詳解IEEE 802.11ad技術二：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技術在通信領域的應用與當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》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。未來的無線技術需要10 Gbit/s以上的傳輸速率。還有一種高速無線鏈路的標準，通過移動終端與儲存設備，來實現(xiàn)巨大數(shù)據(jù)量的近距離傳輸。其包含幾種技術，分別是閃傳支持transfer jet技術和采用紅外傳輸?shù)那д准t外技術GigaIR（1 Gbit/s）。
還有另一類應用情景，即通過固體存儲器媒質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無線通信技術能消除網(wǎng)絡接入速度的瓶頸，如光纖網(wǎng)絡無線寬帶接入，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)絡的無線橋接，寬帶室內(nèi)微微蜂窩網(wǎng)絡等。
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。與微波技術相比，THz波可以探測更小的目標和實現(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)視和偵察設備飛行。
從上面介紹的THz 波的特點來看，THz通信的適用領域可為：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
現(xiàn)有的支持1Gbit/s以上數(shù)據(jù)速率的超高速無線網(wǎng)絡接入的標準化機制主要有兩種，分別在IEEE 802.15.3C標準和IEEE 802.11ad（60 GHz Wi-Fi）標準草案中規(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（個人基本服務集）的組成
IEEE 802.11ad標準草案中規(guī)定的無線網(wǎng)絡以PBSS的形式運行。PBSS是一種允許網(wǎng)絡節(jié)點（在標準草案中也稱之為STA）之間相互通信的無線局域自組織網(wǎng)絡。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
當一個擔任PCP角色的STA開始廣播毫米波信標幀時，即認為一個PBSS已經(jīng)開始形成了。
首先，擔任PCP角色的STA應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。當收到來自SME（站點管理實體）的MLME START. Request primitive時，PCP應監(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應每隔一個信標間隔（BI）就廣播一個毫米波信標幀以開始一個PBSS。否則，PCP應給SME回復一個MLME START. confirm；且MLME START. confirm的ResuleCode字段應設置為INVALID_PARAMETERS以示開始PBSS失敗。
此外，當PCP收到來自SME的MLME STOP. Request時，即表示該PCP應停止PBSS的運行。同時，PCP應停止廣播毫米波信標幀且使用解認證過程給PBSS中已關聯(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可承擔該PBSS的PCP，同樣會導致PBSS的運行停止。
5、IEEE 802.11ad的無線接入機制
1）IEEE 802.11ad的信標間隔
在IEEE 802.11ad PBSS中，其信道時間劃分為一系列的信標間隔。BI又分為信標幀時期（BT）、關聯(lián)波束賦形定位時期、數(shù)據(jù)傳輸時期。IEEE 802.11ad PBSS BI的結構如圖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時間，用于PCP與STAs之間交換請求響應幀，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之間請求幀和響應幀的交換時期；在此期間，PCP收到STAs的請求幀之后應等待一個SIFS再給STAs回復響應幀。此外，在BI中第一個SP開始時以及在BI中第一個CBP開始時應結束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）設置一個隨機的退避計數(shù)器時間。此外，NAV（網(wǎng)絡指配矢量）也作為一個計數(shù)器以均勻的速率減小。當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)絡中的相關信息。然后，PCP根據(jù)輪詢結果給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。
