一种太赫兹无线网络中消除时隙申请帧碰撞的方法与装置

本发明属于太赫兹无线网络接入，特别涉及采用了定向通信技术的太赫兹无线网络接入方法。

背景技术：

1、随着移动通信技术的快速发展，人们对数据传输速率的要求也越来越高。处于低频段的频谱资源已经逐渐不能满足人们对于带宽和更高数据传输速率应用的渴求。太赫兹(terahertz，thz)波是频率在0.1thz～10thz的电磁波，在电磁波谱中位于红外和微波之间。近年来，thz技术因其在快速成像、无损探测、太空遥感、材料表征和高速无线通信等领域巨大的应用潜力而取得了显著进展。在无线通信领域，虚拟现实(vr)、自动驾驶、远程医疗、物联网、脑机接口等越来越多新兴技术的发展将需要比5g网络更高带宽和更快的数据传输速率。当最小带宽达到几十ghz时，必须在thz范围内使用更高的载波频率。thz无线局域网和蜂窝网络可以为这些新兴的技术提供每秒数t比特(tbit/s)的超高数据传输速率和高速无线数据分发，成为6g的关键候选波段。

2、太赫兹频段存在严重的路径损失以及受大气中的分子吸收影响较大，导致太赫兹无线网络的通信范围只有10米左右，因此必须在收发端同时使用定向天线来扩大太赫兹无线网络的通信范围。

3、在当前研究背景下，太赫兹无线网络可分为太赫兹无线个域网和太赫兹无线局域网两种类型的网络。太赫兹无线个域网与太赫兹无线局域网均由一个微网协调器pnc(piconet coordinator)与若干个设备节点dev(device)组成，而两者在网络拓扑和一些关键技术上存在区别。

4、由于完善的太赫兹无线网络接入协议标准尚未面世，现有的太赫兹无线网络mac(medium access control,媒体接入控制)协议主要基于两种协议：ieee 802.15.3c协议和ieee802.11ad协议；这两种接入协议的共同之处在于都采用了时分多址(time divisionmultiple access,tdma)+载波侦听多址接入/冲突避免(carrier sense multiple accesswith collision avoidance,csma/ca)的混合接入机制，并且二者均是由中心节点控制整个无线网络的运行；但这两种接入协议各有优缺点：ieee 802.11ad协议兼容性较好，但其工作机制更为复杂，在仿真模拟验证和实际系统开发方面相对难以实现；而ieee802.15.3c协议的原理相对简单且控制开销相对较少，同样也能达到gbps级别以上的数据传输速率。因此，综合考虑，不少研究人员在太赫兹无线网络接入技术方面选择以ieee 802.15.3c协议为基础进行深入研究和改进。

5、太赫兹无线个域网的网络结构如图1所示。网络中的任意dev与pnc之间可以进行通信，pnc主要负责整个网络的同步以及信道资源管理。在无线个域网中任意两个dev均可直接进行数据传输且最高数据传输速率高达10gbps以上。

6、太赫兹无线局域网的网络结构如所示。太赫兹无线局域网中的pnc节点通过周期性的广播信标帧(beacon帧)，提供基本的组网信息，负责整个微网的控制协调和时隙资源分配。同时pnc作为一个无线单元的中心点，该单元内dev之间的所有信息都要通过它转发才能进行交换。

7、ieee802.15.3c标准定义的、适用于太赫兹无线网络的、支持定向通信的超帧结构如0所示。超帧是划分无线信道时间的基本单位，太赫兹无线网络的运行时间由多个连续的超帧组成；每一个超帧都分为三个部分：信标时段bp(beacon period)、竞争接入时段cap(contention access period)、信道时间分配时段ctap(channel time allocationperiod)。

8、在bp时段，主要操作是pnc依次在各个扇区广播beacon帧，dev则旋转天线接收beacon帧。beacon帧中包含整个网络所有节点的基本信息、各个时段的时刻和时长信息；当dev收到beacon帧以后，提出其中的同步信息与时隙分配信息。

9、cap时段主要是用于未入网的dev申请入网、以及已经入网的dev申请时隙；在cap时段，所有dev按照csma/ca的方式接入信道。cap时段被划分为关联cap(association cap)和常规cap(regular cap)两个子时段；关联cap子时段用于未入网的dev申请入网，常规cap子时段用于已入网dev申请时隙。

10、ctap时段由多个cta(channel time allocation,信道时间分配(单元))组成，用于已经分配信道资源的dev在自己分配的cta里面完成数据传输，在这个时段，dev按照tdma的方式接入信道。cta又细分为beamforming(波束赋形)和data(数据传输)两个部分；beamforming部分用于源、目的节点进行波束赋形，对准波束；data部分用于传输数据帧。

11、在太赫兹无线网络的定向通信中，网络中的节点会因为自身旋转使得其波束在不同时刻指向不同方向，因此两个节点在进行数据传输之前首先要经过波束赋形来对准它们的波束方向，以确保它们能准确的接收数据。

12、波束赋形的目的是在定向传输的前提下实现收发双方波束主瓣对准对方。该文将收发机的定向波束分为三个级别：1、准全向级别；2、扇区级别；3、波束级别。这三个级别的定向增益依次增大，而覆盖范围依次减小。为了达到相同的传播距离，三个级别采用的编码调制方案也不同，定向增益大的级别使用更高阶调制方案。上一级别确定后，下一级别再根据需求启动。上一级别是前提，下一级别是细分。

13、如图4所示太赫兹无线网络波束赋形步骤1，在太赫兹无线网络的波束赋形阶段，源节点在分配的时间范围内旋转天线向每个扇区发送数量等于扇区个数的波束赋形帧，目的节点旋转接收波束赋形帧并选择接收信噪比最大的扇区准备发送波束赋形帧。

14、如图5所示太赫兹无线网络波束赋形步骤2，源节点发送波束赋形帧操作结束后旋转天线接收目的节点发送的波束赋形帧，目的节点根据选择的接收信噪比最大扇区并向该扇区发送数量等于扇区个数的波束赋形帧，源节点同样选择接收信噪比最大扇区作为目标扇区随即完成源目的节点的波束赋形操作。

15、至此，波束赋形操作全部完成，源节点和目的节点都已经知道了双方的位置，因此只需要将波束对准对方，进行数据传输。

16、在太赫兹网络中，bp时段用于网络信息的全方位定向广播；与传统的全向天线不同，太赫兹网络中定向天线(智能天线)的引入可以将能量集中于某一方向传输，使天线在该方向上具有最强的增益，而其他方向上增益较小。但是，正是由于定向天线的传播具有这种波束方向性，在提高空间复用度的同时，定向天线也给共享信道的访问引入了接收节点定位问题：在两个节点通信前，发送节点必须首先确定接收节点的位置，才能确定发射波束的方向，所以节点必须对邻居节点位置进行跟踪和定位。

17、在采用定向通信方式的太赫兹无线网络中，为了确保pnc发出的beacon帧被网络中所有的节点在一个超帧时间内都能收到，pnc会在每个扇区方向连续发送数量等于扇区个数的beacon帧，然而这些发送的beacon帧只有当接收节点的波束方向与pnc对准时才能被准确接收，因此在bp时段只有少数的beacon帧能被接收节点收到，而pnc为此需要付出巨大的开销。

18、邹明芮等提出一种媒体访问控制层协议超帧结构(参见文献：邹明芮,周海东,李光彬.太赫兹无线局域网媒体访问控制协议的优化设计[j].系统工程与电子技术,2017,39(12):2824-2830)，同时在新超帧结构的基础上，进一步提出3种优化机制，分别是自适应动态调整竞争接入时段的长度、合并申请量的免申请预分配时隙和删除冗余控制字段。相比于现有的能够应用于太赫兹超高速无线网络的高吞吐量低时延mac协议和ieee 802.15.3c标准协议，所提的mac协议在网络吞吐量方面和平均接入时延方面以及数据帧的传送成功率方面的性能得到了优化提升。但该协议在节点移动情况下的时延、吞吐量、成功率等方面的效果并不理想。

19、邱钟维等提出了fe-mac协议(参见文献：邱钟维,任智,葛利嘉.一种快速高效的太赫兹无线个域网定向mac协议[j].电子技术应用,2019,45(02):62-66)，该协议提出了“快速波束赋型机制”和“自适应beacon帧”，在不影响波束赋型效果以及不增加额外开销的前提下，减小了波束赋型的时间和bp时段的控制开销，提高了网络的传输效率。但该文献主要不足是在节点移动场景中，节点的位置会有变化，因此若pnc收集到本次超帧每个扇区的dev分布情况后，下个超帧向对应扇区发送针对性填充字段的beacon帧时会遇到dev已经移动到其他扇区的情况，若pnc继续以该方向进行beacon帧的发送，则无法使得dev得到beacon帧中自己所需信息，增大了网络中的控制开销，同时也增大了网络平均端到端时延。

20、周逊等提出了一种采用星形网络结构和tdma-csma混合接入机制的太赫兹超高速无线局域网介质访问控制(mac)接入协议—mac-t协议(参见文献：周逊,张庆伟,李光彬.太赫兹局域网介质访问控制层协议[j].太赫兹科学与电子信息学报,2013,11(05):661-663)。该接入协议从组网机制、接入机制、参数设置等方面进行了详细的研究设计，从而在理论上保障和促进在太赫兹无线局域网中实现10gbps以上的超高速通信。

21、王磊等提出一种快速传输的太赫兹无线个域网mac协议ftp-mac(参见文献：王磊,周海东,吴佳琪.一种快速传输的太赫兹无线个域网mac协议[j].无线电通信技术,2019,45(06):648-652)。该协议采用多对节点并行传输机制，在信道互不干扰的情况下实现了多对节点在同一时刻内同时传输的功能，通过opnet仿真工具进行仿真验证。相较于lodmac协议和tab-mac协议，ftp-mac协议在吞吐量、信道利用率和网络整体的数据传输效率等性能方面都有所提高。但该文献的主要不足是在节点移动场景中，节点处于的扇区位置会有变化，不能更好地进行并行传输，增大了网络中的控制开销，同时也增大了网络平均端到端时延。

22、刘奕君等提出了一种适用于无线局域网的高效低时延太赫兹mac协议(参见文献：刘奕君,任智,李维政.太赫兹无线局域网mac协议优化设计[j].电讯技术,2023,63(03):375-381)。该协议利用中心控制节点与普通节点间的信息交互减少了不必要的波束赋形过程，采用机会性复用关联s-cap(sub-channel access period)机制提高了时隙利用率，采用公平时隙分配机制提高了时隙分配的公平性，从而减少了波束赋形时间，降低了平均端到端时延，提高了信道利用率。但该文献主要不足在于该技术在节点高速移动场景中，dev与pnc位置变化较大，由于双方不清楚对方的扇区位置，因此双方仍然需要进行完整的波束赋形才可波束对准，波束赋形时间较长，网络时隙利用率较低且控制开销偏大。

23、从上述的研究现状和背景技术可知，目前可用于太赫兹无线网络的定向mac协议及其相关技术已经得到了一定程度的研究和改进。但是通过深入的研究发现，现有的太赫兹无线网络的定向mac技术依旧存在一些问题，其中较为突出的是：在超帧的常规cap时段，当一个扇区内存在多个已入网dev时，同一扇区内的多个dev如果都向pnc发送时隙申请帧，则在pnc处会出现时隙申请帧碰撞，导致pnc收帧失败，从而引起多个节点在该超帧中申请时隙失败，这些节点不得不在后续超帧中再次进行时隙申请操作，控制开销和数据分组的平均端到端延时均会因此增加。这个问题会在控制开销等方面影响太赫兹无线网络定向接入的性能，有待解决。

技术实现思路

1、本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种太赫兹无线网络中消除时隙申请帧碰撞的方法。本发明的技术方案如下：

2、一种太赫兹无线网络中消除时隙申请帧碰撞的方法，其由太赫兹无线网络中的pnc和dev执行以下三种新机制：新机制1——基于beacon帧类型的序号和数量信息自适应传送机制；新机制2——结合泛听的扇区dev数量获取和更新机制；新机制3——面向帧碰撞消除的时隙申请帧发送节点顺序调度机制，其中，“基于beacon帧类型的序号和数量信息自适应传送”新机制包括：在超帧的bp时段，pnc在广播beacon帧时，根据扇区类型的不同，自适应地选择不同的beacon帧，按需地传送beacon帧序号和扇区所含dev数量信息给dev；

3、“结合泛听的扇区dev数量获取和更新”新机制包括：在多dev扇区的dev入网过程中，pnc用入网申请回复帧携带扇区dev数给新入网的dev；多dev扇区的dev在入网后，采用“泛听”方式去处理收到的入网申请回复帧，如果发现有新节点成功入网，则更新自己的“扇区dev数”参数n；

4、“面向帧碰撞消除的时隙申请帧发送节点顺序调度”新机制包括：多dev扇区中要申请数据传送时隙的dev用“beacon帧序号”参数s和“扇区dev数”参数n进行模运算，根据模运算结果判断自己是否能够发送时隙申请帧，如果能发送才进行发送。

5、本发明的优点及有益效果如下：

6、本发明在采用定向通信方式的太赫兹无线网络中，当有多个dev位于同一个扇区时，用确定dev发送时隙申请帧顺序的思路解决了时隙申请帧碰撞的问题。通过按需调度同一扇区内dev发送时隙申请帧的顺序，完全消除了时隙申请帧的碰撞，避免了帧碰撞引起的时隙申请帧的重发，从整体上减少了时隙申请帧的发送数量，降低控制开销；并且有利于从整体上减少数据分组获得时隙所消耗的时间、降低数据分组的端到端平均时延。

7、根据现有相关接入协议的操作，在bp时段，它们通常不关心beacon帧的序号和扇区所含dev数量，因此，本发明提出的新机制1让pnc用beacon帧带上序号并传送扇区所含dev数量，不容易想到；而从减少开销的角度触发，使用多种类型的beacon帧，自适应地按需传送上述序号和数量信息，就更加不容易想到了。对应的效果就是在尽量少增加控制开销的前提下，实现了beacon帧序号和扇区所含dev数量信息的有效传送。其巧妙之处在于，既能传送beacon帧序号和扇区所含dev数量信息，而且又是自适应地、按需地传。

8、根据现有相关接入协议的操作，在cap时段，它们通常不关心某个扇区所含dev数量，如果该扇区不止一个dev，则通常采用载波侦听、随机退避发送等策略来缓解帧碰撞问题，这些策略的实施不依赖于dev数量，因此现有相关接入协议通常不在意有几个dev，也就更加不在意dev数量的变化了。而本发明提出的新机制2不仅在意一个扇区有几个dev，而且同样在意dev数量的变化，这是不容易想到的地方；并且用“泛听”方式、在不增加额外控制开销的情况下获取dev数量变化值，则更加不容易想到。对应的效果是dev有效而且高效地获取了自己所在扇区的dev数量的变化值。其巧妙之处在于，既能让dev有效获取其所在扇区dev数量的变化值，而且不增加任何控制开销。

9、根据现有相关接入协议的操作，在cap时段，如果一个扇区包含不止一个dev，它们通常采用载波侦听、随机退避发送等策略来缓解帧碰撞问题；但是这些策略只能起缓解作用，不能完全解决问题。而本发明提出的新机制3采用了类似“轮询”机制的思想，通过调度时隙申请帧发送节点的顺序，完全地解决了帧碰撞问题，不容易想到。对应的效果是有效地、完全地解决了pnc处的时隙申请帧碰撞问题，减少了控制开销而且有利于降低数据分组的端到端平均时延。其巧妙之处在于，引入类似“轮询”机制的思路，完全地、低开销地消除了pnc处的时隙申请帧碰撞。