面向自组织太赫兹网络的辅助式有向通信方法及其网络构架与流程
本发明属于太赫兹(THz)网络数据交换技术领域，特别涉及一种面向自组织太赫兹网络的辅助式有向通信技术以提高节点的传输距离和传输性能的方法，针对移动的网络节点形成的自组织太赫兹网络架构，通过全向低频通信技术辅助解决节点间有向天线匹配的问题，以实现提出的高效、节能、高速的辅助式有向通信方法。
背景技术：
随着互联网技术和科技的发展，生活中产生了大量的数据需要进行交换和传输。在过去的几十年中，无线数据传输速率每十八个月翻一番才能满足数据爆炸式的增长，根据这样的趋势，在不久的将来，无线传输速度需要达到每秒太比特(Terabyte,TB)才能够满足使用的需要。然而，这个速度远远的超过了传统的无线通信频率(2.4GHz和5GHz)所能达到的最高速率，甚至超过了最近研究的热点毫米波通信(30-300GHz)的最大速度。因此，促使研究者不断探索更高频率、更高速率的通信频段和相应的解决方案。在此种背景下，太赫兹频段因其高频率、低能耗、方向性好等特点被提出可应用于超高速无线通信技术中。
随着太赫兹技术和相关软硬件技术的发展，太赫兹通信即将成为一种可能。然而，太赫兹频段中的一些特性导致其传输距离十分有限，一方面是因为太赫兹频段的频率极高，在传播的过程中传播损失比较大，随着距离的增加其信号衰减会逐渐增大；另一方面，太赫兹频段受空气中的分子吸收影响较大，尤其是水分子对太赫兹频段的吸收比较强烈，导致太赫兹的路径损失较大。为了解决这个问题，将高增益、高方向性的有向天线应用到太赫兹节点中，有向天线可以帮助增强太赫兹传输信号，增大传输距离。
传统的低频通信系统中，已经存在有向天线应用的实例，并有相关的研究者设计了对应的媒体访问控制层(Media Access Control,MAC)通信方法，但是这些方法并不适用于太赫兹网络中，主要原因是传统的有向传输技术和通信方法都是建立在链路信号至少覆盖一个节点的基础上的。然而，在太赫兹网络中，由于太赫兹频段的高路径损失性和有向天线的高方向性，可能导致节点传输距离不足和节点间无法完成通信匹配的情况出现。有相关的研究提出在集中式的网络中，普通节点通过一种“旋转”天线并通过握手协议向中心节点传输信息的方式解决节点通信匹配的问题。但是在自组织网络中，节点存在移动性，并且不存在中心节点，因此“旋转”天线的方法在自组织网络中十分受限，所以亟需一种新的方法来实现太赫兹节点之间的高速信息传输。
由于太赫兹频段的高路径损失性导致节点传输距离短、通信困难，必须使用高增益的波束成形有向天线辅助进行通信。然而，配备有向天线的太赫兹网络节点无法很好解决发送节点及时根据接收节点位置及其天线方向调整自身天线方向从而进行配对的问题；同时，针对普通网络架构中节点无法很好获取自身位置的问题，设计面向自组织太赫兹网络的辅助式有向通信方法及其网络架构。
技术实现要素：
本发明要克服现有技术的上述问题，提供一种面向自组织太赫兹网络的辅助式有向通信方法及其网络构架。
所述的网络架构为自组织网络，如图1为实现本发明方法的网络构架，网络中包含有锚节点和普通节点。锚节点作为定位辅助节点统一分布在一定的区域内，通过配备GPS模块或手动设定方式获取自身位置信息，通过全向低频通信技术帮助普通节点实现定位和有向天线的波束宽度和方向的调整；普通节点随机分布在一定区域内，使用低频段的全向通信技术实现控制信息的交换，并建立节点间的通信，使用有向太赫兹天线进行高速的信息传输。
优选地，所述低频段的频率使用但不仅限于2.4GHz和5GHz；所述的太赫兹频段的频率包括但不仅限于0.1-10THz。
优选地，在保证锚节点能够覆盖所有普通节点的情况下，二维平面环境中用于辅助定位的锚节点数量不能少于3个，三维立体环境中锚节点个数不能少于4个。
本发明的面向自组织太赫兹网络的辅助式有向通信方法包括如下步骤：
步骤1.1：普通节点通过与锚节点全向通信获取自身的位置信息；
步骤1.2：当发送节点需要发送数据时，首先退避一个分布式帧间间隔，随后开始侦听所采用的低频信道，如果信道被占用则进行退避直到信道空闲；
步骤1.3：发送节点首先通过低频全向天线发送一个扩展的请求发送帧(Request to Send of Node Information,RTS-NI)给接收节点，该帧中包含发送节点的位置信息及其有向太赫兹天线的方向，具体的帧格式如图2所示。接收节点收到RTS-NI帧后，返回一个扩展的清除发送帧(Clear to Send of Node Information,CTS-NI)给发送节点，CTS-NI帧中包含接收节点的位置信息及其有向太赫兹天线的方向；
步骤1.4：两个节点经过计算后得到天线的方向和波束宽度，其中到达接收节点的功率大小必须满足以下公式：
其中d为两节点之间的距离，c为光速，为噪声功率，SNRmin为最小的信噪比门限值，St(f)为发送节点的功率谱密度，kabs(f)为分子吸收因子。定义天线阵列固定的波束角度为ΩA，有向天线的方向性可表示为：
其中θh和φh分别为半功率波束宽度的水平角和仰角。
步骤1.5：发送节点等待一个天线转换时间，随后通过有向太赫兹天线发送一帧测试帧(Test to Send,TTS)给接收节点，如果接收节点没有返回确认帧(Acknowledgement,ACK)或者发送节点没有成功接收返回的ACK帧则表示连接失败，并重复步骤1.1，直到达到建立连接次数的上限；反之，则发送节点开始通过有向太赫兹天线开始发送数据。
步骤1.6：发送数据结束后，接收节点再次返回一个ACK，如果发送节点成功接收则整个发送过程结束，如果接收节点没有返回ACK或者发送节点没有收到ACK，则进行数据重发，直到达到重传次数上限，图3给出了两个步骤的主要过程。
优选地，普通节点通过低频段的全向天线每隔一段时间与锚节点进行通信，以更新自身的位置信息，保证在下一次通信之前位置的准确性。
优选地，分布式帧间间隔设置为34μs，具体可根据天线采用的频率和信息速率进行调整。
优选地，在节点发送数据前，需要侦听低频信道是否被占用，如果被占用则需要启用一个退避时间，该退避时间机制使用二进制退避算法，但不仅限于此。
优选地，普通节点采用相同的有向太赫兹天线，但可根据实际情况调整。
优选地，请求发送帧RTS-NI和清除发送帧CTS-NI包含有帧控制、持续时间、源地址和目的地址信息、序列控制、节点位置信息、天线信息和帧校验序列等信息，但不仅限于此。
优选的，如果有两个及以上的发送节点同时向同一个接收节点发送请求，则这多个发送节点通过竞争的方式获取发送权，竞争失败的节点将随机等待一个退避时间后重新发送。
本发明提供了面向自组织太赫兹网络的辅助式有向通信方法及其网络架构，所述网络架构为自组织网络架构，同时运用了低频段全向通信技术和有向太赫兹通信技术。网络中包含有锚节点和普通节点，其中锚节点作为定位辅助节点，通过全向低频通信技术帮助普通节点实现定位和有向天线的波束宽度和方向的调整；普通节点使用低频全向通信技术与其他节点实现控制信息的交换，并建立节点间的通信，使用有向太赫兹天线进行高速的信息的传输。相较于普通的天线，有向天线方向性好、增益高，可以使太赫兹信号的传输更加稳定、传输距离更远，但由于有向天线的高方向性使得节点难以进行配对，因此设计了使用低频全向天线作为辅助定位的方法。低频全向天线用以传输节点的位置和天线控制信息以解决天线配对问题，并通过合理的通信机制，实现节点间的高速通信。
本发明的优点是：一方面解决了太赫兹传输距离短、有向节点通信匹配难、可扩展性差等问题，另一方面显著提高了太赫兹信道利用率和网络吞吐量。
附图说明
图1为本发明的太赫兹通信自组织网络架构的示意图。
图2为本发明的各个数据帧的格式的示意图。
图3为本发明的方法流程图。
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。
图1所示的网络架构中包含普通节点和锚节点，其中普通节点拥有低频全向天线和有向太赫兹天线，锚节点只有低频全向天线，普通节点通过锚节点获取位置信息，普通节点之间通过自组织的方式进行通信，与其他节点通过全向通信获取对方的位置和有向天线方向信息，通过有向太赫兹天线进行数据的传输。
图2所示的各个帧的头部和尾部都是统一的，头部主要由帧控制、持续时间、地址信息、序列控制组成，其中帧控制信息决定数据帧的类别，持续时间表示该数据帧在网络中的存活时间，地址信息包含有发送节点和接收节点在网络中唯一身份编码，序列控制控制数据帧的序列。尾部的帧校验序列包含有32位的CRC校验码用于检验收到的数据帧是否正确。RTS-NI与CTS-NI帧格式基本一致，分别携带有发送节点和接收节点的位置信息和天线信息，TTS帧只携带随机的测试数据。
所述数据帧中帧控制占2个字节，持续时间占2个字节，地址信息根据需要占6到12个字节，序列控制占2个字节，帧校验序列占4个字节。RTS-NI和CTS-NI的每个空间坐标分别占2个字节，天线信息占4个字节。TTS帧中测试数据占4个字节。
图3所示的整个通信过程共分为两个阶段，阶段1为在低频频段进行控制信息的交换，阶段2为在太赫兹频段下进行数据传输。其中TDIFS和TSIFS分别为分布式帧间间隙和最短帧间间隔时间，TBF为退避时间，TRTS-NI为传播一帧RTS-NI帧需要的时间，Tprop为发送节点和接收节点之间的传播时延，TCTS-NI为传播一帧CTS-NI帧需要的时间，Tswitch为节点切换为太赫兹通信需要的时间，TTTS为传播一帧TTS帧需要的时间，Tproc为接收节点处理接收到的数据所需要的时间，TACK为传输一帧ACK帧需要的时间，TDATA为传输所有数据的时间。
优选地，所述的辅助式有向通信方法中，分布式帧间间隔TDIFS为34μs，最短帧间间隔TSIFS为16μs，天线转换时间Tswitch为10ns，数据处理时间Tproc为10ns，其他时间根据所传的数据的大小进行调整。
本发明涉及面向自组织太赫兹网络的辅助式有向通信方法及其网络架构，所述的网络架构为自组织网络架构，设计的通信方法同时运用了低频全向天线和有向太赫兹天线，完成高速数据传输的目的，主要通过以下步骤进行通信：
步骤1.1：普通节点通过与锚节点全向通信获取自身的位置信息；
步骤1.2：当发送节点需要发送数据时，首先退避一个分布式帧间间隔，随后开始侦听所采用的低频信道，如果信道被占用则进行退避直到信道空闲；
步骤1.3：发送节点首先通过低频全向天线发送一个扩展的请求发送帧(Request to Send of Node Information,RTS-NI)给接收节点，该帧中包含有发送节点的位置信息及其有向太赫兹天线的方向，具体的帧格式如图2所示。接收节点收到RTS-NI帧后，返回一个扩展的清除发送帧(Clear to Send of Node Information,CTS-NI)给发送节点，CTS-NI帧中包含接收节点的位置信息及其有向太赫兹天线的方向；
步骤1.4：两个节点经过计算后得到天线的方向和波束宽度，其中到达接收节点的功率大小必须满足以下公式：
其中d为两节点之间的距离，c为光速，为噪声功率，SNRmin为最小的信噪比门限值，St(f)为发送节点的功率谱密度，kabs(f)为分子吸收因子。定义天线阵列固定的波束角度为ΩA，有向天线的方向性可表示为：
其中θh和φh分别为半功率波束宽度的水平角和仰角。
根据以上步骤的过程，可以得到整个过程的延时为：
Ttotal1＝TDIFS+TSIFS+2TNI+TBF+2Tprop ⑸
其中退避时间TBF可以由以下公式得到：
TBF＝[Rnd(·)×(2CW-1)]·2τ ⑹
其中Rnd(·)是0到1之间的随机数，CW为重传次数和10之间较小值，方括号表示取整。
步骤1.5：发送节点等待一个天线转换时间，随后通过有向太赫兹天线发送一帧测试帧(Test to Send,TTS)给接收节点，如果接收节点没有返回确认帧(Acknowledgement,ACK)或者发送节点没有成功接收返回的ACK帧则表示连接失败，并重复步骤1.1，直到达到建立连接次数的上限；反之，则发送节点开始通过有向太赫兹天线开始发送数据。
步骤1.6：发送数据结束后，接收节点再次返回一个ACK，如果发送节点成功接收则整个发送过程结束，如果接收节点没有返回ACK或者发送节点没有收到ACK，则进行数据重发，直到达到重传次数上线，图3给出了两个步骤的主要过程。
根据以上步骤，可以得到其主要延时为：
Ttotal2＝Ttest+TDATA ⑺
其中Ttest为发送测试包的时间，可表示为：
Ttest＝Tswitch+TTTS+TACK+Tproc+2Tprop ⑻
其中TDATA为传输数据需要的时间，可表示为：
实现本发明方法的网络架构，属于自组织太赫兹网络架构，在该网络架构中，普通节点通过自组织方式进行通信，普通节点拥有低频全向天线与其他节点进行控制信息的交换，使用高频段的有向太赫兹天线进行数据传输。锚节点通过配备的GPS模块或手动设定方式获取地理位置，并通过全向通信技术辅助普通节点进行定位。
有向天线可以通过调整自身的波束宽度来调整增益的大小，也可以调整自己的波束方向从而进行节点间的配对，以达到通信的目的。
发送节点进行数据发送之前，需要先侦听低频信道是否被占用，如果被占用需要启用一个退避时间，该退避时间优选根据二进制退避算法进行调整，但不局限于二进制退避算法。
如果有两个及以上的发送节点向同一个接收节点发送请求，则这多个发送节点将通过竞争的方式获取发送权，竞争失败的节点将等待一个随机退避时间后重新发送。
本发明针对自组织太赫兹网络中太赫兹通信距离短、路径损失大的问题，引入了高方向性、高增益的有向太赫兹天线。并针对采用了有向天线的太赫兹网络节点可能遇到无法进行通信匹配的问题，引入了低频段全向天线用于节点定位和控制信息传输，帮助节点调整天线的波束宽度和方向。同时，设计了一种合理的有向通信方法，该方法主要分两个阶段：在阶段1中，节点通过低频段的全向天线交换相应的位置信息和天线信息，经过计算后得到有向太赫兹天线的波束宽度和波束方向，从而完成两个节点的通信匹配问题；在阶段2中，发送节点首先向接收节点发送一个测试帧TTS，接收节点返回确认帧ACK后开始进行数据的传输，发送节点发送完数据后接收节点会返回一个确认帧ACK表明数据接收完毕。通过本发明的方法，一方面解决了太赫兹传输距离短、有向节点通信匹配难、可扩展性差等问题，另一方面显著提高了太赫兹信道利用率和网络吞吐量。
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