Toute sagesse, nager Lei, oignons Chen, Lv Yuhui
(Laboratoire clé des communications mobiles, Université Chongqing des Postes et Télécommunications, Chongqing 400065, Chine)
La présence d'un térahertz classique protocoles WPAN MAC basés sur l'équilibre dynamique pensé instabilité du réseau, ce qui dans le temps d'attente de la fenêtre de contention déraisonnable est trop long, et l'intervalle de temps est supérieure à la longueur de la demande de noeud CTA affecté provoquera la quantité de fente le problème trois autres, un protocoles MAC terahertz à haut débit à faible latence WPAN --HTLL-MAC (débit élevé et à faible latence protocole MAC). protocole HTLL-MAC en augmentant la stabilité du mécanisme d'accès au réseau basé sur un équilibre dynamique pensée, l'introduction de la méthode fenêtre de backoff de contention de retransmission changement dynamique raccourcit le temps nécessaire, et les fentes restantes des mécanismes CTA permettent d'utiliser pleinement des créneaux restants, le but d'augmenter le réseau certain effet de réduire le délai de transmission des données. Analyse théorique de la validité du protocole HTLL-MAC. Les résultats de simulation montrent que, par rapport à la HTLD-MAC de 802.15.3c IEEE et la couche MAC, un débit d'augmentation de 6,15%, réduire le retard des données en moyenne 32,53%.
Térahertz, réseau personnel sans fil, le protocole MAC, le débit, le retard
CLC: TN92
Code de document: A
DOI: 10,16157 / j.issn.0258-7998.2017.01.032
format de citation chinois: Toute la sagesse, nager Lei, Chen oignons, et d'autres haut débit à faible latence térahertz réseau personnel sans fil protocole MAC Technologie électronique, 2017,43 (1): 121-124,128.
Anglais format de citation: Ren Zhi, vous Lei, Chen Cong, et al. Un haut débit et à faible latence protocole MAC pour les réseaux sans fil térahertz zone personnelle .Application Technique électronique, 2017,43 (1): 121-124,128.
0 introduction
Térahertz est situé entre le ondes millimétriques ondes électromagnétiques et la mesure de la lumière infrarouge ayant une longueur d'onde dans la plage de 0,03 mm ~ 3 mm, correspondant à une gamme de fréquences de 0,1 THz ~ 10 THz. ondes térahertz dans la théorie classique macroscopique de la zone de transition théorie microscopique quantique, il est le dernier pas d'usage cognitif encore pleinement humain des bandes de fréquences.
Térahertz WPAN est un nouveau réseau sans fil, le réseau personnel sans fil classique différent, il travaille dans la gamme de fréquences térahertz et peut supporter des dizaines de transmission de données de Gb / s ou même 1 Tb / s taux. La recherche sur la partie IEEE 802.15.3c du canal d'accès existants térahertz réseaux sans fil de zone personnelle sont incorporés dans les caractéristiques de fréquence térahertz. PRIEBE S théorie de la communication térahertz proposée de la couche MAC, analyse comparative de plusieurs fonctions différentes de la couche MAC utilise le modèle Hertz à atteindre aussi, noté à des fins différentes dans les différents modèles devraient térahertz solution MAC, et aussi suggéré Hertz WPAN protocole MAC IEEE du titre de référence pour former un nouveau protocole modifié de celui-ci. JORNET JM et pour fournir un protocole MAC de nanonetwork électromagnétique térahertz, la communication en utilisant les caractéristiques de la couche physique de l'impulsion, de sorte que le noeud peut transmettre des données directement, sans avoir à attendre et à prendre un faible poids et une répétition de codage pour réduire les taux d'erreur de codage, mais l'utilisation de ces schémas de codage réduira considérablement l'efficacité de codage. Document en fonction des caractéristiques environnementales IEEE 802.15.3c térahertz étudiés, conçus pour améliorer les performances sans fil térahertz de réseau personnel HTLD-MAC (protocole haut débit à faible délai MAC pour térahertz environnement réseau sans fil) protocole. Dans HTLD-MAC, les auteurs proposent une idée supertrame d'équilibre dynamique d'ajustement de la proportion des demandes et les créneaux horaires de données entre le temps de transmission, pour faire en sorte que la demande de logement émise par les présentes ressources intervalle de temps supertrame et l'équilibre dynamique est atteint , l'accès au réseau débit maximisation et la minimisation de retard lequel une structure de supertrame comme représenté sur la Fig.
1 modèle de réseau et la description du problème
1.1 Modèle réseau
Térahertz réseau personnel sans fil est typiquement une pluralité de DEV (Device) et une composition PNC (coordinateur Piconet). DEV est l'unité de base du réseau, le porteur de communication de données, le PNC est un DEV spécial, ont une plus grande fonctionnalité, le réseau est responsable de la gestion de l'accès au canal.
Channel Resources térahertz sans fil réseau personnel en fonction du temps est divisé en supertrames, chaque supertrame se compose de trois étapes: une balise BP (période Beacon), période d'accès contention CAP (canal Période d'accès), une allocation de temps de canal période CTAP (canal temps période d'allocation), 2, DEV dans chaque période en utilisant CSMA / CA + TDMA canal d'accès en mode hybride.
PNC dans chaque période de supertrame BP omnidirectionnelle émission de trames de balise, des informations comprenant la synchronisation du réseau, des informations d'attribution de créneau temporel et d'autres informations de commande, après avoir reçu le DEV trame Beacon, la synchronisation temporelle sur la base de l'information de synchronisation acquis simultanément dans leur CTAP temps la répartition des créneaux. période CAP en utilisant le mode de canal de contention CSMA / CA, les exigences de transmission de données applique DEV transmet une trame à un créneau de canal PNC, PNC information d'affectation de créneau temporel d'émission dans la balise de la supertrame suivante, conformément aux demandes créneau de canal reçues. CTAP par une série de composition CTA (en l'attribution de temps de canal), en utilisant un canal d'accès TDMA, chaque DEV transmet des données dans des tranches de temps qui leur sont propres.
1.2 Description du problème
L'étude a révélé qu'il existe encore des imperfections existantes de conception de protocole MAC pertinents, les problèmes de faible utilisation du canal, comme suit:
(1) Dans le supertrame d'équilibre dynamique pensé document proposé, on suppose que tous les nuds du réseau, chaque supertrame sont impliqués dans la transmission de données, mais une fois au-delà de cette hypothèse, en tant que noeud ne se transmet pas dans une supertrame demande de logement, les ressources du réseau pour répondre à la plus grande fente supertrame TCTAP que TR et le numéro de demande de logement NR égal au nombre de noeud total association réseau NA moins 1, en raison de l'incapacité de déclenchement PNC conditions de détermination, nous continuerons d'avoir à nouveau un nud CAP période des fentes de transmission peuvent se terminer à la demande, ce qui augmente considérablement le retard de données, le réseau le débit est réduit.
(2) Dans le protocole MAC correspondant existant , les besoins d'un noeud à l'intervalle de temps de demande de réduction de puissance, la valeur de réduction de puissance de 0 à une valeur de réduction de puissance aléatoire entre les vitres, tandis que le nombre de retransmissions en fonction de la fenêtre d'attente (0,12, 3), suivi d'une valeur de (7,15,31,63). En effet, dans une requête super cadre qu'une seule fois pour chaque noeud dans l'intervalle de temps, après le succès du nud ne contesterai pas pour le canal et le dos plus transmis avec succès au nud demandant la tranche horaire, l'affirmation de canal sera plus petite. Il est déraisonnable fenêtre de contention peut causer beaucoup de gaspillage des ressources de canal dans la mise en uvre de la procédure de backoff.
(3) de protocole MAC correspondant CTA existant d'une longueur fixe, le PNC ne peut pas changer la longueur de la LTC, l'OTC ne peut pas être affecté, et en même temps à une pluralité de noeuds. A ce moment, si la durée de l'affectation d'un nombre entier plus grand que la quantité de demande d'emplacement de noeud CTA, présent dans des fentes restantes CTA sera gaspillée.
Le nouveau mécanisme de protocole MAC-2 HTLL
mécanisme 2.1 d'accès basé sur l'équilibre dynamique de la pensée
L'idée de base du mécanisme est le suivant: PNC définit un stockage variable tb temps de transmission de trame Beacon, tandis que tb mise à jour après avoir reçu la demande de fente, et lors de la confirmation tb écrite immédiatement extraite tb valeurs de commande de fragmentation de champ non utilisés dans le noeud CAP est déterminé si la fin de la période.
Après demande de fente PNC est reçue, le total dessiner demande d'emplacement actuel Rtotal, la quantité calculée nécessaire pour répondre à cette demande TCTAP de longueur de CTAP. Pour faciliter le calcul, on suppose que chacun avoir la même longueur CTA TCTA, la longueur de la supertrame est TS, le temps de transmission de trame Beacon de la tuberculose, l'intervalle de temps de canal de protection TG, TCTAP calculé comme suit:
Dans lequel, la fonction ceil ceil mis en oeuvre, ce laps de temps peut être un temps de transmission pour calculer une nouvelle tupdate Beacon par la formule (2), et affecté à la tuberculose. Maintenant, le champ de temps de transmission d'accusé de réception prévu de l'en-tête de trame est écrit dans le contrôle de la trame de balise de fragmentation, à savoir la valeur tb.
Le mécanisme d'accès peut tirer pleinement parti de la structure de supertrame d'équilibre dynamique, petit dans le noeud initial dans la période prolongée CAP de trafic de réseau d'heures, afin de faciliter l'addition d'un nouveau noeud; période CAP est raccourcie lorsque la post-charge élevée multi-noeud, d'accélérer le transfert de données et efficace augmenter le débit réseau et de réduire les temps d'attente de données.
2.2 modifier dynamiquement la fenêtre de contention de retransmission
L'idée de base du mécanisme est: intervalle de temps avant l'envoi de trame de demande de noeud, selon le nombre actuel de noeuds participant à la compétition pour le changement de canal fenêtre de contention de retransmission.
Le mécanisme de fonctionnement spécifique peut être divisée en deux parties. Avant de régler le nombre de noeuds de réseau liés à la Nassoc actuelle, le nombre de tranches de temps de demandes a bien été transmis au noeud NS, FC effectue mécanisme d'identification, chaque fois que la nouvelle période CAP de supertrame, au noeud d'initialisation NS = 0, k = 1.
Tout d'abord, le noeud écoute le canal. écoutes de noeud reçu trame MAC, des extraits en-tête champ d'information est déterminée, si la trame est une trame de commande et un non-objet du noeud PNC, ou la trame d'accusé de réception est une trame champ réservé immédiatement est 0, cela indique qu'il y a d'autres commandes dans le transport de trames de réseau interaction, le cadre super du mécanisme ne soit pas exécuté, mise fc = 0; immédiatement si la trame est une trame d'accusé de réception, le noeud source pour le PNC et une valeur de champ réservé est 1, alors le noeud a transmis avec succès demande de fente, effectuer ajouter le NS une opération.
Ensuite, définissez la fenêtre de contention de retransmission. Si la trame de demande d'intervalle de temps de noeud transmise avec succès, PNC répond avec une trame d'accusé de réception immédiat, et un champ réservé est mis à 1, indiquant qu'un noeud est une confirmation de la demande d'intervalle de temps; PNC ne reçoit pas d'acquittement, cela signifie que, si le noeud demandeur collision, avant d'atteindre le nombre maximum de retransmissions doivent être réémis. Avant de définir une fenêtre de contention de retransmission est déterminée fc, si k = 0, est retransmis encore fenêtre fenêtre d'attente de contention est définie sur le BWold d'origine, ou d'une fenêtre de retransmission BWnew de contention selon la formule (4) obtenu.
Le rapport entre le nombre total de dispositifs en fonction du nombre de noeuds associés au noeud a été envoyée la demande d'emplacement représenté avec succès, réduit la demande de tranche de dynamique au cours d'une fenêtre de contention retransmission de trame, l'amélioration de l'utilisation du canal et réduire la latence des données.
2.3 Activer CTA emplacements restants
L'idée de base du mécanisme est le suivant: CTA emplacements restants peuvent être utilisés pour le noeud de source de données de demande de transmission de données et un noeud de destination dans l'intervalle de temps de demande de transmission nouvellement généré cache. Comme suit:
(1) la répartition des créneaux d'extraction d'informations de nud, des informations CTA enregistré comme attribué par le noeud source et les informations de noeud de destination dans chacun de la LTC;
(2) elle-même ni la source ni but CTA, le noeud recevra antenne direction d'alignement du nud courant de destination CTA; CTA en lui-même comme un noeud de source de distribution, lorsque la quantité est plus grande que les intervalles de temps alloués leur demandés quantité d'écartement, l'excès dans la fente, dans la mesure où il existe des données dans le cache peuvent avoir été transmis, lorsqu'il n'y a pas de données dans le cache, le noeud de source transmet une trame de données nulles, et pourvu de plus champ d'en-tête de données est 0;
(3) Lorsque le nud de destination reçoit plus de données champ d'en-tête de la trame de données 0 est vide, le nud source connaît les données ont été envoyées, on détermine s'il existe des données pour envoyer son propre cache, si les créneaux horaires CTA restant en cours calculés TCTA-R transmet des données est suffisante, dans les conditions satisfaisant la formule (5), le noeud de destination peut toujours envoyer ses données jusqu'à la fin de la LTC actuelle.
Dans lequel, Taggr temps de transmission de trame de polymérisation consommer, TBLK-ack est un temps de transmission de trame d'accusé de réception de bloc long.
Cette méthode tire pleinement parti des autres créneaux horaires CTA, sans introduire les frais généraux de licenciement, alors que l'arrivée de nouvelles données et conduisent à des données de qualité de canal considération réémis, aide à réduire le retard de données et d'améliorer l'utilisation des canaux.
3 Simulation
3.1 Paramètres et statistiques de simulation
3.1.1 statistiques de simulation
(1) le débit de la couche MAC
Le débit se réfère à la quantité totale de données de couche MAC soumis dans une unité de couche MAC supérieure du temps, en prenant l'unité de bits par seconde (b / s), calculée comme suit:
Dans lequel, les données de couche MAC BREC reçue correctement pour chaque noeud de la taille de tête, la longueur de temps Ts du trafic total du réseau, à savoir la génération de données de temps de départ à l'heure actuelle dans la simulation. En plus de la couche physique couche MAC débit conditions, l'efficacité est également affectée par le protocole MAC.
(2) le retard moyen des données
se réfère généralement à des données de retard de données supplémentaires générées à partir de l'intermédiaire à utiliser le temps reçu correctement. Le délai moyen est la valeur moyenne de l'ensemble du retard, est calculé comme suit:
Dans lequel le i-ième retard des données de DI, y compris le traitement inter-couche, les files d'attente de la couche MAC, le temps de transmission et de propagation consommation, généralement ne considère pas le retard de traitement de noeud de destination, lorsque l'erreur de données de retransmission, le temps de retransmission également inclus et N est le nombre de données dans le réseau actuel de couche MAC reçu correctement.
(3) utilisation de canal
utilisation de canal est le rapport entre le temps de transmission de trame de données représentant la durée totale du canal, reflètent le mieux l'efficacité du protocole MAC, qui est calculé comme suit:
Dans lequel le Ti est la i-ème temps de transmission de trame de données, TS est la durée totale du réseau de communication. temps de transmission de trames de données plus grande proportion, les moins de ressources de canal décrit les déchets non valides, plus l'efficacité de la couche MAC.
3.1.2 paramètres de simulation
Simulation en utilisant l'outil de simulation de OPNET14.5 HTLL-MAC, HTLD-MAC et IEEE802.15.3c Simulation. Les principaux paramètres de simulation, comme indiqué dans le tableau 1.
3.2 Simulation et analyse des résultats
3.2.1 Débit de couche MAC
3, lorsque le réseau est saturé, le protocole HTLL-MAC couche MAC débit de 6,15%, ce qui est dû principalement à: (1) le mécanisme d'accès basé sur la structure de supertrame d'équilibre dynamique est prévu en fonction du montant de la fente d'interruption demande déclenchement PNC transmet une trame de balise, de sorte que la trame balise émis est plus le dernier des contraintes de temps de trame de demande de fente, ce qui réduit le canal de déchets; (2) pour modifier la fenêtre de contention de la trame de demande de tranche de temps en fonction des noeuds de réseau concurrencer retransmission lorsqu'une erreur se produit , le temps d'attente est généralement réduite, de sorte que des ressources plus de créneau de canal pour la transmission de données période CTAP, peut transporter plus de trafic.
3.2.2 délai moyen de données
4, le retard moyen des données de protocole MAC-HTLL réduite d'au moins 32,53%. La principale raison de ce retard est réduit: (1) la fenêtre de contention pour modifier dynamiquement la requête de retransmission pour les fentes du nud plus rapidement, augmentant la longueur du CTAP faciliter le transfert de données, de réduire le retard de données, (2) tirer profit des autres tranches de temps du CTA, de sorte que les nouvelles données entrantes peuvent être immédiatement transmis sans attendre, la fente de demande réduit le processus de temps et autres.
3.2.3 utilisation de canal
Comme représenté sur la Fig. 5, le protocole HTLL-MAC dans l'utilisation du canal de saturation du réseau a augmenté 6,96 pour cent. La raison principale de l'utilisation améliorée de canal: (1) un nouveau mécanisme d'accès sur la base du volume de trafic actuel de réglage de longueur CTAP, la redondance peut minimiser la charge du réseau de saturation, l'augmentation du temps de transmission de données et améliorer l'utilisation du canal; ( 2) pour modifier dynamiquement la fenêtre de contention de retransmission peut réduire le gaspillage des ressources de canal pendant la rétraction, de sorte que l'utilisation de canal est améliorée.
4 Conclusion
Document décrit quelques-uns des problèmes des protocoles MAC conventionnels, alors proposés pour répondre aux besoins du protocole à faible latence sans fil haut débit domaine communication réseau térahertz MAC --HTLL-MAC. Par des mécanismes d'accès basés sur l'équilibre dynamique pensé à changer de façon dynamique la fenêtre de contention de retransmission et permettant aux places restantes mécanisme CTA, améliorer le réseau débit dans l'ensemble, pour réduire le retard de données. Enfin, nous démontrons l'efficacité de HTLL-MAC.
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