详解IEEE 802.11ad技术二：太赫兹通信频段及MAC层工作原理

人们对未被分配的空闲频谱资源的需求增长，将不可避免地使无线通信系统的工作频率向更高频率的太赫兹（THz）频段发展。大数据的瞬时传输将采用更高的载波频率，以满足高传输速率的需求。大量的研究表明，THz技术在通信领域的应用与当今比较成熟的微波通信和光纤通信相比，具有更多的优点，比如说，传输速率高，方向性好，安全性高，散射小，以及穿透性好等。

之前的文章《详解IEEE 802.11ad（60 GHz Wi-Fi）技术》里简要介绍了IEEE 802.11ad（60 GHz Wi-Fi）的PHY层、MAC层、协议适配层。在本文，将详细介绍IEEE 802.11ad的PHY层所在的太赫兹（THz）通信频段、IEEE 802.11ad的MAC层工作原理。

1、高速无线通信的需求与可能的应用

传输速率随着载波频率增加而增加。通常，在幅移键控ASK调制方式下，传输速率是载波频率的10%~20%。如果传输速率达到10 Gbit/s~100 Gbit/s 需要用到100~500 GHz的载波频率。

目前，未压缩的高清电视数据通过DVD或者摄像机传输给电视设备的比特率已经超过1.5 Gbit/s了。一些消费电子产品的制造商也把Gbit无线接口引入到他们的最新产品之中。未来的无线技术需要10 Gbit/s以上的传输速率。还有一种高速无线链路的标准，通过移动终端与储存设备，来实现巨大数据量的近距离传输。其包含几种技术，分别是闪传支持transfer jet技术和采用红外传输的千兆红外技术GigaIR（1 Gbit/s）。

还有另一类应用情景，即通过固体存储器媒质快速集中处理太比特的数据量，例如安全数字SD存储器和固态硬盘存储器。这一类应用连同储存器内部存取速度提升方面的进展，使人们能够利用高速无线链路实现个人移动终端与个人电脑之间以及个人移动终端与云服务器之间的大量数据的瞬时传输。

由以上发展趋势可以看出，高速THz无线通信技术能消除网络接入速度的瓶颈，如光纤网络无线宽带接入，高速有线局域网的无线扩展，低速无线局域网与高速光纤网络的无线桥接，宽带室内微微蜂窝网络等。

2、THz通信的特点及适用范围

THz电磁波的光子能量约为可见光的光子能量的四十分之一，因而利用THz波做信息载体要比用可见光或近中红外光能量效率高得多。与微波技术相比，THz波可以探测更小的目标和实现更精确的定位，具有更高的分辨率和更强的保密性；而与红外和激光技术相比，THz 波具有穿透沙尘烟雾的能力，可以实现全天候工作，因而THz技术有望在军事装备和国家安全等方面发挥巨大作用。

THz通信有着很多特点，这些特点包括：

（1）大气不透明

由于大气中的水汽对THz波有强烈的吸收作用，因此THz对大气表现了不透明性，这就使得THz通信不适合地面远程通信。但在通信双方一定距离以外的区域，THz通信信号有一个很高的衰减，使得探测通信信号非常难，因此它适合地面短程安全通信。

（2）带宽大，更安全。

THz频段在0.3 THz~10 THz，因此可以划分为更多的通信频段。而且THz频段大约是长波、中波、短波、微波(30 GHz)总的带宽的1000倍。这就决定了THz通信是高宽带通信，可以满足当前人们对通信速率不断增加的要求。如果事先不知通信双方所使用的通信频段，要想在如此高的带宽内正确捕捉到通信双方使用的频段，其概率是非常小的，因此THz通信也是安全的。

（3）天线小，方向性好。

由于THz波的频率比微波更高，波长很短，可以制成方向性很强，尺寸又小的天线，可以大大减小发射功率和减轻相互之间的干扰。

（4）THz 散射小，对浮质和云层可穿透性高。

这主要是由于THz 波的波长小决定的。国际通讯联盟已指定200GHz的频段为下一代卫星间通信之用。进一步的发展必定进入300 GHz以上的范围。THz通信适合于卫星间的星际通信和同温层空对空通信。所谓同温层是指从地面10公里至50公里高度的大气层，同温层内空气多作水平运动，气流平稳，能见度好，适于监视和侦察设备飞行。

从上面介绍的THz 波的特点来看，THz通信的适用领域可为：①星际通信；②同温层内空对空通信；③短程地面无线局域网；④短程、安全大气通信。

3、基于THz的超高速无线局域网技术

现有的支持1Gbit/s以上数据速率的超高速无线网络接入的标准化机制主要有两种，分别在IEEE 802.15.3C标准和IEEE 802.11ad（60 GHz Wi-Fi）标准草案中规定，这两种无线接入机制都采用了TDMA+CSMA/CA的混合机制，但各有所长：前者接入机制兼容性更好，能达到更高的数据速率，然而原理更复杂；后者接入机制实现相对简单，同样也能达到Gbit/s级别的数据速率。以下具体介绍IEEE 802.11ad的MAC层工作原理。

4、IEEE 802.11ad的组网

1）PBSS（个人基本服务集）的组成

IEEE 802.11ad标准草案中规定的无线网络以PBSS的形式运行。PBSS是一种允许网络节点（在标准草案中也称之为STA）之间相互通信的无线局域自组织网络。PBSS的组成如图1所示。

图1  IEEE 802.11ad PBSS的组成

1个PBSS由一些相互之间可以进行通信的节点组成，其中1个节点做为该PBSS的PCP（PBSS中心节点），PCP通过广播信标帧为该PBSS提供基本的定时机制和信道接入控制信息。PBSS网络中任意2个节点之间可以进行双向数据传输。

2）PBSS的组网过程

当一个担任PCP角色的STA开始广播毫米波信标帧时，即认为一个PBSS已经开始形成了。

首先，担任PCP角色的STA应扫描所有的信道以检测信道信息且选择一个合适开始PBSS的信道。当收到来自SME（站点管理实体）的MLME START. Request primitive时，PCP应监听信道至少aMinchannelScan长的时间以评估该信道是否适合开始一个PBSS。若该信道适合，则PCP应每隔一个信标间隔（BI）就广播一个毫米波信标帧以开始一个PBSS。否则，PCP应给SME回复一个MLME START. confirm；且MLME START. confirm的ResuleCode字段应设置为INVALID_PARAMETERS以示开始PBSS失败。

此外，当PCP收到来自SME的MLME STOP. Request时，即表示该PCP应停止PBSS的运行。同时，PCP应停止广播毫米波信标帧且使用解认证过程给PBSS中已关联的STAs广播解认证帧。STAs收到解认证帧后，即会知道该PBSS将停止运行；它们之间将不再进行通信。另外，一个PBSS的PCP突然离开且无其他的STAs可承担该PBSS的PCP，同样会导致PBSS的运行停止。

5、IEEE 802.11ad的无线接入机制

1）IEEE 802.11ad的信标间隔

在IEEE 802.11ad PBSS中，其信道时间划分为一系列的信标间隔。BI又分为信标帧时期（BT）、关联波束赋形定位时期、数据传输时期。IEEE 802.11ad PBSS BI的结构如图2所示。

图2  1个IEEE 802.11ad PBSS的BI

图2中，BT用于传输1个或多个信标帧。A-BFT用于由PCP执行波束赋形定位，它在BI中是否存在由PCP决定。AT（宣告时间）是一个基于管理接入时期的请求响应时间，用于PCP与STAs之间交换请求响应帧，同样由PCP定它在BI中是否存在。DTT由若干个CBPs和若干个SPs组成，它是信道接入时期，用于STAs之间数据的交换。

2）IEEE 802.11ad 的信道接入机制。

IEEE 802.11ad PBSS中，STAs的基本信道接入机制为CSMA/CA和TDMA。在BI的不同时期，STAs使用不同的信道接入机制；CBP时期使用CSMA/CA，而SP时期使用TDMA。在这些时期之前，CP将用轮询动态地给STAs分配SPs。具体信道接入过程如下。

（1）BT广播信标帧，不需要用CSMA/CA争用信道或由PCP为其分配时隙。

（2）A-BFT只是一个波束赋形定位时间且在BI中不一定会出现，同样不需要用CSMA/CA争用信道或由PCP为其分配时隙。

（3）AT为PCP与STAs之间请求帧和响应帧的交换时期；在此期间，PCP收到STAs的请求帧之后应等待一个SIFS再给STAs回复响应帧。此外，在BI中第一个SP开始时以及在BI中第一个CBP开始时应结束AT时期。

（4）CBP时期的基本信道接入机制是DCF，即CSMA/CA和退避机制。首先当STA检测到信道空闲时间长达一个DIFS或EIFS时就开始退避过程。退避过程开始时，STA先根据Back of time=Random（）×a Slot Time（3μs）设置一个随机的退避计数器时间。此外，NAV（网络指配矢量）也作为一个计数器以均匀的速率减小。当NAV计数器减小至0时，表明信道空闲且退避计数器减小一个a Slot Time（3μs）；否则退避计数器挂起。当退避计数器减小至0时表明信道空闲，STA即可传输数据；否则表示信道忙，STA不能传输数据。

（5）SP时期的基本信道接入机制是TDMA。首先，PCP通过轮询访问PBSS中所有的STAs，以搜集网络中的相关信息。然后，PCP根据轮询结果给STAs动态的分配SPs；进而将分配好的SPs信息，如每个SP的持续时间、起止时间等，在毫米波信令帧中广播给PBSS中的STAs。STAs在收到信令帧后，即会知道SPs的分配情况。此时，STAs即可在分配给自己的SPs时期内进行数据传输。