詳解IEEE 802.11ad技術(shù)二：太赫茲通信頻段及MAC層工作原理

人們對(duì)未被分配的空閑頻譜資源的需求增長(zhǎng)，將不可避免地使無(wú)線通信系統(tǒng)的工作頻率向更高頻率的太赫茲（THz）頻段發(fā)展。大數(shù)據(jù)的瞬時(shí)傳輸將采用更高的載波頻率，以滿足高傳輸速率的需求。大量的研究表明，THz技術(shù)在通信領(lǐng)域的應(yīng)用與當(dāng)今比較成熟的微波通信和光纖通信相比，具有更多的優(yōu)點(diǎn)，比如說(shuō)，傳輸速率高，方向性好，安全性高，散射小，以及穿透性好等。

之前的文章《詳解IEEE 802.11ad（60 GHz Wi-Fi）技術(shù)》里簡(jiǎn)要介紹了IEEE 802.11ad（60 GHz Wi-Fi）的PHY層、MAC層、協(xié)議適配層。在本文，將詳細(xì)介紹IEEE 802.11ad的PHY層所在的太赫茲（THz）通信頻段、IEEE 802.11ad的MAC層工作原理。

1、高速無(wú)線通信的需求與可能的應(yīng)用

傳輸速率隨著載波頻率增加而增加。通常，在幅移鍵控ASK調(diào)制方式下，傳輸速率是載波頻率的10%~20%。如果傳輸速率達(dá)到10 Gbit/s~100 Gbit/s 需要用到100~500 GHz的載波頻率。

目前，未壓縮的高清電視數(shù)據(jù)通過(guò)DVD或者攝像機(jī)傳輸給電視設(shè)備的比特率已經(jīng)超過(guò)1.5 Gbit/s了。一些消費(fèi)電子產(chǎn)品的制造商也把Gbit無(wú)線接口引入到他們的最新產(chǎn)品之中。未來(lái)的無(wú)線技術(shù)需要10 Gbit/s以上的傳輸速率。還有一種高速無(wú)線鏈路的標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)移動(dòng)終端與儲(chǔ)存設(shè)備，來(lái)實(shí)現(xiàn)巨大數(shù)據(jù)量的近距離傳輸。其包含幾種技術(shù)，分別是閃傳支持transfer jet技術(shù)和采用紅外傳輸?shù)那д准t外技術(shù)GigaIR（1 Gbit/s）。

還有另一類應(yīng)用情景，即通過(guò)固體存儲(chǔ)器媒質(zhì)快速集中處理太比特的數(shù)據(jù)量，例如安全數(shù)字SD存儲(chǔ)器和固態(tài)硬盤(pán)存儲(chǔ)器。這一類應(yīng)用連同儲(chǔ)存器內(nèi)部存取速度提升方面的進(jìn)展，使人們能夠利用高速無(wú)線鏈路實(shí)現(xiàn)個(gè)人移動(dòng)終端與個(gè)人電腦之間以及個(gè)人移動(dòng)終端與云服務(wù)器之間的大量數(shù)據(jù)的瞬時(shí)傳輸。

由以上發(fā)展趨勢(shì)可以看出，高速THz無(wú)線通信技術(shù)能消除網(wǎng)絡(luò)接入速度的瓶頸，如光纖網(wǎng)絡(luò)無(wú)線寬帶接入，高速有線局域網(wǎng)的無(wú)線擴(kuò)展，低速無(wú)線局域網(wǎng)與高速光纖網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線橋接，寬帶室內(nèi)微微蜂窩網(wǎng)絡(luò)等。

2、THz通信的特點(diǎn)及適用范圍

THz電磁波的光子能量約為可見(jiàn)光的光子能量的四十分之一，因而利用THz波做信息載體要比用可見(jiàn)光或近中紅外光能量效率高得多。與微波技術(shù)相比，THz波可以探測(cè)更小的目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)更精確的定位，具有更高的分辨率和更強(qiáng)的保密性；而與紅外和激光技術(shù)相比，THz 波具有穿透沙塵煙霧的能力，可以實(shí)現(xiàn)全天候工作，因而THz技術(shù)有望在軍事裝備和國(guó)家安全等方面發(fā)揮巨大作用。

THz通信有著很多特點(diǎn)，這些特點(diǎn)包括：

（1）大氣不透明

由于大氣中的水汽對(duì)THz波有強(qiáng)烈的吸收作用，因此THz對(duì)大氣表現(xiàn)了不透明性，這就使得THz通信不適合地面遠(yuǎn)程通信。但在通信雙方一定距離以外的區(qū)域，THz通信信號(hào)有一個(gè)很高的衰減，使得探測(cè)通信信號(hào)非常難，因此它適合地面短程安全通信。

（2）帶寬大，更安全。

THz頻段在0.3 THz~10 THz，因此可以劃分為更多的通信頻段。而且THz頻段大約是長(zhǎng)波、中波、短波、微波（30 GHz）總的帶寬的1000倍。這就決定了THz通信是高寬帶通信，可以滿足當(dāng)前人們對(duì)通信速率不斷增加的要求。如果事先不知通信雙方所使用的通信頻段，要想在如此高的帶寬內(nèi)正確捕捉到通信雙方使用的頻段，其概率是非常小的，因此THz通信也是安全的。

（3）天線小，方向性好。

由于THz波的頻率比微波更高，波長(zhǎng)很短，可以制成方向性很強(qiáng)，尺寸又小的天線，可以大大減小發(fā)射功率和減輕相互之間的干擾。

（4）THz 散射小，對(duì)浮質(zhì)和云層可穿透性高。

這主要是由于THz 波的波長(zhǎng)小決定的。國(guó)際通訊聯(lián)盟已指定200GHz的頻段為下一代衛(wèi)星間通信之用。進(jìn)一步的發(fā)展必定進(jìn)入300 GHz以上的范圍。THz通信適合于衛(wèi)星間的星際通信和同溫層空對(duì)空通信。所謂同溫層是指從地面10公里至50公里高度的大氣層，同溫層內(nèi)空氣多作水平運(yùn)動(dòng)，氣流平穩(wěn)，能見(jiàn)度好，適于監(jiān)視和偵察設(shè)備飛行。

從上面介紹的THz 波的特點(diǎn)來(lái)看，THz通信的適用領(lǐng)域可為：①星際通信；②同溫層內(nèi)空對(duì)空通信；③短程地面無(wú)線局域網(wǎng)；④短程、安全大氣通信。

3、基于THz的超高速無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)

現(xiàn)有的支持1Gbit/s以上數(shù)據(jù)速率的超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)制主要有兩種，分別在IEEE 802.15.3C標(biāo)準(zhǔn)和IEEE 802.11ad（60 GHz Wi-Fi）標(biāo)準(zhǔn)草案中規(guī)定，這兩種無(wú)線接入機(jī)制都采用了TDMA+CSMA/CA的混合機(jī)制，但各有所長(zhǎng)：前者接入機(jī)制兼容性更好，能達(dá)到更高的數(shù)據(jù)速率，然而原理更復(fù)雜；后者接入機(jī)制實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，同樣也能達(dá)到Gbit/s級(jí)別的數(shù)據(jù)速率。以下具體介紹IEEE 802.11ad的MAC層工作原理。

4、IEEE 802.11ad的組網(wǎng)

1）PBSS（個(gè)人基本服務(wù)集）的組成

IEEE 802.11ad標(biāo)準(zhǔn)草案中規(guī)定的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以PBSS的形式運(yùn)行。PBSS是一種允許網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（在標(biāo)準(zhǔn)草案中也稱之為STA）之間相互通信的無(wú)線局域自組織網(wǎng)絡(luò)。PBSS的組成如圖1所示。

圖1 IEEE 802.11ad PBSS的組成

1個(gè)PBSS由一些相互之間可以進(jìn)行通信的節(jié)點(diǎn)組成，其中1個(gè)節(jié)點(diǎn)做為該P(yáng)BSS的PCP（PBSS中心節(jié)點(diǎn)），PCP通過(guò)廣播信標(biāo)幀為該P(yáng)BSS提供基本的定時(shí)機(jī)制和信道接入控制信息。PBSS網(wǎng)絡(luò)中任意2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。

2）PBSS的組網(wǎng)過(guò)程

當(dāng)一個(gè)擔(dān)任PCP角色的STA開(kāi)始廣播毫米波信標(biāo)幀時(shí)，即認(rèn)為一個(gè)PBSS已經(jīng)開(kāi)始形成了。

首先，擔(dān)任PCP角色的STA應(yīng)掃描所有的信道以檢測(cè)信道信息且選擇一個(gè)合適開(kāi)始PBSS的信道。當(dāng)收到來(lái)自SME（站點(diǎn)管理實(shí)體）的MLME START. Request primitive時(shí)，PCP應(yīng)監(jiān)聽(tīng)信道至少aMinchannelScan長(zhǎng)的時(shí)間以評(píng)估該信道是否適合開(kāi)始一個(gè)PBSS。若該信道適合，則PCP應(yīng)每隔一個(gè)信標(biāo)間隔（BI）就廣播一個(gè)毫米波信標(biāo)幀以開(kāi)始一個(gè)PBSS。否則，PCP應(yīng)給SME回復(fù)一個(gè)MLME START. confirm；且MLME START. confirm的ResuleCode字段應(yīng)設(shè)置為INVALID_PARAMETERS以示開(kāi)始PBSS失敗。

此外，當(dāng)PCP收到來(lái)自SME的MLME STOP. Request時(shí)，即表示該P(yáng)CP應(yīng)停止PBSS的運(yùn)行。同時(shí)，PCP應(yīng)停止廣播毫米波信標(biāo)幀且使用解認(rèn)證過(guò)程給PBSS中已關(guān)聯(lián)的STAs廣播解認(rèn)證幀。STAs收到解認(rèn)證幀后，即會(huì)知道該P(yáng)BSS將停止運(yùn)行；它們之間將不再進(jìn)行通信。另外，一個(gè)PBSS的PCP突然離開(kāi)且無(wú)其他的STAs可承擔(dān)該P(yáng)BSS的PCP，同樣會(huì)導(dǎo)致PBSS的運(yùn)行停止。

5、IEEE 802.11ad的無(wú)線接入機(jī)制

1）IEEE 802.11ad的信標(biāo)間隔

在IEEE 802.11ad PBSS中，其信道時(shí)間劃分為一系列的信標(biāo)間隔。BI又分為信標(biāo)幀時(shí)期（BT）、關(guān)聯(lián)波束賦形定位時(shí)期、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)期。IEEE 802.11ad PBSS BI的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 1個(gè)IEEE 802.11ad PBSS的BI

圖2中，BT用于傳輸1個(gè)或多個(gè)信標(biāo)幀。A-BFT用于由PCP執(zhí)行波束賦形定位，它在BI中是否存在由PCP決定。AT（宣告時(shí)間）是一個(gè)基于管理接入時(shí)期的請(qǐng)求響應(yīng)時(shí)間，用于PCP與STAs之間交換請(qǐng)求響應(yīng)幀，同樣由PCP定它在BI中是否存在。DTT由若干個(gè)CBPs和若干個(gè)SPs組成，它是信道接入時(shí)期，用于STAs之間數(shù)據(jù)的交換。

2）IEEE 802.11ad 的信道接入機(jī)制。

IEEE 802.11ad PBSS中，STAs的基本信道接入機(jī)制為CSMA/CA和TDMA。在BI的不同時(shí)期，STAs使用不同的信道接入機(jī)制；CBP時(shí)期使用CSMA/CA，而SP時(shí)期使用TDMA。在這些時(shí)期之前，CP將用輪詢動(dòng)態(tài)地給STAs分配SPs。具體信道接入過(guò)程如下。

（1）BT廣播信標(biāo)幀，不需要用CSMA/CA爭(zhēng)用信道或由PCP為其分配時(shí)隙。

（2）A-BFT只是一個(gè)波束賦形定位時(shí)間且在BI中不一定會(huì)出現(xiàn)，同樣不需要用CSMA/CA爭(zhēng)用信道或由PCP為其分配時(shí)隙。

（3）AT為PCP與STAs之間請(qǐng)求幀和響應(yīng)幀的交換時(shí)期；在此期間，PCP收到STAs的請(qǐng)求幀之后應(yīng)等待一個(gè)SIFS再給STAs回復(fù)響應(yīng)幀。此外，在BI中第一個(gè)SP開(kāi)始時(shí)以及在BI中第一個(gè)CBP開(kāi)始時(shí)應(yīng)結(jié)束AT時(shí)期。

（4）CBP時(shí)期的基本信道接入機(jī)制是DCF，即CSMA/CA和退避機(jī)制。首先當(dāng)STA檢測(cè)到信道空閑時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一個(gè)DIFS或EIFS時(shí)就開(kāi)始退避過(guò)程。退避過(guò)程開(kāi)始時(shí)，STA先根據(jù)Back of time=Random（）×a Slot Time（3μs）設(shè)置一個(gè)隨機(jī)的退避計(jì)數(shù)器時(shí)間。此外，NAV（網(wǎng)絡(luò)指配矢量）也作為一個(gè)計(jì)數(shù)器以均勻的速率減小。當(dāng)NAV計(jì)數(shù)器減小至0時(shí)，表明信道空閑且退避計(jì)數(shù)器減小一個(gè)a Slot Time（3μs）；否則退避計(jì)數(shù)器掛起。當(dāng)退避計(jì)數(shù)器減小至0時(shí)表明信道空閑，STA即可傳輸數(shù)據(jù)；否則表示信道忙，STA不能傳輸數(shù)據(jù)。

（5）SP時(shí)期的基本信道接入機(jī)制是TDMA。首先，PCP通過(guò)輪詢?cè)L問(wèn)PBSS中所有的STAs，以搜集網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)信息。然后，PCP根據(jù)輪詢結(jié)果給STAs動(dòng)態(tài)的分配SPs；進(jìn)而將分配好的SPs信息，如每個(gè)SP的持續(xù)時(shí)間、起止時(shí)間等，在毫米波信令幀中廣播給PBSS中的STAs。STAs在收到信令幀后，即會(huì)知道SPs的分配情況。此時(shí)，STAs即可在分配給自己的SPs時(shí)期內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。