Terahertz kablosuz kişisel alan ağları için hızlı ve verimli bir yönlü MAC protokolü
Terahertz ultra yüksek hızlı kablosuz ağ, geleneksel kablosuz ağlardan farklı olan yeni bir kablosuz ağ türüdür.Terahertz frekans bandında çalışır ve 10 Gb / sn ile 1 Tb / sn arasında veri aktarım hızını destekleyebilir. Şu anda, terahertz kablosuz kişisel alan ağları üzerine yapılan araştırmaların çoğu, ağdaki ekipmanın anteninde çok yönlü iletim kullanımını dikkate almaktadır.Terahertz kablosuz kişisel alan ağında, belirli bir güç aralığında, terahertz'in çok yönlü iletim aralığı 1 m'den azdır. ; Gönderen uç, yönlü gönderme yöntemini benimser ve alıcı uç çok yönlü alma yöntemini benimser ve iletişim aralığı yalnızca 2 m'dir; gönderen uç, yönlü gönderme yöntemini benimser ve alıcı uç, iletişim mesafesini on metreden daha fazlasına ulaştırabilen yönlü alma yöntemini benimser. Terahertz kablosuz kişisel alan ağında düğümlerin iletişim mesafesini arttırmak için alıcı-verici ekipmanın hüzmeleme için yönlü antenler kullanması gerekir.
Mevcut ultra yüksek hızlı kablosuz MAC protokol standartları arasında, yüksek taşıyıcı frekansları için uygun protokoller, her ikisi de 60 GHz taşıyıcı frekansına sahip kablosuz iletişim için kullanılan IEEE 802.15.3 ve IEEE 802.11.ad'dir. PRIEBE S, terahertz kablosuz iletişimin MAC katman teknolojisi üzerine derinlemesine araştırma yaptıktan sonra, IEEE 802.15.3c'nin nispeten az ek yüke sahip olduğunu ve terahertz kablosuz iletişim için daha uygun olduğunu belirtti. IEEE 802.15.3c standardı, bir kod çizelgesine dayalı olarak hüzmelemeyi önermektedir.Hüzmeleme yöntemi üç aşamaya bölünmüştür.Üç aşamanın yönsel kazancı, kapsama alanı azalırken sırayla artmaktadır. Terahertz dalga ışınının dar özelliklerinden dolayı, terahertz kablosuz kişisel alan ağındaki alıcı-verici cihaz yalnızca ışın düzeyinde tarama gerçekleştirebilir ve uzun huzme oluşturma süresi acil bir sorundur.
Mevcut terahertz kablosuz kişisel alan ağı MAC protokolü, daha çok ağdaki ekipmanın dinamik sahnelerini dikkate almaktır, ancak ağdaki ekipmanın sunucu odasındaki büyük sunucular arasında veri iletimi ve ev sinema ekipmanı gibi statik sahneleri için geçerlidir. Veri aktarımı için, MAC protokolünü dinamik senaryolarda kullanmak uygun değildir. Dinamik senaryolarda MAC protokolünün uygulanması, statik senaryolarda aşırı kontrol yüküne neden olacaktır.Bu sorunlara yanıt olarak, bu makale statik senaryolar için uygun bir terahertz MAC protokolü önermektedir.
1 Ağ modeli ve sorun açıklaması
1.1 Ağ modeli
Bir terahertz kablosuz kişisel alan ağı genellikle bir PicoNet Koordinatöründen (PNC) ve birden fazla ortak cihazdan (DEVice, DEV) oluşur. Özel bir DEV olarak PNC, tüm ağın senkronizasyonundan sorumludur, DEV'nin ağa erişmesine izin verir ve DEV'yi veri aktarımı için düzenler.
Bu makalede tartışılan süper çerçeve yapısı Şekil 1'de gösterilmektedir. Süper çerçeve yapısı, 802.15.3cMAC protokolü tarafından benimsenen süper çerçeve ile aynıdır. Tüm süper çerçeve üç bölüme ayrılmıştır: İşaret dönemi, Çatışma Erişim Süresi (Çatışma Erişim Süresi, CAP) süresi, Kanal Zaman Tahsis Süresi (Kanal Zaman Tahsis Süresi, CTAP), burada CTAP birden fazla kanaldan oluşur Zaman aralığı (Kanal Zaman Tahsisi, CTA) bileşimi. Beacon periyodu sırasında, PNC bölünmüş sektörlere sırayla birden fazla Beacon çerçevesi gönderir Beacon çerçevesini aldıktan sonra, DEV, zaman dilimi tahsis bilgisini çıkarır ve zaman aralığında veri iletimini gerçekleştirir. CAP süresi, DEV'nin ağ ile ilişkilendirilmesi ve PNC'den zaman dilimleri talep etmesi için kullanılan Association S-CAP ve Normal S-CAP olarak ikiye ayrılır. CTAP periyodu, hüzmeleme ve veri iletimi için DEV'ye tahsis etmek için kullanılır.
1.2 Sorun açıklaması
(1) Problem 1: Bir terahertz kablosuz kişisel alan ağında, kaynak DEV ve hedef DEV, huzme biçimlendirirken, kaynak DEV, en iyi gönderme ve alma sektörlerini bulmak için bölünmüş sektörlerini geçecektir. Bu yöntem, çok uzun hüzmeleme süresi problemini ortaya çıkarır, bu da büyük bir veri iletim gecikmesine yol açar ve ağ verimini azaltır.
(2) Soru 2: Bir terahertz kablosuz kişisel alan ağında, Beacon süresi boyunca, PNC, her bir DEV zaman dilimi tahsis bilgisini bilgilendirmek için her sektörde birden fazla Beacon çerçevesi gönderecektir. Beacon çerçevesi, tüm DEV zaman dilimi tahsis bilgisini içerir Bununla birlikte, her bir DEV, Beacon çerçevesini aldıktan sonra, sadece kendisiyle ilgili zaman dilimi bilgisini çıkarır, böylece gereksiz kontrol ek yükünü arttırır.
2 FE-MAC protokolü
2.1 Hızlı hüzmeleme mekanizması
İlk soruya yanıt olarak, bir "hızlı huzme şekillendirme mekanizması" önerilmiştir. Mekanizma esas olarak CAP döneminde ve CTAP döneminde çalışır. Ana fikirler şunlardır: Beacon ve CAP periyotları PNC, her bir DEV ile hüzmelemeyi tamamlar ve her bir DEV1'in yerini belirler. DEV2'ye veri iletimi gerektiğinde, DEV1, zaman dilimleri için PNC'ye uygulanır PNC, DEV1 ve DEV2 arasındaki göreceli konum ilişkisini hesaplamak için her DEV'nin konum bilgisini kullanır ve daha sonra, DEV1'i, verileri göndermeden önce göreceli konum bilgisine göre DEV1 ışınlarını DEV2'ye bildirir. şekil.
Spesifik plan aşağıdaki gibidir:
(1) Dernek S-CAP döneminde, DEV en iyi gönderme sektöründedir ve ağ erişim bilgisi için birden fazla uygulama gönderir.Bu sırada PNC, her sektörde alınan bilgileri sırayla izler. DEV tarafından gönderilen uygulama bilgilerini aldıktan sonra geçer Fiziksel katman testi hesaplamasında, PNC sektör numarasını, sinyal varış açısını ve her bir DEV'in bulunduğu mesafeyi belirleyebilir, bir konum bilgisi tablosu oluşturabilir ve içinde DEV'nin kimlik numarasını, sektör numarasını, sinyal varış açısını ve mesafesini saklayabilir.
(2) Normal S-CAP periyodu sırasında, veri iletimli DEV, PNC'den bir zaman aralığı için başvuracaktır PNC, konum bilgisi tablosundaki her bir DEV'nin konum bilgisine dayalı olarak iki DEV arasındaki göreceli konumsal ilişkiyi hesaplar.
Hesaplama yöntemi aşağıdaki gibidir:
Şekil 2'de gösterildiği gibi, DEV1, DEV2, DEV1, PNC ve DEV2'ye aktaracak veriye sahip olduğunda bir üçgen oluşturabilir.DEV1'in geliş açısının ve DEV2'nin geliş açısının olduğu varsayıldığında, geometrik ilişki DEV1, PNC, DEV2 tarafından oluşturulan açı | - | dir.
DEV1 ile PNC arasındaki mesafenin a ve DEV2 ile PNC arasındaki mesafenin b olduğu varsayıldığında, günah ve kosinüs yasasından elde edilebilir:
PNC, DEV1'in kalkış açısını DEV1'in geliş açısına göre hesaplayabilir: aralığı 0 ° ise < 180 °, o zaman = + 180 °; aralığı 180 ° ise < 360 °, sonra = -180 °.
PNC, DEV1'e bağlı uzatma kablosu aracılığıyla DEV2'nin göreceli konumunu yargılar. DEV1'in başlatma açısı üzerinde saat yönünde veya saat yönünün tersine hesaplama yapıp yapmadığını belirlemek için hattı bağlayıp uzatarak DEV2'nin bağlantının solunda mı yoksa sağında mı olduğunu belirleyin.
PNC, DEV2'nin değerine göre bulunduğu DEV1'in çeyreğini alabilir. DEV1, PNC ve DEV2'nin eşdoğrusal ve eşdoğrusal olmayan bölümlerini tartışın. DEV1, PNC ve DEV2 eşdoğrusal değilse, DEV2'nin değerine göre DEV1'in çeyreğinde olduğuna karar verilebilir; eğer DEV1, PNC ise DEV2 ve DEV2 sıralı, DEV1 ve DEV2'nin PNC'nin aynı tarafında bulunup bulunmadığını düşünün.
Aynı tarafta iseler, DEV1 ve DEV2 arasındaki mesafe bilgisi, daha fazla değerlendirme için gereklidir. > b, DEV1'in PNC'den uzak olduğunu gösterir, sadece kadran bilgisini değerine göre alın; eğer a < b, DEV'nin PNC'ye daha yakın olduğunu ve 'nin simetrik çeyreğinin alındığını gösterir. 'nin 0 °, 90 °, 180 °, 270 ° olabileceği durumlar için kadranlar, açının bulunduğu iki kadrandır.
(3) PNC, DEV1'in veri talebi çerçevesine yanıt verdiğinde, kadran bilgisini istek yanıt çerçevesindeki ayrılmış alana koyar ve DEV1'e taşır.
(4) DEV1 kadran bilgisini aldıktan sonra, bir yargıya varır.Çeyran bilgisi sadece bir kadran içeriyorsa, DEV2'ye hüzmeleme bu kadranda sektörden başlar; kadran bilgisi iki kadran içeriyorsa , Sonra bu iki kadranın orta kısmını hüzmeleme için alın.
Huzme şekillendirme için her sektörden geçen mevcut terahertz MAC protokolü ile karşılaştırıldığında, PNC, ağdaki düğümlerin göreceli konumunu hesaplar ve kaynak DEV, huzme biçimini hedef DEV'ye düşürmek için göreceli konum bilgisini kullanır. Menzil, hüzmeleme etkisinin etkilenmemesi ve ek ağ kontrol ek yükünün artırılmaması, huzme şekillendirme için kontrol ek yükü azaltılır ve veri iletim gecikmesi azaltılır.
2.2 Uyarlanabilir İşaret çerçevesi
İkinci soruya yanıt olarak "uyarlanabilir Beacon çerçevesi" mekanizması önerilmiştir.Bu mekanizma Beacon döneminde ve CAP döneminde çalışır.Ana fikir şudur: Bir önceki süper çerçevenin CAP döneminde PNC, sektördeki DEV dağılımını belirleyebilir. PNC olduğunda Bir sektöre bir Beacon çerçevesi gönderirken, Beacon çerçevesinin zaman dilimi bilgisi tahsis alanı, sektöre katılan DEV'nin zaman dilimi bilgisine yerleştirilir.
Spesifik plan aşağıdaki gibidir:
(1) Dernek S-CAP döneminde, PNC her sektördeki dernek talep bilgilerini izlediğinde, DEV'nin her sektördeki dağılımını belirler ve her sektörde var olan DEV ID'sini saklamak için kullanılan bir lokasyon bilgi tablosu oluşturur. numara.
(2) Normal S-CAP süresi boyunca, PNC, DEV tarafından gönderilen kanal zaman dilimi talebi komut çerçevesi aracılığıyla veri iletimi gerçekleştirmesi gereken kaynak DEV ve hedef DEV'yi belirleyebilir, bir veri aktarım tablosu oluşturabilir ve kaynak DEV ile hedef DEV'nin kimlik numaralarını ve zamanını karşılaştırabilir. Yuva tahsis bilgisi, içinde saklanır.
(3) Bir sonraki süper çerçevenin Beacon periyodunda, PNC, her sektöre bir Beacon çerçevesi göndermeden önce sektörde bir DEV olup olmadığını belirlemek için konum bilgisi tablosunu kullanır .. DEV yoksa Beacon çerçevesi, zaman dilimi tahsis bilgi alanını kaldırır; Varsa, veri aktarım tablosu sektördeki DEV'de bir hedef DEV veya kaynak DEV olup olmadığını belirlemek için kullanılır. Hedef DEV veya kaynak DEV yoksa, Beacon çerçevesinin zaman dilimi tahsis bilgisi alanı kaldırılır; mevcutsa, Beacon çerçevesinin zaman dilimi tahsis alanı bu DEV'lerin zaman dilimi bilgisine konulur.
Bu mekanizma, Beacon çerçevesini uyarlanabilir bir şekilde ayarlar ve her sektördeki DEV'nin dağılımına göre uyarlamalı olarak zaman dilimi tahsis bilgisi ekler Mevcut terahertz MAC protokolü ile karşılaştırıldığında, her sektör tam bir Beacon çerçevesi gönderir. Bu şekilde, kontrol ek yükü azaltılır ve ağın genel iletim hızı iyileştirilir.
3 performans analizi
Teorem 1: 802.15.3c tabanlı terahertz MAC protokolüyle karşılaştırıldığında, FE-MAC protokolünün daha az kontrol ek yükü vardır.
İspat: Bir PNC ve n DEV (n > 1), her DEV, DEV'nin geri kalanıyla iletişim kurar, her düğümün m sektörü vardır, hüzmeleme eğitim çerçeve uzunluğu 224 bittir, 802.15.3c'deki Beacon çerçeve uzunluğu L1'dir ve FE-MAC protokolündeki Beacon çerçeve uzunluğu L2'dir. .
802.15.3c MAC protokolünün toplam kontrol ek yükü C1:
Denklemden (4), çünkü L1 > L2, n-1 > 0, yani C1 > C2, sertifika tamamlandı.
Teorem 2: FE-MAC protokolünün ağ çıkışı, 802.15.3c'ye dayalı terahertz MAC protokolünden daha yüksektir.
İspat: Aynı süper çerçeve süresinde, CTAP'lerin de eşit olduğunu ve veri aktarım hızının Data_rate olarak ayarlandığını varsayarsak.
802.15.3c terahertz MAC protokolü ışın oluşturma süresi TB1'dir, veri aktarım süresi TD1'dir ve toplam veri aktarım miktarı Miktar1:
Hızlı hüzmeleme mekanizması benimsendiğinden, hüzmeleme süresi azalır, dolayısıyla TB1 > TB2, TD1 < TD2; Miktar1 < Miktar2, sertifika tamamlandı.
4 Simülasyon doğrulama
4.1 Simülasyon parametre ayarı
Bu deneyde, OPNET simülasyon aracı aracılığıyla, terahertz MAC protokolü, FE-MAC protokolü ve 802.15.3c'ye dayalı ED-MAC protokolü simüle edilmiş ve doğrulanmıştır.Simülasyonda, her düğümün trafik hacmi aynıdır. Asıl araştırma, düğüm sayısını her birine değiştirmektir. Performans göstergelerinin etkisi, özel simülasyon parametre ayarları Tablo 1'de gösterilmektedir.
4.2 Simülasyon sonuçlarının analizi
Şekil 3, 802.15.3c terahertz MAC protokolüne kıyasla FE-MAC protokolünün veriminin, ED-MAC protokol veriminin yaklaşık% 3,12 artmasına kıyasla yaklaşık% 6,53 arttığını göstermektedir, bunun nedeni "hızlı ışın oluşturma" mekanizmasıdır. Hüzmeleme süresi azaltılır ve aynı CTAP'de veri iletimi için daha fazla zaman aralığı kaynağı kullanılır. 802.15.3c MAC protokolü ve ED-MAC protokolü tam bir Beacon çerçevesi kullanır ve ED-MAC protokolü, kontrol ek yükünü azaltan ve ağın genel ortalama iletim hızını iyileştirmeye yardımcı olan uyarlanabilir bir Beacon çerçevesi kullanır.
Şekil 4, 802.15.3c'ye dayalı terahertz MAC protokolü ile karşılaştırıldığında, FE-MAC protokolünün ortalama veri gecikmesinin, trafik doygun hale geldiğinde yaklaşık% 6.41 azaldığını ve bunun ED-MAC protokolünün ortalama veri gecikmesine kıyasla azaldığını göstermektedir. Yaklaşık% 2.12 daha küçük. Bunun nedeni, "hızlı huzme oluşturma" mekanizmasının, huzme oluşturma işleminde kullanılan süreyi kısaltması, bir bütün olarak kontrol ek yükünü azaltması ve veri çerçevelerinin iletim gecikmesinin kısaltılmasına yardımcı olmasıdır.
Şekil 5, diğer iki protokole kıyasla FE-MAC protokolünün daha yüksek bir iletim başarı oranına sahip olduğunu göstermektedir Bunun nedeni, "hızlı huzme biçimlendirme" mekanizmasının veri iletiminin zaman aralığı kullanımını iyileştirmesi ve daha fazla zaman dilimi kaynağı kullanmasıdır. Veri çerçevelerinin iletimi nedeniyle, veri çerçevelerinin iletim başarı oranı iyileştirilmiştir.
Şekil 6, FE-MAC protokolünün huzme oluşturma ek yükünün diğer iki protokolünkinden önemli ölçüde daha az olduğunu göstermektedir Bunun nedeni, diğer iki protokolün, huzme şekillendirme için her bir sektörü çaprazlama yöntemini kullanmasıdır. FE-MAC protokolü "hızlı huzme oluşturma" kullanır. "Şekil" mekanizması, hüzmelemenin kapsamını azaltır, düğümler arasındaki hüzmeleme bitlerinin sayısını azaltır ve hüzmelemeyi daha az ek yük ile tamamlar.
5. Sonuç
Terahertz MAC protokolünde aşırı hüzmeleme ek yükü, büyük iletim gecikmesi ve Beacon çerçeve fazlalığı problemlerini hedefleyen bu makale, ışını azaltarak statik bir senaryoda hızlı bir huzme şekillendirme mekanizması ve uyarlanabilir bir Beacon çerçeve mekanizması önermektedir. Şekillendirme aralığı, hüzmelemenin ek yükünü azaltan, iletim gecikmesini azaltan ve ağ verimini artıran uyarlanabilir bir Beacon çerçeve yöntemini benimser. Gelecekte, terahertz MAC protokolünü dinamik senaryolarda inceleyeceğiz.
Referanslar
SMULDERS P. 100 Gb / s kablosuz ve ötesine giden yol: temel sorunlar ve temel yönlendirmeler Communications Magazine.IEEE, 2013, 51 (12): 86-91.
Cao Jianling, Cui Pingfu, Liu Wenpeng ve diğerleri.Terahertz ultra yüksek veri hızlı kablosuz ağlar için yüksek verimli, düşük gecikmeli MAC protokolü. Systems Engineering and Electonics, 2016, 38 (3): 679-684.
Ren Zhi, Chen Cong, You Lei, vd.Terahertz kablosuz kişisel alan ağları için yüksek verim ve düşük gecikmeli MAC protokolü. Bilgisayarların Uygulama Araştırması, 2016, 33 (10): 3143-3146.
PETROV V, PYATTAEV A, MOLTCHANOV D, ve diğerleri.Terahertz bant iletişimi: uygulamalar, araştırma zorlukları ve standardizasyon faaliyetleri.Uluslararası Ultra Modern Telekomünikasyon ve Kontrol Sistemleri ve Çalıştayları Kongresi. IEEE, 2016: 183-190.
THz iletişimi için PRIEBE S.MAC katman kavramları. (2013-03-17) .https //mentor.ieee.org/802.15/dcn/13/15-13-0119-00-0thz-mac-layer-concepts- for-thz-communication.pdf.
Huang Kaocheng, Wang Zhaocheng Terahertz terabitkablosuz iletişim IEEE Microwave Magazine, 2011, 12 (4): 108-116.
yazar bilgileri:
Qiu Zhongwei, Ren Zhi, Ge Lijia
(İletişim ve Bilgi Mühendisliği Okulu, Chongqing Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, Chongqing 400065)
