[发明专利]一种基于双向握手的太赫兹组网介质访问控制方法

权利要求书

1.一种基于双向握手的太赫兹组网介质访问控制方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，构建一种基于双向握手的太赫兹组网介质访问控制的网络场景，该网络场景由一个AP节点和N个边缘节点组成，N为正整数；边缘节点的定向天线的波束方向始终指向AP节点，AP节点的天线通过定速旋转扫描信道实现通信链路的建立；

边缘节点为发送方，AP节点为接收方；发送方、接收方均由太赫兹网络层及上层、太赫兹MAC层、太赫兹物理层组成，发送方与接收方通过太赫兹信道连接；发送方的网络层及上层安装有数据生成模块，发送方的太赫兹MAC层安装有发送缓存模块、第一帧生成模块、第一发送模块、第一控制模块、第一帧解析模块、第一接收模块；接收方的网络层及上层安装有数据处理模块，接收方的太赫兹MAC层安装有第二帧生成模块、第二发送模块、第二控制模块、接收缓存模块、第二帧解析模块、第二接收模块；发送方和接收方的太赫兹物理层通过太赫兹无线信道进行连接；发送方、接收方以MAC层帧结构的形式传递数据，MAC层帧包含控制帧和数据帧两种；MAC层帧由发送方的第一帧生成模块与接收方的第二帧生成模块产生；MAC层帧由源地址、目的地址、类型、持续时间、序列号组成；包括Rts、Cts、Data、Ack四种类型，Data是数据帧，另外三种是控制帧；

边缘节点网络层及上层的数据生成模块与边缘节点MAC层的发送缓存模块相连，数据生成模块用于生成待发数据并将生成的数据发送给发送缓存模块；

边缘节点MAC层的发送缓存模块与边缘节点网络层及上层的数据生成模块、边缘节点MAC层的第一控制模块相连、第一发送模块相连；发送缓存模块负责从网络层及上层的数据生成模块接收M个数据，按序为所有数据创建数据类型帧头，构建数据帧；记录数据帧的相关信息并对数据帧的相关信息进行缓存，缓存好的数据帧的相关信息称为数据帧的记录信息，同时将数据帧的记录信息发送给第一控制模块，将数据帧发送给第一发送模块；

边缘节点MAC层的第一控制模块与边缘节点的太赫兹定向天线、边缘节点MAC层的发送缓存模块、第一帧生成模块、第一帧解析模块、第一发送模块相连；第一控制模块在边缘节点初始化时设定边缘节点的天线为发送模式，并调整相应参数；第一控制模块在边缘节点与AP节点进行第一次握手时从发送缓存模块接收数据帧的记录信息，将数据帧的记录信息存入第一控制模块创建的待发队列表；第一控制模块从待发队列表中选取待发队列中的第一个数据帧的记录信息，并根据待发队列表中所有数据帧的长度信息计算本轮通信持续时间；边缘节点的第一控制模块还向边缘节点的第一帧生成模块发送“构造Rts帧”与“发送Rts帧”的指令，同时将待发队列的首个数据帧的记录信息与本轮通信持续时间发送给边缘节点的第一帧生成模块；边缘节点与AP节点进行第二次握手时，第一控制模块从第一帧解析模块接收Cts帧的记录信息，将Cts帧的记录信息传递给第一发送模块，同时将发送数据帧的指令传递给第一发送模块；边缘节点与AP节点双方进行数据传输时，第一控制模块从第一帧解析模块接收Ack帧的记录信息，完成数据传输，然后遍历待发队列表，根据Ack帧的记录信息中的序列号找到待发队列表中与该序列号相同的数据帧的记录信息，从待发队列表删除此数据帧的记录信息；

边缘节点MAC层的第一帧生成模块与第一控制模块、第一发送模块相连；边缘节点与AP节点进行第一次握手时，第一帧生成模块从第一控制模块接收到待发对列表的首个数据帧的记录信息，提取其中的目的地址信息，将其填入Rts帧的目的地址字段，提取其中的序列号sequence信息，将其填入Rts帧的序列号sequence字段；将边缘节点地址填入Rts帧的源地址字段；第一帧生成模块从第一控制模块接收本轮通信持续时间，将本轮通信持续时间填入Rts帧的持续时间duration字段；将“Rts”填入Rts帧的类型字段；第一帧生成模块从第一控制模块接收到发送Rts帧的指令后，将构造的Rts帧传递给第一发送模块；

边缘节点MAC层的第一发送模块与边缘节点MAC层的发送缓存模块、第一控制模块、第一控制模块、AP节点MAC层的第二接收模块相连；边缘节点与AP节点进行第一次握手时，第一发送模块从第一帧生成模块接收Rts帧，将Rts帧发送给AP节点MAC层的第二接收模块；边缘节点与AP节点进行数据传输时，第一发送模块从第一控制模块收到Cts帧的记录信息和发送数据帧的指令后，从发送缓存模块中读取与Cts帧的记录信息的序列号相同的数据帧，将与Cts帧的记录信息的序列号相同的数据帧发送给AP节点MAC层的第二接收模块；

边缘节点MAC层的第一接收模块与AP节点MAC层的第二发送模块、边缘节点MAC层的第一帧解析模块相连；边缘节点与AP节点进行第二次握手时，边缘节点MAC层的第一接收模块负责从AP节点MAC层的第二发送模块接收Cts帧，将Cts帧发送给第一帧解析模块；边缘节点与AP节点进行数据传输时，边缘节点MAC层的第一接收模块从AP节点MAC层的第二发送模块接收Ack帧，将Ack帧发送给第一帧解析模块；

边缘节点MAC层的第一帧解析模块与边缘节点MAC层的第一接收模块、第一控制模块相连；边缘节点与AP节点进行第二次握手时，边缘节点MAC层的第一帧解析模块负责从第一接收模块接收Cts帧，对Cts帧进行解析得到Cts帧的记录信息，将Cts帧的记录信息发送给第一控制模块；边缘节点与AP节点进行数据传输时，第一帧解析模块负责从第一接收模块接收Ack帧，对Ack帧进行解析得到Ack帧的记录信息，将Ack帧的记录信息传递给第一控制模块；

AP节点MAC层的第二接收模块与边缘节点MAC层的第一发送模块、AP节点MAC层的第二帧解析模块相连；边缘节点与AP节点进行第一次握手时，AP节点MAC层的第二接收模块负责从边缘节点MAC层的第一发送模块接收Rts帧，将rts帧发送给第二帧解析模块；边缘节点与AP节点双方进行数据传输时，AP节点MAC层的第二接收模块负责从边缘节点MAC层的第一发送模块接收数据帧，并将接收的数据帧发送给第二帧解析模块；

AP节点MAC层的第二帧解析模块与AP节点MAC层的第二接收模块、AP节点MAC层的接收缓存模块、AP节点MAC层的第二控制模块相连；边缘节点与AP节点进行第一次握手时，AP节点MAC层的第二帧解析模块从第二接收模块接收Rts帧，读取Rts帧中的信息并记录，将Rts帧的记录信息发送给第二控制模块，完成第一次握手；边缘节点与AP节点双方进行数据传输时，第二帧解析模块负责接收与第二接收模块发来的数据帧，读取数据帧中的信息并记录，将数据帧的记录信息发送给AP节点的第二控制模块；第二帧解析模块负责从第二控制模块接收拆帧指令，将收到的数据帧拆除头部，将拆除头部的数据帧存入接收缓存模块；

AP节点MAC层的第二控制模块与AP节点MAC层的第二帧解析模块、AP节点的太赫兹定向天线、AP节点的第二帧生成模块相连；边缘节点与AP节点进行第一次握手时，第二控制模块负责从第二帧解析模块接收Rts帧的记录信息；边缘节点与AP节点进行第二次握手时，第二控制模块从第二帧解析模块接收Rts帧的记录信息，向第二帧生成模块传递Rts帧的记录信息，同时传递发送Cts帧的指令，同时设定AP节点的天线停止旋转；边缘节点与AP节点双方进行数据传输时，第二控制模块从第二帧解析模块接收数据帧的记录信息，向第二帧生成模块传递数据帧的记录信息，同时传递发送Ack的指令；第二控制模块从第二帧解析模块接收数据帧的记录信息后，第二控制模块向第二帧解析模块发送拆帧指令；

AP节点MAC层的第二帧生成模块与第二控制模块、第二发送模块相连；边缘节点与AP节点进行第二次握手时，第二帧生成模块从第二控制模块接收Rts帧的记录信息和发送Cts帧的指令，根据Rts帧的记录信息生成Cts帧，并将Cts帧发送给第二发送模块；边缘节点与AP节点进行数据传输时，第二帧生成模块从第二控制模块接收数据帧的记录信息和发送Ack帧的指令，根据数据帧的记录信息生成Ack帧，将Ack帧发送给第二发送模块；

AP节点MAC层的第二发送模块与AP节点MAC层的第二帧生成模块、边缘节点的第一接收模块相连；边缘节点与AP节点进行第二次握手时，第二发送模块负责从AP节点MAC层的第二帧生成模块接收Cts帧，将Cts帧发送给边缘节点的第一接收模块；边缘节点与AP节点双方进行数据传输时，第二发送模块负责从AP节点MAC层的第二帧生成模块接收Ack帧，将Ack帧发送给边缘节点的第一接收模块；

第二步，AP节点与N个边缘节点并行进行初始化操作；AP节点按2.1的流程进行初始化，第二控制模块设定AP节点的天线为接收模式，并调整相应参数，准备接收数据；同时N个边缘节点按2.2的流程进行初始化，第一控制模块设定边缘节点的天线为发送模式，调整相应参数；然后N个边缘节点按2.3的流程准备发送数据；

2.1AP节点初始化，第二控制模块设定AP节点的天线为接收模式，并调整相应参数，具体步骤如下：

2.1.1设定AP节点的天线状态为接收模式；

2.1.2设定AP节点的天线初始角度InitialAngle为0°；

2.1.3设定AP节点的天线波束宽度beamwidthDegrees为p°，0p180；

2.1.4计算AP节点的天线初始覆盖范围m_rxIniAngle，m_rxIniAngle＝InitialAngle+beamwidthDegrees；

2.1.5设定AP节点的天线转速TurningSpeed为r转每秒，r为正整数；

2.1.6AP节点天线参数设定，方法是：

2.1.6.1设定AP节点的天线旋转一圈所需时间tCircle＝1/TurningSpeed秒；

2.1.6.2设定扇区个数为nSector＝360°/beamwidthDegrees；

2.1.6.3设定天线对准每个扇区的时长tSector＝tCircle/nSector；

2.1.7令本轮通信已传输的数据帧数量have_send＝0；

2.1.8AP节点初始化完成，定向天线持续旋转扫描信道，若收到来自边缘节点的Rts帧，AP节点转步骤3.7，若未收到，转2.1.8继续等待；

2.2在AP节点初始化的同时，N个边缘节点并行进行初始化，N个边缘节点的第一控制模块并行设定边缘节点的天线为发送模式，并调整相应参数，N个边缘节初始化方法相同，其中第i个边缘节点的初始化方法如下，i为正整数且i≤N：

2.2.1设定第i个边缘节点的天线为传输模式，并将天线指向AP节点所在位置；

2.2.2设定第i个边缘节点的天线波束宽度＝AP节点的天线波束宽度beamwidthDegrees；

2.2.3第i个边缘节点初始化完成，等待来自网络层及上层的数据，转2.3步；

2.3第i个边缘节点产生数据传输需求，进行待发数据处理，得到待发队列表m_pktQueue，方法是：

2.3.1设置初始化序列号m_sequence为0，第i个边缘节点网络层及上层的数据生成模块将M个数据发送给第i个边缘节点的发送缓存模块；M为正整数；

2.3.2第i个边缘节点的发送缓存模块判定是否从网络层及上层的数据生成模块接收到M个数据，若接收到，转2.3.3；若未接收到，转2.3.2等待数据；

2.3.3第i个边缘节点的发送缓存模块按序为M个数据创建数据类型帧头，存储数据帧的记录信息，将数据帧的记录信息发送给第i个边缘节点的第一控制模块，方法是：

2.3.3.1第i个边缘节点的发送缓存模块创建数据类型帧头，并设置相应参数，令THzMacHeader header＝THzMacHeader(m_address,dest,Data)，其中THzMacHeaderheader指太赫兹MAC类型的帧头，m_address指第i个边缘节点地址即源地址，dest指目的地址,Data指帧的类型为数据帧；

2.3.3.2设置当前数据帧序列号为m_sequence＝m_sequence+1；

2.3.3.3将创建的帧头加入序列号为m_sequence的数据帧；

2.3.4发送缓存模块记录序列号为m_sequence的数据帧的记录信息，包括数据长度RecSize、数据帧入队时间RecTime、数据帧序列号RecSeq、数据帧重传次数RecRetry、持续时间duration；

2.3.5第i个边缘节点的发送缓存模块将2.3.4中的数据帧的记录信息发送给第i个边缘节点的第一控制模块；

2.3.6第i个边缘节点的第一控制模块接收发送缓存模块发来的数据帧的记录信息，创建待发队列表m_pktQueue，m_pktQueue中的每一项包括：RecSize；RecTime；RecSeq；RecRetry，将收到的记录信息录入到m_pktQueue中；

2.3.7第i个边缘节点的发送缓存模块判断m_sequenceM是否成立，如果成立，说明从边缘节点网络层及上层的数据生成模块收到的数据未处理完，转2.3.3对下一个数据进行处理；如果m_sequence＝M，第i个边缘节点的发送缓存模块转2.3.2继续等待数据生成模块发来的数据，同时第i个边缘节点的第一接收模块、第一帧解析模块、第一控制模块、第一帧生成模块、第一发送模块转第三步与AP节点进行握手以传输数据；

第三步，N个边缘节点按3.1～3.5步的流程并行尝试与AP节点进行第一次握手，同时AP节点按3.6～3.11步的流程扫描太赫兹无线信道，监控从哪个边缘节点收到Rts帧，若收到第e个边缘节点的Rts帧，则与第e个边缘节点进行握手，e为正整数且e≤N：N个边缘节点握手方法相同，第e个边缘节点与AP节点进行握手的方法如3.1～3.5步所示：

3.1第e个边缘节点的第一控制模块收到第e个边缘节点的发送缓存模块发来的数据帧的记录信息，将数据帧的记录信息中的RecSeq、RecSize、RecTime、RecRetry存入待发队列表m_pktQueue，m_pktQueue的一个元素即为一个数据帧的记录信息；

3.2第e个边缘节点的第一控制模块采用二进制退避算法开始退避，以避免多个边缘节点同时获取太赫兹信道访问权限而产生冲突，方法是：

3.2.1确定基本退避时间，令端到端的往返时间为2t，2t也称为冲突窗口即从数据发送开始到网络上最远的两个节点之间信号传播时延的两倍值的时间区间；2t＝2D/V，D为总线最大长度，V是传播速度；

3.2.2定义参数k，k与冲突次数有关，k＝Min(冲突次数，10),表示k取冲突次数和10中的最小值；

3.2.3从离散的整数集合{0,1,2，……，(2k-1)}中随机取出一个数，令为rr，令等待的时延＝rr×2t；令剩余退避时间m_backoffRemain＝等待的时延；

3.2.4若冲突次数不超过5次，转3.3；若冲突次数超过5次，证明发送失败，边缘节点的第一控制模块找到m_pktQueue的首条记录信息，记录该数据帧发送失败，并将该数据帧的记录信息从m_pktQueue中删除，转2.3.2；

3.3第e个边缘节点的第一控制模块从m_pktQueue中选取第一个数据帧的信息，发送给第一帧生成模块，方法是：

3.3.1如果m_pktQueue中的数据帧记录信息为空，转步骤2.3.2，否则转步骤3.3.2；

3.3.2读取m_pktQueue中的第一个数据帧的记录信息，即令首个待发数据帧m_pktData为待发队列表的首个数据帧的信息；

3.3.3检查m_pktData目的地址是否为广播地址，如果是，则发送待发队列表的首个数据帧，令sequence＝待发队列表的首个数据帧的sequence，转5.1.3，否则执行3.3.4；

3.3.4第一控制模块根据m_pktQueue长度确定本轮通信要传输的数据帧个数m_tosend，即令m_tosend＝待发队列表中元素的个数；

3.3.5第一控制模块遍历待发队列表m_pktQueue，获取所有待发数据的总长度即待发队列表中m_tosend个元素的长度之和，记为m_tosendlength；

3.3.6第一控制模块计算传输所有待发数据的传输时间m_tosendTxduration，m_tosendTxduration＝m_tosendlength/第e个边缘节点传输带宽；

3.3.7第一控制模块计算本轮通信的持续时间duration；

3.3.8第一控制模块设定Cts超时时间；在Cts超时时间内如果未收到Cts，则令该序列号匹配的数据帧的重传次数RecRetry＝RecRetry+1，转3.2；同时，第一控制模块向第e个边缘节点的第一帧生成模块传递发送构造Rts帧的指令，同时将待发队列的首个数据帧的记录信息与duration发送给边缘节点的第一帧生成模块，转3.4；

3.4第一帧生成模块构造Rts帧，具体步骤如下：

3.4.1第一帧生成模块创建Rts帧；

3.4.2第一帧生成模块将Rts帧发送给第一发送模块；

3.5第e个边缘节点的第一发送模块向物理层传输Rts帧；

3.6AP节点的定向天线旋转扫描太赫兹无线信道，监控是否收到Rts帧，并检查Rts帧来自哪个边缘节点，若收到来自第e个边缘节点的Rts帧，转3.7；若未收到任何Rts帧,转3.6；

3.7AP节点的物理层从太赫兹无线信道接收第e个边缘节点发来的Rts帧，将该Rts帧传递给AP节点的第二接收模块；

3.8AP节点的第二接收模块传递Rts帧给第二帧解析模块；

3.9AP节点的第二帧解析模块从AP节点的第二接收模块接收Rts帧；

3.10AP节点的第二帧解析模块读取Rts帧中的信息并记录，其中包含源地址source、目的地址destination、类型type、持续时间duration；

3.11AP节点的第二帧解析模块将Rts帧记录的信息传递给AP节点的第二控制模块，完成第一次握手，转第四步；

第四步，第e个边缘节点与AP节点进行第二次握手，方法是：

4.1AP节点的第二控制模块从AP节点的第二帧解析模块接收Rts帧的记录信息；

4.2令第一时间t1＝系统时间；AP节点的第二控制模块设定AP节点的天线转速为0，AP节点天线处于停止状态，通信链路建立；

4.3AP节点的第二控制模块向第二帧生成模块传递发送Cts的指令和Rts帧的记录信息；

4.4AP节点的第二帧生成模块创建Cts帧，将生成的Cts帧传递给AP节点的第二发送模块；

4.5AP节点的第二发送模块向物理层传输Cts帧，Cts帧经由太赫兹无线信道模块到达第e个边缘节点的物理层；

4.6第e个边缘节点的物理层从AP节点的第二发送模块接收到Cts帧，将Cts帧传递给边缘节点的第一接收模块，

4.7第e个边缘节点的第一接收模块将Cts帧传递给第一帧解析模块；

4.8边缘节点的第一帧解析模块解析Cts帧，具体步骤如下：

4.8.1第e个边缘节点的第一帧解析模块接收Cts帧，读取Cts帧中的信息并记录，得到Cts帧的记录信息，包含源地址source、目的地址destination、类型type、持续时间duration，序列号sequence；

4.8.2第e个边缘节点的第一帧解析模块将Cts帧的记录信息发送给第一控制模块，第二次握手完成，即第e个边缘节点收到了AP节点发送的Cts帧，转第五步；

第五步，第e个边缘节点与AP节点进行数据传输，方法是：

5.1第e个边缘节点向AP节点传输数据，方法是：

5.1.1第e个边缘节点的第一控制模块将Cts帧的记录信息发送给第e个边缘节点的第一发送模块，并向第一发送模块传递“发送数据帧的指令”；

5.1.2第e个边缘节点的第一发送模块读取Cts帧的记录信息的sequence；

5.1.3第e个边缘节点的第一发送模块从发送缓存模块中读取与sequence相同的数据帧；

5.1.4第e个边缘节点的第一发送模块修改该数据帧的持续时间字段，令duration＝数据帧传输时间+数据帧传播时间+Ack传输时间+Ack传播时间；数据帧传输时间＝数据帧长度/第e个边缘节点传输带宽，数据帧传播时间＝帧传播时间×1，Ack传输时间＝17字节/第e个边缘节点传输带宽，Ack传播时间＝帧传播时间×1；

5.1.5第e个边缘节点的第一发送模块向物理层传输与sequence一致的数据帧，数据帧经由太赫兹无线信道到达AP节点的物理层，转5.2；同时，第e个边缘节点的第一控制模块设定确认帧超时事件，如果在duration时间内第一控制模块未收到第e个边缘节点的第一帧解析模块发来的Ack帧的记录信息，则Ack帧超时，第一控制模块将该序列号匹配的数据帧的重传次数增1，即令RecRetry＝RecRetry+1，转3.2；如果在duration时间内收到第e个边缘节点的第一控制模块发来的Ack帧的记录信息，则Ack帧未超时，转5.11；

5.2AP节点的物理层接收到该数据帧，将该包传递给AP节点的第二接收模块；

5.3AP节点的第二接收模块将从物理层收到的数据帧传递给AP节点的第二帧解析模块，第二帧解析模块对数据帧进行解析，方法是：

5.3.1第二帧解析模块读取数据帧中的信息并记录，其中包含源地址source、目的地址destination、类型type、持续时间duration；

5.3.2AP节点的第二帧解析模块将数据帧的记录信息传递给AP节点的第二控制模块；

5.4AP节点的第二控制模块向AP节点的第二帧生成模块发送数据帧的记录信息，并向第二帧生成模块传递发送Ack的指令，转步骤5.8；同时，AP节点的第二控制模块向AP节点的第二帧解析模块发送拆帧指令，转步骤5.5；

5.5AP节点的第二帧解析模块根据拆帧指令对从第二接收模块收到的数据帧拆除头部，将拆除了头部的数据帧发送给接收缓存模块；

5.6接收缓存模块判断是否收到拆除了头部的数据帧，若收到，则对拆除了头部的数据帧进行存储，转5.7；若未收到拆除了头部的数据帧，接收缓存模块转5.6继续等待；

5.7网络层及上层的第二数据处理模块读取接收缓存模块中的数据帧，根据用户要求进行处理，处理完后转5.6；

5.8AP节点的第二帧生成模块创建Ack，将生成的Ack帧传递给AP节点的第二发送模块；

5.9AP节点的第二发送模块向物理层传输Ack帧，Ack帧经由太赫兹无线信道模块到达第e个边缘节点的物理层；

5.10第e个边缘节点的物理层接收到该Ack帧，将Ack帧传递给边缘节点的第一接收模块，

5.11第e个边缘节点的第一接收模块将Ack帧传递给边缘节点的第一帧解析模块；

5.12第e个边缘节点的第一帧解析模块对Ack帧进行解析，具体步骤如下：

5.12.1第e个边缘节点的第一帧解析模块收到Ack后，读取Ack帧中的信息并记录，其中包含源地址source、目的地址destination、类型type、持续时间duration；

5.12.2第e个边缘节点的第一帧解析模块将Ack帧的记录信息传递给第一控制模块，完成数据传输；

5.13第e个边缘节点的第一控制模块遍历第三步生成的m_pktQueue，根据Ack帧的记录信息中的序列号找到m_pktQueue中与序列号符合的数据帧，记录该数据帧发送结果，令have_send＝have_send+1；

5.14第e个边缘节点的第一控制模块判断已发送的数据帧数量是否小于要发送的数据帧数量，即判断have_sendm_tosend是否成立，如果成立，说明第e个边缘节点仍有数据待发，则令sequence＝Ack帧的sequence+1，转5.1.3，传输下一个待发数据；否则，第e个边缘节点的所有数据传输完成，第e个边缘节点转2.3，AP节点转5.15；

5.15令第二时间t2＝系统时间，若t2-t1＝duration，说明第e个边缘节点与AP节点的数据传输完成，AP节点的第二控制模块重新设置天线旋转速度TurningSpeed为r转每秒，转2.1.8。