CN110650525A - 一种多波束分配功率mac协议通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多波束分配功率MAC协议通信方法，通过将2.4 GHz与太赫兹频段通信相结合，控制信息在2.4GHz频段进行传输，不影响太赫兹频段数据传输的稳定性；通过将距离感知的功率分配方法与多波束的太赫兹天线设计相结合，充分利用收发器的有限传输功率，在分布式网络中实现了多输入多输出的太赫兹通信，最大化功率利用率和网络吞吐量。相较于按需分配传输功率的方法，本发明解决了“过度节约”问题，避免了空闲功率的产生；在充分利用单个节点的有限传输功率的同时，将网络的吞吐量最大化。

Description

一种多波束分配功率MAC协议通信方法
技术领域
本发明涉及无线电传输系统，即使用辐射场的的技术领域，特别涉及一种用于多输入多输出太赫兹通信网络的多波束分配功率MAC协议通信方法。
背景技术
随着无线数据流量近几年来的爆炸性增长，数据传输速率预计将很快需要达到太比特每秒(Tbps)，然而，即将推广的5G网络只能提供千兆每秒(Gbps)的传输速度；面对人们不断增长的对更高数据传输速率的需求，以及有限的电磁波频谱资源，太赫兹(Terahertz,THz,0.1-10THz)通信被认为是实现下一代超高速无线通信系统的关键技术之一。
然而，太赫兹频段存在严重的路径损耗，若想要实现距离达到几米以上的太赫兹通信，通信双方必须同时配置具有极高方向性的波束成形天线阵列，这样一来，发射端和接收端必须紧密同步，保证两者的波束成形天线高度对准，才能实现太赫兹频段的超高速通信。
目前，已有一些用于THz频段有向数据传输的MAC(Media Access Control,介质访问控制)协议；Xia,Q.,Hossain,Z.,Medley,M.,Jornet,J.M在《A link-layersynchronization and medium access control protocol for terahertz-bandcommunication networks》中提出了一种利用高速旋转的定向天线来克服发射端和接收段端之间耳聋问题的MAC协议；Yao,Xin-Wei,and Josep Miquel Jornet以Xia,Q.的设计为基础，在《TAB-MAC:Assisted beamforming MAC protocol for Terahertz communicationnetworks》中提出了一种利用2.4GHz和THz双波段结合来大幅提高网络性能的MAC协议；Tong,Wenqian,and Chong Han在《MRA-MAC:A Multi-Radio Assisted Medium AccessControl in Terahertz Communication Networks》中对TAB-MAC进行了改进，摒弃了需要交换位置信息来对准天线的方式，减小了硬件部署的难度，进一步缩短网络时延并增大网络吞吐量。
以上这些MAC协议都仅依赖于单个波束的太赫兹天线，这种仅有单个波束的收发器设计限制了整个网络的性能。近年来，有研究者提出了在太赫兹频段中的对其超宽带宽的自适应利用，也有的提出了涉及资源分配的多链路太赫兹通信，这些研究使得在太赫兹频段中实现多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)通信成为可能。
Han,Chong,Wenqian Tong,and Xin-WeiYao在《MA-ADM:Amemory-assistedangular-division-multiplexing MAC protocol in Terahertz communicationnetworks》提出了一种角分复用的MAC协议，虽然该MAC协议可以有效地提高集中式网络的吞吐量并且显著减少网络延迟，但是这种方法的性能在分布式网络中十分受限。
Hong,W.,Jiang,Z.H.,Yu,C.,Zhou,J.,Chen,P.,Yu,Z.,...Cheng,Y.在《Multibeam antenna technologies for 5G wireless communications》中对多波束天线的研究进行了总结；多波束天线具有同时形成多个相互独立的高增益定向波束的能力，每个波束都覆盖预定的角度范围；该天线设计为克服单波束天线的局限性提供了解决方案。然而，为了充分利用太赫兹通信节点的有限功率，对于多波束天线形成的每个波束，其分得的传输功率都应该根据该波束方向上的通信距离来相应调配。
以上提及的MAC协议都无法满足日益增长的对多输入多输出太赫兹通信的需求，而且没有考虑到充分利用太赫兹通信节点有限的传输功率。
发明内容
本发明解决了现有技术中，MAC协议都无法满足日益增长的对多输入多输出太赫兹通信的需求，而且没有考虑到充分利用太赫兹通信节点有限的传输功率的问题，提供了一种优化的用于多输入多输出太赫兹通信网络的多波束分配功率MAC协议通信方法。
本发明所采用的技术方案是，一种多波束分配功率MAC协议通信方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：任一节点A进入发送数据预备阶段；节点A向若干节点B发送包含节点A的地理位置信息的数据传输请求消息RTS-GI；
步骤2：节点B接收到RTS-GI后，根据节点B和节点A的地理位置信息分析节点B的功率分配情况；
步骤3：若新建连接节点A和节点B的方向上的太赫兹通信后，节点B仍能保证现有的每条波束能够分得所需的传输功率，则进行下一步，否则，返回步骤1；
步骤4：计算新建连接节点A和节点B的方向上的太赫兹通信后，每条波束所需的最小传输功率之比，以最小传输功率之比分配实际传输功率至若干每条波束；
步骤5：节点B使用2.4GHz，向节点A回复包含节点B的地理位置信息的确认消息CTS-GI；
步骤6：节点A接收到CTS-GI后，根据节点A和节点B的地理位置信息分析节点A的功率分配情况；
步骤7：若新建连接节点A和节点B的方向上的太赫兹通信后，节点A仍能保证现有的每条波束能够分得所需的传输功率，则进行下一步，否则，返回步骤1；
步骤8：节点A分配指向节点B的波束，测试当前的新建太赫兹通信信道，进行太赫兹频段的数据传输。
优选地，任一所述节点配合设有用于在室外获取自身地理位置信息的GPS模块。
优选地，任一所述节点同时配备2.4GHz全向天线和由N个子阵列组成的太赫兹定向天线阵列；所述N个子阵列组成的波束成形太赫兹天线阵列均匀分布设于以节点为圆心的圆内，相邻的太赫兹天线构成圆心角为360°/N的波束扇区。
优选地，步骤2中，若节点B同时接收到来自不同的节点的若干个RTS-GI时：
节点B的不同的波束扇区接收到RTS-GI，若新建这些方向上的太赫兹通信后，能保证每条现有波束分得所需功率，节点B就同时分配这些方向上的波束；
节点B的不同的波束扇区接收到RTS-GI，若在保证每条现有波束能分得所需功率的前提下，只允许新建一条波束，则检查RTS-GI的请求序列；选择请求序列的序列号最大的RTS-GI对应的节点A进行通信；若请求序列的序列号最大的RTS-GI多于1个，则选择距离节点B的距离更近的节点A进行通信；
节点B的同一波束扇区接收到多于1个RTS-GI，节点B利用频分复用技术同时与若干个节点A进行数据传输。
优选地，所述每条波束所需的最小传输功率其中，f为传输频率，d为传输距离，pr为接收到的信号功率，Gt和Gr分别表示节点A和节点B的天线增益，c为真空中的光速，kabs为介质的分子吸收系数。
优选地，pr＝kBTnoiseSNRmin，其中，k为玻尔兹曼常数，B为所选频带的带宽，Tnoise为等效的噪声温度，SNRmin为选定的信噪比的最小值。
优选地，所述步骤4中，每条波束分得的实际传输功率
Figure BDA0002187156460000042
其中，n为实际分配的太赫兹定向波束的数量，
Figure BDA0002187156460000043
为第k条波束所需的最小传输功率，1≤k≤n，Pmax为当前节点能提供的最大传输功率。
优选地，所述步骤3和步骤7中，若新增节点A和节点B的方向上的太赫兹通信后，所有波束所需的最小传输功率的总和不超过当前节点能提供的最大传输功率Pmax，则现有的每条波束能够分得所需的传输功率。
优选地，所述步骤7包括以下步骤：
步骤7.1：若新建连接节点A和节点B的方向上的太赫兹通信后，节点A仍能保证现有的每条波束能够分得所需的传输功率，则进行步骤8，否则，进行下一步；
步骤7.2：在2.4GHz向节点B回复未就绪消息TNR；
步骤7.3：节点B接收到TNR后，回复确认消息ACK，撤回已分配的节点A和节点B的方向上的太赫兹通信波束；
步骤7.4：返回步骤1。
优选地，所述步骤8包括以下步骤：
步骤8.1：节点A分配指向节点B的高增益波束；
步骤8.2：节点A向节点B发送测试消息TTS；
步骤8.3：节点B收到TTS后，回复确认消息ACK；
步骤8.4：节点A收到ACK后，确定节点A和节点B之间的太赫兹连接已成功建立；
步骤8.5：开始太赫兹频段的超高速数据传输；
步骤8.6：节点B成功获取所有数据包后，向节点A回复确认消息ACK。
本发明提供了一种优化的多波束分配功率MAC协议通信方法，通过将2.4GHz的WiFi与太赫兹频段通信相结合，控制信息在2.4GHz频段进行传输，不影响太赫兹频段数据传输的稳定性；通过将距离感知的功率分配方法与多波束的太赫兹天线设计相结合，充分利用收发器的有限传输功率，在分布式网络中实现了多输入多输出的太赫兹通信，最大化功率利用率和网络吞吐量。
相较于按需分配传输功率的方法，本发明解决了“过度节约”问题，避免了空闲功率的产生；在充分利用单个节点的有限传输功率的同时，将网络的吞吐量最大化。
附图说明
图1为本发明实施例所述的多输入多输出太赫兹通信网络的拓扑结构图，其中，实心黑点为通信节点，每个通信节点边上环设的每个扇形为在N为16时划分的天线阵列覆盖的波束扇区；
图2为本发明的流程图；
图3为本发明中节点B的不同的波束扇区同时接收到来自不同的节点的若干个RTS-GI的示意图；
图4为本发明中节点B的相同的波束扇区同时接收到来自不同的节点的若干个RTS-GI的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细描述，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明涉及一种多波束分配功率MAC协议通信方法，依赖于多波束天线结构的MAC协议通信方法，通过距离感知的分配方式充分利用收发器的有限传输功率，从而达到增大多输入多输出的太赫兹通信网络吞吐量的目的。
本发明中，节点传输数据包给另一个节点的过程分为两个阶段，分别是利用2.4GHz的控制信息传输阶段和太赫兹数据传输阶段。由于太赫兹信道中存在严重路径损耗，且节点的传输功率有限，每个节点能够同时建立的太赫兹连接数量存在上限，如果一个节点想要同时与多个节点建立太赫兹连接时，就需要执行多波束分配功率方案，按照传输距离决定的各个通信方向上信号传输功率的最小值之比来给每个波束分配功率，动态响应实际分配的太赫兹天线波束数量的变化，充分利用每个节点的有限功率，从而有效提高多输入多输出太赫兹通信网络的性能。
本发明中，在利用2.4GHz的控制信息传输阶段，节点(发送端)向外广播其位置信息，收到该位置信息的节点(接收端)立即计算与发送端建立太赫兹有向通信所需的最小传输功率pt，如果接收端能够在相应调配每个波束的传输功率后，仍然保证所有波束方向上的正常数据传输，则将自己的位置信息反馈给发送端，同时分配该方向上的波束；在太赫兹数据传输阶段，发送端获得来自接收端的位置信息，立即计算建立当前方向上的太赫兹通信所需的最小传输功率pt，如果接收端能够在相应调配每个波束的传输功率后，仍保证所有波束方向上的正常数据传输，则立刻分配该通信方向上的波束，紧接着，开始太赫兹频段的数据传输。
所述方法包括以下步骤。
步骤1：任一节点A进入发送数据预备阶段；节点A向若干节点B发送包含节点A的地理位置信息的数据传输请求消息RTS-GI。
任一所述节点配合设有用于在室外获取自身地理位置信息的GPS模块。
任一所述节点同时配备2.4GHz全向天线和由N个子阵列组成的太赫兹定向天线阵列；所述N个子阵列组成的波束成形太赫兹天线阵列均匀分布设于以节点为圆心的圆内，相邻的太赫兹天线构成圆心角为360°/N的波束扇区。
本发明中，这些子阵列能够同时在多个方向上形成若干个相互独立的高增益定向波束。
本发明中，当所述的通信节点同时分配了两个及以上的波束时，会根据不同波束方向上各自的通信距离，按照不同的份额分配各个波束的传输功率。
本发明中，举例来说，节点A可以以2.4GHz的Wi-Fi向任一节点B发送消息。
本发明中，在实际应用中，节点B(接收端)的数量是根据节点A的通信需求而定，可以是多个节点B也可以是一个节点B。
本发明中，N可以为大于0的任意数，如16，此时邻的太赫兹天线构成圆心角为22.5°的波束扇区。
本发明中，数据传输请求消息RTS-GI包括2字节控制信息、2字节生存周期、12字节源地址和目标地址、2字节序号信息、2字节X坐标、2字节Y坐标、6字节请求序列及4字节帧校验序列。
步骤2：节点B接收到RTS-GI后，根据节点B和节点A的地理位置信息分析节点B的功率分配情况。
步骤2中，若节点B同时接收到来自不同的节点的若干个RTS-GI时：
节点B的不同的波束扇区接收到RTS-GI，若新建这些方向上的太赫兹通信后，能保证每条现有波束分得所需功率，节点B就同时分配这些方向上的波束；
节点B的不同的波束扇区接收到RTS-GI，若在保证每条现有波束能分得所需功率的前提下，只允许新建一条波束，则检查RTS-GI的请求序列；选择请求序列的序列号最大的RTS-GI对应的节点A进行通信；若请求序列的序列号最大的RTS-GI多于1个，则选择距离节点B的距离更近的节点A进行通信；
节点B的同一波束扇区接收到多于1个RTS-GI，节点B利用频分复用技术同时与若干个节点A进行数据传输。
步骤3：若新建连接节点A和节点B的方向上的太赫兹通信后，节点B仍能保证现有的每条波束能够分得所需的传输功率，则进行下一步，否则，返回步骤1。
所述步骤3和步骤7中，若新增节点A和节点B的方向上的太赫兹通信后，所有波束所需的最小传输功率的总和不超过当前节点能提供的最大传输功率Pmax，则现有的每条波束能够分得所需的传输功率。
本发明中，若新建连接节点A和节点B的方向上的太赫兹通信后，节点B不能保证现有的每条波束能够分得所需的传输功率，则不对节点A做任何响应。
步骤4：计算新建连接节点A和节点B的方向上的太赫兹通信后，每条波束所需的最小传输功率之比，以最小传输功率之比分配实际传输功率至每条波束。
所述每条波束所需的最小传输功率其中，f为传输频率，d为传输距离，pr为接收到的信号功率，Gt和Gr分别表示节点A和节点B的天线增益，c为真空中的光速，kabs为介质的分子吸收系数。
pr＝kBTnoiseSNRmin，其中，k为玻尔兹曼常数，B为所选频带的带宽，Tnoise为等效的噪声温度，SNRmin为选定的信噪比的最小值。
所述步骤4中，每条波束分得的实际传输功率
Figure BDA0002187156460000092
其中，n为实际分配的太赫兹定向波束的数量，
Figure BDA0002187156460000093
为第k条波束所需的最小传输功率，1≤k≤n，Pmax为当前节点能提供的最大传输功率。
本发明中，每条波束是指增加了AB间波束后的每条波束。
步骤5：节点B使用2.4GHz，向节点A回复包含节点B的地理位置信息的确认消息CTS-GI。
本发明中，节点B此时即进行分配，可以减小整个MAC协议的时延。
本发明中，地理位置信息的确认消息CTS-GI包括2字节控制信息、2字节生存周期、12字节源地址和目标地址、2字节序号信息、2字节X坐标、2字节Y坐标、6字节请求序列及4字节帧校验序列。
步骤6：节点A接收到CTS-GI后，根据节点A和节点B的地理位置信息分析节点A的功率分配情况。
步骤7：若新建连接节点A和节点B的方向上的太赫兹通信后，节点A仍能保证现有的每条波束能够分得所需的传输功率，则进行下一步，否则，返回步骤1。
所述步骤7包括以下步骤：
步骤7.1：若新建连接节点A和节点B的方向上的太赫兹通信后，节点A仍能保证现有的每条波束能够分得所需的传输功率，则进行步骤8，否则，进行下一步；
步骤7.2：在2.4GHz向节点B回复未就绪消息TNR；
步骤7.3：节点B接收到TNR后，回复确认消息ACK，撤回已分配的节点A和节点B的方向上的太赫兹通信波束；
步骤7.4：返回步骤1。
本发明中，步骤7.3中，若节点B没有收到未就绪消息TNR，则节点B就不会向节点A回复ACK，则节点A会检测到超时，重新发送TNR。
步骤8：节点A分配指向节点B的波束，测试当前的新建太赫兹通信信道，进行太赫兹频段的数据传输。
所述步骤8包括以下步骤：
步骤8.1：节点A分配指向节点B的高增益波束；
步骤8.2：节点A向节点B发送测试消息TTS；
步骤8.3：节点B收到TTS后，回复确认消息ACK；
步骤8.4：节点A收到ACK后，确定节点A和节点B之间的太赫兹连接已成功建立；
步骤8.5：开始太赫兹频段的超高速数据传输；
步骤8.6：节点B成功获取所有数据包后，向节点A回复确认消息ACK。
本发明中，太赫兹通信因为路径损失很大，通信时形成的定向波束一般需要是高增益波束。
本发明中，步骤8.3中，若节点B没有收到测试消息TTS，则节点B就不会向节点A回复ACK，节点A会检测到超时，重新发送TTS；同理，步骤8.4中，节点A未收到ACK则会返回上一步，重传TTS。
本发明中，步骤8.6中，所有数据包均被收到之后再回复ACK，如果有数据包缺失，那么节点B不会回复ACK，节点A则会检测到超时并重传数据包，每个数据包的帧结构中包含当前数据的序号，因此节点B可以判断是否收到所有数据包。
本发明中，数据一般包括2字节控制信息、2字节生存周期、12字节源地址和目标地址、2字节序号信息、6字节请求序列及4字节帧校验序列。
本发明通过将2.4GHz的WiFi与太赫兹频段通信相结合，控制信息在2.4GHz频段进行传输，不影响太赫兹频段数据传输的稳定性；通过将距离感知的功率分配方法与多波束的太赫兹天线设计相结合，充分利用收发器的有限传输功率，在分布式网络中实现了多输入多输出的太赫兹通信，最大化功率利用率和网络吞吐量。相较于按需分配传输功率的方法，本发明解决了“过度节约”问题，避免了空闲功率的产生；在充分利用单个节点的有限传输功率的同时，将网络的吞吐量最大化。

Claims (10)

1.一种多波束分配功率MAC协议通信方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1：任一节点A进入发送数据预备阶段；节点A向若干节点B发送包含节点A的地理位置信息的数据传输请求消息RTS-GI；
步骤2：节点B接收到RTS-GI后，根据节点B和节点A的地理位置信息分析节点B的功率分配情况；
步骤3：若新建连接节点A和节点B的方向上的太赫兹通信后，节点B仍能保证现有的每条波束能够分得所需的传输功率，则进行下一步，否则，返回步骤1；
步骤4：计算新建连接节点A和节点B的方向上的太赫兹通信后，每条波束所需的最小传输功率之比，以最小传输功率之比分配实际传输功率至若干每条波束；
步骤5：节点B使用2.4GHz，向节点A回复包含节点B的地理位置信息的确认消息CTS-GI；
步骤6：节点A接收到CTS-GI后，根据节点A和节点B的地理位置信息分析节点A的功率分配情况；
步骤7：若新建连接节点A和节点B的方向上的太赫兹通信后，节点A仍能保证现有的每条波束能够分得所需的传输功率，则进行下一步，否则，返回步骤1；
步骤8：节点A分配指向节点B的波束，测试当前的新建太赫兹通信信道，进行太赫兹频段的数据传输。
2.根据权利要求1所述的一种多波束分配功率MAC协议通信方法，其特征在于：任一所述节点配合设有用于在室外获取自身地理位置信息的GPS模块。
3.根据权利要求1所述的一种多波束分配功率MAC协议通信方法，其特征在于：任一所述节点同时配备2.4GHz全向天线和由N个子阵列组成的太赫兹定向天线阵列；所述N个子阵列组成的波束成形太赫兹天线阵列均匀分布设于以节点为圆心的圆内，相邻的太赫兹天线构成圆心角为360°/N的波束扇区。
4.根据权利要求3所述的一种多波束分配功率MAC协议通信方法，其特征在于：步骤2中，若节点B同时接收到来自不同的节点的若干个RTS-GI时：
节点B的不同的波束扇区接收到RTS-GI，若新建这些方向上的太赫兹通信后，能保证每条现有波束分得所需功率，节点B就同时分配这些方向上的波束；
节点B的不同的波束扇区接收到RTS-GI，若在保证每条现有波束能分得所需功率的前提下，只允许新建一条波束，则检查RTS-GI的请求序列；选择请求序列的序列号最大的RTS-GI对应的节点A进行通信；若请求序列的序列号最大的RTS-GI多于1个，则选择距离节点B的距离更近的节点A进行通信；
节点B的同一波束扇区接收到多于1个RTS-GI，节点B利用频分复用技术同时与若干个节点A进行数据传输。
5.根据权利要求1所述的一种多波束分配功率MAC协议通信方法，其特征在于：所述每条波束所需的最小传输功率
Figure FDA0002187156450000021
其中，f为传输频率，d为传输距离，pr为接收到的信号功率，Gt和Gr分别表示节点A和节点B的天线增益，c为真空中的光速，kabs为介质的分子吸收系数。
6.根据权利要求5所述的一种多波束分配功率MAC协议通信方法，其特征在于：pr＝kBTnoiseSNRmin，其中，k为玻尔兹曼常数，B为所选频带的带宽，Tnoise为等效的噪声温度，SNRmin为选定的信噪比的最小值。
7.根据权利要求1所述的一种多波束分配功率MAC协议通信方法，其特征在于：所述步骤4中，每条波束分得的实际传输功率
Figure FDA0002187156450000031
其中，n为实际分配的太赫兹定向波束的数量，为第k条波束所需的最小传输功率，1≤k≤n，Pmax为当前节点能提供的最大传输功率。
8.根据权利要求1所述的一种多波束分配功率MAC协议通信方法，其特征在于：所述步骤3和步骤7中，若新增节点A和节点B的方向上的太赫兹通信后，所有波束所需的最小传输功率的总和不超过当前节点能提供的最大传输功率Pmax，则现有的每条波束能够分得所需的传输功率。
9.根据权利要求1所述的一种多波束分配功率MAC协议通信方法，其特征在于：所述步骤7包括以下步骤：
步骤7.1：若新建连接节点A和节点B的方向上的太赫兹通信后，节点A仍能保证现有的每条波束能够分得所需的传输功率，则进行步骤8，否则，进行下一步；
步骤7.2：在2.4GHz向节点B回复未就绪消息TNR；
步骤7.3：节点B接收到TNR后，回复确认消息ACK，撤回已分配的节点A和节点B的方向上的太赫兹通信波束；
步骤7.4：返回步骤1。
10.根据权利要求1所述的一种多波束分配功率MAC协议通信方法，其特征在于：所述步骤8包括以下步骤：
步骤8.1：节点A分配指向节点B的高增益波束；
步骤8.2：节点A向节点B发送测试消息TTS；
步骤8.3：节点B收到TTS后，回复确认消息ACK；
步骤8.4：节点A收到ACK后，确定节点A和节点B之间的太赫兹连接已成功建立；
步骤8.5：开始太赫兹频段的超高速数据传输；
步骤8.6：节点B成功获取所有数据包后，向节点A回复确认消息ACK。
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