Terahertz Yüksek Yuva Kullanımı Hızlı Yönlü MAC Protokolü
Terahertz kablosuz kişisel alan ağı, iletişim frekansı aralığı 0.1 THz ila 10 THz olan kendi kendini düzenleyen bir ağdır. Geleneksel kablosuz ağlarla karşılaştırıldığında, terahertz kablosuz kişisel alan ağlarının en büyük avantajı, büyük bir kullanılabilir bant genişliğine sahip olması ve insanların artan taleplerini karşılayabilen 10 Gb / sn'lik bir veri hızını destekleyebilmesidir.
Terahertz kablosuz kişisel alan ağları üzerine yapılan mevcut araştırmada, dikkate alınan senaryoların çoğu çok yönlü iletimdir. Sınırlı güç koşulu altında, terahertz bandının yüksek yol zayıflaması, çok yönlü iletim mesafesini sadece 1 m yapar, bu da pratikte uygulamasını ciddi şekilde etkiler. Teknoloji sayesinde, kaynak ve hedef düğümler iletişimi sağlayabilir, yani kaynak düğüm verileri alıcı düğüm yönünde gönderir. Hedef düğüm, verileri kaynak düğüm ile hizalanmış yönde alır ve bu, terahertz frekans bandının iletişim mesafesini önemli ölçüde artırabilir. Bu nedenle, hüzmeleme teknolojisinin terahertz kablosuz kişisel alan ağlarında uygulanması özellikle önemlidir. Literatür, bir kod çizelgesine dayalı olarak 60 GHz hüzmeleme protokolü önermektedir. Protokol, hüzmeleme eğitim sürecini düğümler arasında 3 seviyeye böler: yarı çok yönlü seviye, sektör seviyesi ve kiriş seviyesi. Bu üç seviyenin yönsel kazanımları sırayla artarken, kapsama alanı sırayla azalır. Aynı yayılma mesafesini elde etmek için, üç seviye tarafından benimsenen kodlama ve modülasyon şemaları da farklıdır ve büyük yönlü kazançlı seviye, daha yüksek seviyeli bir modülasyon şeması kullanır. Bir önceki seviye belirlendikten sonra talebe göre bir sonraki seviye aktif hale gelecektir. Önceki düzey öncüldür ve sonraki düzey alt bölümdür. Farklı seviyeleri bölme yöntemi, birçok gereksiz senkronizasyon ek yükünü önler. Literatür, iç mekan THz iletişimi için uygun bir hızlı ışın tarama stratejisi önermektedir. Bu stratejinin ana fikri, alıcı-vericinin önce 2,4 GHz frekans bandında kaba bir tarama yapması ve ardından yaklaşık konumu belirledikten sonra THz frekans bandında ince bir tarama gerçekleştirmesidir. Bu makalede, 2,4 GHz frekans bandındaki yönlü ışın genişliği 36 ° ve THz frekans bandındaki yönlü ışın genişliği 12 ° olarak ayarlanmıştır. Gönderen uç, kaba bir tarama gerçekleştirirken Derinlik Açısı tahmini (AoD) gerçekleştirir ve alıcı uç, kaba bir tarama gerçekleştirirken Varış Açısı tahmini (AoA) gerçekleştirir. Kaba tarama bittikten sonra, alıcı ve verici uçlar diğer taraf hakkında yaklaşık azimut bilgisini elde eder ve ardından alıcı ve verici uçlar, yaklaşık azimut bilgisine göre THz frekans bandının ışın tarama aralığını azaltır, böylece huzme oluşturma süresinin azaltılması amacına ulaşılır. Bu yöntem hüzmeleme süresini kısaltsa da donanım maliyetini arttırır.
Yukarıdaki sorunlara yanıt olarak KIM E J ve diğerleri, IEEE 802.15.3c (bundan böyle 3c olarak anılacaktır) standardına dayalı bir CAP uyarlamalı tahsis mekanizması (ACAP-MAC) önermiştir. ACAP-MAC, 3c protokolünün CAP periyodu bölümünü optimize eder.Ana fikir, Normal S-CAP periyodunu düğümler olmadan iptal etmek ve gereksiz periyot israfını önlemek için periyodu düğüm sayısına göre dinamik olarak tahsis etmektir. Ancak protokol, düğümler arasında hüzmeleme eğitimi ve tek düğümlü sektörlerin zaman tahsisi açısından optimize edilmemiştir.
Bu makale, yuva kullanımını etkili bir şekilde iyileştirebilen, ağ ek yükünü azaltabilen ve ışınları azaltabilen bir terahertz kablosuz kişisel alan ağı yüksek yuva kullanım oranı ve hızlı yönlü MAC Protokolü (Yüksek Yuva Kullanım Oranı ve Hızlı Yönlü MAC Protokolü, HUFD-MAC) önermektedir. Şekillendirme zaman alır.
1 Ağ modeli ve problem analizi
1.1 Ağ modeli
Bu makale, 3c standardına dayalı olarak terahertz kablosuz kişisel alan ağının hüzmeleme problemini inceler ve süper çerçeve yapısı Şekil 1'de gösterilmektedir.
Beacon periyodu sırasında, PNC ilk olarak temel ağ bilgilerini tüm yönlere taşıyan Beacon çerçevelerini yayınlar ve mikro şebekedeki düğümler döngüsel olarak Beacon çerçevelerini alır. Ağa bağlı olmayan düğümler, ilişkilendirme işlemini ilgili Association S-CAP döneminde gerçekleştirecek ve Piconet'e katılacaktır. Ağa bağlanan ve veri iletimi olan düğümler, Düzenli S-CAP süresi boyunca PNC'den zaman dilimleri isteyecektir.Doğumlar arasında veri çerçevesi iletimi için normal CAP kullanılabilir.CAP, her dönemde CSMA / CA erişimini kullanır. CTAP, CTA'ları (Kanal Zaman Tahsisleri) ve MCTA'ları (Yönetim CTA'ları) içerir. CTA'lar temel olarak ağdaki düğümler arasında eşzamanlı / eşzamansız veri akışlarını, komut çerçevelerini ve diğer bilgileri göndermek için kullanılır ve QoS garantili veri aktarım hizmetleri sağlamak için TDMA erişim yöntemlerini kullanır. MCTA'lar bazı durumlarda CAP aktarım komut çerçevelerinin yerini alabilir, ancak bu süre zarfında çoğunlukla DEV ve PNC arasındaki iletişim için kullanılırlar.
1.2 Problem analizi
(1) ACAP-MAC protokolünde, Normal S-CAP'deki her bir alt periyodun uzunluğu formül (1) 'e göre tahsis edilir.
Bunlar arasında, mj, sektör j'deki düğüm sayısını temsil eder, mtotal tüm sektörlerdeki toplam düğüm sayısını temsil eder, stota_CAP, 3c'deki normal S-CAP döneminin toplam uzunluğunu temsil eder ve sj, j sektörüne ayrılan alt dönem uzunluğunu temsil eder. Bu uyarlanabilir sektör zaman tahsisi, Normal S-CAP başlangıç zamanı alanı ve S-CAP süresi alanının değerleri değiştirilerek elde edilir. Sektör j'de sadece bir düğüm olduğu düşünüldüğünde, sektör j'ye ayrılan alt dönemin uzunluğu formül (1) ile elde edilebilir:
Bu zamanda, bir durum olacaktır: formül (2) 'ye göre hesaplanan sj, düğümün PNC zaman dilimi istek mesajı ile etkileşime girme süresinden daha büyüktür. Bu durumda zaman aralığı kaybı olacaktır.
(2) Mevcut kiriş eğitim sürecinde, kaynak düğüm tarafından gönderilen kiriş eğitim çerçevesini aldıktan sonra, hedef düğüm, kaynak düğümün bulunduğu sektöre çok sayıda ışın eğitim çerçevesi gönderecektir, böylece kaynak düğüm bunlardan birini başarılı bir şekilde alabilir. Kaynak düğümün alıcı sektörünün doğru bir şekilde hesaplanabilmesi durumunda, hedef düğümün yalnızca karşılık gelen anda kaynak düğüme bir ışın eğitim çerçevesi göndermesi gerekir ve çerçeve, kaynak düğüm tarafından başarılı bir şekilde alınabilir. Bu nedenle, mevcut kiriş eğitim operasyonunun fazladan kontrol ek yükü ve zaman tüketimi vardır.
2 HUFD-MAC protokolü
2.1 Aşağı bağlantı verilerini iletmek için yedekli tek düğüm sektörlerini kullanın
Bu mekanizmanın temel fikri şudur: PNC, uydu-yer bağı verilerini iletmek için tek düğümlü bir sektöre ayrılan fazla zamanı kullanır. Spesifik plan aşağıdaki gibidir:
Ağda tek düğümlü bir sektör olduğunda ve sektöre tahsis edilen zaman, düğümün PNC zaman dilimi istek mesajı ile etkileşime girmesi için gereken süreden daha uzun olduğunda, PNC sektördeki tek cihazlı bayrak konumu 1 ile bir Beacon çerçevesi gönderir. Düğüm, Beacon çerçevesini alır ve tek cihazlık alanı çıkarır.Değer 1 ise ve mevcut süper çerçeveye karşılık gelen ilişkilendirme S-CAP süresi, PNC'nin diğer düğümlere ilişkilendirme yanıtını almaz (aynı sektördeki ağa başka düğüm bağlı olmadığını gösterir) , Normal S-CAP başlama zamanı sona erdiğinde, zaman dilimi istek çerçevesi doğrudan PNC'ye gönderilir. PNC, uydu-yer bağı verilerini iletmek için tek bir düğüm sektörünün Normal S-CAP periyodunu kullanır. Beacon çerçevesinin Normal S-CAP bilgi alanının formatı Şekil 2'de gösterilmektedir.
2.2 Hedef düğüm tarafından gönderilen çerçeveyi zaman bilgisine göre azaltın
Mekanizmanın temel fikri şudur: veri çerçevesinin hedef düğümü, kaynak düğüm tarafından gönderilen alınan ışın eğitimi çerçeve sıra numarasına, bir ışın eğitim çerçevesinin gönderildiği zamana ve düğümün bir ışın eğitim çerçevesini izlediği zamana göre kaynak düğümün dönüş izleme sürecini hesaplar. Kendi sektörünün tam anına geçiş yapar ve ardından o anda veri çerçevesi kaynak düğümüne bir ışın eğitim çerçevesi gönderir. Spesifik plan aşağıdaki gibidir:
Kaynak düğümün huzme eğitim çerçevesini aldıktan sonra, hedef düğüm anten bilgisini ve sıra numarasını ondan çıkarır ve denkleme (3) göre kaynak düğümdeki sektör numarasını hesaplar.
Bunlar arasında ts, düğümün bir ışın eğitim çerçevesi (çerçeveler arası aralık dahil) göndermesi için gereken zamanı, tr, düğümün bir ışın eğitim çerçevesini (çerçeveler arası aralık dahil) izleme süresini temsil eder; tp ve m sırasıyla kaynak düğümü alan mevcut düğümü temsil eder. Kiriş eğitim çerçevesinin süresi ve kiriş eğitim çerçevesinin sıra numarası, n toplam sektör sayısını temsil eder. Hedef düğüm, ta zamanında kaynak düğümün bulunduğu sektöre bir sıra numarası ve kendi anten bilgisine sahip bir ışın eğitim çerçevesi gönderir. Bu noktada yeni mekanizmanın çalışması bitmiş olup, akış şeması Şekil 3'te gösterilmiştir.
2.3 Performans analizi
Lemma 1: HUFD-MAC protokolünün verimi 3c ve ACAP-MAC'den düşük değil.
İspat: 3c ve ACAP-MAC'de, düğümler arasındaki verilerin gönderilmesi / alınması CTAP döneminde gerçekleştirilir. HUFD-MAC'de, düğümler yalnızca CTAP döneminde veri iletmekle kalmaz, aynı zamanda CAP döneminde fırsatçı bir şekilde veri iletebilir. Bir süper çerçeve uzunluğunun L, CTAP oranının R ve veri aktarım hızının D olduğunu varsayalım. Hesaplamayı basitleştirmek için, CTAP döneminin tümünün veri göndermek için kullanıldığını varsayarsak, 3c ve ACAP-MAC'in bir süper çerçevesinde iletilen toplam veri miktarı A1 için hesaplama formülü denklem (5) 'dir ve saniyede süper çerçeve sayısı Q için hesaplama formülü şöyledir: Formül (6):
Denklemlerden (5) ve (6), 3c ve ACAP-MAC'in T1 ağ veriminin:
Lemma 2: Düğümler arası hüzmeleme eğitimi için HUFD-MAC'in maliyeti ACAP-MAC'inkinden daha düşüktür.
İspat: Bir düğümün sektör sayısının S olduğu varsayıldığında, ACAP-MAC'deki düğümler arasındaki hüzmeleme eğitim ek yükü CACAP'ı iki kısma ayrılır: CACAP1 ve CACAP2.
Bunlar arasında CHUFD1, HUFD-MAC protokolü hüzmeleme eğitiminin ilk aşamasında kullanılan ek yükü temsil eder ve CHUFD2, HUFD-MAC protokolü huzme şekillendirme eğitiminin ikinci aşamasında kullanılan ek yükü temsil eder.
Formül (9) 'dan formül (12)' ye şunu elde edebiliriz:
CBF tarafından > 0, S > 1 mevcut: CACAP > CHUFD kanıtladı.
3 Simülasyon analizi
Bu makale HUFD-MAC, 3c ve ACAP-MAC protokollerinin performansını OPNET simülasyon araçları aracılığıyla karşılaştırmaktadır Simülasyon parametre ayarları Tablo 1'de gösterilmiştir.
3.1 MAC katmanı verimi
MAC katmanı verimi, birim zamanda MAC katmanı tarafından başarıyla alınan bit sayısını ifade eder. Şekil 4, HUFD-MAC'ın daha yüksek bir verime sahip olduğunu göstermektedir. Bunun nedeni: (1) Protokol, uydu-yer bağı verilerini iletmek için fazladan tek düğümlü sektörler kullanır, böylece PNC, CTAP periyodunu işgal etmeden uydu-yer bağı verilerinin bir kısmını iletebilir, böylece daha fazla başka düğüm Veriler CTAP döneminde gönderilebilir; (2) Protokol, zaman bilgisine dayalı olarak düğümler arasındaki hüzmeleme eğitiminin fazlalık ek yükünü azaltır, böylece daha fazla veri gönderilebilir.
3.2 Ortalama veri gecikmesi
Veri gecikmesi, veri paketini oluşturan kaynak düğümden veri paketini alan hedef düğüme kadar geçen süreyi ifade eder ve ortalama veri paketi gecikmesi, tüm veri paketlerinin gecikmelerinin toplamının ortalamasıdır. Şekil 5, HUFD-MAC protokolünün ortalama veri gecikmesinin en düşük olduğunu göstermektedir. Ana nedenler şunlardır: (1) Aşağı bağlantı verilerini iletmek için fazladan tek düğümlü sektörlerin kullanılması, bazı PNC verilerinin önceden gönderilmesine izin verir; (2) Zaman bazlı bilgiler azaltılır Hedef düğüm tarafından gönderilen kare sayısı, düğümler arasındaki hüzmeleme eğitimi süresini kısaltır, böylece daha sonra gönderilmesi gereken veriler önceden gönderilebilir.
3.3 Normalleştirilmiş kontrol ek yükü
Normalize edilmiş kontrol ek yükü, tüm kontrol çerçeveleri tarafından işgal edilen bit sayısının, kontrol çerçeveleri ve veri çerçeveleri tarafından işgal edilen toplam bit sayısına oranını ifade eder. Şekil 6, HUFD-MAC'in normalleştirilmiş kontrol ek yükünün en küçük olduğunu göstermektedir.Bunun nedeni, protokolün, zaman bilgisine dayalı olarak hedef düğüm tarafından gönderilen çerçeveyi azaltmak için bir mekanizma kullanmasıdır, bu, düğümler arasında hüzmeleme ile gönderilen eğitim çerçevelerinin sayısını önemli ölçüde azaltır, böylece kontrol sağlar. Genel gider oranı azaltılır.
4. Sonuç
Mevcut yönlü MAC protokollerinde yedekli tek düğümlü sektör zaman tahsisi, aşırı hüzmeleme eğitimi ek yükü ve uzun zaman tüketimi sorunlarını hedefleyen bu makale, terahertz kablosuz kişisel alan ağları için yüksek zaman aralığı kullanımına sahip hızlı yönlü bir MAC protokolü önermektedir. (HUFD-MAC). Protokol, uydu-yer bağı verilerini iletmek için fazladan tek düğümlü sektörler kullanır ve zaman bilgisine dayalı olarak ışın eğitim çerçevelerinin sayısını azaltır, bu da zaman aralığı kullanımını etkili bir şekilde geliştirir, ağ ek yükünü azaltır ve huzme biçimlendirme süresini azaltır.
Referanslar
Zhang Jian, Deng Xianjin, Wang Cheng ve diğerleri.Terahertz yüksek hızlı kablosuz iletişim: sistemler, teknikler ve gösteriler.Terahertz Bilim ve Elektronik Bilgi Teknolojisi Dergisi, 2014, 12 (1): 1-13.
Liu Wenpeng. Terahertz kablosuz kişisel alan ağının MAC protokolü üzerine araştırma. Chongqing: Chongqing Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, 2015.
Ren Zhi, Chen Cong, You Lei, ve diğerleri. Yüksek verimli ve düşük gecikmeli bir terahertz kablosuz kişisel alan ağı MAC protokolü Bilgisayar Uygulama Araştırması, 2016, 33 (10): 3143-3146.
Wang Pu, MIQUEL J J, ABBAS M M G, et al.Terahertz bandında sürekli kablosuz nano sensör ağları için enerji ve spektruma duyarlı MAC protokolü. Ad Hoc Networks, 2013, 11 (8): 2541-2555.
WANG J, ZHOU L, PYO C W, ve diğerleri.Çoklu Gbps milimetre dalgalı WPAN sistemleri için ışın kod kitabı tabanlı ışın oluşturma protokolü.2009 IEEE Dergisi İletişimde Seçilmiş Alanlar, 2009, 27 (8): 1390-1399.
BILE P, SEBASTIAN P, THOMAS K. Kapalı Terahertz iletişimi için hızlı ışın arama konsepti 8. Avrupa Antenler ve Yayılma Konferansı (EuCAP 2014). Hollanda: IEEE Press, 2014: 639-643.
KIM E J, JUNG J J. IEEE 802.15.3c için Uyarlamalı CAP atama yaklaşımı. Bilgisayar Bilimi ve Uygulamaları, 2015, 330 (1): 149-154.
yazar bilgileri:
Ren Zhi, Xu Zhaokun, Kang Jian
(İletişim ve Bilgi Mühendisliği Okulu, Chongqing Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, Chongqing 400065)
