CN107835530B - 一种高效快速的太赫兹无线个域网双信道接入方法 - Google Patents

一种高效快速的太赫兹无线个域网双信道接入方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107835530B
CN107835530B CN201711063807.XA CN201711063807A CN107835530B CN 107835530 B CN107835530 B CN 107835530B CN 201711063807 A CN201711063807 A CN 201711063807A CN 107835530 B CN107835530 B CN 107835530B
Authority
CN
China
Prior art keywords
node
frame
rts
information
data
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201711063807.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN107835530A (zh
Inventor
任智
周海东
葛理威
周逊
李其超
曹建玲
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chongqing University of Post and Telecommunications
Original Assignee
Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chongqing University of Post and Telecommunications filed Critical Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority to CN201711063807.XA priority Critical patent/CN107835530B/zh
Publication of CN107835530A publication Critical patent/CN107835530A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107835530B publication Critical patent/CN107835530B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W74/00—Wireless channel access, e.g. scheduled or random access
    • H04W74/08—Non-scheduled or contention based access, e.g. random access, ALOHA, CSMA [Carrier Sense Multiple Access]
    • H04W74/0808—Non-scheduled or contention based access, e.g. random access, ALOHA, CSMA [Carrier Sense Multiple Access] using carrier sensing, e.g. as in CSMA
    • H04W74/0816—Non-scheduled or contention based access, e.g. random access, ALOHA, CSMA [Carrier Sense Multiple Access] using carrier sensing, e.g. as in CSMA carrier sensing with collision avoidance

Abstract

本发明提出一种高效快速的太赫兹无线个域网双信道接入方法，它在运行时包括具有先后逻辑顺序的WiFi信道RTS/CTS帧交互和太赫兹信道数据传输两个阶段内的操作，采用了“目的节点向源节点发送测试帧”、“自适应省略RTS/CTS帧交互过程”、“自适应取消节点位置信息的收发”和“精简测试帧”四种新机制，前三种新机制工作在WiFi信道RTS/CTS帧交互和太赫兹信道数据传输两个阶段，最后一种新机制工作在太赫兹信道数据传输阶段。通过少收发RTS帧、CTS帧、ACK帧、节点位置信息并精简测试帧中的数据字段，以及省略部分RTS/CTS帧交互过程，新接入方法从整体上减少了控制信息交互的次数和长度，从而能够降低控制开销，减小数据帧平均延迟。

Description

一种高效快速的太赫兹无线个域网双信道接入方法
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，尤其涉及能够在太赫兹(THz)信道和WiFi信道同时进行信息收发的太赫兹无线个域网场合。
背景技术
太赫兹(terahertz,THz)波是位于毫米波和远红外光波之间的电磁波，如附图1所示，其波长范围为0.03mm-3mm，相应频率范围为0.1THz-10THz。太赫兹波处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，它是人类最后一个尚未完全认知利用的频段。太赫兹的频段较宽，且大部分尚未被分配使用，能够承载数Gbps的数据量，具有广泛的应用前景，但是太赫兹波在空气中传播时衰减较大，并且当空气中水分子较多时衰减尤其严重。太赫兹波的衰减特性决定了其在短距离超高速无线通信方面有巨大的应用潜力，尤其是室内短距离无线通信方面，因此太赫兹可以很好的应用在无线个域网中。
太赫兹无线个域网是一种短距离超高速无线通信网络，该网络采用太赫兹频段作为载波进行无线通信，该频段具有超大连续可用带宽，能够提供高达10Gbps及其以上的数据传输速率，可以满足人们对日益增长的数据传输速率的需求。
接入方法工作在网络中的MAC层，主要承担着信道的接入控制，在通信体系架构中具有重要的作用。近年来，人们对于太赫兹无线个域网双信道接入方法的研究，已经取得了一些进展，相关的研究工作还在继续进行。
Joan Capdevila Pujol等人较早在太赫兹无线个域网接入方法上进行研究，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无线网络接入方法——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,以及文献[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方法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，握手成功后才进行数据传输。在握手过程中，需要发送数据的节点(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，会向源节点回复一个TC(TransmissionConfirmation，传输确认)消息；如果在设定的时间内，源节点没有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消息最大重发次数。如果源节点收到了目的节点回复的TC消息，便进入数据传输阶段；在数据传输阶段中，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帧。PHLAM方法的优势在于它结合物理层脉冲通信的特点，可以使节点在任意时刻发送数据，通过采用不同的符号速率机制、重复编码机制和低权重编码机制，能够减少数据帧发生碰撞，有利于提高网络吞吐量。PHLAM方法的缺点是每次发送数据之前都需要在源、目的节点间进行一对一的握手操作，这不仅会增加控制开销，也会降低信道的利用率，增大数据的传输时延。
在后续的研究中，Pu Wang等人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]:Pu Wang,Josep Miquel Jornet,M.G.Abbas Malik,Nadine Akkari,IanF.Akyildiz.Energy and Spectrum-aware MAC Protocol for Perpetual WirelessNanosensor Networks in the Terahertz Band[J].Ad Hoc Networks,2013,11(8):2541-2555)。DSS-TDMA方法把纳米传感器网络中的节点分为一般的纳米传感器节点nanosensor和逻辑地位更高、具有无线个域网控制功能的控制器节点controller；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(DownLink，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子帧定界和帧长度等控制信息；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。DSS-TDMA开创性地提供了一种基于TDMA+RA(时分多址+随机接入)的太赫兹无线个域网接入方法，对后续的研究和设计太赫兹无线个域网接入方法提供了重要的指导思想。
Jian Lin等人研究了具备能量控制的脉冲级别波束切换的太赫兹微微网接入方法(参见文献[4]: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该关注“传输调度”而不是“竞争接入”，主要理由是太赫兹波段可以提供极大的传输带宽。为了解决太赫兹波段的高路径衰减问题，可以使用波束赋形中的可控窄带波束部分；同时，在太赫兹波段产生的飞秒级别的脉冲无线电，可以将波束方向由传统的包级别切换为脉冲级别。
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方法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[5]: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。
曹建玲等人在太赫兹无线网络方面进行了研究，提出了一种高吞吐量低时延太赫兹超高速无线网络MAC方法——HL-MAC(High throughput low-delay MAC protocol,参见文献[6]: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方法[J].系统工程与电子技术,2016,38(3):679-684)。HL-MAC方法中设计了一种新的超帧结构，将CAP时段放置到CTAP时段之后，这样节点可以及时得到时隙分配信息，从而降低数据接入时延；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。这对以后研究太赫兹无线网络很有借鉴意义。
为了解决太赫兹波的距离受限问题，一种可能的技术方案是采用太赫兹无线个域网双信道的MAC接入方法，太赫兹无线个域网双信道MAC接入方法是由控制信道和数据传输信道两部分组成，控制信息的交换在低频段进行传输，真正的数据在太赫兹波段进行传输；到目前为止人们关于太赫兹无线个域网双信道MAC接入方法的研究较少。
Peng等人提出一种利用带外信令的增强型组网方案：首先在低频段进行信道扫描及信令交互，确定节点间彼此的大致方位，然后在太赫兹频段使用高增益天线进行精细扫描，最后扫描结束进行太赫兹通信(参见文献[7]:Peng B,Priebe S,Kurner T.Fast beamsearching concept for indoor Terahertz communications[C]//20148th EuropeanConference on Antennas and Propagation(EuCAP).2014:639-643)。
Sebastian也利用了这种带外信令对太赫兹数据传输进行优化：在太赫兹链路进行持续数据传输，如果有数据发生了碰撞，则重传在传统的无线局域网链路进行，但重传的数据如何在接收端进行重组有待去研究(参见文献[8]:Sebastian Priebe.MAC LayerConcepts for THz Communications[EB/OL].March 2013,https://mentor.ieee.org/802.15/dcn/13/15-13-0119-00-0thz-mac-layer-concepts-for-thz-communications.pdf)。
Jornet等人提出了一种太赫兹辅助波束成型MAC方法——TAB-MAC方法(参见文献[9]:Yao X W,Jornet J M.TAB-MAC:Assisted beamforming MAC protocol forTerahertz communication networks[J].Nano communication Networks,2016,9(2016):36-42)。TAB-MAC方法的网络模型如附图2所示，网络中的节点由常规节点和锚节点组成，常规节点用于发送数据，锚节点用来帮助常规节点获取自己的位置信息。常规节点通过配置波束成形天线阵列在太赫兹信道(指使用太赫兹频段的无线电波作为载波进行通信的无线信道)进行通信，锚节点通过手动配置或者配备GPS定位模块来获取自己的位置信息。TAB-MAC方法是一种典型的太赫兹无线个域网WiFi-THz双信道接入方法，常规节点和锚节点在WiFi信道(2.4GHz)使用全向天线进行相互通信，常规节点之间在太赫兹信道使用定向天线进行数据传输。锚节点周期性地广播信标信号，常规节点根据收到的信标帧信号来确定自己的位置信息，三个不在一条直线上的锚节点可以定位一个常规节点在两个维度的位置，至少四个不在一条直线的锚节点确定一个常规节点在三维空间的位置。两个常规节点为了在太赫兹信道建立连接，源节点和目的节点的太赫兹波束成形天线需要做适当的调整，由于常规节点可以估计自身的位置信息，这使得调整天线变的简单。
TAB-MAC方法的主要思想是在WiFi信道(2.4GHz)用全向天线来交换控制信息，在太赫兹信道用定向天线进行真正的数据传输，其主要的信息交互过程如附图3所示。
TAB-MAC方法使用了RTS、CTS和TTS三种帧，它们具有类似的帧结构。为了兼容现有的MAC方法，帧的首部和尾部结构设计参照了802.11ac标准。RTS和CTS帧有着相同的帧体结构，其中包括3个2字节的位置字段，用来确定普通节点在三维空间中的位置信息，以及4字节的波束赋形天线信息(包含波束带宽和指向)，分别如附图4和附图5所示；测试帧是一个短的数据帧，它的帧体是一个长度为4字节的数据字段，如附图6所示。
在WiFi信道，有数据发送需求的节点用全向天线向目的节点发送一个请求发送帧(Request To Send,RTS)，RTS中包括源节点的位置信息和天线信息；目的节点收到RTS之后，若信道空闲，等待一段时间帧间间隔(Short Interframe Space,SIFS)之后，就发送一个允许发送帧(Clear To Send,CTS)，CTS中包括目的节点的位置信息和天线信息；源节点和目的节点根据彼此交换的信息来调整太赫兹波束成形天线，使用定向天线相互对准，然后切换到太赫兹信道。在太赫兹信道源节点准备进行数据传输，首先源节点会向目的节点发送一个测试帧(Test To Send,TTS)；目的节点收到测试帧会向源节点发送一个确认帧(Acknowledgement，ACK)，源节点收到ACK之后才会向目的节点发送数据，目的节点对收到的多个数据帧使用一个确认帧进行确认。TAB-MAC方法为太赫兹无线个域网同时在WiFi和THz信道运行提供了可行的具体设计，但在RTS/CTS帧和ACK帧的控制开销方面存在冗余。
综上所述，人们对太赫兹无线个域网双信道接入方法的研究已经开展了一段时间，在WiFi信道传输控制信息、太赫兹信道传输数据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双信道接入方法存在如下问题：
1.在太赫兹信道上进行数据传输之前，为了保障可靠传输，源节点首先会在太赫兹信道上向目的节点发送一个测试帧，目的节点收到测试帧后会在太赫兹信道上向源节点回复一个ACK(ACKnowledgement,确认)帧，源节点收到ACK帧之后才会向目的节点发送数据帧；这在一定程度上可以提高数据传输的可靠性，但也引入了冗余控制开销和一定的数据传输延迟。
2.根据现有相关太赫兹无线个域网双信道接入方法，当源节点(设为A)有数据发送需求时，它会在WiFi信道启动一个RTS/CTS帧交互过程——A在WiFi信道向目的节点(设为B)发送RTS帧，B收到RTS帧后在WiFi信道向A回复CTS帧；如果B在回复CTS之前有数据需要发送给A，那么B只有等到A向B传输数据完成之后才可以在WiFi信道启动一个新的RTS/CTS帧交互过程以便传输数据。由于B可以在第一个RTS/CTS帧交互过程(A发RTS，B回CTS)中向A通告自己有数据发送和发送数据需要的时间，并且可以沿用第一次数据传输过程中(A向B传输数据)的定向信息(A→B和B→A的方向信息)，因此第二个RTS/CTS帧交互过程(B发RTS，A回CTS)实际上是可以省略的，现有相关太赫兹无线个域网双信道接入方法使用第二个RTS/CTS帧交互过程便带来了冗余的控制开销和传输延迟。
3.根据现有相关双信道接入方法，在WiFi信道的RTS/CTS帧交互过程中，源节点发给目的节点的RTS帧装有源节点的位置信息，目的节点发给源节点的CTS帧装有目的节点的位置信息；如果源或目的节点通过之前的RTS/CTS帧交互过程已获得对方节点的位置信息且对方节点的位置没有发生改变，那么RTS或CTS帧中的位置信息就没有必要进行传送，在这种情况下，RTS或CTS帧会存在控制信息(即位置信息)的冗余。
4.根据现有相关双信道接入方法，源节点在太赫兹信道发送数据帧之前，会向目的节点发送一个测试帧以提高通信的可靠性；现有相关方法在太赫兹信道测试帧中设置了4字节的数据字段但未在该字段放置有用信息，因此导致该字段成为冗余的控制开销。
发明内容
为了解决上述现有太赫兹无线个域网双信道接入方法存在的问题，本发明提出了一种高效快速的太赫兹无线个域网双信道接入方法。
本发明提出的太赫兹无线个域网双信道新接入方法包含“目的节点向源节点发送测试帧”、“自适应省略RTS/CTS帧交互过程”、“自适应取消节点位置信息的收发”和“精简测试帧”四种新机制，去除了太赫兹信道上测试帧对应的ACK帧，在WiFi信道回复CTS帧之前有反向数据传输需求的情况下能够省略一个RTS/CTS帧交互过程，在对方节点已获知位置信息且信息未变的情况下取消位置信息的发送和接收，精减测试帧中冗余的数据字段，从而能够降低控制开销，从整体上加快数据传送，降低数据的平均延迟。
(一)本发明提出的新机制的基本思路和主要操作
以下具体介绍本发明提出的“目的节点向源节点发送测试帧”、“自适应省略RTS/CTS帧交互过程”、“自适应取消节点位置信息的收发”和“精简测试帧”四种新机制的基本思路和主要操作。
1.目的节点向源节点发送测试帧
根据现有太赫兹无线个域网双信道接入方法，源节点在太赫兹信道传输数据之前，首先会向目的节点发送一个测试帧，目的节点收到测试帧后会向源节点回送一个ACK帧(即确认帧)，源节点收到ACK帧之后才会发送数据帧，这在一定程度上可以提高数据传输的可靠性，但由于需要收发两个控制帧，因而引入了冗余控制开销和一定的数据传输时延。
为了解决上述问题，本发明提出了“目的节点向源节点发送测试帧”新机制，该新机制的基本思路是：在通常和大多数情况下，人们把太赫兹无线个域网使用的太赫兹信道视为是对称的，因此可以由目的节点在太赫兹信道上向源节点发送测试帧且该测试帧不用回复ACK帧，这样做同样能达到测试太赫兹信道能否正常通信的效果。于是便能够少收发一个ACK帧，降低了控制开销，而且有利于减小数据传输延迟。“目的节点向源节点发送测试帧”新机制的主要信息交互流程和基本操作流程分别如附图7和附图8所示。
本发明提出的“目的节点向源节点发送测试帧”新机制的主要操作如下：
(1)如果一个节点的WiFi-MAC部分(本发明所述的具有THz-WiFi双信道通信能力的太赫兹无线个域网在节点的MAC层分为THz-MAC和WiFi-MAC两部分)收到另一个节点发给它的RTS帧(当前节点地址＝RTS帧“RA”字段值)且回复CTS帧之后，等待一段时间(等待时间的缺省值建议为RTT/4；RTT(Round Trip Time)，往返时间，可以通过公式“RTT＝收到CTS的时间-发出RTS的时间计算”)，然后将源节点(发送RTS帧的节点)位置信息、从RTS帧中提取的天线信息和“发送测试帧”信息(一种在节点内部传送的信息，供WiFi-MAC部分用于通知THz-MAC部分发送测试帧，建议缺省长度为1字节并用值代表信息类型)传送给本节点的THz-MAC部分。
(2)如果一个节点的THz-MAC部分收到了WiFi-MAC部分传来的另一个节点位置信息、天线信息和“发送测试帧”信息，则先使用该位置信息和天线信息调整天线方向和状态，使天线发射方向对准另一节点；然后，生成一个测试帧，将相关信息装入其中，并用单播方式将该测试帧发送给另一个节点。
(3)如果一个节点的WiFi-MAC部分在发送RTS帧后收到CTS帧，则将CTS帧发送节点的位置信息、CTS帧中的天线信息和“调节天线接收方向”信息(一种在节点内部传送的信息，供WiFi-MAC部分用于通知THz-MAC部分调节天线接收方向，建议缺省长度为1字节并用值代表信息类型)传送给THz-MAC部分。
(4)如果一个节点的THz-MAC部分收到了WiFi-MAC部分传来的另一个节点位置信息、天线信息和“调节天线接收方向”信息，则使用该位置信息和天线信息调整天线方向和状态，使天线接收方向对准另一个节点。
(5)如果一个节点的THz-MAC部分收到另一个节点在太赫兹信道上发来的测试帧，则在太赫兹信道上向该节点发送数据帧。
2.自适应省略RTS/CTS帧交互过程
根据现有相关太赫兹无线个域网双信道接入方法，当源节点有数据发送需求时，它会在WiFi信道启动一个RTS/CTS帧交互过程，如果目的节点在向源节点回复CTS帧之前有数据需要发送给源节点，只能等到源节点向目的节点传输数据完成之后，才可以在WiFi信道启动一个新的RTS/CTS帧交互过程以便传输数据。由于目的节点可以在第一个RTS/CTS帧交互过程中向源节点通告自己有数据发送和发送数据需要的时间，并且可以沿用第一次数据传输过程中的定向信息，因此第二个RTS/CTS帧交互过程实际上是可以省略的，现有相关太赫兹无线个域网双信道接入方法使用第二个RTS/CTS帧交互过程带来了冗余的控制开销和传输延迟。
为了解决上述问题，本发明提出了“自适应省略RTS/CTS帧交互过程”新机制，该新机制的基本思路是：如果目的节点在向源节点回复CTS帧之前有数据需要发送给源节点，则计算出发送那些数据所需要的时间值，加上RTS帧中携带的“持续时间”值，将二者之和装入CTS帧，然后广播该CTS帧；除源、目的节点之外的其它节点(太赫兹无线个域网的假设是所有节点都能够直接通信)收到该CTS帧后都会在一段足够长的时间内在太赫兹信道保持静默；目的节点在源节点发送数据结束后将自己的数据发送给源节点；这样，仅用一个RTS/CTS帧交互过程，源、目的节点就都能把自己要发送的数据帧发送给对方，从而省去了一个RTS/CTS交互过程，降低了控制开销和数据传输延迟。
本发明提出的“自适应省略RTS/CTS帧交互过程”新机制的基本操作流程如附图9所示，主要操作如下：
(1)如果一个节点的WiFi-MAC部分收到另一个节点(即源节点)发来的RTS帧，则提取出RTS帧中Duration字段(“持续时间”字段)的值。
(2)当前节点判断：自己在MAC层是否有数据需要发送给源节点？如果没有，则结束本新机制的操作；如果有，执行下一步。
(3)当前节点计算出发送给源节点的数据需要的时间值，然后加上RTS帧中Duration字段的值，得到一个总时间值。
(4)当前节点生成一个CTS帧，将上述总时间值装入该CTS帧的Duration字段(“持续时间”字段)中，然后在WiFi信道上广播CTS。
(5)当前节点的WiFi-MAC部分将RTS帧中“Duration”字段的值、自己向源节点发送数据所需时间值、一条“双向传送数据”信息(一种在节点内部传送的信息，供WiFi-MAC部分用于通知THz-MAC部分进行双向数据发送，建议缺省长度为1字节并用值代表信息类型)一并传送给THz-MAC部分。
(6)当前节点的THz-MAC部分收到WiFi-MAC部分传来的RTS帧中“Duration”字段的值、自己向源节点发送数据所需时间值和“双向传送数据”信息后，存储它们并开始计时；在接收源节点发来的数据的过程中，经过一段时间(该时间长度＝RTS帧中“Duration”字段的值)后，向源节点发送自己的数据，发送自己数据的时间长度＝自己向源节点发送数据所需时间值。
3.自适应取消节点位置信息的收发
根据现有相关太赫兹无线个域网双信道接入方法，在WiFi信道的RTS/CTS帧交互过程中，源节点发给目的节点的RTS帧装有源节点的位置信息，目的节点发给源节点的CTS帧装有目的节点的位置信息；如果源或目的节点通过之前的RTS/CTS帧交互过程已获得对方节点的位置信息且对方节点的位置没有发生改变，那么RTS或CTS帧中的位置信息就没有必要进行传送，在这种情况下，现有相关太赫兹无线个域网双信道接入方法仍然在RTS和CTS帧中装载节点位置信息会导致控制信息的冗余。
为了解决上述问题，本发明提出了“自适应取消节点位置信息的收发”新机制，该新机制的基本思路是：在每个RTS/CTS帧交互过程中，每个节点都对“对方节点是否知道自己的位置”、“对方节点知道的自己位置”这两项信息进行记录；在后续再次与对方节点进行RTS/CTS帧交互时，如果对方节点已知自己的位置且自己的位置未发生变化，便不再将自己的位置信息发送给对方(在RTS或CTS帧中不携带自己的位置信息)；从而能够在整体上减少位置信息的传送，降低控制开销。
本发明提出的“自适应取消节点位置信息的收发”新机制的基本操作流程如附图10所示，主要操作如下：
(1)每个节点都在自己的MAC层的WiFi-MAC部分建立一张新类型的表——节点位置感知表，用以记录其它节点是否知道自己的位置以及知道的是哪个位置；节点位置感知表每条表项有四个字段：节点地址(或节点ID)、节点位置(可以用XYZ坐标，也可以用经纬度和海拔，缺省建议使用XYZ坐标)、节点是否知道自己位置(建议用“1”表示知道、用“0”表示不知道；初始值和缺省值为“0”)、节点知道的自己位置(可以用XYZ坐标，也可以用经纬度和海拔，缺省建议使用XYZ坐标)；节点位置感知表表项的数量根据实际情况确定，可以变化。
(2)如果一个节点在WiFi信道向另一个节点发送了RTS帧且收到了对方节点广播的CTS帧，由于RTS帧包含当前节点的位置信息，因此当前节点便知道对方节点已获知自己的位置信息，于是，在节点位置感知表中建立或更新(如果原来已有对方节点的表项则进行更新)对应于对方节点的表项：“节点地址”字段填入对方节点地址，“节点位置”字段填入对方节点位置(从CTS帧中获得)，“节点是否知道自己位置”字段填“1”，“节点知道的自己位置”填入自己发出的RTS帧中的位置信息(如果RTS帧被简化，未包含位置信息，则填入节点当前位置信息)。
(3)如果一个节点在THz信道向另一个节点发送了测试帧后收到了对方节点发来的数据帧，则当前节点的THz-MAC部分便知道对方节点已获知自己的位置信息；于是，当前节点的THz-MAC部分便发送一个长度为1字节(其值表示信息类型)的“对方已知自己位置”信息给WiFi-MAC部分。
(4)如果一个节点的WiFi-MAC部分收到自己的THz-MAC部分传来的“对方已知自己位置”信息，则在节点位置感知表中建立或更新(如果原来已有对方节点的表项则进行更新)对应于对方节点的表项：“节点地址”字段填入对方节点地址(从最近收到的RTS帧中“TA”字段获得)，“节点是否知道自己位置”字段填“1”，“节点知道的自己位置”填入CTS帧中的位置信息(如果CTS帧被简化，未包含位置信息，则填入节点当前位置信息)。
(5)如果一个节点在WiFi信道收到了其它节点发送的RTS帧，则从RTS帧中提取出位置信息，然后在节点位置感知表中建立或更新(如果原来已有对方节点的表项则进行更新)对应于对方节点的表项：“节点位置”字段填入对方节点位置。
(6)如果一个节点要向另一个节点发送RTS帧，它先查询自己WiFi-MAC部分的节点位置感知表，判断“有对方节点的表项”、“对方节点表项中‘节点是否知道自己位置’字段的值为1”、“对方节点表项中的位置信息和当前自己的位置信息相同(通过对比XYZ坐标值或经纬度海拔值进行判断)”三个条件是否同时成立；如果是，则使用一种不带节点位置信息的新类型RTS帧——WL-RTS帧(Without Location Request To Send，通过帧类型字段的值与RTS帧相区别，其结构如说明书附图11所示)，不广播自己的位置信息；否则，使用常用的RTS帧类型，广播自己的位置信息。
(7)如果一个节点要向另一个节点发送CTS帧，它先查询自己WiFi-MAC部分的节点位置感知表，判断“有对方节点的表项”、“对方节点表项中‘节点是否知道自己位置’字段的值为1”、“对方节点表项中的位置信息和当前自己的位置信息相同(通过对比XYZ坐标值或经纬度海拔值进行判断)”三个条件是否同时成立；如果是，则使用一种不带节点位置信息的新类型CTS帧——WL-CTS帧(Without Location Clear To Send，通过帧类型字段的值与CTS帧相区别，其结构如说明书附图12所示)，不广播自己的位置信息；否则，使用常用的CTS帧类型，广播自己的位置信息。
(8)如果一个节点的WiFi-MAC部分收到了发给自己的、不带位置信息的WL-RTS或WL-CTS帧(通过帧类型字段的值来识别)，则只从中提取持续时间和波束赋形天线信息，不做提取位置信息的操作；然后，查询自己节点位置感知表来获得对方节点的位置信息，并将该信息传送给本节点的THz-MAC部分。
4.精简测试帧
根据现有相关太赫兹无线个域网双信道接入方法，节点在太赫兹信道发送的测试帧包含4字节的数据字段，但未在其中放置有用的数据，因此出现了控制字段的冗余。为了解决该问题，本发明提出一种“精简测试帧”的新机制，它的基本思想是去掉测试帧中4字节的数据字段，以便消除冗余控制字段，减少控制开销；去掉数据字段后，测试帧同样能够达到测试出信道是否正常的效果。“精简测试帧”新机制的主要操作是：如果节点要在太赫兹信道发送测试帧，则生成一个不含数据字段的新类型测试帧——无数据测试帧(WithoutData Test To Send,WD-TTS；通过帧类型字段的值与当前使用的测试帧TTS相区别，其结构如说明书附图13所示)，将相关信息装入该帧，然后将其发送给对方节点。
(二)本发明提出的高效快速的太赫兹无线个域网双信道接入方法的主要操作
本发明提出的高效快速的太赫兹无线个域网双信道接入方法在运行时包括在逻辑上具有先后顺序的WiFi信道RTS/CTS帧交互和太赫兹信道数据传输两个阶段内的操作，采用了“目的节点向源节点发送测试帧”、“自适应省略RTS/CTS帧交互过程”、“自适应取消节点位置信息的收发”和“精简测试帧”四种新机制；其中，“目的节点向源节点发送测试帧”、“自适应省略RTS/CTS帧交互过程”、“自适应取消节点位置信息的收发”三种新机制均工作在WiFi信道RTS/CTS帧交互和太赫兹信道数据传输两个阶段，“精简测试帧”新机制工作在太赫兹信道数据传输阶段；如说明书附图14所示。采用全部新机制后的新接入方法的典型信息交互流程如说明书附图15所示。与前文所述TAB-MAC方法使用的RTS、CTS帧相比，本发明所提新接入方法使用的RTS、CTS帧没有“序号控制”字段，其余帧结构相同。
下面具体说明各阶段内的主要操作。
1.WiFi信道RTS/CTS帧交互阶段
本发明提出的高效快速的太赫兹无线个域网双信道接入方法在WiFi信道RTS/CTS帧交互阶段的核心操作是广播及接收处理RTS/CTS帧，由每个节点MAC层的WiFi-MAC部分执行，主要步骤如下：
S_WiFi_1：如果一个节点有数据需要发给另一个节点，则它在MAC层的WiFi-MAC部分运行本发明提出的“自适应取消节点位置信息的收发”新机制，查询自己的节点位置感知表，判断“有对方节点的表项”、“对方节点表项中‘节点是否知道自己位置’字段的值为1”、“对方节点表项中的位置信息和当前自己的位置信息相同(通过对比XYZ坐标值或经纬度海拔值进行判断)”三个条件是否同时成立；如果是，则生成一个不带节点位置信息的WL-RTS帧，将相关信息装入其中，然后广播该WL-RTS帧并记下发送时刻；如果否，则生成一个常用的RTS帧，将相关信息(包括自己的位置信息)装入其中，然后广播该RTS帧并记下发送时刻。
S_WiFi_2：如果一个节点的WiFi-MAC部分收到了一个RTS帧，则从中提取出Duration字段的值，作为静默持续时间存储备用；并且，从RTS帧中提取出源节点(即发送RTS帧的节点)的位置，在预先建立的节点位置感知表中建立或更新(如果原来已有对方节点的表项则进行更新)对应于源节点的表项：“节点地址”字段填入源节点地址，“节点位置”字段填入源节点位置；然后，从该RTS帧中提取出“RA”字段的值，判断：“RA”字段的值＝自己的地址(即该RTS帧是否是发给自己的)？如果不是，则在本步骤中不再进行操作。如果是，则运行本发明提出的“自适应取消节点位置信息的收发”新机制，查询自己的节点位置感知表，判断“有源节点的表项”、“源节点表项中‘节点是否知道自己位置’字段的值为1”、“源节点表项中的位置信息和当前自己的位置信息相同(通过对比XYZ坐标值或经纬度海拔值进行判断)”三个条件是否同时成立；如果是，则生成一个不带节点位置信息的WL-CTS帧；如果不是，则生成一个常用的CTS帧。接下来，将相关信息装入CTS或WL-CTS帧中除“Duration”字段以外的其它字段。然后，当前节点MAC层的WiFi-MAC部分运行本发明提出的“自适应省略RTS/CTS帧交互过程”新机制，判断：自己的MAC层是否有数据需要发送给源节点？如果有，则计算出发送给源节点的数据需要的时间值，然后加上RTS帧中Duration字段的值，得到一个总时间值，并将该总时间值写入CTS或WL-CTS帧中的“Duration”字段，然后广播该CTS或WL-CTS帧；并且，当前节点的WiFi-MAC部分将RTS帧中“Duration”字段的值、自己向源节点发送数据所需时间值、一条“双向传送数据”信息(一种在节点内部传送的信息，供WiFi-MAC部分用于通知THz-MAC部分进行双向数据发送，建议缺省长度为1字节并用值代表信息类型)一并传送给THz-MAC部分。如果没有需要发送给源节点的数据，则将RTS帧中Duration字段的值写入CTS或WL-CTS帧中的“Duration”字段，然后广播该CTS或WL-CTS帧。接下来，当前节点的WiFi-MAC部分运行本发明提出的“目的节点向源节点发送测试帧”新机制，等待一段时间(等待时间的缺省值建议为RTT/4)，之后将源节点(发送RTS帧的节点)的位置信息、从RTS帧中提取的天线信息和“发送测试帧”信息(一种在节点内部传送的信息，供WiFi-MAC部分用于通知THz-MAC部分发送测试帧，建议缺省长度为1字节并用值代表信息类型)传送给本节点的THz-MAC部分。
S_WiFi_3：如果一个节点的WiFi-MAC部分收到了一个WL-RTS帧，则从中提取出Duration字段的值，作为静默持续时间存储备用；接着，从该WL-RTS帧中提取出“RA”字段的值，判断：“RA”字段的值＝自己的地址(即该WL-RTS帧是否是发给自己的)？如果不是，则在本步骤中不再进行操作。如果是，则运行本发明提出的“自适应取消节点位置信息的收发”新机制，在自己的节点位置感知表中查询源节点(即发出WL-RTS帧的节点)对应的表项(源节点向自己发送WL-RTS帧，说明源节点知道自己掌握它的当前位置信息)，判断“源节点表项中‘节点是否知道自己位置’字段的值为1”、“源节点表项中的位置信息和当前自己的位置信息相同(通过对比XYZ坐标值或经纬度海拔值进行判断)”两个条件是否同时成立；如果是，则生成一个不带节点位置信息的WL-CTS帧；如果不是，则生成一个常用的CTS帧。接下来，将相关信息装入CTS或WL-CTS帧中除“Duration”字段以外的其它字段。然后，当前节点MAC层的WiFi-MAC部分运行本发明提出的“自适应省略RTS/CTS帧交互过程”新机制，判断：自己的MAC层是否有数据需要发送给源节点？如果有，则计算出发送给源节点的数据需要的时间值，然后加上WL-RTS帧中Duration字段的值，得到一个总时间值，并将该总时间值写入CTS或WL-CTS帧中的“Duration”字段，然后广播该CTS或WL-CTS帧；并且，当前节点的WiFi-MAC部分将RTS帧中“Duration”字段的值、自己向源节点发送数据所需时间值、一条“双向传送数据”信息(一种在节点内部传送的信息，供WiFi-MAC部分用于通知THz-MAC部分进行双向数据发送，建议缺省长度为1字节并用值代表信息类型)一并传送给THz-MAC部分。如果没有需要发送给源节点的数据，则将WL-RTS帧中Duration字段的值写入CTS或WL-CTS帧中的“Duration”字段，然后广播该CTS或WL-CTS帧。接下来，当前节点的WiFi-MAC部分运行本发明提出的“目的节点向源节点发送测试帧”新机制，等待一段时间(等待时间的缺省值建议为RTT/4)，之后将从节点位置感知表中查到的源节点位置信息、从WL-RTS帧中提取的天线信息和“发送测试帧”信息(一种在节点内部传送的信息，用于WiFi-MAC部分通知THz-MAC部分发送测试帧，建议缺省长度为1字节并用值代表信息类型)传送给本节点的THz-MAC部分。
S_WiFi_4：如果一个节点的WiFi-MAC部分收到了一个CTS帧，则从中提取出Duration字段的值，作为静默持续时间存储备用；接着，从该CTS帧中提取出“RA”字段的值，判断：“RA”字段的值＝自己的地址(即该CTS帧是否是发给自己的)？如果不是，则在本步骤中不再进行操作。如果是，则记下接收时刻，然后计算RTT＝CTS接收时刻-RTS(或WL-RTS)发送时刻；接着，将CTS帧中的位置信息取出，存入节点位置感知表中的对应表项(该表项的节点地址＝本节点发出的RTS或WL-RTS帧中“RA”字段的地址；如果没有对应表项，则新建一个表项)；接下来，运行本发明提出的“自适应取消节点位置信息的收发”新机制，在节点位置感知表中对方节点对应表项的“节点是否知道自己位置”字段填“1”，“节点知道的自己位置”填入自己发出的RTS帧中的位置信息，如果发出的是WL-RTS帧则直接填入自己的当前位置信息。然后，运行本发明提出的“目的节点向源节点发送测试帧”新机制，从CTS帧中取出天线信息，加上之前从CTS帧中取出的对方节点位置信息以及一条“调节天线接收方向”信息(一种在节点内部传送的信息，供WiFi-MAC部分用于通知THz-MAC调节天线接收方向，建议缺省长度为1字节并用值代表信息类型)一起传送给本节点的THz-MAC部分。
S_WiFi_5：如果一个节点的WiFi-MAC部分收到了一个WL-CTS帧，则从中提取出Duration字段的值，作为静默持续时间存储备用；如果是，则记下接收时刻，然后计算RTT＝WL-CTS接收时刻-RTS(或WL-RTS)发送时刻；接着，从该WL-CTS帧中提取出“RA”字段的值，判断：“RA”字段的值＝自己的地址(即该WL-CTS帧是否是发给自己的)？如果不是，则在本步骤中不再进行操作。如果是，则运行本发明提出的“自适应取消节点位置信息的收发”新机制，在节点位置感知表中对方节点对应表项的“节点是否知道自己位置”字段填“1”，“节点知道的自己位置”填入自己发出的RTS帧中的位置信息，如果发出的是WL-RTS帧则直接填入自己的当前位置信息。然后，运行本发明提出的“目的节点向源节点发送测试帧”新机制，从WL-CTS帧中取出天线信息，加上从节点位置感知表中取出的对方节点位置信息以及一条“调节天线接收方向”信息(一种在节点内部传送的信息，供WiFi-MAC部分用于通知THz-MAC调节天线接收方向，建议缺省长度为1字节并用值代表信息类型)一起传送给本节点的THz-MAC部分。
S_WiFi_6：如果一个节点的WiFi-MAC部分收到自己的THz-MAC部分传来的“对方已知自己位置”信息，则在节点位置感知表中建立或更新(如果原来已有对方节点的表项则进行更新)对应于对方节点的表项：“节点地址”字段填入对方节点地址(从最近收的RTS帧中“TA”字段获得)，“节点是否知道自己位置”字段填“1”，“节点知道的自己位置”填入CTS帧中的位置信息(如果使用的是未包含位置信息的WL-CTS帧，则填入自己的当前位置信息)。
2.太赫兹信道数据传输阶段
本发明提出的高效快速的太赫兹无线个域网双信道接入方法在太赫兹信道数据传输阶段阶段的主要操作是在太赫兹信道上传送数据帧和测试帧，由每个节点MAC层的THz-MAC部分执行；主要步骤如下：
S_THz_1：如果一个节点MAC层的THz-MAC部分收到自己的WiFi-MAC部分传来的“RTS帧中‘Duration’字段的值”、“自己向源节点发送数据所需时间值”和“双向传送数据信息”后，则运行本发明提出的“自适应省略RTS/CTS帧交互过程”新机制，存储它们并开始计时；在接收源节点发来的数据的过程中，经过一段时间(该时间长度＝RTS帧中“Duration”字段的值)后，向源节点发送自己的数据，发送自己数据的时间长度＝“自己向源节点发送数据所需时间值”。
S_THz_2：如果一个节点的THz-MAC部分收到了本节点WiFi-MAC部分传来的另一个节点的位置信息、天线信息和“发送测试帧”信息，则运行本发明提出的“目的节点向源节点发送测试帧”新机制，先使用该位置信息和天线信息调整天线方向和状态，使天线发射方向对准另一节点；然后，运行本发明提出的“精简测试帧”新机制，生成一个WD-TTS帧(无数据测试帧)，将相关信息装入其中，并用单播方式将该帧发送给另一个节点。
S_THz_3：如果一个节点的THz-MAC部分收到了本节点WiFi-MAC部分传来的另一个节点的位置信息、天线信息和“调节天线接收方向”信息，则运行本发明提出的“目的节点向源节点发送测试帧”新机制，使用该位置信息和天线信息调整天线方向和状态，使天线接收方向对准另一个节点。
S_THz_4：如果一个节点的THz-MAC部分收到另一个节点在太赫兹信道上发来的WD-TTS帧，则在太赫兹信道上向该节点发送数据帧。
S_THz_5：如果一个节点的THz-MAC部分向另一个节点发送了WD-TTS帧后收到了对方节点发来的数据帧，便知道对方节点已获知自己的位置信息，于是，运行本发明提出的“自适应取消节点位置信息的收发”新机制，向WiFi-MAC部分发送一个长度为1字节(其值表示信息类型)的“对方已知自己位置”信息。
S_THz_6：如果一个节点的MAC层的WiFi-MAC部分收到了THz-MAC部分发来的“对方已知自己位置”信息，则在节点位置感知表中的对应位置记录该信息。
(三)本发明的有益效果
本发明的有益效果主要在于降低控制开销和减小数据帧平均延迟两个方面。具体如下：
1.降低控制开销
(1)本发明采用了“目的节点向源节点发送测试帧”新机制后，在每个太赫兹信道数据传输阶段，只收发一个测试帧，与现有相关太赫兹无线个域网双信道接入方法相比，在保障收发可靠性的同时，少收发一个ACK帧，因此控制开销得以降低。
(2)本发明采用了“自适应省略RTS/CTS帧交互过程”新机制后，与现有相关太赫兹无线个域网双信道接入方法相比，在正常进行数据传输的情况下，WiFi信道部分RTS/CTS帧交互过程被省略，多个RTS和CTS帧不再收发，因此控制开销得以降低。
(3)本发明采用了“自适应取消节点位置信息的收发”新机制后，与现有相关太赫兹无线个域网双信道接入方法相比，在正常获取节点位置信息的前提下，WiFi信道部分RTS和CTS帧不再携带节点位置信息，消息长度缩短，因此控制开销得以降低。
(4)本发明采用了“精简测试帧”新机制后，在太赫兹信道数据传输阶段，节点收发的测试帧不再包含未用的数据字段，与现有相关太赫兹无线个域网双信道接入方法相比，在保障收发可靠性的同时，测试帧的长度缩短，因此控制开销得以降低。。
2.减小数据帧平均延迟
本发明采用了“自适应省略RTS/CTS帧交互过程”新机制后，与现有相关太赫兹无线个域网双信道接入方法相比，在正常进行数据传输的情况下，WiFi信道的部分RTS/CTS帧交互过程被省略，多个RTS和CTS帧不再收发，收发这些RTS和CTS帧的时间被节省下来，反向传输的数据帧可以在正向传输的数据帧传完后立即发送，因此数据帧平均延迟得以减小。
附图说明
附图1为太赫兹波在电磁波频谱中的位置。
太赫兹波的频率在毫米波和红外光波之间，可以提供超大的带宽和较高的传输容量。
附图2为TAB-MAC方法网络模型。
TAB-MAC方法所适用的网络中的节点由常规节点和锚节点组成，常规节点用来收发数据，锚节点用来帮助常规节点获取自己的位置信息。常规节点通过配置波束成形天线阵列在太赫兹信道进行通信，锚节点通过手动配置或者配备GPS定位模块来获取自己的位置信息。常规节点和锚节点在WiFi信道使用全向天线收发信息，常规节点在太赫兹信道使用定向天线收发信息。
附图3为TAB-MAC方法的主要信息交互过程示意图。
TAB-MAC方法的信息交互在WiFi信道和太赫兹信道两个信道上进行，在WiFi信道进行RTS和CTS等控制消息的交互，在太赫兹信道进行数据传输。
附图4为TAB-MAC方法中RTS帧结构示意图。
RTS帧包括Duration、RA、TA等字段。RTS帧的收发位于WiFi信道。
附图5为TAB-MAC方法中CTS帧结构示意图。
CTS帧包括Duration、RA等字段。CTS帧的收发位于WiFi信道。
附图6为TAB-MAC方法中TTS帧结构示意图。
TTS帧包括Duration、RA、TA和数据等字段。TTS帧的收发位于太赫兹信道。
附图7为“目的节点向源节点发送测试帧”新机制的主要信息交互流程。
根据“目的节点向源节点发送测试帧”新机制，源节点在太赫兹信道不发送测试帧，目的节点在太赫兹信道向源节点发送一个测试帧，目的节点不再发送ACK帧。
附图8为“目的节点向源节点发送测试帧”新机制基本操作流程图。
“目的节点向源节点发送测试帧”新机制的主要思路是节点WiFi-MAC部分发送CTS帧一段时间后节点THz-MAC部分发送测试帧，而节点WiFi-MAC部分发送RTS帧且收到CTS帧后则通知THz-MAC部分等待接收测试帧。
附图9为“自适应省略RTS/CTS帧交互过程”新机制基本操作流程图。
“自适应省略RTS/CTS帧交互过程”新机制的主要思路是当目的节点(即RTS帧的目的节点)有数据要发给源节点(发出RTS的节点)时，便将CTS帧中“Duration”字段的值增大，然后THz-MAC部分在源节点通告的时间过去之后发送自己的数据。
附图10为“自适应取消节点位置信息的收发”新机制基本操作流程图。
“自适应取消节点位置信息的收发”新机制的主要思路是从多种途径获知对方节点已掌握自己位置的信息，然后在发送RTS或CTS帧时不在帧中携带位置信息。
附图11为WL-RTS帧结构示意图。
WL-RTS帧中不含有位置信息对应的X、Y、Z字段，也没有“序号控制”字段。
附图12为WL-CTS帧结构示意图。
WL-CTS帧中不含有位置信息对应的X、Y、Z字段，也没有“序号控制”字段。
附图13为WD-TTS帧结构示意图。
WL-TTS帧中没有“数据”字段。
附图14为本发明提出的高效快速太赫兹无线个域网双信道接入方法的组成示意图。
本发明提出高效快速的太赫兹无线个域网双信道接入方法运行时包括在逻辑上具有先后顺序的WiFi信道RTS/CTS帧交互和太赫兹信道数据传输两个阶段内的操作，采用了“目的节点向源节点发送测试帧”、“自适应省略RTS/CTS帧交互过程”、“自适应取消节点位置信息的收发”和“精简测试帧”四种新机制；其中，除了第四种新机制工作在太赫兹信道数据传输阶段外，其余三种新机制均工作在WiFi信道RTS/CTS帧交互和太赫兹信道数据传输两个阶段。
附图15为本发明提出的高效快速太赫兹无线个域网双信道接入方法采用全部新机制后的信息交互流程。
在该流程图中，WL-CTS帧“Duration”字段的值＝WL-RTS帧“Duration”字段的值+节点B发送数据需要的时间。当发送的数据量大于一个数据帧的帧体的容量时，数据(Data)帧和其对应的确认(ACK)帧会多于一个。
具体实施方式
在网络锚节点不少于3个和网络常规节点(以下简称“节点”)不少于2个的太赫兹无线个域网络中，锚节点位置固定，其它节点处于静止或缓慢移动状态，每个节点既可以是业务数据的源节点，也可以是业务数据的目的节点；每个节点的MAC层包括WiFi-MAC和THz-MAC两部分；任意两个节点均可以在WiFi信道和THz信道直接进行双向通信；每次通信时，源、目的节点之间的信道是双向对称的；WiFi信道的通信方式为全向通信；THz信道的通信方式为定向通信，采用定向天线，发送端和接收端均定向。网络中每个节点都运行本发明提出的高效快速的太赫兹无线个域网双信道接入方法，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。
一种具体的设置如下：
●锚节点广播信标帧的周期＝1s。
●待发送数据帧所需时间长度＝待发送数据帧长度/数据传输速率+发送ACK帧的时间+2倍的传播时延(＝最大通信距离10m/光速)。
●对于接收数据帧后的回复采用立即确认机制，即成功收到数据帧后便立即回复一个ACK帧。
●WiFi信道全向天线和太赫兹信道定向通信的范围一致，均为10m。
●每个节点在借助锚节点发出的信息均能获得自己的X、Y、Z坐标。
本发明提出的高效快速的太赫兹无线个域网双信道接入新方法运行时主要包括在逻辑上具有先后顺序的WiFi信道RTS/CTS帧交互和太赫兹信道数据传输两个阶段内的操作，具体实施方式如下：
1.WiFi信道RTS/CTS帧交互阶段
ES_WiFi_1：如果一个节点有数据需要发给另一个节点，则它在MAC层的WiFi-MAC部分查询预先建立的节点位置感知表，判断“有对方节点的表项”、“对方节点表项中‘节点是否知道自己位置’字段的值为1”、“对方节点表项中的位置信息和当前自己的位置信息相同(通过对比XYZ坐标值进行判断)”三个条件是否同时成立；如果是，则生成一个不带节点位置信息的WL-RTS帧，将相关信息装入其中，然后广播该WL-RTS帧并记下发送时刻；如果否，则生成一个常用的RTS帧，将相关信息(包括自己的位置信息)装入其中，然后广播该RTS帧并记下发送时刻。
ES_WiFi_2：如果一个节点的WiFi-MAC部分收到了一个RTS帧，则从中提取出Duration字段的值，作为静默持续时间存储备用；并且，从RTS帧中提取出源节点(即发送RTS帧的节点)的位置信息，在预先建立的节点位置感知表中建立或更新(如果原来已有对方节点的表项则进行更新)对应于源节点的表项：“节点地址”字段填入源节点地址，“节点位置”字段填入源节点位置；然后，从该RTS帧中提取出“RA”字段的值，判断：“RA”字段的值＝自己的地址(即该RTS帧是否是发给自己的)？如果不是，则在本步骤中不再进行操作。如果是，则运行本发明提出的“自适应取消节点位置信息的收发”新机制，查询自己的节点位置感知表，判断“有源节点的表项”、“源节点表项中‘节点是否知道自己位置’字段的值为1”、“源节点表项中的位置信息和当前自己的位置信息相同(通过对比XYZ坐标值进行判断)”三个条件是否同时成立；如果是，则生成一个不带节点位置信息的WL-CTS帧；如果不是，则生成一个常用的CTS帧。接下来，将相关信息装入CTS或WL-CTS帧中除“Duration”字段以外的其它字段。然后，当前节点MAC层的WiFi-MAC部分判断：自己的MAC层是否有数据需要发送给源节点？如果有，则计算出发送给源节点的数据需要的时间值，然后加上RTS帧中Duration字段的值，得到一个总时间值，并将该总时间值写入CTS或WL-CTS帧中的“Duration”字段，然后广播该CTS或WL-CTS帧；并且，当前节点的WiFi-MAC部分将RTS帧中“Duration”字段的值、自己向源节点发送数据所需时间值、一条“双向传送数据”信息(一种在节点内部传送的信息，供WiFi-MAC部分用于通知THz-MAC部分进行双向数据发送，长度取为1字节并用值0x01代表信息类型)一并传送给THz-MAC部分。如果没有需要发送给源节点的数据，则将RTS帧中Duration字段的值写入CTS或WL-CTS帧中的“Duration”字段，然后广播该CTS或WL-CTS帧。接下来，当前节点的WiFi-MAC部分等待RTT/4的时间，之后将源节点(发送RTS帧的节点)的位置信息、从RTS帧中提取的天线信息和“发送测试帧”信息(一种在节点内部传送的信息，供WiFi-MAC部分用于通知THz-MAC部分发送测试帧，长度为1字节并用值0x02代表信息类型)传送给本节点的THz-MAC部分。
ES_WiFi_3：如果一个节点的WiFi-MAC部分收到了一个WL-RTS帧，则从中提取出Duration字段的值，作为静默持续时间存储备用；接着，从该WL-RTS帧中提取出“RA”字段的值，判断：“RA”字段的值＝自己的地址(即该WL-RTS帧是否是发给自己的)？如果不是，则在本步骤中不再进行操作。如果是，则在自己的节点位置感知表中查询源节点(即发出WL-RTS帧的节点)对应的表项(源节点向自己发送WL-RTS帧，说明源节点知道自己掌握它的当前位置信息)，判断“源节点表项中‘节点是否知道自己位置’字段的值为1”、“源节点表项中的位置信息和当前自己的位置信息相同(通过对比XYZ坐标值或经纬度海拔值进行判断)”两个条件是否同时成立；如果是，则生成一个不带节点位置信息的WL-CTS帧；如果不是，则生成一个常用的CTS帧。接下来，将相关信息装入CTS或WL-CTS帧中除“Duration”字段以外的其它字段。然后，当前节点MAC层的WiFi-MAC部分判断：自己的MAC层是否有数据需要发送给源节点？如果有，则计算出发送给源节点的数据需要的时间值，然后加上WL-RTS帧中Duration字段的值，得到一个总时间值，并将该总时间值写入CTS或WL-CTS帧中的“Duration”字段，然后广播该CTS或WL-CTS帧；并且，当前节点的WiFi-MAC部分将RTS帧中“Duration”字段的值、自己向源节点发送数据所需时间值、一条“双向传送数据”信息一并传送给THz-MAC部分。如果没有需要发送给源节点的数据，则将WL-RTS帧中Duration字段的值写入CTS或WL-CTS帧中的“Duration”字段，然后广播该CTS或WL-CTS帧。接下来，当前节点的WiFi-MAC部分等待RTT/4的时间，之后将从节点位置感知表中查到的源节点位置信息、从WL-RTS帧中提取的天线信息和“发送测试帧”信息传送给本节点的THz-MAC部分。
ES_WiFi_4：如果一个节点的WiFi-MAC部分收到了一个CTS帧，则从中提取出Duration字段的值，作为静默持续时间存储备用；接着，从该CTS帧中提取出“RA”字段的值，判断：“RA”字段的值＝自己的地址(即该CTS帧是否是发给自己的)？如果不是，则在本步骤中不再进行操作。如果是，则记下接收时刻，然后计算RTT＝CTS接收时刻-RTS(或WL-RTS)发送时刻；接着，将CTS帧中的位置信息取出，存入节点位置感知表中的对应表项(该表项的节点地址＝本节点发出的RTS或WL-RTS帧中“RA”字段的地址；如果没有对应表项，则新建一个表项)；接下来，在节点位置感知表中对方节点对应表项的“节点是否知道自己位置”字段填“1”，“节点知道的自己位置”填入自己发出的RTS帧中的位置信息，如果发出的是WL-RTS帧则直接填入自己的当前位置信息。然后，从CTS帧中取出天线信息，加上之前从CTS帧中取出的对方节点位置信息以及一条“调节天线接收方向”信息(一种在节点内部传送的信息，供WiFi-MAC部分用于通知THz-MAC调节天线接收方向，长度为1字节并用值0x03代表信息类型)一起传送给本节点的THz-MAC部分。
ES_WiFi_5：如果一个节点的WiFi-MAC部分收到了一个WL-CTS帧，则从中提取出Duration字段的值，作为静默持续时间存储备用；如果是，则记下接收时刻，然后计算RTT＝WL-CTS接收时刻-RTS(或WL-RTS)发送时刻；接着，从该WL-CTS帧中提取出“RA”字段的值，判断：“RA”字段的值＝自己的地址(即该WL-CTS帧是否是发给自己的)？如果不是，则在本步骤中不再进行操作。如果是，则在节点位置感知表中对方节点对应表项的“节点是否知道自己位置”字段填“1”，“节点知道的自己位置”填入自己发出的RTS帧中的位置信息，如果发出的是WL-RTS帧则直接填入自己的当前位置信息。然后，从WL-CTS帧中取出天线信息，加上从节点位置感知表中取出的对方节点位置信息以及一条“调节天线接收方向”信息一起传送给本节点的THz-MAC部分。
ES_WiFi_6：如果一个节点的WiFi-MAC部分收到自己的THz-MAC部分传来的“对方已知自己位置”信息，则在节点位置感知表中建立或更新(如果原来已有对方节点的表项则进行更新)对应于对方节点的表项：“节点地址”字段填入对方节点地址(从最近收的RTS帧中“TA”字段获得)，“节点是否知道自己位置”字段填“1”，“节点知道的自己位置”填入CTS帧中的位置信息(如果使用的是未包含位置信息的WL-CTS帧，则填入自己的当前位置信息)。2.太赫兹信道数据传输阶段
ES_THz_1：如果一个节点MAC层的THz-MAC部分收到自己的WiFi-MAC部分传来的“RTS帧中‘Duration’字段的值”、“自己向源节点发送数据所需时间值”和“双向传送数据信息”后，则存储它们并开始计时；在接收源节点发来的数据的过程中，经过一段时间(该时间长度＝RTS帧中“Duration”字段的值)后，向源节点发送自己的数据，发送自己数据的时间长度＝“自己向源节点发送数据所需时间值”。
ES_THz_2：如果一个节点的THz-MAC部分收到了本节点WiFi-MAC部分传来的另一个节点的位置信息、天线信息和“发送测试帧”信息，则先使用该位置信息和天线信息调整天线方向和状态，使天线发射方向对准另一节点；然后，生成一个WD-TTS帧(无数据测试帧)，将相关信息装入其中，并用单播方式将该帧发送给另一个节点。
ES_THz_3：如果一个节点的THz-MAC部分收到了本节点WiFi-MAC部分传来的另一个节点的位置信息、天线信息和“调节天线接收方向”信息，则使用该位置信息和天线信息调整天线方向和状态，使天线接收方向对准另一个节点。
ES_THz_4：如果一个节点的THz-MAC部分收到另一个节点在太赫兹信道上发来的WD-TTS帧，则在太赫兹信道上向该节点发送数据帧。
ES_THz_5：如果一个节点的THz-MAC部分向另一个节点发送了WD-TTS帧后收到了对方节点发来的数据帧，便知道对方节点已获知自己的位置信息，于是，向WiFi-MAC部分发送一个长度为1字节(其值0x04表示信息类型)的“对方已知自己位置”信息。
ES_THz_6：如果一个节点的MAC层的WiFi-MAC部分收到了THz-MAC部分发来的“对方已知自己位置”信息，则在节点位置感知表中的对应位置记录该信息。

Claims (1)

1.一种高效快速的太赫兹无线个域网双信道接入方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
P1：WiFi信道RTS/CTS帧交互；
P2：太赫兹信道数据传输；
其中，所述步骤P1包括如下子步骤：
S1-1：如果一个节点有数据需要发给另一个节点，则它在MAC层的WiFi-MAC部分运行“自适应取消节点位置信息的收发”在WiFi-MAC的步骤：在每个RTS/CTS帧交互过程中，每个节点都对“对方节点是否知道自己的位置”、“对方节点知道的自己位置”这两项信息进行记录；在后续再次与对方节点进行RTS/CTS帧交互时，通过查询自己的节点位置感知表判断对方节点是否知道自己的位置，如果是，且节点确定自己的位置未发生变化，则生成一个不带节点位置信息的WL-RTS帧并发送给对方节点，如果否，则生成一个常用的RTS帧并发送给对方节点；
其中，所述节点位置感知表用以记录其它节点是否知道自己的位置以及知道的是哪个位置；节点位置感知表每条表项有四个字段：节点地址、节点位置、节点是否知道自己位置、节点知道的自己位置；
S1-2：如果一个节点的WiFi-MAC部分收到了一个RTS帧，则从中提取并存储Duration字段的值；接着从中提取出RTS帧源节点的位置信息，用该信息更新预先建立的节点位置感知表；然后从该帧中提取出“RA”字段的值，判断：“RA”字段的值＝自己的地址？如果是，执行步骤S1-4；如果否，则执行步骤S1-5；
S1-3：如果一个节点的WiFi-MAC部分收到了一个WL-RTS帧，则从中提取并存储Duration字段的值；接着从该帧中提取出“RA”字段的值，判断：“RA”字段的值＝自己的地址？如果是，执行下一步；如果否，则执行步骤S1-5；
S1-4：当前节点运行“自适应取消节点位置信息的收发”步骤：当前节点在RTS/CTS帧交互过程中，对“对方节点是否知道自己的位置”、“对方节点知道的自己位置”这两项信息进行记录；在后续再次与对方节点进行RTS/CTS帧交互时，通过查询自己的节点位置感知表判断对方节点是否知道自己的位置；如果是，且节点确定自己的位置未发生变化，则生成一个不带节点位置信息的WL-RTS帧，如果否，则生成一个常用的RTS帧；然后，当前节点的WiFi-MAC部分运行“自适应省略RTS/CTS帧交互过程”在WiFi-MAC的步骤：在向源节点回复CTS帧之前判断自己的MAC层是否有数据需要发送给源节点；如果有，则计算出发送给源节点的数据需要的时间值，然后加上RTS帧中Duration字段的值，得到一个总时间值，并将该总时间值写入CTS或WL-CTS帧中的“Duration”字段，然后广播该CTS或WL-CTS帧；除源、当前节点之外的其它节点收到该CTS帧后都会在一段足够长的时间内在太赫兹信道保持静默；当前节点在源节点发送数据结束后将自己的数据发送给源节点；当前节点将RTS帧中“Duration”字段的值、自己向源节点发送数据所需时间值、一条“双向传送数据”信息一并传送给THz-MAC部分；如果没有需要发送给源节点的数据，则将RTS帧中Duration字段的值写入CTS或WL-CTS帧中的“Duration”字段，然后广播该CTS或WL-CTS帧；最后，当前节点的WiFi-MAC部分运行“目的节点向源节点发送测试帧”步骤：由当前节点在太赫兹信道上向源节点发送不用回复ACK帧的测试帧；当前节点等待一段预设时间，之后将RTS帧源节点的位置信息、从RTS帧中提取的天线信息和“发送测试帧”信息传送给本节点的THz-MAC部分；
S1-5：如果一个节点的WiFi-MAC部分收到自己的THz-MAC部分传来的“对方已知自己位置”信息，则更新自己的位置感知表；
所述步骤P2包括如下子步骤：
S2-1：如果一个节点MAC层的THz-MAC部分收到自己的WiFi-MAC部分传来的“RTS帧中‘Duration’字段的值”、“自己向源节点发送数据所需时间值”和“双向传送数据信息”，则运行“自适应省略RTS/CTS帧交互过程”在THz-MAC的步骤：存储上述信息并开始计时；在接收源节点发来的数据的过程中，经过“长度＝RTS帧中“Duration”字段的值”的时间后，向源节点发送自己的数据，发送数据的时间长度＝“自己向源节点发送数据所需时间值”；
S2-2：如果一个节点的THz-MAC部分收到了本节点WiFi-MAC部分传来的另一个节点的位置信息、天线信息和“发送测试帧”信息，则运行“目的节点向源节点发送测试帧”步骤：由该节点在太赫兹信道上向源节点发送不用回复ACK帧的测试帧；该节点先使用该位置信息和天线信息调整天线方向和状态，使天线发射方向对准另一节点；然后，运行“精简测试帧”步骤：将节点在太赫兹信道发送的测试帧所包含4字节的数据字段去除，生成一个WD-TTS帧，即无数据测试帧，将相关信息装入其中，并用单播方式将该帧发送给另一个节点；
S2-3：如果一个节点的THz-MAC部分收到了本节点WiFi-MAC部分传来的另一个节点的位置信息、天线信息和“调节天线接收方向”信息，则运行“目的节点向源节点发送测试帧”步骤：由该节点在太赫兹信道上向源节点发送不用回复ACK帧的测试帧；该节点使用该位置信息和天线信息调整天线方向和状态，使天线接收方向对准另一个节点；
S2-4：如果一个节点的THz-MAC部分收到另一个节点在太赫兹信道上发来的WD-TTS帧，则在太赫兹信道上向该节点发送数据帧；
S2-5：如果一个节点的THz-MAC部分向另一个节点发送了WD-TTS帧后收到了对方节点发来的数据帧，便知道对方节点已获知自己的位置信息，且若此时节点确定自己的位置未发生变化，则运行“自适应取消节点位置信息的收发”在THz-MAC的步骤：向WiFi-MAC部分发送一个长度为1字节的“对方已知自己位置”信息；
S2-6：如果一个节点的MAC层的WiFi-MAC部分收到了THz-MAC部分发来的“对方已知自己位置”信息，则在节点位置感知表中的对应位置记录该信息。
CN201711063807.XA 2017-11-02 2017-11-02 一种高效快速的太赫兹无线个域网双信道接入方法 Active CN107835530B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711063807.XA CN107835530B (zh) 2017-11-02 2017-11-02 一种高效快速的太赫兹无线个域网双信道接入方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711063807.XA CN107835530B (zh) 2017-11-02 2017-11-02 一种高效快速的太赫兹无线个域网双信道接入方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107835530A CN107835530A (zh) 2018-03-23
CN107835530B true CN107835530B (zh) 2021-05-14

Family

ID=61651512

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711063807.XA Active CN107835530B (zh) 2017-11-02 2017-11-02 一种高效快速的太赫兹无线个域网双信道接入方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107835530B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108768592B (zh) * 2018-05-30 2021-07-06 南方科技大学 毫米波与较低频无线通信联合传输方法及装置
CN111757531A (zh) * 2019-03-27 2020-10-09 普天信息技术有限公司 随机接入的回退方法及装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103731921A (zh) * 2013-12-13 2014-04-16 重庆邮电大学 一种基于太赫兹超高速无线网络的mac接入方法
CN106658747A (zh) * 2016-09-29 2017-05-10 重庆邮电大学 基于时段精简的太赫兹无线个域网公平接入方法
CN107257584A (zh) * 2017-06-15 2017-10-17 重庆邮电大学 基于隐式tdma的太赫兹无线个域网高时隙利用率接入方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8737323B2 (en) * 2009-07-28 2014-05-27 Interdigital Patent Holdings, Inc. Method and apparatus for using direct wireless links and a central controller for dynamic resource allocation

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103731921A (zh) * 2013-12-13 2014-04-16 重庆邮电大学 一种基于太赫兹超高速无线网络的mac接入方法
CN106658747A (zh) * 2016-09-29 2017-05-10 重庆邮电大学 基于时段精简的太赫兹无线个域网公平接入方法
CN107257584A (zh) * 2017-06-15 2017-10-17 重庆邮电大学 基于隐式tdma的太赫兹无线个域网高时隙利用率接入方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
高吞吐量低时延的太赫兹无线个域网MAC协议;任智 等;《电子技术应用》;20170217;第43卷(第1期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN107835530A (zh) 2018-03-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102246837B1 (ko) 무선 시스템의 조정자 장치, 소스 장치 및 릴레이 장치의 통신 방법 및 프레임 구조
KR101971968B1 (ko) 안테나를 구비한 차량을 이용한 통신 성능 향상 방법
KR102257932B1 (ko) 광대역 근거리 무선 통신 장치 및 방법
US10862576B2 (en) Transmitter and relay communication devices for D2D communication
KR101236920B1 (ko) 비대칭 빔 조향 프로토콜
CN107257584B (zh) 基于隐式tdma的太赫兹无线个域网高时隙利用率接入方法
CN107835530B (zh) 一种高效快速的太赫兹无线个域网双信道接入方法
CN105072676B (zh) 基于tdma协议的航空自组网功率控制方法
CN106658747B (zh) 基于时段精简的太赫兹无线个域网公平接入方法
Gokturk et al. Cooperation in wireless sensor networks: design and performance analysis of a MAC protocol
CN108124276A (zh) 一种并行传输的太赫兹无线个域网双信道接入方法
US20230361868A1 (en) Laser-based enhancement of signal propagation path for mobile communications
CN113518357A (zh) 一种无源物联网的中继方法
CN108494466A (zh) 基于环路干扰重构抵消的全双工中继传输方法
Amjad et al. Inband full-duplex relaying for RADCOM-based cooperative driving
Cai et al. Energy-efficient relay MAC with dynamic power control in wireless body area networks
Li et al. Closed-form beamforming aided joint optimization for spectrum-and energy-efficient UAV-BS networks
CN108271272A (zh) 一种高效低时延的太赫兹无线个域网双信道接入方法
Dun et al. Power allocation for half-duplex relay-based D2D communication with qos guarantee
Tao et al. Cooperation and Directionality: A Co-opdirectional MAC for Wireless Ad Hoc Networks.
CN105979556A (zh) 兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法
KR20230015401A (ko) 수신 신호의 각도 추정 방법 및 장치
Ahmed et al. Performance of multi-channel MAC incorporating opportunistic cooperative diversity
He et al. The analysis of IEEE 802.11 PCF protocol based on LEO satellite Wi-Fi
CN113473481B (zh) 一种针对资源受限场景的高效通信组网接入系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant