太赫茲網(wǎng)絡場景下節(jié)點移動感知的定向MAC 協(xié)議

任 智，郭 黎，王 磊，蘇 新

（重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 400065）

0 概述

在當今信息化時代，人們對高帶寬和高速率的數(shù)據(jù)傳輸需求日益增加，而傳統(tǒng)無線通信（2G～5G）的數(shù)據(jù)傳輸速率［1-2］低于10 Gb/s。毫米波通信是第5 代移動通信系統(tǒng)的替代方案之一［3］，盡管毫米波頻段的數(shù)據(jù)速率可以達到GB 級［4-5］，但仍無法滿足未來無線通信中不斷增長的數(shù)據(jù)流量需求。因此，研究人員開始關(guān)注尚未完全發(fā)掘的太赫茲頻段（0.1～10 THz）［6］，并致力于太赫茲無線通信［7-9］的研究。

太赫茲無線通信滿足5G 以上的超高速通信要求［10-12］。太赫茲波已成為第6 代通信技術(shù)（6G）的主要使用頻段，即使在未來繼續(xù)發(fā)展的第7 代通信技術(shù)中也需要太赫茲相關(guān)技術(shù)支持［13］。太赫茲相關(guān)技術(shù)的研究重點是太赫茲頻段媒體接入控制協(xié)議［14］，傳統(tǒng)MAC 協(xié)議采用全向天線，但考慮到太赫茲傳播損耗較大，所以研究者引入定向天線［15］以提高其傳輸性能。根據(jù)IEEE 802.15.3c 標準［16］，網(wǎng)絡中配備定向天線的設備在進行通信時需要進行波束賦形以獲取節(jié)點位置。在波束賦形過程若按照標準所提供的方法執(zhí)行，會產(chǎn)生n×n時間復雜度，帶來不必要的開銷，同時增大數(shù)據(jù)傳輸時延。經(jīng)典的ENLBT-MAC協(xié)議［17］改進后是按照節(jié)點入網(wǎng)順序進行波束賦形，其時間復雜度為O（n）～O（n2），但也會帶來額外的控制開銷。

隨著頻率增大，波束變得越窄［18］，在60 GHz 的通信中，如此窄的波束用于波束賦形會產(chǎn)生浪費。針對此問題，文獻［19］提出快速波束賦形方案，首先在低頻段進行信道掃描及信令交互，通過在2.4 GHz頻段確定方位角和發(fā)射角大致方位，然后在太赫茲頻段進行定向數(shù)據(jù)傳輸，但該方案會增加設備成本。針對波束賦形產(chǎn)生的數(shù)據(jù)時延、Beacon 字段冗余等問題，文獻［20］提出FED-MAC 協(xié)議，該協(xié)議只能對1/2 的區(qū)域進行優(yōu)化，并沒有考慮節(jié)點運動等情況。

本文提出太赫茲網(wǎng)絡場景下節(jié)點移動感知的定向MAC 協(xié)議。通過引入微微網(wǎng)節(jié)點位置預估算法和動態(tài)場景節(jié)點位置感知機制，使協(xié)議在進行節(jié)點發(fā)現(xiàn)時只需要在目的節(jié)點所在范圍內(nèi)發(fā)送訓練序列，從而減少不必要的控制開銷。同時通過計算多個設備（DEV）的運動軌跡并預測其在下一時刻的位置，使源DEV 和目的DEV 能在目的DEV 發(fā)生移動后及時恢復已經(jīng)斷開的鏈路。

1 網(wǎng)絡拓撲與問題描述

1.1 網(wǎng)絡模型

太赫茲網(wǎng)絡應用在高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱鼍?，為了滿足高速數(shù)據(jù)傳輸需求，需要制定相應的各層通信協(xié)議，其中MAC 協(xié)議作為太赫茲網(wǎng)絡的核心協(xié)議，具有信道接入、信道資源分配等作用。太赫茲無線個域網(wǎng)的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of network topology

整個網(wǎng)絡由一個微微網(wǎng)協(xié)調(diào)器（Piconet Coordinator，PNC）和多個設備（DEV）組成。本文討論的超幀結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 超幀結(jié)構(gòu)Fig.2 Super-frame structure

該超幀結(jié)構(gòu)與IEEE802.15.3c 標準協(xié)議的超幀結(jié)構(gòu)一致，太赫茲無線個域網(wǎng)的網(wǎng)絡運行時間由多個超幀組成，每個超幀由以下3 部分組成：1）信標時期（Beacon Period，BP）用于PNC 在每個波束方向上發(fā)送多個定向信標幀，該幀包含分配給DEV 的時隙信息、網(wǎng)絡同步等信息；2）信道競用時期（Contention Access Period，CAP）分為關(guān)聯(lián)S-CAP（Sub-Contention Access Period，S-CAP）和常規(guī)S-CAP 兩個子時段，關(guān)聯(lián)S-CAP 中每個S-CAP 子時段用于節(jié)點向PNC 申請入網(wǎng)，常規(guī)S-CAP 子時段的每個S-CAP 子時段用于節(jié)點向PNC 申請時隙；3）信道時隙分配時期（Channel Time Allocation Period，CTAP）由信道時隙（Channel Time Allocation，CTA）組成，部分CTA 用于節(jié)點發(fā)現(xiàn)，部分用于節(jié)點間的數(shù)據(jù)交互。

1.2 問題描述

在使用定向天線的條件下，太赫茲無線個域網(wǎng)按照15.3c 標準協(xié)議執(zhí)行會出現(xiàn)以下2 個問題：

1）配備定向天線的節(jié)點與其他節(jié)點通信時，在空間進行循環(huán)往復掃描，以獲取其他節(jié)點的位置信息。在3c/ad 標準中，根據(jù)劃分的扇區(qū)，節(jié)點在每個扇區(qū)重復發(fā)送多個訓練序列，以尋找目的節(jié)點，但目的節(jié)點只可能在源節(jié)點的某個范圍內(nèi)，對于其他方向的掃描和遍歷，只會增加節(jié)點的發(fā)現(xiàn)時長。

2）在動態(tài)場景中，節(jié)點位置可能會發(fā)生變動。在標準和相關(guān)協(xié)議中，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器PNC 需要全方位、周期性地發(fā)送完整信標消息，使得移動后的節(jié)點能準確接收到相應配置信息和時隙分配信息。但信標消息是整個網(wǎng)絡中最大的控制消息。若盲目性、周期性發(fā)送這些消息使得整個網(wǎng)絡性能變差，也會增加PNC 負載，進而影響數(shù)據(jù)傳輸時延和吞吐量。此外，節(jié)點發(fā)生移動后，源節(jié)點和該節(jié)點建立好的鏈路就會斷開，需要重新進行節(jié)點發(fā)現(xiàn)，增大了數(shù)據(jù)傳輸時延。

2 NMA-MAC 協(xié)議

針對上述存在的問題，本文提出太赫茲網(wǎng)絡場景下的節(jié)點移動感知定向MAC（NMA-MAC）協(xié)議，該協(xié)議包含了微微網(wǎng)節(jié)點快速發(fā)現(xiàn)和動態(tài)場景節(jié)點位置感知2 種新機制。

2.1 微微網(wǎng)節(jié)點快速發(fā)現(xiàn)機制

在超幀CAP 時段，PNC 根據(jù)DEV 發(fā)送的時隙申請等消息，確定源DEV 以及目的DEV 所在位置，由此建立扇區(qū)-位置表，然后在物理層根據(jù)信號接收的強度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）機制計算出源DEV、目的DEV 的相對位置，最后將相對位置信息通過時隙申請回復幀告知給源DEV。此后，源DEV 與目的DEV 進行相互發(fā)現(xiàn)時，只需根據(jù)相對位置信息對目的DEV 進行相應握手，即源DEV 在知道目的DEV 的大致方位時，只需要在該方向發(fā)送波束賦形訓練幀，目的DEV 旋轉(zhuǎn)接收該訓練幀。目的DEV 選擇接收信噪比最強的扇區(qū)作為最佳扇區(qū)，并在該扇區(qū)向源DEV 發(fā)送訓練幀。此時源DEV 旋轉(zhuǎn)接收目的DEV 的訓練幀，同樣選擇接收信噪比最強的扇區(qū)作為最佳扇區(qū)。這樣就完成了一次握手過程，避免了源DEV 在每個扇區(qū)重復發(fā)送多個訓練幀，從而減少節(jié)點發(fā)現(xiàn)時長，使源DEV 和目的DEV 更快速地找到彼此位置。相比原有協(xié)議，在新機制下源DEV 不需要全方位搜索目的DEV，根據(jù)PNC 提供的信息，可以更快地發(fā)現(xiàn)目的DEV，從而減少節(jié)點發(fā)現(xiàn)時間。

微微網(wǎng)節(jié)點快速發(fā)現(xiàn)流程如圖3 所示，該機制在CAP 時段由PNC 執(zhí)行。

圖3 微微網(wǎng)節(jié)點快速發(fā)現(xiàn)流程Fig.3 Rapid discovery procedure of piconet node

步驟1PNC 在CAP 時段判斷是否有節(jié)點申請時隙，若有，則執(zhí)行下一步驟；若無，則結(jié)束本機制。

步驟2定向天線將無線空間以一定角度劃分成多個扇區(qū)［21］，每個設備扇區(qū)數(shù)量相同，PNC 根據(jù)每個扇區(qū)分布的DEV 數(shù)量，建立扇區(qū)-位置信息表。該表包含DEV 的編號ID、PNC 與DEV 的距離、DEV 所在扇區(qū)號、獲知DEV 距離的時刻、目的DEV 的ID、相對位置信息。若有節(jié)點向PNC 發(fā)送時隙申請，則PNC 根據(jù)這些信息以及通過物理層RSSI 機制，將相關(guān)信息存入扇區(qū)-位置信息表。PNC 判斷目的DEV與源DEV 是否進行過波束賦形，若沒有，則轉(zhuǎn)至步驟3；若有，則轉(zhuǎn)至步驟5。

步驟3PNC 通過扇區(qū)-位置信息表計算出目的DEV 相對于源DEV 的位置，并將該位置信息填入扇區(qū)-位置表的相對位置信息中，轉(zhuǎn)至步驟4。

首先以PNC 為原點建立坐標。1）若源DEV 與目的DEV 所在象限相對，則其相對位置為目的DEV所在的象限，如源DEV 在第一象限，目的DEV 在第三象限，則目的DEV 在以源DEV 為原點建立坐標的第三象限。2）若源DEV 與目的DEV 所在象限相鄰，則其相對位置為源DEV 所在象限的相對象限與目的DEV 所在象限聯(lián)合的象限區(qū)域。3）若源DEV 與目的DEV 所在象限相同，假設源DEV 距PNC 距離為x，目的DEV 距PNC 的距離為y，則進一步判斷：

1）源DEV 與目的DEV 在同一扇區(qū)，若xy，則相對位置為不包含源DEV、目的DEV 所在象限相對象限的其他象限。

2）若不在同一個扇區(qū)，且源DEV 的扇區(qū)號為n，目的DEV 的扇區(qū)號為m，假設源DEV、目的DEV 所在象限為α（1≤α≤4），其中規(guī)定若Amod 4=0，則A=4（mod 求余）。若xy,nm，由此PNC 可以判斷目的DEV 相對于源DEV 的象限為[(α+2)mod 4]∪[(α+3)mod 4]；若x>y,n

步驟4PNC 在回復DEV1 的時隙請求幀時，查看扇區(qū)-位置信息表，并將表中象限信息提取出來，在回復給DEV 的時隙請求時，將象限信息裝入回復幀的幀頭部MAC Header 的Index Stream 字段中，Index Stream 字段的前4 bit 分別對應1～4 象限，每位上的0 表示該象限不用做波束賦形，1 表示需要做波束賦形，通過該字段將象限信息給DEV1，轉(zhuǎn)下一步。

步驟5在CTAP 時段，源DEV 根據(jù)PNC 回復消息，判斷Fragmentation Control 中的保留字段是否為1，若是，則按新的節(jié)點發(fā)現(xiàn)機制進行；若不是，則按原有節(jié)點發(fā)現(xiàn)機制進行。

2.2 動態(tài)場景下的節(jié)點位置感知機制

在默認情況下，當節(jié)點發(fā)生移動，為了使移動的節(jié)點能收到Beacon 消息，PNC 需要在每個方向循環(huán)發(fā)送該消息，從而使移動后的節(jié)點還能與網(wǎng)絡進行同步，但這會造成很嚴重的時延以及控制開銷。此外，源節(jié)點在沒有目的節(jié)點位置信息情況下，需要重新對目的節(jié)點進行節(jié)點發(fā)現(xiàn)操作。新機制的主要思想是PNC 通過一種動態(tài)算法計算出移動后節(jié)點的位置，并且通過該位置信息針對性地發(fā)送Beacon 消息。另外，若該移動的DEV 在下個超幀的CTAP 時段沒有參與數(shù)據(jù)收發(fā)，則PNC 向該DEV 所在位置發(fā)送Beacon 消息時，不需要在Beacon 消息中攜帶時隙分配信息。在下個CAP 時段，執(zhí)行新機制1，把目的DEV 的位置告知給源DEV，使得源DEV 可以在具體位置對目的DEV 進行發(fā)現(xiàn)操作。

當節(jié)點發(fā)生移動時，首先，由PNC 建立扇區(qū)-DEV表，用于記錄某個扇區(qū)經(jīng)過移動可能出現(xiàn)的DEV；然后，通過CAP 時段收集DEV 的相關(guān)信息（ID、與PNC距離、獲取時刻等），在CTAP 時段結(jié)束后，根據(jù)在CAP 時段收集到的信息，計算出該DEV 在本超幀結(jié)束時移動后的大致位置，根據(jù)該位置信息更新扇區(qū)-DEV 表；最后，在下一超幀的Beacon 時段根據(jù)表中信息自適應調(diào)整發(fā)送Beacon 幀的方向和Beacon 幀的內(nèi)容。

1）在當前Beacon 時段，PNC 建立2 個扇區(qū)-DEV信息表，表1 記錄當前超幀的各個扇區(qū)所對應的DEV，表2 記錄當前超幀結(jié)束時，各個扇區(qū)可能出現(xiàn)的經(jīng)過移動后的DEV。如表1 中扇區(qū)號為0，記錄的ID 為1、3，表2 中扇區(qū) 為0，記 錄ID 為1、5，表 示DEV3 和DEV5 都發(fā)生過移動。

2）在當前CAP 時段，PNC 判斷是否有DEV 進行時隙申請，若無，則結(jié)束本機制；若有，則PNC 建立位置-信息表。通過物理層RSSI機制確定DEV 所在扇區(qū)、與PNC 距離、獲取信息時刻，將這些信息填入表中，并在表中加入源DEV、目的DEV 的ID 信息，轉(zhuǎn)下一步。

3）若某個節(jié)點發(fā)生移動，則在CTAP 的最后一個時隙開始，PNC 根據(jù)預先知道的節(jié)點最大運動速率vmax和每個扇區(qū)的角度α，以及上述步驟所得到的信息，計算出該節(jié)點可能運動到扇區(qū)的扇區(qū)號范圍。然后將該DEV 填入扇區(qū)-DEV 表2 內(nèi)所對應的扇區(qū)號所在欄，同時在表1 中刪除該DEV。

扇區(qū)號范圍計算方法是以PNC為中心建立坐標軸，網(wǎng)絡覆蓋范圍半徑為X的圓，設每個扇區(qū)角度為α，DEV的扇區(qū)號為ε（0 ≤ε≤360/(α-1)），DEV 與PNC 的距離為R，則DEV 位于該扇區(qū)半徑為R的一段弧上，設獲取該DEV 時刻為t1，CTAP 時段的最后一個時隙，假設PNC獲取DEV 運動后的時刻為t2，已知DEV 最大運動速率為vmax，則DEV 在這段時間內(nèi)運動的距離為L=vmax×(t2-t1）。微微網(wǎng)節(jié)點運動軌跡如圖4 所示。

圖4 微微網(wǎng)節(jié)點運動軌跡Fig.4 Motion trajectory of piconet node

（1）若L≥R，說明在沒超出網(wǎng)絡范圍的情況下，該DEV 可能運動到每個扇區(qū)，此時按照原有機制進行Beacon 幀的發(fā)送。

（2）若L

該DEV 下次可能出現(xiàn)的扇區(qū)號范圍如式（1）、式（2）所示：

4）在下個Beacon 時 段，PNC 查找扇 區(qū)-DEV表2，若表為空，說明沒有DEV 移動，則結(jié)束本機制；若表不為空，說明在前一個超幀結(jié)束時，DEV 發(fā)生移動，且PNC 已經(jīng)計算如各個扇區(qū)DEV 的移動情況，繼續(xù)執(zhí)行下一步。

5）PNC 根據(jù)表1 和表2，推斷DEV 的分布情況，然后向移動后的DEV 所在扇區(qū)發(fā)送Beacon 幀，對于那些經(jīng)移動后空置的扇區(qū)不發(fā)Beacon 幀。此外判斷該移動后的DEV 是否申請過時隙，若沒有，則在Beacon 幀中刪除時隙分配信息。

6）若移動的節(jié)點是某個DEV 的目的DEV，則在下個CAP 時段，繼續(xù)執(zhí)行新機制1，PNC 將移動后的節(jié)點位置告知給源DEV；否則結(jié)束本機制。

3 協(xié)議性能分析

關(guān)于新協(xié)議性能，給出如下引理及相關(guān)證明。

引理1節(jié)點間在進行相互發(fā)現(xiàn)時，與IEEE80 2.15.3c 標準協(xié)議以及ENLBT-MAC 協(xié)議相比，NMA-MAC 協(xié)議節(jié)點發(fā)現(xiàn)過程中所產(chǎn)生的控制開銷更小。

證明假設太赫茲無線個域網(wǎng)中有1 個PNC，每個PNC 的周圍有m個DEV（m>1），DEV 產(chǎn)生的每個控制幀幀長為α，DEV 需要在Si（i=1，2，3）個扇區(qū)發(fā)送控制消息，每個扇區(qū)需要發(fā)送控制幀的總數(shù)為f。IEEE802.15.3c 協(xié)議中，節(jié)點發(fā)現(xiàn)過程所產(chǎn)生的控制開銷為C1；ENLBT-MAC 協(xié)議中，節(jié)點發(fā)現(xiàn)過程所產(chǎn)生的控制開銷為C2；NMA-MAC 協(xié)議中，節(jié)點發(fā)現(xiàn)過程所產(chǎn)生的控制開銷為C3，如式（6）～式（8）所示：

由于協(xié)議所適用的網(wǎng)絡模型相同，在新機制的操作下，NMA-MAC 協(xié)議節(jié)點發(fā)現(xiàn)過程中，不需要對全方位的扇區(qū)進行遍歷，只需要對某個或某幾個扇區(qū)進行遍歷，所以S3

引理2與IEEE802.15.3c 標準協(xié)議以及ENLBTMAC 協(xié)議相比，NMA-MAC 協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸過程中的傳輸成功率將會更高。

證明傳輸成功率是指網(wǎng)絡中目的節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)量與源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)量的比值。設IEEE802.15.3c 協(xié)議的 成功率 為P1，ENLBT-MAC 協(xié)議的成功率為P2，NMA-MAC 協(xié)議的成功率為P3，其中Nri（i=1，2，3）表示接收到幀的數(shù)量，Nsi（i=1，2，3）表示發(fā)送幀的數(shù)量，如式（9）～式（11）所示：

如果源節(jié)點持續(xù)向相同的方向發(fā)送數(shù)據(jù)幀，隨著源節(jié)點的移動，可能會導致目的節(jié)點收到的數(shù)據(jù)幀會越來越少。而在新機制的作用下，PNC 可以預先知道移動節(jié)點的位置，然后將位置信息告知給源DEV，此時源DEV 可以根據(jù)該消息調(diào)整發(fā)送方向。由此可以得出Nr1≤Nr2≤Nr3，從而P1≤P2≤P3，得證。

引理3與IEEE802.15.3c 標準協(xié)議以及ENLBTMAC 協(xié)議相比，NMA-MAC 協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸過程中的吞吐量將會更高。

證明吞吐量是指單位時間內(nèi)，目的節(jié)點收到的bit 數(shù)總和。超幀的長度一定，設網(wǎng)中節(jié)點數(shù)為N，CTAP 時段源DEV 向目的DEV 發(fā)送幀的總長為ldata，Pi為在太赫茲信道上發(fā)送數(shù)據(jù)幀的成功率，T為整個網(wǎng)絡運行時間。設IEEE802.15.3c 協(xié)議的吞吐量為S1，ENLBT-MAC 協(xié)議的吞吐量為S2，NMA-MAC 協(xié)議的吞吐量為S3，如式（12）～（14）所示：

在網(wǎng)絡拓撲和各節(jié)點參數(shù)相同的情況下，ldata和T都是相同的，由引理2 可知，P1≤P2≤P3，從而S1≤S2≤S3，得證。

4 仿真分析

本文利用OPNET 仿真工具模擬實際網(wǎng)絡中業(yè)務，并主要研究隨著節(jié)點數(shù)目的增加，對協(xié)議各性能指標的影響。仿真參數(shù)設置如表1 所示。

表1 仿真參數(shù)設置Table 1 Simulation parameters setting

4.1 控制開銷

不同協(xié)議的波束賦形控制開銷對比如圖5 所示。隨著節(jié)點增加，各協(xié)議控制開銷都有所上升，由于NMA-MAC 協(xié)議使用新的機制，使得運行網(wǎng)絡所產(chǎn)生的的控制開銷在網(wǎng)絡飽和情況降低30.86%，仿真結(jié)果和引理1 分析一致。由于IEEE802.15.3c 標準協(xié)議需要在每個方向遍歷，導致每個方向都會產(chǎn)生控制開銷；而ENLBT-MAC 協(xié)議根據(jù)入網(wǎng)順序進行遍歷，產(chǎn)生的開銷會相應減少，但仍然需要在每個方向進行遍歷。NMA-MAC 協(xié)議使用新機制不需要在每個方向進行遍歷，只在有節(jié)點的方向產(chǎn)生所需要的開銷，所以總開銷更小。

圖5 不同協(xié)議的波束賦形控制開銷對比Fig.5 Beamforming control cost comparison among different protocols

4.2 傳輸成功率

不同協(xié)議的消息傳輸成功率如圖6 所示。當節(jié)點數(shù)從10 增加到13 時，網(wǎng)絡中某些節(jié)點發(fā)生了移動。相比IEEE802.15.3c 標準協(xié)議，NMA-MAVC 協(xié)議的網(wǎng)絡傳輸成功率增長了4.575%，仿真結(jié)果和引理2 分析一致。由于存在節(jié)點移動的情況，當節(jié)點發(fā)生移動后，IEEE 802.15.3c 協(xié)議或ENLBT-MAC 協(xié)議的源節(jié)點在原方向發(fā)送數(shù)據(jù)，此時目的節(jié)點收不到該消息，在下個超幀中，源DEV 與目的DEV 需要重新進行節(jié)點發(fā)現(xiàn)后，再進行數(shù)據(jù)傳輸，此時源節(jié)點重復發(fā)送了相同數(shù)據(jù)，而目的節(jié)點只接收到一次數(shù)據(jù)。而NMA-MAC 協(xié)議下源節(jié)點通過PNC 預先知道目的DEV 的位置，只需要向移動后的方向發(fā)送一次數(shù)據(jù)，從而提升數(shù)據(jù)消息傳輸成功率。

圖6 不同協(xié)議的消息傳輸成功率對比Fig.6 Message transmission success rate comparison among different protocols

4.3 吞吐量

不同協(xié)議的吞吐量對比如圖7 所示。相比IEEE802.15.3c 標準協(xié)議，NMA-MAC 協(xié)議的吞吐量增加了13.28%，仿真結(jié)果與引理3 分析一致。3 種協(xié)議在節(jié)點沒有發(fā)生移動的情況下，吞吐量的走勢是差不多的，若節(jié)點發(fā)生移動，使得IEEE802.15.3c 標準協(xié)議和ENLBT-MAC 協(xié)議的吞吐量發(fā)生短暫下降，而后節(jié)點需要重新進行波束賦形重新發(fā)現(xiàn)節(jié)點，吞吐量又逐漸開始上升。在節(jié)點移動后，NMA-MAC 協(xié)議通過計算獲取移動節(jié)點位置，然后動態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)送方向，其吞吐量不會呈下降的趨勢。隨著節(jié)點數(shù)的增加，各協(xié)議的吞吐量逐漸趨于平穩(wěn)狀態(tài)。

圖7 不同協(xié)議MAC 層吞吐量對比Fig.7 MAC layer throughput comparison among different protocols

4.4 平均時延

不同協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸時延如圖8 所示。從圖8 可以看出，在不同節(jié)點場景下3 種協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸時延的差別不是很大。隨著節(jié)點個數(shù)增加，由于申請時隙的節(jié)點個數(shù)逐漸增多，而超幀的長度是不變的，每個節(jié)點被安排的時隙也會推后，因此時延逐漸增加。而NMAMAC 協(xié)議通過減少在部分扇區(qū)的掃描時間，從而調(diào)整常規(guī)S-CAP 的長度，PNC 有足夠時間處理節(jié)點的時隙申請，可以縮短數(shù)據(jù)的傳輸時延。

圖8 不同協(xié)議平均時延對比Fig.8 Average delay comparison among different protocols

5 結(jié)束語

本文提出一種太赫茲網(wǎng)絡場景下的節(jié)點移動感知定向MAC 協(xié)議。在分析節(jié)點波束賦形的過程中，采用軟件建模方式模擬微微網(wǎng)中節(jié)點的運動狀態(tài)，引入微微網(wǎng)節(jié)點快速發(fā)現(xiàn)和動態(tài)場景節(jié)點位置感知機制，并使用歸一化方法分析網(wǎng)絡性能指標。仿真結(jié)果表明，相比IEEE802.15.3c 標準協(xié)議和ENLBT-MAC協(xié)議，NAM-MAC 協(xié)議能有效提高吞吐量和消息傳輸成功率，降低數(shù)據(jù)平均時延。后續(xù)將利用定向天線空分復用的特點，對太赫茲定向并行傳輸協(xié)議做進一步優(yōu)化。