高效高带宽利用率的太赫兹无线网络定向接入控制方法技术

本发明专利技术请求保护一种高效高带宽利用率的太赫兹无线网络定向接入控制方法，包括：设计内存辅助的控制交互机制：设计基于优先级的信道预约机制：网络中的每个节点均维护有一张位置信息存储表，用于存储节点已在网络中广播过的位置信息，通过查表可快速获得节点位置信息。在控制交互过程中，通过位置信息的改变与否决定是否省略控制帧中位置信息字段，减少控制交互时长，增加在THz信道传输数据的时长。通过对节点设置优先级，增大可并行传输数据节点竞争信道的成功率，提前预约信道，提高THz信道的利用率。的利用率。的利用率。

【技术实现步骤摘要】
高效高带宽利用率的太赫兹无线网络定向接入控制方法


[0001]本专利技术属于太赫兹
，具体属于太赫兹无线网络定向接入控制方法。

技术介绍

[0002]第五代(5G)移动通信系统的替代方案之一是毫米波(mm Wave)通信方案，该方案能够提供从数百MHz到几GHz范围的大带宽。有了这样的可用带宽，毫米波通信系统能够提供比低于5GHz的传统微波通信系统更多的带宽。虽然毫米波波段的数据速率可以达到几Gbps，但仍不足以满足未来无线通信日益增长的数据流量需求。例如，未来的无线局域网(WLAN)和无线个人区域网络(WPAN)系统要求数据速率至少为10Gbps。此外，虚拟现实(VR)设备的最低数据速率预计将达到10Gbps。此外，未压缩的超高清视频和3D视频的数据速率将分别达到24Gbps和100Gbps，分别为。因此，对更高频率资源的研究迫在眉睫。
[0003]位于光频率和射频之间的太赫兹电磁辐射(从0.1THz至10THz)波段宽度为0.03mm到3mm，处于微波与近红外光波的交界处。目前，太赫兹通信技术还处于研究和发展阶段，但已经有许多研究机构和企业开始投入大量的资源和精力进行太赫兹通信技术的研究和开发，并有望在未来的几年内，太赫兹通信技术将成为人类信息通信领域的一个重要分支。
[0004]然而，太赫兹波的传播范围受到空气中较高的传播损失以及水汽、氧气等对太赫兹波的吸附损失的影响，使得其传播范围受到了很大的限制，为此，迫切要求采用高增益的天线对其进行有效地弥补。因此，大尺度相控阵天线适用于太赫兹通信系统，基于波束干扰原理，通过相控技术调整每个天线单元的相位和幅值，将电磁能量集中到预定方向，通过使用阵列天线，可以有效地获得高增益和高指向性的波束，提高通信范围。由于太赫兹波的特殊性，传统网络现有的媒体访问控制(Media Access Control，MAC)协议不能直接应用，因为它们没有考虑太赫兹波段的路径和分子损失、多径、反射和散射等独特特性。因此，需要考虑太赫兹频段特性和天线要求的新型高效MAC协议。由于太赫兹波的特点限制了太赫兹波的通信距离，使用太赫兹定向天线可增强太赫兹通信距离，但这需要太赫兹收发设备的高同步性。通过解耦控制面与数据面的方式，利用低频段实现控制信息的交互，为高频段的定向天线对准提供信息基础，进而实现高速数据传输。在该方案中，需要为每个节点提供可定位的装置或者安装协助普通节点定位的装置，虽然该方案的开销更小，波束成形更方便，但设备的成本相对更高。
[0005]与本专利技术最接近的现有技术一来自：周海东.太赫兹无线个域网双信道MAC协议研究[D].重庆邮电大学,2018。
[0006]现有技术一的技术方案的具体内容如下：
[0007]在现有的太赫兹双信道MAC协议中存在的问题为：(1)源节点与目的节点进行控制信息交互时控制开销冗余问题；(2)当源节点与目的节点在THz信道传输数据时，为了防止其它节点对影响源节点与目的节点的数据传输过程，其余节点不可以进行控制信息交互，导致WIFI信道处于空闲状态，造成空分复用率低。针对上述问题，该文设计了一种并行传输的太赫兹无线个域网双信道MAC协议——PTDC
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MAC协议。PTDC
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MAC协议通过使用自适应取
消RN位置信息的收发机制和多对节点并行传输机制，提升网络吞吐量，减少数据传输时延。
[0008]1.自适应取消RN位置信息的收发机制
[0009]“自适应取消RN位置信息的收发”机制中，源节点在进行RTS/CTS帧交互时，每个RN都将“对方RN是否知道自己的位置”和“对方RN知道的自己位置”存储在位置信息获取表中，如果以后还要与对方RN进行通信时，并且对方RN已经知道自己的位置信息且自己的位置也没有发生变化，那么与对方RN进行RTS/CTS交互时可以省去其中的位置信息，从而减少RTS/CTS中冗余的控制开销。
[0010]2.多对节点并行传输机制
[0011]该新机制的基本思路是：节点A向节点B在WiFi信道发送RTS帧，除节点B之外的节点收到RTS帧后会静默一段时间(静默时间为RTT/2)，并根据RTS帧中的位置信息屏蔽掉与节点A在太赫兹信道定向天线对准的波束方向，屏蔽时间为节点A在太赫兹信道发送数据所需时间与测试时延之和(可根据RTS帧中“持续时间”值获得)。随后节点A就在THz信道向节点B传输数据，在此数据传输时段中，如果此时节点C有数据发送需求向节点D传送，则C节点向D节点发送一个RTS帧，D节点收到RTS帧后，根据RTS帧中的位置信息获得与C节点定向天线对准的波束方向，然后判断此波束方向是否被屏蔽，如果是，则向C节点回复一个不允许发送(No Clear To Send,NCTS)帧，C节点根据NCTS帧中Duration字段值静默一段时间(静默时间为波束方向屏蔽时间)，如果否，D节点则向C节点回复一个CTS帧，这样C节点与D节点就能够依据相互交互的消息调整定向天线并互相对准，最后在THz信道进行数据传输。
[0012]与本专利技术最接近的现有技术二
[0013]与本专利技术最接近的现有技术二来自：赵子军.太赫兹无线网络双信道MAC协议研究[D].重庆邮电大学，2020。
[0014]现有技术二的技术方案的具体内容如下：
[0015]1.空分复用率低
[0016]在TAB
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MAC协议中，考虑到节点间可能会产生消息碰撞的问题，TAB
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MAC协议采取了CSMA/CA协议接入信道，通过RTS/CTS帧的交互，一方面通过预约信道时间防止了消息碰撞问题的发生，另一方面交换了双方节点的位置信息。但正是因为预约信道时间机制的存在，使得TAB
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MAC协议不能实现并行传输，没有将THz的高数据传输速率发挥得更好。
[0017]2.信道资源利用率低
[0018]由于预约信道时间机制的原因，在预约信道时间内只能允许一对节点进行通信，而其他节点则必须保持静默。TAB
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MAC协议预约信道时间包括了占用WIFI信道的时间以及占用THz信道的时间，故而当节点在THz信道传输数据时，WIFI信道处于空闲状态，这样便导致了信道资源的浪费。

技术实现思路

[0019]本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种高效高带宽利用率的太赫兹无线网络定向接入控制方法。本专利技术的技术方案如下：
[0020]一种高效高带宽利用率的太赫兹无线网络定向接入控制方法，其包括以下步骤：
[0021]设计内存辅助的控制交互方法：对于首次在网络中进行控制信息交互过程或首次发送控制帧失败后重传该控制帧的节点，按照TAB
‑
MAC协议中的控制信息交互过程操作；对
于已成功通信过的节点，若是该节点在某一时刻有数据需要传输或接收且自身节点位置信息并没有改变，则去掉控制帧中的位置信息字段；对于已成功通信过的节点，若是源节点与目的节点的位置信息均有改变，则将更新本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高效高带宽利用率的太赫兹无线网络定向接入控制方法，其特征在于，包括以下步骤：设计内存辅助的控制交互方法：对于首次在网络中进行控制信息交互过程或首次发送控制帧失败后重传该控制帧的节点，按照TAB
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MAC协议中的控制信息交互过程操作；对于已成功通信过的节点，若是该节点在某一时刻有数据需要传输或接收且自身节点位置信息并没有改变，则去掉控制帧中的位置信息字段；对于已成功通信过的节点，若是源节点与目的节点的位置信息均有改变，则将更新的位置信息通过Sub
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6G频段全向广播给网络中的所有节点，其余节点接收到该节点的新位置信息后，更新自身节点维护的位置信息储存表中的位置信息表项，并按原协议进行控制交互过程；设计基于优先级的信道预约方法：网络中的节点在成功预约信道成功后，其余节点即可开始下一轮的信道预约，即除了通信中的节点外的所有节点均可预约信道；若预约信道的节点不影响正在通信中的节点传输数据，则将该节点设置高优先级节点，而其余对正在通信中的节点产生影响的节点，则设置为低优先级节点，正常预约信道。2.根据权利要求1所述的高效高带宽利用率的太赫兹无线网络定向接入控制方法，其特征在于，所述设计内存辅助的控制交互方法的具体操作步骤如下：步骤A1：网络中的所有节点均各自维护有一张位置信息存储表，表中记录了网络中除本节点之外其余节点的位置信息和MAC地址信息，所有节点的位置信息存储表在初始化时所有表项均设置为NULL；步骤A2：当源RN有发送数据的需求时，源RN判断本节点是否是首次发送RTS帧或首次重传RTS帧，若是，执行步骤A3；若不是，执行步骤A4；步骤A3：源RN发送带有位置信息的RTS帧，执行步骤A5；步骤A4：源RN判断本节点的位置信息是否改变，若改变，则发送带有新位置信息的RTS帧；若没改变，则发送省略了位置信息的RTS帧；步骤A5：目的RN接收到RTS帧后，提取RTS帧中携带的信息，若RTS帧中没有位置信息，则表明源RN的位置信息没有发生改变，目的RN直接使用本节点位置信息存储表中存储的源RN位置信息；否则，使用RTS帧携带的位置信息；步骤A6：目的RN判断本节点是否是首次回复CTS帧或首次重传CTS帧，若是，则回复一个带有目的RN位置信息的CTS帧；若不是，则回复一个不带位置信息的CTS帧；步骤A7：当源RN与目的RN成功交互控制信息后，源、目的RN都已获得了对方节点的位置信息和天线信息，源、目的RN转入THz信道并波束成形使THz定向天线相互对准，源RN在THz信道定向发送一个TTS帧，目的RN收到后，定向回复一个ACK帧。随后源RN在THz信道使用定向天线发送数据给目的RN，目的RN收到数据帧并确定该数据帧正确后，回复源RN一个ACK帧。3.根据权利要求2所述的高效高带宽利用率的太赫兹无线网络定向接入控制方法，其特征在于，所述位置信息存储表的作用是用...

【专利技术属性】
技术研发人员：阳路杰，周逊，梁建，赵英杰，陈春宇，古金东，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：