基于D2D混合網(wǎng)絡(luò)中繼選擇算法的研究

陳小琴

x摘 要】D2D通信是指距離相距很近的終端直接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，不需要經(jīng)過基站轉(zhuǎn)發(fā)，且具有鏈路質(zhì)量好、發(fā)送功率低，通訊時(shí)延短等特點(diǎn)。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中引入D2D通信可減少基站的負(fù)載、擴(kuò)大小區(qū)的覆蓋，提高資源利用率。D2D通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)接近于自組織網(wǎng)絡(luò)，因此中繼選擇是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。本文論述的中繼選擇算法考慮了系統(tǒng)的能耗、距離、鏈路質(zhì)量等因素。

【關(guān)鍵詞】D2D 中繼算法 蜂窩網(wǎng)

1 引言

隨著大規(guī)模集成電路和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)單一的以基站為中心的通信方式存在資源利用率低，不能滿足人們的需求。將通過本地進(jìn)行直接通信的D2D通信運(yùn)用到蜂窩網(wǎng)中，形成D2D混合網(wǎng)絡(luò)。該混合網(wǎng)絡(luò)可提高頻譜的利用率，提高系統(tǒng)的整體容量。

D2D通信具有鏈路質(zhì)量好、發(fā)送功率低，通訊時(shí)延短等特點(diǎn)，并且與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共同使用授權(quán)頻帶資源，形成統(tǒng)一的D2D與蜂窩網(wǎng)混合網(wǎng)絡(luò)。而傳統(tǒng)的短距離通信技術(shù)，如藍(lán)牙、WIFI、Zigbee等技術(shù)使用的是非授權(quán)頻帶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其干擾環(huán)境是不可控的。D2D混合網(wǎng)絡(luò)非常適合與本地通信業(yè)務(wù)，如在一個(gè)演唱會(huì)場內(nèi)，主辦方需要向觀眾提供視頻等多媒體服務(wù)，如果采用基站的方式提供，可能會(huì)導(dǎo)致基站負(fù)載過重，以至于影響其他業(yè)務(wù)。如果采用D2D通信，則觀眾可直接下載各種資料，基站只負(fù)責(zé)D2D鏈路的控制及無線資源的分配等工作。同時(shí)基站還可為蜂窩用戶提供良好的語音和數(shù)據(jù)服務(wù)。

D2D網(wǎng)絡(luò)作為自組網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)發(fā)展分支，良好有效的中繼選擇算法對(duì)混合系統(tǒng)鏈路質(zhì)量的保障和頻譜利用都起著至關(guān)重要的作用。在不引入中繼的D2D混合網(wǎng)絡(luò)中，想要充分發(fā)揮D2D通信的優(yōu)勢，必須限制通信終端間的距離和發(fā)射的功率。這樣任意兩個(gè)終端間能通過D2D通信的接通概率將大大降低，無法起到復(fù)用頻率和提高頻譜利用率的效果。

中繼技術(shù)的基本思想是中繼節(jié)點(diǎn)將源節(jié)點(diǎn)的信號(hào)處理后再發(fā)送出去，從而實(shí)現(xiàn)新的覆蓋區(qū)域，從而達(dá)到延伸網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍的目的。

根據(jù)中繼選擇個(gè)數(shù)，可將中繼可分為MIMO中繼和機(jī)會(huì)中繼。MIMO中繼是通過網(wǎng)絡(luò)編碼或DSTC的協(xié)作分集[1]實(shí)現(xiàn)的。機(jī)會(huì)中繼是基于即時(shí)信道狀態(tài)（CSI）選擇策略的中繼選擇算法，最早由A.Bletsas[2]等人提出，基本思想是每次只選擇一個(gè)最佳中繼參與協(xié)作，而不需要知道拓?fù)湫畔?，從而減少了物理層的設(shè)計(jì)。

本文在機(jī)會(huì)中繼算法的基礎(chǔ)上，把節(jié)點(diǎn)的能耗和節(jié)點(diǎn)間的距離作為選擇中繼節(jié)點(diǎn)的篩選條件，在保證通信質(zhì)量的前提下，降低了能耗、達(dá)到了延長網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的效果。

2 場景描述

D2D混合網(wǎng)絡(luò)中繼應(yīng)用場景如圖1所示。其中，U1-U2、U3-U4、U5-U6為D2D通信對(duì)，U7、U8工作在蜂窩模式。當(dāng)通信信道發(fā)生變化時(shí)，基站會(huì)根據(jù)相應(yīng)的規(guī)則，切換節(jié)點(diǎn)的通信方式。如U1請(qǐng)求與U2通信時(shí)， U1、U2直連通道的通信質(zhì)量不能達(dá)到要求，則基站會(huì)選取U9作為U1、U2通信間的中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。若沒有搜索到合適的節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)，即通過基站進(jìn)行通信，如U3、U4之間的通信。若存在多個(gè)節(jié)點(diǎn)都滿足中繼節(jié)點(diǎn)的要求，則會(huì)選擇最優(yōu)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)，如U5、U6之間的通信。本文重點(diǎn)研究如何選擇最優(yōu)的中繼節(jié)點(diǎn)，既能提高節(jié)點(diǎn)間的通信質(zhì)量，又能降低節(jié)點(diǎn)的能耗。

圖1：D2D混合網(wǎng)絡(luò)中繼選擇應(yīng)用場景

3 D2D混合網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇算法

3.1 D2D中繼觸發(fā)條件

3.1.1 發(fā)射功率限制

當(dāng)D2D節(jié)點(diǎn)間的鏈路質(zhì)量下降時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)會(huì)提高發(fā)射功率，來提高鏈路質(zhì)量。但發(fā)射功率越高，對(duì)其他通信鏈路的形成干擾，因此，發(fā)射功率需控制在Pmax以下。

3.1.2 能量限制

當(dāng)D2D節(jié)點(diǎn)的能量小于某個(gè)臨界值的時(shí)候，該節(jié)點(diǎn)不能作為中繼節(jié)點(diǎn)；當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)的能量低于該值的時(shí)候，應(yīng)向基站發(fā)送信息請(qǐng)求重新選取中繼節(jié)點(diǎn)。

3.1.3 距離限制

在不引入中繼的情況下，節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行D2D通信的充分條件就是，距離必須小于某值。在引入中繼記住的D2D混合網(wǎng)絡(luò)中，為了保證通信的質(zhì)量，在選取中繼節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，也必須在一定的范圍內(nèi)。

3.1.4 鏈路可靠性限制

D2D節(jié)點(diǎn)間的通過中繼通信時(shí)，其路勁損耗必須小于某個(gè)門限值。否則接收端收到的信號(hào)是不能滿足通信要求的。

3.2 D2D中繼選擇流程

D2D混合網(wǎng)絡(luò)中繼通信的建立，是在基站的協(xié)助下，為了改善節(jié)點(diǎn)的通信質(zhì)量而建立的?；就ㄟ^節(jié)點(diǎn)上報(bào)的CQI掌握各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信道質(zhì)量[3]，當(dāng)某信道質(zhì)量不滿足要求時(shí)，基站根據(jù)空閑節(jié)點(diǎn)的距離、能量等因素啟動(dòng)D2D中繼。具體流程如圖2所示。

圖2：D2D混合網(wǎng)絡(luò)中繼選擇流程圖

仿真結(jié)果表明，加入中繼機(jī)制后的，鏈路質(zhì)量明顯提高，蜂窩模式的用戶減少，D2D模式的用戶增加，從而減少了基站的負(fù)荷，提高了系統(tǒng)容量。

4 結(jié)語

隨著多媒體業(yè)務(wù)需求的急劇增長，頻譜資源短缺現(xiàn)象日趨明顯。因此， D2D混合網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用將是未來的發(fā)展趨勢，而高效的中繼選擇算法對(duì)混合網(wǎng)絡(luò)中頻譜資源的利用和鏈路質(zhì)量的保證起著重要作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] Laneman J N， Wornell G W. Distributed space-time-coded protocols for exploiting cooperative diversity in wireless networks[J]. IEEE Transactions on Information Theory 2003， 49（10）： 2415-2425.

[2] Bletsas A， Khisti A， Reed D P， et al. A simple cooperative diversity method based on network path selection[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 2006， 24（3）： 659-672.

[3] 顧聞 基于D2D的中繼選擇算法研究[D].南京：南京郵電大學(xué)，2013.