[发明专利]一种双频结合的太赫兹无线局域网协议构架

说明书

本发明公开了一种双频结合的太赫兹无线局域网协议构架，包括物理层和数据链路层；物理层包括基于802.11协议的2.4GHz PHY和太赫兹PHY，数据链路层包含两级MAC子层，两级MAC子层是独立下MAC层和公共上MAC层；所述独立下MAC层包括基于802.11协议的下MAC层和太赫兹下MAC层；本发明在用户接入及低速数据传输时利用2.4GHz频段Wi‑Fi进行，保证了局域网的宽覆盖范围特性；在需要进行高速数据传输时再切换到太赫兹频段，进行太赫兹高速数据传输，保证了太赫兹局域网的高速率特性；使得太赫兹无线局域网具备在较大覆盖范围内提供超高速率联网通信的能力。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体是一种双频结合的太赫兹无线局域网协议构架。

背景技术

目前得到广泛应用的2.4GHz/5GHz频段的基于802.11a/b/g/n等协议的Wi-Fi局域网的网络协议构架简化参考模型如图1所示，其主要分为物理层（PHY）和数据链路层（MAC），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。

这种网络结构中通信频率一般采用2.4GHz或者5GHz，天线均采用了近全向天线，以保证较大的网络空间覆盖范围。然而，电磁波在自由空间的损耗与频率的平方正相关，即载波频率每提高一个量级，电磁波的自由空间损耗将提高20分贝（dB），通信系统的接收信噪比将降低20dB。因此在太赫兹频段（载波频率在100GHz到10THz之间），由于通信载波频率比现有Wi-Fi采用的2.4GHz/5GHz提高了近两个量级以上，通信系统的接收信噪比将降低近40dB以上，为了达到与原来通信系统相同的接收信噪比，在发射功率不变的情况下就要求收发天线增益提高近40dB以上。我们都知道10dB增益的天线波束宽度大约为45度，而35dB增益的天线波束宽度就仅仅只有2.6度，降低了一个量级以上。因此，在太赫兹频段构建的无线局域网由于载波频率的提高，天线波束宽度将极大变窄，覆盖范围将急剧缩小，现有的Wi-Fi网络结构已经无法实现有效的大区域范围覆盖。

为了解决这个覆盖范围的问题，一种可能的技术方案是采用波束成形及控制技术，如相控阵天线，利用波束成形及电扫描方式进行快速扫描对准，对准之后再进行通信。60GHz频段的无线局域网/个域网协议802.15.3c及802.11ad中即采用了这种技术方案。802.15.3c中采用的波束控制方案如图2所示，其用户接入及波束对准由实时调整波束宽度实现，即在用户接入阶段将天线波束宽度由半全向逐渐往精细指向调节，一步一步锁定用户所在区域，待精确指向对准后再利用高定向高增益的天线进行高速数据传输通信。802.11ad中采用的波束控制方案如图3所示，其用户接入及波束对准分收发端分别进行，即：在用户接入阶段，首先接收端用近全向天线接收信号，发送端实时调整发射波束方向，找到最佳指向后改用全向天线发射信号，接收端再调整天线为精确指向并实时调整其波束方向，找到最佳接收指向之后，收发双方再同时利用高定向天线进行精细对准，以达到最佳的对准效果，随后再进行高速数据传输通信。

由于太赫兹频段比60GHz频段至少再高了1倍以上，因此天线的增益将会更大，其波束宽度更窄，如果在太赫兹频段采用这种类似的扫描对准再通信的技术方案的话，需要的扫描对准时间将会更长，从而降低了局域网的整体效率。同时，这种扫描对准策略本身也是非常复杂和繁琐的，在实际应用中难以实现。另外，太赫兹频段的核心电子学器件还不够成熟，生产太赫兹频段的相控阵芯片还比较困难，故当前阶段采用波束成形及控制方案还不太现实。再者，由于太赫兹频段的波长很短，其对物质的穿透、绕射等特性均较差，在室内局域网应用时很容易被人体、物品等遮挡而无法实现有效通信，此时扫描对准再通信技术将失效。

发明内容