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制造方法及图纸

本发明专利技术请求保护一种太赫兹无线网络中消除时隙申请帧碰撞的方法，属于太赫兹无线网络接入技术领域，其由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，本发明专利技术用确定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。据分组的端到端平均时延。据分组的端到端平均时延。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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 Division Multiple Access,TDMA)+载波侦听多址接入/冲突避免(Carrier Sense Multiple Access with 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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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 Allocation Period)。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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，才能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种太赫兹无线网络中消除时隙申请帧碰撞的方法，其特征在于，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；“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；“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。2.根据权利要求1所述的一种太赫兹无线网络中消除时隙申请帧碰撞的方法，其特征在于，所述新机制1——基于beacon帧类型的序号和数量信息自适应传送机制中，在零DEV扇区或单DEV扇区，PNC广播传统型beacon帧；传统型beacon帧不包含“beacon帧序号”和“扇区DEV数”字段；在DEV数量未减少的多DEV扇区，PNC广播扩展Ⅰ型beacon帧；扩展Ⅰ型beacon帧包含“beacon帧序号”字段并装有相应的信息；在DEV数量发生减少的多DEV扇区，PNC广播扩展Ⅱ型beacon帧；扩展Ⅱ型beacon帧包含“beacon帧序号”、“扇区DEV数”、“脱网DEV数”、“脱网DEV序号”字段，并且这些字段皆装有各自对应的信息。3.根据权利要求1所述的一种太赫兹无线网络中消除时隙申请帧碰撞的方法，其特征在于，所述新机制1——基于beacon帧类型的序号和数量信息自适应传送机制中，PNC包括如下操作：1)初始化：设置“beacon帧序号”参数S，用于记录beacon帧的序号；令S的初始值＝0；每广播一轮beacon帧，S的值+1；设置“扇区DEV数”表，用于记录每个扇区包含的DEV的数量，每条表项包含的字段有：扇区号，扇区DEV数，DEV是否减少，脱网DEV数，脱网DEV序号序列；扇区DEV数、DEV是否减少、脱网DEV数、脱网DEV序号字段的初始值皆＝0；设置“当前扇区号”参数F，令F的初始值＝0；2)判断是否进入了BP时段；如果是，令“当前扇区号”参数F＝1，然后执行下一步；如果否，返回本步骤；3)将定向天线指向扇区F；并且，用F查询“扇区DEV数”表，通过“扇区DEV数”字段的值，获得扇区F包含的DEV数N
F
；4)判断N
F
是否≤1；如果是，生成一个传统型beacon帧并填入内容；接着，在当前扇区F广播M次beacon帧；M为扇区数，然后转步骤7)，如果否，执行下一步；5)查询“扇区DEV数”表，获得扇区F对应的“DEV是否减少”字段的值，判断该值是否＝0；如果是，生成一个扩展Ⅰ型beacon帧并填入内容；接着，在当前扇区F广播M次beacon帧；然后
转步骤7)，如果否，执行下一步；6)生成一个扩展Ⅱ型beacon帧；查询“扇区DEV数”表，获得扇区F对应的扇区DEV数、脱网DEV数、脱网DEV序号序列字段的值，并将这些值填入beacon帧...

【专利技术属性】
技术研发人员：任智，陈春宇，何庆，古金东，张伟业，刘洋，祁君易，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：