CN104684026B - 一种适用于太赫兹双频网络的数据分流和接入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于太赫兹双频网络的数据分流和接入机制，具体是：在任一时刻STA中的网络控制模块先检查用户或上层是否有新的数据要发送；当有新的数据要发送时，将上层提供的待发送数据量添加到现有待发送数据总量中，然后将添加后的待发送数据总量与设定的阈值H进行比较，根据比较结果判断数据由WiFi传输或者由太赫兹信道进行传输；采用太赫兹信道进行高速传输时，如果太赫兹定向天线未对准，待发送数据由WiFi模块发送，对准后进入网络接入控制流程；STA通过本发明可判断是否可通过太赫兹信道进行数据的传输，其中包含数据分流控制与网络接入控制，保证了太赫兹信道的充分利用率，无随机避退过程，提高了信道的利用效率。

Description

一种适用于太赫兹双频网络的数据分流和接入方法
技术领域
本发明涉及太赫兹双频网络中的数据分流和接入机制，属于无线通信技术领域，具体是一种适用于太赫兹双频网络的数据分流和接入方法。
背景技术
现有广泛应用的WiFi网络采用2.4GHz或5GHz进行通信，WiFi网络架构的简化模型如图1所示，主要分为物理（PHY）层和媒体接入控制（MAC）层，MAC层由MAC协议子层和MAC管理模块组成，PHY层由物理媒介依赖（PMD）子层、物理协议汇聚（PLCP）子层和PHY管理模块组成。
如果网络中同时存在超过一个设备在相同频段上发射相同的信号，会造成设备间的干扰，造成通信接收端无法接收到任何一个设备发射的信号。在WiFi网络中，同一时刻同一频段内只能有一个设备发射信号，其他设备必须保持无线电静默状态，以避免“冲突”。网络接入机制保证各设备能够轮流发射，实现多设备与网络接入点（缩写为AP，一般为路由器或交换机）的公平通信，达到网络资源共享的目的。WiFi网络中的接入机制称为“载波监听多点接入/碰撞避免”（CSMA/CA），是网络节点（用户端，也称为“终端”，缩写为STA）在进行无线媒质接入时用来减少冲突的一种具体方法。
CSMA/CA机制包括两个方面的内容。一是载波监听方法，用于设备检测网络是否有其他设备在某个频段上发射信号；二是碰撞避免，在多个设备都有接入需求时保证只有一个设备优先接入，避免同时的信号发射。
载波监听方法又可以分为PHY层载波监听和MAC层虚拟载波监听两种途径。PHY层载波监听通过物理接收机对天线接收信号的有无和强弱来判断环境中是否有信号发射，即监听信道的忙闲状态，并将监听结果报告给上层。MAC层虚拟载波监听通过MAC层的一个称为网络分配矢量（NAV）的机制来实现。NAV是一个倒计时的计数器，最早需要进行无线电发射的设备（称为源站）将它需要占用信道的时间通知给其他设备，其他设备在这段时间内都停止数据发送，从而减少碰撞。“虚拟”是指其他设备并没有实际监听信道，而是根据源站的通知保持静默状态，达到类似监听信道的效果。
碰撞避免采用的是一种称为二进制指数避退（BEB）的算法。避退过程如图2所示，其中横轴为时间量。从左起设备A（Station A）在发送完数据后，经过一个帧间隔时间DIFS（定义为128μs），各设备在这段时间内会检测到信道处于空闲状态，并在接下来的竞争窗口（CWindow）时间内开展信道的竞争接入。有发送需求的设备B、C、D各自设置一个时长随机的避退（Backoff）倒计时时钟，这段时间内B、C、D均保持对信道的监听，一旦检测到信道处于“忙”状态（表示有其他设备开始发射信号），对应设备的倒计时时钟即被挂起，设备进入发射静默状态。图中设备C的倒计时时间最短，时间到后，设备检测到信道仍然空闲，即表示设备C已获得了发射的权限，开始发送数据。设备B、D此时仍处于避退时间内，检测到信道中有信号发射，倒计时时钟被挂起，在设备C发送完毕后重复上述避退过程，但倒计时时钟不被重置，而是继续倒计时剩余的时间。这样就能保证网络中同一时刻只有一台设备占用信道，避免了冲突。可以看到，在竞争窗口时间内，信道是处于空闲状态的。
太赫兹双频网络是指网络中同时采用WiFi网络通信技术与太赫兹频段（0.1THz～10THz）通信技术，实现WiFi信号实现大范围网络覆盖、太赫兹信号实现高速传输，是一种全新的网络架构，其网络架构如图3所示。大致分为物理层（PHY）和媒体接入层（MAC）。PHY层包含基于802.11协议的PHY和太赫兹PHY，MAC层包含两级MAC子层：基于802.11协议的下MAC层及太赫兹下MAC层、公共上MAC层。设备的通信模式可分为WiFi模式和太赫兹模式，WiFi模式完全兼容现有WiFi标准，提供与现有WiFi完全相同的功能，主要用于保障网络信号的大范围覆盖，同时提供低速数据传输（150Mbps到800Mbps，一般在1Gbps以下）以及整个网络的控制与管理等。太赫兹模式利用太赫兹信道进行超高速率（可能高达10Gbps，甚至100Gbps以上）的数据收发。公共上MAC层主要完成通信模式的选择及数据分发。基于802.11协议的下MAC层和PHY层提供对现有WiFi标准的支持。太赫兹下MAC层和太赫兹PHY层提供太赫兹模式下的超高速率数据收发功能。WiFi和太赫兹频段均有独立的上行和下行信道。
太赫兹频段通信一般采用高增益定向天线，天线波束宽度基本在几度左右。因为通信的接收信噪比与采用的电磁波频率成平方反比关系，如果不采用高增益定向天线，为了达到相同的接收信噪比，太赫兹频段所需要的发射功率是WiFi所处频段的一万倍，这显然是无法实现的。
因为接入点（AP）的接收机只有一个（虽然实际可以设计多个，但可以考虑其中特定的某一个，不影响以下分析过程和结果），同一时刻只允许一个终端（STA）向AP发射太赫兹信号，所以太赫兹双频网络中太赫兹信道同样面临与传统WiFi网络类似的接入问题。因为天线的高定向性，WiFi网络中采用的CSMA/CA接入机制无法很好的适应太赫兹双频网络，列举其中两个主要原因：第一，即使某个STA正在向AP定向发射太赫兹信号，其他STA很有可能无法在接收天线上接收到信号，也就无法进行物理层载波监听；第二，即使其他STA有某种载波监听机制，但其效率或延迟时间无法与物理层载波监听机制相比拟，若强行采用CSMA/CA接入机制，很有可能造成网络效率的极大下降。
因此需要一套新的独特的网络接入方法，在不明显降低网络效率的前提下，来保证同一时刻同一信道中只有一个终端向AP定向发射信号。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种适用于太赫兹双频网络的数据分流和接入方法，网络中的STA根据通过这种方法可判断是否可以通过太赫兹信道进行数据的传输，其中包含数据分流控制与网络接入控制两部分内容。
本发明的技术方案如下：
一种适用于太赫兹双频网络的数据分流和接入方法，其特征在于：
首先，在任一时刻，STA中的网络控制模块先检查用户或上层是否有新的数据要发送；当有新的数据要发送时，则将上层提供的待发送数据量添加到现有待发送数据总量中，然后将添加后的所有待发送数据总量与设定的阈值H进行比较；如果待发送数据总量小于H，则保持WiFi传输模式，待发送数据由WiFi模块发送；如果待发送数据总量大于H，则待发送数据由太赫兹信道进行传输；采用太赫兹信道进行高速传输时，网络控制模块先检测太赫兹定向天线是否处于对准状态；如果太赫兹定向天线处于未对准状态，需先将太赫兹定向天线进行对准，在太赫兹定向天线未对准之前，待发送数据交由WiFi模块发送；当网络控制模块检测到太赫兹定向天线已处于对准状态，则进入网络接入控制流程。
太赫兹定向天线处于未对准状态时，需要先将太赫兹定向天线进行对准，由网络控制模块通知物理层或用户进行对准。具体对准方式为：物理层采用自动波束扫描的相控阵列天线对准方式；用户采用手动对准方式。
网络控制模块检测到太赫兹定向天线对准后，不能立即向AP发送数据，否则将造成太赫兹信道的“碰撞”。某个STA能够占用太赫兹上行信道，必须满足：（1）该STA必须具有向AP发送数据的上行发送权限；（2）从STA到AP的上行信道必须处于空闲状态。
STA在未拥有上行发送权限时，待发送数据仍由WiFi模块发送，以避免待发送数据的拥塞造成长时间的延迟。太赫兹双频网络中同一时刻只能有一个STA拥有上行发送权限，该权限需要由STA通过WiFi网络向AP进行申请。申请可以在太赫兹上行信道“忙”时提交，即不受上行信道当前状态的影响。AP在接收到STA的上行发送申请时，根据网络当前状况对所有有上行发送需求的STA的权限进行排队，依次分配上行发送权限。
当前拥有上行发送权限的STA监听上行信道是否空闲，一旦检测到空闲，立即启动上行数据发送，完成信道的接入。信道忙闲监听功能和接入后的数据发送过程（如握手、发送等）由物理层提供。
本发明的有益效果如下：
1. 与传统CSMA/CA方法相比，本发明提出的接入方法充分利用了太赫兹频段高速传输和WiFi频段信号宽覆盖的优势，克服了直接移植的CSMA/CA接入方法在新型双频网络中难以适用的问题。
2. 在太赫兹高速传输信道不可用时，分流控制方法保证数据仍然可以通过WiFi网络进行传输，保证了新型网络中网络的吞吐效率和体验效果不明显低于现有WiFi网络，是一种更加先进的网络接入控制方法。
3. 利用上行信道发送权限申请和分配的方法，保证了太赫兹信道一旦空闲马上就会被其他终端利用，无需再进行随机避退过程，避免了CSMA/CA过程中竞争时间内信道未被利用的缺点，提高了信道的利用效率。
附图说明
图1为现有的WiFi网络架构的简化模型示意图；
图2为现有CSMA/CA机制的碰撞避免的避退过程示意图；
图3为现有太赫兹双频网络的架构示意图；
图4为本发明的网络接入方法流程图。
具体实施方式
如图4所示，一种适用于太赫兹双频网络的数据分流和接入方法，其具体流程如下：
首先，在任一时刻，STA中的网络控制模块先检查用户或上层是否有新的数据要发送；
当有新的数据要发送时，则将上层提供的待发送数据量添加到现有待发送数据总量中，然后将添加后的所有待发送数据总量与设定的阈值H进行比较；
如果待发送数据总量小于H，则保持WiFi传输模式，待发送数据由WiFi模块（实现图3中802.11下MAC层和PHY层的功能）发送；如果待发送数据总量大于H，则待发送数据由太赫兹信道进行传输；
采用太赫兹信道进行高速传输时，网络控制模块先检测太赫兹定向天线是否处于对准状态；如果太赫兹定向天线处于未对准状态，则需要先将太赫兹定向天线进行对准，在太赫兹定向天线未对准之前，待发送数据交由WiFi模块发送；当网络控制模块检测到太赫兹定向天线已处于对准状态，则进入网络接入控制流程。
太赫兹定向天线处于未对准状态时，需要先将太赫兹定向天线进行对准，由网络控制模块通知物理层或用户进行对准。具体对准方式为：物理层采用自动波束扫描的相控阵列天线对准方式；用户采用手动对准方式。
网络控制模块检测到太赫兹定向天线对准后，不能立即向AP发送数据，否则将造成太赫兹信道的“碰撞”。某个STA能够占用太赫兹上行信道，必须满足：（1）该STA必须具有向AP发送数据的上行发送权限；（2）从STA到AP的上行信道必须处于空闲状态。
STA在未拥有上行发送权限时，待发送数据仍由WiFi模块发送，以避免待发送数据的拥塞造成长时间的延迟。太赫兹双频网络中同一时刻只能有一个STA拥有上行发送权限，该权限需要由STA通过WiFi网络向AP进行申请。申请可以在太赫兹上行信道“忙”时提交，即不受上行信道当前状态的影响。AP在接收到STA的上行发送申请时，根据网络当前状况对所有有上行发送需求的STA的权限进行排队，依次分配上行发送权限。
当前拥有上行发送权限的STA监听上行信道是否空闲，一旦检测到空闲，立即启动上行数据发送，完成信道的接入。信道忙闲监听功能和接入后的数据发送过程（如握手、发送等）由物理层提供。

Claims (8)

1.一种适用于太赫兹双频网络的数据分流和接入方法，其特征在于：首先，在任一时刻，STA中的网络控制模块先检查用户或上层是否有新的数据要发送；当有新的数据要发送时，则将上层提供的待发送数据量添加到现有待发送数据总量中，然后将添加后的所有待发送数据总量与设定的阈值H进行比较；如果待发送数据总量小于H，则保持WiFi传输模式，待发送数据由WiFi模块发送；如果待发送数据总量大于H，则待发送数据由太赫兹信道进行传输；采用太赫兹信道进行高速传输时，网络控制模块先检测太赫兹定向天线是否处于对准状态；如果太赫兹定向天线处于未对准状态，需先将太赫兹定向天线进行对准，在太赫兹定向天线未对准之前，待发送数据交由WiFi模块发送；网络控制模块检测到太赫兹定向天线对准后，需要满足两个条件才能向AP发送数据，所述两个条件为：（1）STA必须具有向AP发送数据的上行发送权限；（2）从STA到AP的上行信道处于空闲状态；当网络控制模块检测到太赫兹定向天线已处于对准状态，则进入网络接入控制流程。
2.根据权利要求1所述的一种适用于太赫兹双频网络的数据分流和接入方法，其特征在于：将太赫兹定向天线进行对准时，是由网络控制模块通知物理层或用户进行对准。
3.根据权利要求2所述的一种适用于太赫兹双频网络的数据分流和接入方法，其特征在于：由物理层对太赫兹定向天线进行对准时，是采用自动波束扫描的相控阵列天线对准方式。
4.根据权利要求2所述的一种适用于太赫兹双频网络的数据分流和接入方法，其特征在于：由用户对太赫兹定向天线进行队准时，采用手动对准方式。
5.根据权利要求1所述的一种适用于太赫兹双频网络的数据分流和接入方法，其特征在于：STA在未拥有上行发送权限时，待发送数据仍由WiFi模块发送。
6.根据权利要求1所述的一种适用于太赫兹双频网络的数据分流和接入方法，其特征在于：太赫兹双频网络中，同一时刻只能有一个STA拥有上行发送权限，发送权限由STA通过WiFi网络向AP进行上行发送申请。
7.根据权利要求6所述的一种适用于太赫兹双频网络的数据分流和接入方法，其特征在于：AP接收到STA的上行发送申请时，AP根据网络当前状况对所有有上行发送需求的STA的权限进行排队，依次分配上行发送权限。
8.根据权利要求7所述的一种适用于太赫兹双频网络的数据分流和接入方法，其特征在于：拥有上行发送权限的STA监听上行信道是否空闲，当STA检测到上行信道空闲时，立即启动上行数据发送，完成信道的接入。
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