新太赫兹超高速无线网络媒体访问控制协议

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1、新太赫兹超高速无线网络媒体访问控制协议　　摘要：针对现有无线网络媒体访问控制（MAC）协议难以在太赫兹（THz）载频条件下实现10Gbps级别超高速无线接入的问题，提出一种新的太赫兹超高速无线网络MAC协议——MACT。MACT设计了新的时分多路访问（TDMA）+载波侦听多路访问（CSMA）自适应混合MAC接入机制和一种新的超帧结构，并定义了对应于太赫兹通信的关键参数，从而使最大数据传输速率达到10Gbps以上。理论分析和仿真结果表明：MACT协议能够在太赫兹无线网络中正常运行，数据传输速率达到了18.3Gbps，是IEE

2、E802.15.3c标准定义的最大速率5.78Gbps的2.16倍，数据帧的平均接入时延约为0.0044s，性能相对于IEEE802.15.3c标准提高了42.1%，从而在MAC协议方面为太赫兹超高速无线网络的研究和应用提供了有力支撑。关键词：太赫兹；无线网络；媒体访问控制协议；超高速；超帧0引言12当前无线通信和计算机网络技术迅速发展，无线网络逐渐扩展到人们工作和生活当中。随着无线网络应用的逐步深入和规模的日益扩大，人们对网络高数据传输速率的需求变得越来越显著。目前，多媒体视频文件下载、海量数据传输对数据传输速率有着很高

3、的要求，而在研究和已投入应用的无线网络，如无线个域网（WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN）、无线局域网（WirelessLocalAreaNetwork，WLAN）和无线城域网（WirelessMetropolitanAreaNetworkWMAN）等，均难以支持Gbps以上的数据传输速率；因此，人们正在付出更多努力研发相应的网络技术以满足这些需要。在此背景下，太赫兹（terahertz，THz）超高速无线网络[1]逐渐引起人们的关注。太赫兹超高速无线网络是一种不同于传统无线网络的新型无线网络

4、，它工作在太赫兹频段而且可支持10Gbps以上的数据传输速率。太赫兹超高速无线网络的正常运行离不开媒体访问控制（MediumAccessControl，MAC）协议的支持，而目前关于太赫兹超高速无线网络MAC协议方面的研究尚不多见，这对太赫兹超高速无线网络的研究和应用带来了不利影响。由于IEEE802.15.3c标准[2-3]定义的高速无线通信技术在载波频率（60GHz）和数据传输速率（5.78Gbps）方面已经接近太赫兹超高速无线网络，因此本文以它为借鉴，通过设计新的接入控制机制、定义新的超帧（superframe）结构

5、和关键参数，提出了一种适用于太赫兹超高速无线网络的新MAC协议——MACT（MediumAccessControlforTHz），使最大数据传输速率达到了10Gbps以上。121太赫兹超高速无线网络1.1太赫兹波太赫兹波[4-5]是一种位于毫米波和红外光波之间的电磁波，波长在0.03mm～3mm，频率范围为0.14THz～10THz，如图1所示。太赫兹波处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，是最后一个人类尚未完全认知和利用的频段。虽然太赫兹波在空气中传播时会有一定衰减[6]，但它能够提供较大的带宽和较高的传输容量，因此在

6、短距离超高速无线通信方面有巨大的应用潜力，尤其在室内短距无线通信方面较有前途。目前，世界上已有包括我国在内的多个国家在研究太赫兹通信技术，我国的太赫兹通信实验系统已经实现10Gbps以上的数据传输速率。1.2太赫兹超高速无线网络太赫兹超高速无线网络是使用太赫兹频段无线载波进行通信、数据传输速率可达Gbps级别的网络。目前受人们关注的太赫兹超高速无线网络主要以包含多个节点（称为Device，DEV）的个域网（PersonalAreaNetwork，PAN）的形式出现，网络节点可为静态或动态，通信范围通常约为10m；网络含有一

7、个中心控制节点——微微网协调器（Piconet12Coordinator，PNC）[7]，由一个DEV充当，通过广播信标帧（beacon）提供基本的定时机制和信道接入控制信息；网络中任意两个节点可以直接通信，最大数据（data）传输速率可达10Gbps以上；网络组成如图2所示。1.3太赫兹超高速无线网络对MAC协议的要求为使太赫兹超高速无线网络正常运行且在MAC层的最大数据传输速率达到Gbps级别，其MAC协议应满足以下要求：1）适合太赫兹超高速无线网络架构。太赫兹超高速无线网络是有中心控制节点的网络，所以其MAC协议应适

8、用于这种集中控制的网络架构。2）支持10Gbps以上的最大数据传输速率。太赫兹超高速无线网络的最大数据传输速率在10Gbps以上，MAC协议必须支持该级别的通信。3）保障信道资源分配的公平性。各个节点成功接入网络的概率应相等。4）应有较高的接入概率。接入概率反映了网络对于试图接入信道的业务流的接纳能力。