之处是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，这样不仅会增加额外的控制开销，也会降低时隙资源的利用率，降低网络的吞吐量。

在之后的研究中，Pu Wang等在现有技术的基础上，提出了一种能量和频谱感知的接入方法——DSS-TDMA(a Dynamic Scheduling Scheme based on TDMA，参见文献[3]:PuWang,Josep Miquel Jornet,M.G.Abbas Malik,Nadine Akkari,Ian F.Akyildiz.Energyand Spectrum-aware MAC Protocol for Perpetual Wireless Nanosensor Networks inthe 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；DSS-TDMA将网络运行时间划分为许多个相对独立的帧(frame)，每个帧都包含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。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的交换信息。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，对后续太赫兹无线个域网接入方法的研究和设计提供了重要的指导思想。

在这之后，Jian Lin等深入研究了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[4]:Jian Lin,Weitnauer,Mary Ann Weitnauer.Pulse-levelBeam-switching MAC with Energy Control in Picocell Terahertz Networks[C].2014IEEEGlobal Communications Conference,2014:4460-4465)，他们将太赫兹波段的接入方法的重点由原来的“竞争接入”转向“传输调度”，主要原因是太赫兹波段能够提供极大的传输带宽。为了克服太赫兹波段的高路径衰减、增加太赫兹通信传输距离，波束赋形中的可控窄带波束部分不可或缺；同时，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。

Sebastian priebe对太赫兹通信的MAC层技术方面进行了理论探讨(参见文献[5]:Sebastian P.MAC Layer Concepts for THz Communications[EB/OL].March 2013[2016-04-01],https://mentor.ieee.org/802.15/dcn/13/15-13-0119-00-0thz-mac-layer-concepts-for-thz-communications.pdf)，通过对多种用途的MAC层功能分析，指出应该根据太赫兹通信的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[6]: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。

为了进一步地提升吞吐量，增加信道资源的利用率，IEEE 802.15.3c标准里提出了两种帧聚合机制：标准帧聚合和低时延帧聚合。标准帧聚合机制的主要思路是将来自上层的MSDU(MAC Service Data Unit，MAC服务数据单元)先进行分片处理，每一片对应一个子帧，然后再为每个子帧添加相应的FCS(Frame Check Sequence，帧校验序列)和对应的子帧头部，子帧帧体部分一个接一个地聚合到一起，并将所有的子帧头部按照相同顺序一个接一个聚合到一起，然后加上一个HCS(Header Check Sequence，头部校验序列)来形成一个MAC subheaders,最后加上一个MAC头部，形成聚合帧。标准聚合帧的子帧头部数量固定为8个。

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 forTHz Ultra-high Data-rate Wireless Networks，参见文献[7]:Zhi Ren,Yanan Cao,ShuangPeng,Hongjiang Lei.A MAC Protocol for Terahertz Ultra-HighData-Rate WirelessNetworks[J].Applied Mechanics and Materials,2013,427-429(2013):2864-2869)。MAC-TUDWN将太赫兹无线个域网中的节点分为两种：逻辑地位更高、具有无线个域网控制管理功能的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),并根据现有的802.15.3c帧结构，提出了一种双Beacon超帧结构：每个超帧分为：Beacon1、CAP(Contention AccessPeriod)、Beacon2和CTAP(Channel Time Allocation Period)四个时段；在Beacon1时段，PNC广播超各时段起始时刻等信息；在CAP时段，有数据发送需求的DEV通过竞争信道向PNC申请时隙；在Beacon2时段，PNC广播分配的时隙结果；在CTAP时段，获得时隙的DEV在对应的时段进行数据传输；此外，MAC-TUDWN还采用了免申请预分配机制避免节点的重复申请。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，从而减少时延，但该方法的相关操作增加了接入方法的复杂性，同时双beacon的设置也增加了一定的控制开销。

刘文朋在太赫兹无线个域网接入方法方面进行了相关研究，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 FairnessMAC，参见文献[8]: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)。该接入方法提高了时隙分配的公平性，减少了冗余的控制开销。

曹建玲等在太赫兹无线网络方面进行了进一步研究，提出了一种高吞吐量低时延太赫兹超高速无线网络MAC协议——HL-MAC(High throughput low-delay MAC protocol,参见文献[9]:曹建玲,崔平付,刘文朋,任智,陈前斌.高吞吐量低时延太赫兹超高速无线网络MAC协议[J].系统工程与电子技术,2016,38(3):679-684)。通过设计一种新的超帧结构，即将CAP时段放置到CTAP时段之后，使节点及时得到时隙分配信息，大大降低数据接入时延；通过更新时隙请求量和合并同一对节点的时隙请求，增加了数据发送量，提高了网络吞吐量。这在以后的研究中很有借鉴意义。

综上所述，人们对太赫兹无线个域网接入方法的研究已经开展了一段时间，在超帧结构设计、时隙分配等方面取得了一定的进展。但深入研究发现，现有太赫兹无线个域网接入方法存在如下问题：

(1)如果一个DEV在一个超帧中被分配了时隙但它没能成功接收Beacon帧，那么它无法使用分给它的时隙，其它节点也不会使用那些时隙，因而会导致时隙被浪费。

(2)在现有相关接入方法的标准帧聚合机制中，子帧头部包含子帧帧体的长度信息，若该子帧帧体长度信息损坏，则对应的子帧帧体无法正确提取，此时即使后续子帧的头部和帧体没有差错，也会导致后续子帧帧体无法正确提取，导致子帧不必要的重传。

(3)在现有相关接入方法的标准帧聚合机制中，子帧头部字段数量固定(＝8)，在聚合子帧数量较少(<8)时子帧头部字段会出现冗余。

上述问题会导致超帧时隙资源浪费、子帧不必要重传和控制开销不必要增加，对于太赫兹无线个域网接入方法时隙利用率、可靠性和效率有不利影响，因此需要加以解决。

发明内容

为了解决上述的现有太赫兹无线个域网接入方法存在的问题，本发明提出了一种可靠高时隙利用率的太赫兹无线个域网接入方法。该方法包含“PNC基于监听自适应使用CTA时隙”、“子帧头部字段数量动态化”和“多维度双向子帧帧体提取”三种新机制，对上述CTAP可能存在空闲时隙、标准帧聚合子头部个数可能固定，以及聚合帧子帧无法被正确解析导致重传的问题进行了相应的完善和处理，有利于提高网络的时隙利用率，减少数据传输中的控制开销，减少聚合帧子帧重传个数。

本发明提出的太赫兹无线个域网接入方法与现有太赫兹无线个域网接入方法类似，将网络中的节点按照逻辑功能的不同分为PNC和DEV，PNC负责管理整个网络，这两类节点的物理构成相同，同一网络中的两个节点之间均能够进行通信；将网络的运行时间分为长度可不等的多个超帧(superframe)，每个超帧由具有先后顺序的Beacon、CAP和CTAP三个时段组成，每个CTAP又分为多个CTA(Channel Time Allocation，通常1个DEV被分配1个CTA)，每个CTA由多个TU(Time Unit)组成，超帧结构请详见说明书附图2。

(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“多维度双向子帧帧体提取”、“PNC基于监听自适应使用CTA时隙”、“子帧头部数量动态化”三种新机制的基本思路和主要操作。

1.多维度双向子帧帧体提取

在现有相关接入方法的标准帧聚合机制中，子帧头部和子帧其它部分(帧体、帧尾)被分开，子帧头部聚集到一起放于聚合帧的“MAC子头部”域，子帧头部中包含对应子帧的帧体长度信息；若该长度信息损坏，则对应的子帧帧体无法正确提取，即使后续子帧的头部和帧体正确，也会导致后续子帧帧体均无法正确提取，导致子帧的不必要重传。为解决该问题，我们提出了“多维度双向子帧帧体提取”的新机制，该新机制的基本思路如下：

收到标准聚合帧的节点先从一个方向(如正向——从聚合帧的帧头到帧尾的方向)按子帧头部的排列顺序从子帧头部提取出子帧帧体长度值，然后根据该值在聚合帧的“子帧域”(存放各子帧帧体和帧尾的域)提取出子帧帧体及帧尾，并进行差错校验；如果校验出错，则根据网络允许的子帧帧体的最大和最小长度，去提取帧体并进行差错校验；如果校验出错，则根据“子帧域”长度的组成情况确定可能出现的长度值，按照该长度值去提取帧体并进行差错校验；如果校验出错，则从相反的方向(如反向——从聚合帧的帧尾到帧头的方向)、按相反的顺序，根据子帧头部的帧体长度值、帧体的最大和最小长度、帧体可能出现的长度值三个维度取提取子帧帧体并进行差错校验。

“多维度双向子帧帧体提取”新机制由PNC和DEV执行，基本操作流程如说明书附图3所示，主要操作如下：

(1)每个节点在MAC层设置和存储如下变量：

●“帧体提取方向标志”变量D：类型为短整型，其值为“0”表示按正向(从聚合帧的帧头到帧尾的方向)提取子帧帧体，为“非0”表示按反向(从聚合帧的帧尾到帧头的方向)提取子帧帧体；初始和缺省设置为“0”。

●“按帧体最大长度提取标志”变量FL_max：类型为短整型，其值为“0”表示不按帧体最大长度提取子帧帧体，为“非0”表示按帧体最大长度L_max提取子帧帧体；初始和缺省设置为0。

●“按帧体最小长度提取标志”变量FL_min：类型为短整型，其值为“0”表示不按帧体最小长度提取子帧帧体，为“非0”表示按帧体最小长度L_min提取子帧帧体；初始和缺省设置为0。

●“帧体可能长度”变量L_pos：类型为整型，用于存放子帧帧体可能出现的长度值，初始和缺省值设为“-1”，当值<0时表示不按可能长度L_pos去提取子帧帧体，值>0则表示以该值为长度去提取子帧帧体。可以根据需要设置多个“帧体可能长度”变量，如“帧体可能长度”、“帧体可能长度1”等。

●此外，每个节点在组装标准聚合帧时，当子帧头部和帧体已经全部装入后，将子帧帧体按从大到小的顺序(缺省建议从大到小，若有具体需求从小到大也可)进行位置调整，子帧帧头的位置也做相应调整。

(2)节点收到标准聚合帧后，根据聚合帧的长度和结构计算出“子帧域”的长度L_sf，并从聚合帧头部(缺省建议提取“子帧数量”字段的值)获知子帧数量N_sf。

(3)当前节点判断：子帧域长度≥帧体最大长度+(子帧数量-1)×帧体最小长度？如果成立，则将“按帧体最大长度提取标志”变量置为“1”。

(4)当前节点判断：子帧域长度≤帧体最大长度×(子帧数量-1)+帧体最小长度？如果成立，则将“按帧体最小长度提取标志”变量置为“1”。

(5)当前节点判断：子帧域长度>帧体最大长度×(子帧数量-1)+帧体最小长度？如果成立，则将“帧体可能长度”变量的值设为：子帧域长度-帧体最大长度×(子帧数量-1)。

(6)当前节点判断：是否还有未提取的子帧帧体？如果是，则执行下一步；如果否，则结束本新机制的操作。

(7)当前节点获取“帧体提取方向标志”变量的值，确定子帧帧体提取的方向。

(8)当前从“MAC子头部”域里排序最靠前的未处理子帧头部提取出子帧帧体长度值。

(9)当前节点根据该子帧帧体长度值，按子帧帧体提取的方向，从聚合帧的“子帧域”提取出子帧帧体及帧尾。

(10)当前节点用提取出的帧尾对子帧帧体进行差错校验。

(11)当前节点判断：校验结果是否正确？如果是，则转步骤(6)；如果否，则执行下一步。

(12)当前节点判断：“按帧体最大长度提取标志”变量的值≠0？如果是，则用帧体最大长度值，按子帧帧体提取的方向，从聚合帧的“子帧域”提取出子帧帧体及帧尾；如果否，转步骤(15)。

(13)当前节点用提取出的帧尾对子帧帧体进行差错校验。

(14)当前节点判断：校验结果是否正确？如果是，则转步骤(6)；如果否，则执行下一步。

(15)当前节点判断：“按帧体最小长度提取标志”变量的值≠0？如果是，则用帧体最小长度值，按子帧帧体提取的方向，从聚合帧的“子帧域”提取出子帧帧体及帧尾；如果否，转步骤(18)。

(16)当前节点用提取出的帧尾对子帧帧体进行差错校验。

(17)当前节点判断：校验结果是否正确？如果是，则转步骤(6)；如果否，则执行下一步。

(18)当前节点判断：“帧体可能长度”变量的值>0？如果是，则用帧体可能长度变量值，按子帧帧体提取的方向，从聚合帧的“子帧域”提取出子帧帧体及帧尾；如果否，转步骤(21)。

(19)当前节点用提取出的帧尾对子帧帧体进行差错校验。

(20)当前节点判断：校验结果是否正确？如果是，则转步骤(6)；如果否，则执行下一步。

(21)当前节点判断：“帧体提取方向标志”变量的值＝0？如果是，将该标志的值置为“1”，然后转步骤(6)；如果否，则将该变量的值置为“0”，然后结束本新机制的操作。2.PNC基于监听自适应使用CTA时隙

“PNC基于监听自适应使用CTA时隙”新机制针对的主要问题是：当一个DEV在一个超帧中被分配了时隙但没能成功接收Beacon帧时，它无法使用分给它的时隙，因而那些时隙会被浪费。

“PNC基于监听自适应使用CTA时隙”新机制的基本思路是：如果PNC在一个超帧中有数据待发但没有获得时隙，则它在CTAP时段的每个被分配给DEV的CTA中进行监听；如果在CTA的第一个TU内没听到节点发出的信号，则认为该CTA未被使用，于是，PNC使用该CTA中剩余的TU来发送自己的数据。“自适应”的含义是有可用的CTA时隙则使用，无则不使用。

“PNC基于监听自适应使用CTA时隙”新机制由PNC执行，基本流程如说明书附图4所示，主要操作如下：

(1)在一个超帧的CTAP时段开始时，PNC判断：是否自己有数据待发但在当前超帧没有获得时隙？如果是，执行下一步；如果否，则结束本新机制的操作。

(2)在一个CTA开始时，PNC判断：当前CTA是否已经被分配给一个DEV？如果是，执行下一步；如果否，则结束本新机制的操作。

(3)PNC在当前CTA的第一个TU中监听无线信道。

(4)PNC判断：是否监听到DEV发出的信号？如果是，则停止监听直到当前CTA结束然后转步骤(2)；如果否，执行下一步。

(5)从当前CTA的第二个TU开始，PNC发送自己的数据，直至当前CTA结束。

(6)PNC判断：自己是否还有数据待发并且CTAP时段尚未结束？如果是，转步骤(2)；如果否，则结束本新机制的操作。

3.子帧头部字段数量动态化

在现有相关接入方法的标准帧聚合机制中，一个聚合帧实现8个子帧的聚合，各子帧的头部被提取出来形成一个新的域——“MAC子头部(MAC subheaders)”域；若聚合的子帧数量小于8，则MAC子头部域的长度保存不变，在空闲的子帧头部字段填充0，如说明书附图5所示。这些空闲的子帧头部带来了冗余的控制开销。

为解决上述问题，本发明提出了“子帧头部字段数量动态化”新机制，它的基本思路是：在聚合帧头部“MAC header”域的“Receive Status field”子域的最后一个字段是4bit的保留位(“Reserved”)，没有被使用，因此可以利用这4个bit位来表示聚合帧中包含的子帧头部的个数；为了让聚合帧接收节点知道子帧头部的数量，将该4bit保留位设置为“子帧头部数量(Number of subheaders)”字段，如说明书附图6的灰色部分所示，其值为0表示无子帧头部，1-8表示子帧头部数量，从而能够根据子帧头部实际数量动态调整“MAC子头部域”中子帧头部字段的数量，避免出现空闲的子帧头部字段，消除冗余的控制开销，从整体上降低控制开销。“子帧头部字段数量动态化”新机制在聚合帧发送节点和接收节点的基本操作流程图分别如说明书附图7、附图8所示，主要操作如下：

(1)聚合帧发送节点主要操作

1)当前节点生成一个聚合帧，将聚合帧头部“MAC header”域的“Receive Statusfield”子域的保留字段(最后一个字段)设为“子帧头部数量”(Number of subheaders)字段，用于存放聚合帧中的子帧头部的数量；同时，当前节点在MAC层设置并存储一个“子帧头部数量”变量N_sh(类型为整形)，用于记录聚合帧“MAC子头部(MAC subheaders)”域的子帧头部的数量，初始和缺省值设为0。

2)当前节点判断：是否有子帧需要装入聚合帧？如果是，则执行下一步；如果否，则将“子帧头部数量”变量的值装入聚合帧头部的“子帧头部数量”字段，然后结束本新机制的操作。

3)当前节点将子帧的头部(作为一个字段)依序放入聚合帧的“MAC子头部”域。

4)当前节点将子帧的帧体和帧尾依序放入聚合帧的帧体。

5)当前节点将“子帧头部数量”变量值加1。

6)当前节点判断：“子帧头部数量”变量值<8？如果成立，转步骤2)；如果不成立，将“子帧头部数量”变量值装入聚合帧头部的“子帧头部数量”字段，然后结束本新机制的操作。

(2)聚合帧接收节点主要操作

1)当节点收到一个聚合帧，则将聚合帧头部“MAC header”域的“子帧头部数量”字段的值取出，作为该聚合帧包含的子帧的数量。

2)根据上一步获得的子帧数量，当前节点将各子帧帧体从聚合帧的帧体中依序提取出来。

(二)本发明提出的可靠高时隙利用率的太赫兹无线个域网接入方法的主要操作

本发明提出的可靠高时隙利用率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，将网络的运行时间分为长度可不等的多个超帧，每个超帧均由Beacon、CAP和CTAP三个有序时段组成。

本发明提出的可靠高时隙利用率太赫兹无线个域网接入方法包含“多维度双向子帧帧体提取”、“PNC基于监听自适应使用CTA时隙”和“子帧头部字段数量动态化”三种新机制，它们均工作在超帧的CTAP时段，如说明书附图9所示。下面根据Beacon、CAP和CTAP时段的顺序以及PNC、DEV节点的不同，具体介绍本发明提出的可靠高时隙利用率太赫兹无线个域网接入方法的主要操作。

1.Beacon时段

(1)PNC的主要操作

S_Be_PNC_1：PNC生成一个Beacon帧。Beacon帧中包含超帧长度、CAP时段长度等信息。

S_Be_PNC_2：PNC将当前超帧时隙分配结果信息写入Beacon帧，并继续保存当前超帧的时隙分配结果信息。

S_Be_PNC_3：PNC向太赫兹无线个域网中的所有DEV节点广播该Beacon帧。

(2)DEV的主要操作

E_Be_DEV_1：DEV收到Beacon帧后，从中提取出时隙分配信息。

E_Be_DEV_2：DEV判断PNC是否给自己分配了时隙；如果是，则记录PNC给自己分配的时隙数和时隙开始时间；如果否，则不做操作。

2.CAP时段

(1)PNC的主要操作

S_CA_PNC_1：如果PNC收到了DEV的入网请求帧，则按照一定的方式为DEV分配ID(即DEVID)，并将DEVID放入入网请求回复帧中，然后向DEV发送入网请求回复帧。缺省建议从1开始，按依次递增的方式分配DEVID。

S_CA_PNC_2：如果PNC收到了DEV的时隙请求帧，它从中提取出DEV请求的时隙数；接着，判断：下一超帧剩余可用时隙数≥DEV请求时隙数？如果成立，则回复DEV一个含有“请求时隙成功”信息的时隙请求回复帧，并为该DEV在下一超帧分配时隙同时记录结果；否则，回复该DEV一个含有“请求时隙失败”信息的时隙请求回复帧。

(2)DEV的主要操作

S_CA_DEV_1：在CAP时段开始后，如果DEV没有入网(可以通过查DEVID来获知，通常未入网的DEVID为-1或一个特殊值)，则向PNC发送入网请求帧(其中包含入网请求信息，用于向PNC请求入网)。

S_CA_DEV_2：如果DEV已入网且它的MAC层发送缓冲区有未被PNC分配时隙的待发数据，则生成一个时隙请求帧并向PNC发送。

S_CA_DEV_3：如果DEV收到PNC发给自己的入网请求回复帧，则从中取出DEVID并存储。

S_CA_DEV_4：如果DEV收到给自己的时隙请求回复帧，则从中取出时隙分配信息(如自己所获时隙的开始时间)并进行保存以备后用。

3.CTAP时段

(1)PNC的主要操作

PNC在CTAP时段的基本操作流程图说明书附图10所示，主要操作如下：

S_CT_PNC_1：如果PNC有数据待发且在当前超帧被分配了时隙，则在分配给自己的时隙内发送数据。如果PNC在发送数据时使用了标准帧聚合机制，则采用本发明提出的“子帧头部字段数量动态化”新机制(该新机制的具体操作步骤请见“发明内容”第(一)点的第3小点)，在聚合帧中子帧数量小于8时消除冗余的子帧头部字段，减小控制开销；并且，PNC在组装标准聚合帧时，当子帧头部和帧体已经全部装入后，将子帧帧体按从大到小的顺序(缺省建议从大到小)进行位置调整，子帧帧头的位置也做相应调整。

S_CT_PNC_2：如果PNC有数据待发但在当前超帧未被分配时隙，则采用本发明提出的“PNC基于监听自适应使用CTA时隙”新机制(该新机制的具体操作步骤请见“发明内容”第(一)点的第2小点)，自适应地使用已分配给DEV但未被使用的CTA时隙来发送数据，提高时隙利用率。如果PNC在发送数据时使用了标准帧聚合机制，则采用本发明提出的“子帧头部字段数量动态化”新机制(该新机制的具体操作步骤请见“发明内容”第(一)点的第3小点)，在聚合帧中子帧数量小于8时消除冗余的子帧头部字段，降低控制开销；并且，PNC在组装标准聚合帧时，当子帧头部和帧体已经全部装入后，将子帧帧体按从大到小的顺序(缺省建议从大到小)进行位置调整，子帧帧头的位置也做相应调整。

S_CT_PNC_3：如果PNC的MAC层收到其他节点发送给它的非标准聚合数据帧(即普通的数据帧)，则取出其中的数据并将其传送给上层，然后采用预设的确认机制对发送数据帧的节点进行回复(若未预设，缺省建议使用“立即确认”机制——收到数据帧后立即用确认帧进行回复)。

S_CT_PNC_4：如果PNC的MAC层收到其他节点发送给它的标准聚合数据帧，则采用本发明提出的“多维度双向子帧帧体提取”新机制(该新机制的具体操作步骤请见“发明内容”第(一)点的第1小点)，尽可能多地提取出子帧帧体，减少子帧重传的数量；然后获取子帧帧体中的数据，并将数据传送给上层；接下来，采用预设的确认机制对发送标准聚合数据帧的节点进行回复(若未预设，缺省建议使用“立即确认”机制)。

(2)DEV的主要操作

DEV在CTAP时段的基本操作流程图说明书附图11所示，主要操作如下：

S_CT_DEV_1：如果DEV有数据待发且在当前超帧被分配了时隙，则在分配给自己的时隙内发送数据。如果DEV在发送数据时使用了标准帧聚合机制，则采用本发明提出的“子帧头部字段数量动态化”新机制(该新机制的具体操作步骤请见“发明内容”第(一)点的第3小点)，在聚合帧中子帧数量小于8时消除冗余的子帧头部字段，减小控制开销；并且，DEV在组装标准聚合帧时，当子帧头部和帧体已经全部装入后，将子帧帧体按从大到小的顺序(缺省建议从大到小)进行位置调整，子帧帧头的位置也做相应调整。

S_CT_DEV_2：如果DEV的MAC层收到其他节点发送给它的非标准聚合数据帧(即普通的数据帧)，则取出其中的数据并将其传送给上层，然后采用预设的确认机制对发送数据帧的节点进行回复(若未预设，缺省建议使用“立即确认”机制——收到数据帧后立即用确认帧进行回复)。

S_CT_DEV_3：如果PNC的MAC层收到其他节点发送给它的标准聚合数据帧，则采用本发明提出的“多维度双向子帧帧体提取”新机制(该新机制的具体操作步骤请见“发明内容”第(一)点的第1小点)，尽可能多地提取出子帧帧体，减少子帧重传的数量；然后获去子帧帧体中的数据，并将数据传送给上层；接下来，采用预设的确认机制对发送数据帧的节点进行回复(若未预设，缺省建议使用“立即确认”机制)。

(三)本发明的有益效果

本发明的有益效果主要有可靠、高时隙利用率和高效三方面，能够减少数据帧的重传、更充分地使用CTA时隙、从而能够提高数据帧传送成功率和吞吐量、降低控制开销和数据帧平均时延。具体说明如下：

(1)通过采用“多维度双向子帧帧体提取”新机制，从三个维度(帧体长度字段值、帧体最大和最小长度、帧体可能长度)、两个方向(正、反向)入手，尽可能多地提取出标准聚合帧中的子帧帧体，减少子帧重传的数量，增强数据帧传输的可靠性，提高数据帧传送成功率和吞吐量。

(2)通过采用“PNC基于监听自适应使用CTA时隙”新机制，让PNC有待传数据而无分配时隙时自适应地使用那些分给了DEV而未被使用的CTA时隙，从而更充分地使用CTA时隙、在整体上提高时隙利用率，并因此能够使MAC层吞吐量提升、数据帧平均时延降低。

(3)通过采用“子帧头部字段数量动态化”新机制，标准聚合帧发送节点便能够根据子帧头部实际数量动态调整“MAC子头部域”中子帧头部字段的数量，避免出现空闲的子帧头部字段，从整体上减少标准聚合帧的子帧头部字段的数量，从而能够降低控制开销。

附图说明

附图1为太赫兹无线个域网组成示意图。太赫兹无线个域网将无线设备分为PNC和DEV两类节点，它们的物理结构通常相同。在同一个个域网中，通常会有一个DEV在满足要求的情况下成为PNC，其余则为DEV，网络中的任意两个节点均能直接通信。

附图2为太赫兹无线个域网接入方法定义的超帧结构示意图。在太赫兹无线个域网中，网络运行时间被划分为连续的超帧，每个超帧由Beacon、CAP和CTAP时段组成。PNC在Beacon时段用Beacon消息广播同步、时隙分配等信息；在CAP时段，各DEV以CSMA/CA方式接入信道申请时隙；在CTAP时段，各DEV以TDMA方式在分配给它们的CTA内进行发送数据，每个CTA由一定数量的TU组成，在一个TU内能完成一次数据帧的发送和对应ACK帧的接收。

附图3为“多维度双向子帧帧体提取”新机制的操作流程图。该流程图适用于PNC和DEV。

附图4为“PNC基于监听自适应使用CTA时隙”新机制的操作流程图，该流程图适用于PNC。

附图5为现有标准帧聚合的帧结构示意图。现有标准帧聚合机制的MACsubheaders部分包含有8个固定的子帧头部。在图中所示的情况下，只有4个子帧，因此子帧头部字段sh#5到sh#8均为空闲，值全为0。

附图6为聚合帧头部的“子帧头部数量”字段示意图。“子帧头部数量”设置于聚合帧头部“MAC header”域的“Receive Status field”子域的最后一个字段，该字段原是一个长为4bit的保留位，在图中已标为灰色。

附图7为“子帧头部字段数量动态化”新机制中发送节点的操作流程图。

附图8为“子帧头部字段数量动态化”新机制中接收节点的操作流程图。

附图9为本发明提出的可靠高时隙利用率的太赫兹无线个域网接入方法的组成示意图。本发明提出的太赫兹无线个域网接入方法将超帧划分为Beacon、CAP和CTAP三个有序时段，包含“多维度双向子帧帧体提取”、“PNC基于监听自适应使用CTA时隙”和“子帧头部字段数量动态化”三种新机制，这三种机制均工作在CTAP时段。

附图10为PNC在CTAP时段的基本操作流程。PNC在CTAP时段内运行了“多维度双向子帧帧体提取”、“PNC基于监听自适应使用CTA时隙”和“子帧头部字段数量动态化”三种新机制。

附图11为DEV在CTAP时段的基本操作流程。DEV在CTAP时段内运行了“多维度双向子帧帧体提取”和“子帧头部字段数量动态化”两种新机制。

具体实施方式

在节点采用太赫兹信道作为无线通信的信道、节点数不小于2(只有两个节点时一个节点作为PNC，另一个节点作为DEV)的无线个域网中，所有节点均处于静止或缓慢移动状态；任意两个节点之间均可以直接进行双向数据传输，每个节点既可以是数据业务的源节点，也可以是数据业务的目的节点；一个节点被选为PNC，其余节点作为DEV；网络中的每个节点都运行本发明提出的可靠高时隙利用率太赫兹无线个域网接入方法；在运行该接入方法的过程中，关键参数均可以按照缺省设置取值。

一种具体的取值和设置如下：

●超帧长度＝10ms，在24h内超帧长度保存不变。

●Beacon时段的长度＝从超帧开始到PNC广播完Beacon消息。

●CAP时段的长度＝超帧长度×5％。

●CTAP时段的长度＝超帧长度-Beacon时段长度-CAP时段长度。

●在节点间传送数据帧时采用标准帧聚合机制，一个标准聚合数据帧最多可以包含8个子帧。

●对于接收数据帧后的回复采用立即确认机制。

●未入网的DEV的DEVID统一设为-1。

本发明提出的可靠高时隙利用率太赫兹无线个域网接入方法由循环出现的Beacon、CAP和CTAP三个有序时段内PNC和DEV的操作组成，一个具体实施方式如下：

1.Beacon时段实施方式

(1)PNC的主要操作

E_Be_PNC_1：PNC生成一个Beacon帧。Beacon帧中包含超帧长度(10ms)、CAP时段长度(超帧长度的5％)等信息。

E_Be_PNC_2：PNC将当前超帧时隙分配结果信息写入Beacon帧，并继续保存当前超帧的时隙分配结果信息。

E_Be_PNC_3：PNC向太赫兹无线个域网中的所有DEV节点广播该Beacon帧。

(2)DEV的主要操作

E_Be_DEV_1：DEV收到Beacon帧后，从中提取出超帧长度、CAP时段长度、时隙分配结果等信息。

E_Be_DEV_2：DEV判断PNC是否给自己分配了时隙；如果是，则记录PNC给自己分配的时隙数和时隙开始时间；如果否，则不做操作。

2.CAP时段实施方式

(1)PNC的主要操作

E_CA_PNC_1：如果PNC收到了DEV的入网请求帧，则按照从“1”开始依次递增的方式为DEV分配ID(即DEVID)，并将DEVID放入入网请求回复帧中，然后向DEV发送入网请求回复帧。

E_CA_PNC_2：如果PNC收到了DEV的时隙请求帧，则从中提取出DEV请求的时隙数；接着，判断：下一超帧剩余可用时隙数≥DEV请求时隙数？如果成立，则回复DEV一个含有“请求时隙成功”信息的时隙请求回复帧，并为该DEV在下一超帧分配时隙同时记录结果；否则，回复该DEV一个含有“请求时隙失败”信息的时隙请求回复帧。

(2)DEV的主要操作

E_CA_DEV_1：在CAP时段开始后，如果DEV没有入网(可以通过查DEVID来获知，未入网的DEV的DEVID为-1)，则向PNC发送入网请求帧(其中包含入网请求信息，用于向PNC请求入网)。

E_CA_DEV_2：如果DEV已入网且它的MAC层发送缓冲区有未被PNC分配时隙的待发数据，则生成一个时隙请求帧并向PNC发送。

E_CA_DEV_3：如果DEV收到PNC发给自己的入网请求回复帧，则从中取出DEVID并存储。

E_CA_DEV_4：如果DEV收到PNC发给自己的时隙请求回复帧，则从中取出时隙分配信息(包含自己所获时隙的开始时间和时隙数)并进行保存以备后用。

3.CTAP时段实施方式

(1)PNC的主要操作

E_CT_PNC_1：如果PNC有数据待发且在当前超帧被分配了时隙，则在分配给自己的时隙内发送数据。PNC在发送数据时使用标准帧聚合机制，将多个(>1且≤8)待发数据帧聚合成一个标准聚合数据帧进行发送；同时，采用本发明提出的“子帧头部字段数量动态化”新机制(该新机制的具体操作步骤请见“发明内容”第(一)点的第3小点)，在聚合帧中子帧数量小于8时消除冗余的子帧头部字段，减小控制开销；并且，PNC在组装标准聚合帧时，当子帧头部和帧体已经全部装入后，将子帧帧体按从大到小的顺序进行位置调整，子帧帧头的位置也做相应调整。

E_CT_PNC_2：如果PNC有数据待发但在当前超帧未被分配时隙，则采用本发明提出的“PNC基于监听自适应使用CTA时隙”新机制(该新机制的具体操作步骤请见“发明内容”第(一)点的第2小点)，自适应地使用已分配给DEV但未被使用的CTA时隙来发送数据，提高时隙利用率。PNC在发送数据时使用标准帧聚合机制，将多个(>1且≤8)待发数据帧聚合成一个标准聚合数据帧进行发送；同时，采用本发明提出的“子帧头部字段数量动态化”新机制(该新机制的具体操作步骤请见“发明内容”第(一)点的第3小点)，在聚合帧中子帧数量小于8时消除冗余的子帧头部字段，降低控制开销；并且，PNC在组装标准聚合帧时，当子帧头部和帧体已经全部装入后，将子帧帧体按从大到小的顺序进行位置调整，子帧帧头的位置也做相应调整。

E_CT_PNC_3：如果PNC的MAC层收到其他节点发送给它的非标准聚合数据帧(即普通的数据帧)，则取出其中的数据并将其传送给上层，然后采用预设的“立即确认”机制对发送数据帧的节点进行回复。

E_CT_PNC_4：如果PNC的MAC层收到其他节点发送给它的标准聚合数据帧，则采用本发明提出的“多维度双向子帧帧体提取”新机制(该新机制的具体操作步骤请见“发明内容”第(一)点的第1小点)，尽可能多地提取出子帧帧体，减少子帧重传的数量；然后获取子帧帧体中的数据，并将数据传送给上层；接下来，采用预设的“立即确认”机制对发送标准聚合数据帧的节点进行回复。

(2)DEV的主要操作

E_CT_DEV_1：如果DEV有数据待发且在当前超帧被分配了时隙，则在分配给自己的时隙内发送数据。DEV在发送数据时使用标准帧聚合机制，将多个(>1且≤8)待发数据帧聚合成一个标准聚合数据帧进行发送；同时，采用本发明提出的“子帧头部字段数量动态化”新机制(该新机制的具体操作步骤请见“发明内容”第(一)点的第3小点)，在聚合帧中子帧数量小于8时消除冗余的子帧头部字段，减小控制开销；并且，DEV在组装标准聚合帧时，当子帧头部和帧体已经全部装入后，将子帧帧体按从大到小的顺序进行位置调整，子帧帧头的位置也做相应调整。

E_CT_DEV_2：如果DEV的MAC层收到其他节点发送给它的非标准聚合数据帧(即普通的数据帧)，则取出其中的数据并将其传送给上层，然后采用预设的“立即确认”机制对发送数据帧的节点进行回复。

E_CT_DEV_3：如果PNC的MAC层收到其他节点发送给它的标准聚合数据帧，则采用本发明提出的“多维度双向子帧帧体提取”新机制(该新机制的具体操作步骤请见“发明内容”第(一)点的第1小点)，尽可能多地提取出子帧帧体，减少子帧重传的数量；然后获去子帧帧体中的数据，并将数据传送给上层；接下来，采用预设的“立即确认”机制对发送标准聚合数据帧的节点进行回复。

Claims (4)

1.一种可靠高时隙利用率的太赫兹无线个域网接入方法，其特征是：它把网络运行时间划分为多个超帧，每个超帧由Beacon、CAP和CTAP三个有序时段组成，每个时段内PNC和DEV的操作由它进行定义；Beacon时段的主要操作是PNC采用广播方式在全网发布超帧结构、时隙分配结果等信息；CAP时段的主要操作是DEV采用竞争方式向PNC申请入网或申请时隙；CTAP时段的主要操作是节点(包括PNC和DEV)采用TDMA方式传输数据；本发明提出的一种可靠高时隙利用率的太赫兹无线个域网接入方法包含“多维度双向子帧帧体提取”、“PNC基于监听自适应使用CTA时隙”和“子帧头部字段数量动态化”三种新机制，它们均工作在CTAP时段；其中，“多维度双向子帧帧体提取”新机制的基本思路是：节点从帧头部的帧体长度值、帧体的最大和最小长度、帧体可能出现的长度值三个维度，以及聚合帧的正和反两个方向，提取子帧帧体并进行差错校验；“PNC基于监听自适应使用CTA时隙”新机制的基本思路是：PNC在有帧待发的情况下，监听每个CTA的第一个TU内有无DEV发送帧，如果没有则自己发送帧；“子帧头部字段数量动态化”新机制的基本思路是：允许子帧头部字段的数量在原有的数量限制以下动态变化，用聚合帧头部“MAC header”域的“Receive Status field”子域的最后一个字段的值来表示子帧头部字段数量；通过使用上述三种新机制，本发明提出的一种可靠高时隙利用率的太赫兹无线个域网接入方法能够减少数据帧的重传、更充分地利用CTA时隙、从整体上减少标准聚合帧中的子帧头部字段的数量，从而能够提高数据帧传送成功率和吞吐量、降低控制开销和数据帧平均时延；

2.根据权利要求1所述的一种可靠高时隙利用率的太赫兹无线个域网接入方法，其特征是：所述工作在CTAP时段的“多维度双向子帧帧体提取”新机制的主要操作是：收到标准聚合帧的节点先从一个方向，如正向——从聚合帧的帧头到帧尾的方向，按子帧头部的排列顺序从子帧头部提取出子帧帧体长度值，然后根据该值在聚合帧的“子帧域”提取出子帧帧体及帧尾，并进行差错校验；如果校验出错，则根据网络允许的子帧帧体的最大和最小长度，去提取帧体并进行差错校验；如果校验出错，则根据“子帧域”长度的组成情况确定可能出现的长度值，按照该长度值去提取帧体并进行差错校验；如果校验出错，则从相反的方向，如从聚合帧的帧尾到帧头的方向，按相反的顺序，根据子帧头部的帧体长度值、帧体的最大和最小长度、帧体可能出现的长度值三个维度去提取子帧帧体并进行差错校验；

3.根据权利要求1所述的一种可靠高时隙利用率的太赫兹无线个域网接入方法，其特征是：所述工作在CTAP时段的“PNC基于监听自适应使用CTA时隙”新机制的主要操作是：如果PNC在一个超帧中有数据待发但没有获得时隙，则它在CTAP时段的每个被分配给DEV的CTA中进行监听；如果在CTA的第一个TU内没听到节点发出的信号，则认为该CTA未被使用，于是，PNC使用该CTA中剩余的TU来发送自己的数据；

4.根据权利要求1所述的一种可靠高时隙利用率的太赫兹无线个域网接入方法，其特征是：所述工作在CTAP时段的“子帧头部字段数量动态化”新机制的主要操作是：在生成标准聚合帧时，当子帧数量少于限制数量时，有多少子帧就设置多少子帧头部字段；聚合帧头部“MAC header”域的“Receive Status field”子域的最后一个字段是4bit的保留位，没有被使用；为了让聚合帧接收节点知道子帧头部字段的数量，将该4bit保留位设置为“子帧头部数量”字段，用它来表示聚合帧中包含的子帧头部字段的个数；这样便能够根据子帧头部实际数量动态调整标准聚合帧“MAC子头部域”中子帧头部字段的数量，避免出现空闲的子帧头部字段，从整体上降低控制开销。

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