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

人們對未被分配的空閑頻譜資源的需求增長，將不可避免地使無線通信系統(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，比如說，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DVD或者攝像機傳輸給電視設(shè)備的比特率已經(jīng)超過1.5 Gbit/s了。一些消費電子產(chǎn)品的制造商也把Gbit無線接口引入到他們的最新產(chǎn)品之中。未來的無線技術(shù)需要10 Gbit/s以上的傳輸速率。還有一種高速無線鏈路的標(biāo)準(zhǔn)，通過移動終端與儲存設(shè)備，來實現(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，即通過固體存儲器媒質(zhì)快速集中處理太比特的數(shù)據(jù)量，例如安全數(shù)字SD存儲器和固態(tài)硬盤存儲器。這一類應(yīng)用連同儲存器內(nèi)部存取速度提升方面的進展，使人們能夠利用高速無線鏈路實現(xiàn)個人移動終端與個人電腦之間以及個人移動終端與云服務(wù)器之間的大量數(shù)據(jù)的瞬時傳輸。

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

2、THz通信的特點及適用范圍

THz電磁波的光子能量約為可見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波可以探測更小的目標(biāo)和實現(xiàn)更精確的定位，具有更高的分辨率和更強的保密性；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，可以實現(xiàn)全天候工作，因而THz技術(shù)有望在軍事裝備和國家安全等方面發(fā)揮巨大作用。

THz通信有著很多特點，這些特點包括：

（1）大氣不透明

由于大氣中的水汽對THz波有強烈的吸收作用，因此THz對大氣表現(xiàn)了不透明性，這就使得THz通信不適合地面遠程通信。但在通信雙方一定距離以外的區(qū)域，THz通信信號有一個很高的衰減，使得探測通信信號非常難，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，波長很短，可以制成方向性很強，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，對浮質(zhì)和云層可穿透性高。

這主要是由于THz 波的波長小決定的。國際通訊聯(lián)盟已指定200GHz的頻段為下一代衛(wèi)星間通信之用。進一步的發(fā)展必定進入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)空氣多作水平運動，氣流平穩(wěn)，能見度好，適于監(jiān)視和偵察設(shè)備飛行。

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

3、基于THz的超高速無線局域網(wǎng)技術(shù)

現(xiàn)有的支持1Gbit/s以上數(shù)據(jù)速率的超高速無線網(wǎng)絡(luò)接入的標(biāo)準(zhǔn)化機制主要有兩種，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，這兩種無線接入機制都采用了TDMA+CSMA/CA的混合機制，但各有所長：前者接入機制兼容性更好，能達到更高的數(shù)據(jù)速率，然而原理更復(fù)雜；后者接入機制實現(xiàn)相對簡單，同樣也能達到Gbit/s級別的數(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)定的無線網(wǎng)絡(luò)以PBSS的形式運行。PBSS是一種允許網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（在標(biāo)準(zhǔn)草案中也稱之為STA）之間相互通信的無線局域自組織網(wǎng)絡(luò)。PBSS的組成如圖1所示。

圖1 IEEE 802.11ad PBSS的組成

1個PBSS由一些相互之間可以進行通信的節(jié)點組成，其中1個節(jié)點做為該PBSS的PCP（PBSS中心節(jié)點），PCP通過廣播信標(biāo)幀為該PBSS提供基本的定時機制和信道接入控制信息。PBSS網(wǎng)絡(luò)中任意2個節(jié)點之間可以進行雙向數(shù)據(jù)傳輸。

2）PBSS的組網(wǎng)過程

當(dāng)一個擔(dān)任PCP角色的STA開始廣播毫米波信標(biāo)幀時，即認為一個PBSS已經(jīng)開始形成了。

首先，擔(dān)任PCP角色的STA應(yīng)掃描所有的信道以檢測信道信息且選擇一個合適開始PBSS的信道。當(dāng)收到來自SME（站點管理實體）的MLME START. Request primitive時，PCP應(yīng)監(jiān)聽信道至少aMinchannelScan長的時間以評估該信道是否適合開始一個PBSS。若該信道適合，則PCP應(yīng)每隔一個信標(biāo)間隔（BI）就廣播一個毫米波信標(biāo)幀以開始一個PBSS。否則，PCP應(yīng)給SME回復(fù)一個MLME START. confirm；且MLME START. confirm的ResuleCode字段應(yīng)設(shè)置為INVALID_PARAMETERS以示開始PBSS失敗。

此外，當(dāng)PCP收到來自SME的MLME STOP. Request時，即表示該PCP應(yīng)停止PBSS的運行。同時，PCP應(yīng)停止廣播毫米波信標(biāo)幀且使用解認證過程給PBSS中已關(guān)聯(lián)的STAs廣播解認證幀。STAs收到解認證幀后，即會知道該PBSS將停止運行；它們之間將不再進行通信。另外，一個PBSS的PCP突然離開且無其他的STAs可承擔(dān)該PBSS的PCP，同樣會導(dǎo)致PBSS的運行停止。

5、IEEE 802.11ad的無線接入機制

1）IEEE 802.11ad的信標(biāo)間隔

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

圖2 1個IEEE 802.11ad PBSS的BI

圖2中，BT用于傳輸1個或多個信標(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（宣告時間）是一個基于管理接入時期的請求響應(yīng)時間，用于PCP與STAs之間交換請求響應(yīng)幀，同樣由PCP定它在BI中是否存在。DTT由若干個CBPs和若干個SPs組成，它是信道接入時期，用于STAs之間數(shù)據(jù)的交換。

2）IEEE 802.11ad 的信道接入機制。

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

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

（2）A-BFT只是一個波束賦形定位時間且在BI中不一定會出現(xiàn)，同樣不需要用CSMA/CA爭用信道或由PCP為其分配時隙。

（3）AT為PCP與STAs之間請求幀和響應(yīng)幀的交換時期；在此期間，PCP收到STAs的請求幀之后應(yīng)等待一個SIFS再給STAs回復(fù)響應(yīng)幀。此外，在BI中第一個SP開始時以及在BI中第一個CBP開始時應(yīng)結(jié)束AT時期。

（4）CBP時期的基本信道接入機制是DCF，即CSMA/CA和退避機制。首先當(dāng)STA檢測到信道空閑時間長達一個DIFS或EIFS時就開始退避過程。退避過程開始時，STA先根據(jù)Back of time=Random（）×a Slot Time（3μs）設(shè)置一個隨機的退避計數(shù)器時間。此外，NAV（網(wǎng)絡(luò)指配矢量）也作為一個計數(shù)器以均勻的速率減小。當(dāng)NAV計數(shù)器減小至0時，表明信道空閑且退避計數(shù)器減小一個a Slot Time（3μs）；否則退避計數(shù)器掛起。當(dāng)退避計數(shù)器減小至0時表明信道空閑，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時期的基本信道接入機制是TDMA。首先，PCP通過輪詢訪問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動態(tài)的分配SPs；進而將分配好的SPs信息，如每個SP的持續(xù)時間、起止時間等，在毫米波信令幀中廣播給PBSS中的STAs。STAs在收到信令幀后，即會知道SPs的分配情況。此時，STAs即可在分配給自己的SPs時期內(nèi)進行數(shù)據(jù)傳輸。