基于D2D通信系統(tǒng)中的一種跨層中繼選擇算法

郝　斌,王瑞山,徐鵬飛

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,甘肅 蘭州　730070)

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基于D2D通信系統(tǒng)中的一種跨層中繼選擇算法

郝斌,王瑞山,徐鵬飛

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,甘肅 蘭州730070)

摘要在D2D通信系統(tǒng)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存的場(chǎng)景下,引入中繼節(jié)點(diǎn)可有效提高D2D鏈路的吞吐量和D2D用戶(hù)對(duì)蜂窩用戶(hù)的干擾。文中基于譯碼轉(zhuǎn)發(fā)模式,結(jié)合跨層協(xié)作通信的思想,提出了一種基于物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的跨層中繼選擇算法。該算法結(jié)合物理層的信道狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)鏈路層的隊(duì)列狀態(tài)信息,兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)的選擇。并最終通過(guò)仿真驗(yàn)證表明,基于跨層中繼選擇算法可提高通信系統(tǒng)的吞吐量,同時(shí)降低了通信系統(tǒng)的平均時(shí)延和數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率。

關(guān)鍵詞D2D通信;跨層;中繼選擇;信道狀態(tài)信息;隊(duì)列狀態(tài)信息

近年來(lái),蜂窩網(wǎng)絡(luò)控制下的D2D(Device-to-Device)通信作為一種新型近距離終端直接通信的技術(shù),以其高頻譜效率、高吞吐量、低延時(shí)、高能量效率等特點(diǎn),受到業(yè)界的廣泛關(guān)注[1-3]。而在D2D通信中,由于D2D用戶(hù)通過(guò)復(fù)用蜂窩用戶(hù)的資源來(lái)進(jìn)行通信,因此D2D通信鏈路與蜂窩用戶(hù)通信之間的干擾控制成了不可避免的問(wèn)題。目前關(guān)于這方面的研究,已有諸多文章通過(guò)提出不同的資源管理和分配方案來(lái)控制干擾。如文獻(xiàn)[4]的作者主要研究了在蜂窩小區(qū)系統(tǒng)模式下,D2D 用戶(hù)通信和蜂窩用戶(hù)通信的資源共享問(wèn)題,最終提出一種基于信噪比均衡的資源分配算法[4]。文獻(xiàn)[5]的作者通過(guò)分析D2D用戶(hù)和蜂窩用戶(hù)復(fù)用資源而產(chǎn)生的干擾問(wèn)題,依據(jù)圖論中的KM最優(yōu)匹配算法而提出一種資源分配算法[5]。

而通過(guò)在D2D用戶(hù)通信中引入中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作通信,可以有效的減小D2D通信用戶(hù)發(fā)射功率,因此引入中繼協(xié)作成為了解決D2D通信與蜂窩用戶(hù)通信干擾問(wèn)題的另一種有效方法[6]。而在協(xié)作通信中,中繼節(jié)點(diǎn)是其關(guān)鍵的一部分,中繼節(jié)點(diǎn)的選擇是否最優(yōu)直接影響整個(gè)通信系統(tǒng)的傳輸性能。因此關(guān)于D2D通信中中繼選擇的算法,目前有許多文章提出了多樣的中繼選擇協(xié)議[7-10]。文獻(xiàn)[7]的作者通過(guò)提出一種雙向中繼協(xié)助的D2D通信方案,并提出了相對(duì)應(yīng)的最優(yōu)中繼選擇及功率分配算法,該算法能在滿(mǎn)足蜂窩用戶(hù)通信的前提下,使D2D鏈路的吞吐量最大化[7]。文獻(xiàn)[8]的作者提出了一種分布式的中繼選擇算法[8]。文獻(xiàn)[9]的作者提出了一種基于MAC層和物理層的跨層中繼選擇的實(shí)現(xiàn)方案,該方案可獲得更優(yōu)的系統(tǒng)中斷概率性能[9]。

本文主要研究了中繼節(jié)點(diǎn)輔助的D2D通信系統(tǒng)中的中繼節(jié)點(diǎn)選擇問(wèn)題,提出了一種跨層中繼選擇算法。算法主要通過(guò)聯(lián)合考慮物理層的CSI和數(shù)據(jù)鏈路層的QSI而選擇出最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文提出的跨層中繼選擇算法,不僅可有效滿(mǎn)足D2D 用戶(hù)的多樣化QoS需求,且還提高了系統(tǒng)的吞吐量,降低了系統(tǒng)通信鏈路的平均傳輸時(shí)延和數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率,能獲得較為理想的系統(tǒng)性能增益。

1系統(tǒng)模型與問(wèn)題描述

首先,考慮一個(gè)如圖1所示的單個(gè)蜂窩小區(qū)干擾場(chǎng)景,其中包括基站BS,位于小區(qū)中心,其小區(qū)半徑為R,M個(gè)蜂窩用戶(hù)CUE(即c1,c2,…,cM),n個(gè)空閑的用戶(hù)設(shè)備作為可選中繼R(即R1,R2,…,Rn),和一對(duì)D2D用戶(hù)(即D2D用戶(hù)的源節(jié)點(diǎn)s,D2D用戶(hù)的目的節(jié)點(diǎn)D)。文中假設(shè)這M個(gè)蜂窩用戶(hù)分別通過(guò)M個(gè)不同的蜂窩信道與基站進(jìn)行通信,且其每個(gè)信道可被一對(duì)D2D用戶(hù)所復(fù)用。因此,只有在這種資源的復(fù)用所產(chǎn)生的干擾不會(huì)導(dǎo)致蜂窩用戶(hù)通信鏈路的中斷前提下,D2D用戶(hù)之間才能建立通信。

圖1　基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的D2D通信系統(tǒng)模型圖

如圖2所示,假設(shè)D2D用戶(hù)復(fù)用蜂窩用戶(hù)c1的信道,而關(guān)于中繼選擇最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)RI,I=1,2,…,n,則在第一階段,D2D用戶(hù)的源節(jié)點(diǎn)s廣播信息到中繼節(jié)點(diǎn)RI和D2D目的節(jié)點(diǎn)D,假設(shè)yRI和yD分別表示中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的接收信號(hào),則

(1)

(2)

在第二階段,中繼節(jié)點(diǎn)Ri將會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)信息給目的節(jié)點(diǎn)D,而yRiD則表示目的節(jié)點(diǎn)D所接收到信號(hào)

(3)

其中,Ps和PRi分別是D2D用戶(hù)源節(jié)點(diǎn)S和中繼節(jié)點(diǎn)Ri的發(fā)射功率;xs和xRi分別是D2D用戶(hù)源節(jié)點(diǎn)S和中繼節(jié)點(diǎn)Ri發(fā)送的信息符號(hào);IRi和ID分別是中繼節(jié)點(diǎn)Ri和D2D用戶(hù)目的節(jié)點(diǎn)D和受到蜂窩用戶(hù)的干擾噪聲;ηRi和ηD為加性高斯白噪聲;hxy和dxy分別為鏈路x-y的信道系數(shù)和節(jié)點(diǎn)x到節(jié)點(diǎn)y的距離;α為路徑損耗系數(shù)。由于中繼節(jié)點(diǎn)采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)協(xié)議,則最終D2D用戶(hù)的目的節(jié)點(diǎn)D接收信號(hào)y為

(4)

假設(shè)γSRi和γRiD分別是中繼節(jié)點(diǎn)Ri和D2D用戶(hù)目的節(jié)點(diǎn)D的信噪比(SINR),則

(5)

(6)

為簡(jiǎn)化分析,令通信系統(tǒng)中的信道系數(shù)為固定值1,則式(5)和式(6)可簡(jiǎn)化為

(7)

(8)

因此,在中繼節(jié)點(diǎn)Ri和D2D用戶(hù)目的節(jié)點(diǎn)D所獲得信息速率為

CSRi=log2(1+γSRi)

(9)

CRiD=log2(1+γRiD)

(10)

2跨層中繼選擇算法

本文通過(guò)結(jié)合物理層的CSI和數(shù)據(jù)鏈路層的QSI提出一種跨層中繼選擇算法。這個(gè)算法可滿(mǎn)足D2D用戶(hù)針對(duì)不同應(yīng)用而產(chǎn)生的多樣性服務(wù)質(zhì)量(QoS)的要求。若文中僅通過(guò)物理層的CSI選擇最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn),即可通過(guò)上述第一部分的推導(dǎo)可得出,選擇其最大傳輸數(shù)據(jù)速率的中繼節(jié)點(diǎn)即作為最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn);而在選擇中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)要考慮用戶(hù)的多樣化QoS要求,所以數(shù)據(jù)鏈路層的隊(duì)列狀態(tài)信息在選擇最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)成為另一重要參數(shù)。本文假設(shè)所有中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理能力相同,則數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延主要決定于在中繼節(jié)點(diǎn)的緩沖區(qū)中等待時(shí)間。因此,當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)一個(gè)緩沖區(qū)已滿(mǎn)的中繼時(shí),此數(shù)據(jù)包將被丟棄,即出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。

在中繼輔助的D2D通信系統(tǒng)中,源節(jié)點(diǎn)s到目的節(jié)點(diǎn)D的傳輸路徑上的所有數(shù)據(jù)包可以用數(shù)組L表示,即L={LSR1,LSR2,…,LSRn,LR1D,LR2D…LRnD};同樣其傳輸速率可用數(shù)組c表示,即c={cSR1,cSR2,…,cSRn,cR1D,cR2D…cRnD}。在數(shù)組c中,假設(shè)數(shù)據(jù)包以最大傳輸速率cSRI到達(dá)中繼節(jié)點(diǎn)RI,此時(shí)中繼節(jié)點(diǎn)RI內(nèi)緩沖隊(duì)列已達(dá)到最大緩沖長(zhǎng)度,則在下一時(shí)隙,若選擇作為中繼節(jié)點(diǎn),由于緩沖區(qū)隊(duì)列溢出,其源節(jié)點(diǎn)s發(fā)送的數(shù)據(jù)包將被遺失,即出現(xiàn)丟包。同樣,若中繼節(jié)點(diǎn)的緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)隊(duì)列為空,而此時(shí)中繼節(jié)點(diǎn)繼續(xù)以最大傳輸速率cRID向目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù),則此時(shí)隙的資源將被浪費(fèi)。

針對(duì)上述缺點(diǎn),本文結(jié)合物理層的CSI和數(shù)據(jù)鏈路層的QSI提出一種跨層中繼選擇算法。通過(guò)物理層的CSI可以選擇出最大可獲得的傳輸速率。根據(jù)數(shù)據(jù)鏈路層的QSI,可以通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路層的緩沖區(qū)滿(mǎn)足個(gè)人QoS需求。在算法中提出兩個(gè)基本原則:(1)即當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)RI內(nèi)緩沖隊(duì)列已達(dá)到最大緩沖長(zhǎng)度時(shí),源節(jié)點(diǎn)s不再向中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)信息。(2)即中繼節(jié)點(diǎn)RI的緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)隊(duì)列為空時(shí),中繼節(jié)點(diǎn)RI停止向目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

對(duì)于每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)RI,為滿(mǎn)足上述兩個(gè)原則,定義變量qI作為QoS參數(shù),用來(lái)表示中繼節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列狀態(tài)信息,則

(11)

式(11)中,Qi是中繼節(jié)點(diǎn)Ri的緩沖區(qū)的總?cè)萘?li指當(dāng)前緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)大小,近似等于等待處理的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù);T是每個(gè)數(shù)據(jù)包處理所需的時(shí)間;α(li)的數(shù)值定義如下

(12)

(13)

(1)首先判斷D2D通信時(shí)是否需要中繼節(jié)點(diǎn),即源節(jié)點(diǎn)S向所有中繼節(jié)點(diǎn)R和目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送RTS的數(shù)據(jù)信息,中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)收到RTS后,會(huì)發(fā)送反饋信號(hào)給源節(jié)點(diǎn)S,由于信道對(duì)稱(chēng),源節(jié)點(diǎn)S通過(guò)反饋信息獲得每個(gè)鏈路的CSI。若獲得的s-D鏈路的CSI優(yōu)于在滿(mǎn)足蜂窩用戶(hù)與基站通信的干擾門(mén)限,則源節(jié)點(diǎn)S與目的節(jié)點(diǎn)D可直接建立D2D通信,無(wú)需通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)。如果不滿(mǎn)足,則需選擇中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作通信;

(3)源節(jié)點(diǎn)S和中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送優(yōu)先級(jí)的定義,若中繼節(jié)點(diǎn)Ri的最大傳輸速率是CSRi,則在下一個(gè)時(shí)隙,源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送新的數(shù)據(jù)包到中繼節(jié)點(diǎn)。否則,選擇的中繼節(jié)點(diǎn)Ri發(fā)送其緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)包到目的節(jié)點(diǎn)。

3仿真與分析

仿真驗(yàn)證和分析本文所提出的跨層中繼選擇算法的性能,主要通過(guò)系統(tǒng)的吞吐量、平均傳輸時(shí)延和丟包率3個(gè)參數(shù),對(duì)比分析3種中繼選擇算法的性能。算法1,隨機(jī)中繼選擇算法(RRS),即最簡(jiǎn)單的中繼選擇,不受SINR的約束,隨機(jī)選擇任意中繼節(jié)點(diǎn)作為最優(yōu)中繼進(jìn)行傳輸;算法2,基于CSI中繼選擇算法,即僅通過(guò)信道狀態(tài)信息(CSI)選擇傳輸速率最大的中繼節(jié)點(diǎn)作為最優(yōu)中繼進(jìn)行傳輸;算法3,即本文提出的算法。仿真系統(tǒng)模型如圖1所示,采用QPSK調(diào)制方式,并且假設(shè)3種算法仿真環(huán)境中的信道條件相同,詳細(xì)仿真參數(shù)如表1所示。

表1　仿真參數(shù)

如圖2所示,根據(jù)仿真模型,分別對(duì)3種算法基于不同SINR下的系統(tǒng)吞吐量進(jìn)行對(duì)比,可看出,隨機(jī)中繼選擇算法的吞吐量性能表現(xiàn)最差,而本文提出的中繼選擇算法對(duì)于系統(tǒng)吞吐量的提升最明顯。

圖2　3種中繼選擇算法下的系統(tǒng)吞吐量對(duì)比

如圖3所示,對(duì)于3種中繼選擇算法下的系統(tǒng)平均傳輸時(shí)延的對(duì)比,可從圖中看出當(dāng)信道質(zhì)量較差時(shí),其本文提出的中繼選擇算法與基于CSI中繼選擇算法的系統(tǒng)平均傳輸時(shí)延比較接近,隨著信道質(zhì)量提升,隨機(jī)中繼選擇算法的系統(tǒng)平均傳輸時(shí)延急劇下降,而本文提出的中繼選擇算法也獲得更小的傳輸時(shí)延。

如圖4所示,對(duì)于3種中繼選擇算法下的D2D通信鏈路數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率進(jìn)行對(duì)比,從圖中看出,本文提出的中繼選擇算法相比其他兩種中繼選擇算法的通信鏈路數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率更低。

圖3　3種中繼選擇算法下的系統(tǒng)平均傳輸時(shí)延對(duì)比

圖4　3種中繼選擇算法下的系統(tǒng)數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率對(duì)比

4結(jié)束語(yǔ)

基于D2D通信系統(tǒng)中,本文提出了一種跨層中繼選擇算法,算法中同時(shí)考慮物理層的CSI和數(shù)據(jù)鏈路層的QSI兩個(gè)參數(shù),結(jié)合兩個(gè)參數(shù)比較選擇最優(yōu)的中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)。理論分析討論了本文算法的可行性,通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真證明,所提出的中繼選擇算法不僅可有效滿(mǎn)足D2D 用戶(hù)的多樣化QoS需求,而且還提高了系統(tǒng)的吞吐量,降低了系統(tǒng)通信鏈路的平均傳輸時(shí)延和數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率,能夠獲得較為理想的系統(tǒng)性能增益。但本文算法中沒(méi)有考慮系統(tǒng)功率分配因素,因此在日后的研究工作中,將研究如何通過(guò)功率分配提高D2D通信的系統(tǒng)性能。

參考文獻(xiàn)

[1]焦巖,高月紅,楊鴻文,等.D2D技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化,2014(6):83-87.

[2]王俊義,鞏志帥,符杰林,等.D2D通信技術(shù)綜述[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2014,34(2):114-119.

[3]王彬,陳力,張欣,等.在LTE-Advanced網(wǎng)絡(luò)下的Device-to-Device 通信[J].現(xiàn)代電信科技,2010(7):24-27.

[4]郜偉偉,易輝躍,胡艷軍,等.D2D 通信中基于信噪比均衡的資源分配算法[J].計(jì)算機(jī)工程,2010,38(10):5-8.

[5]黃俊偉,劉曉江.基于Kuhn-munkres 最優(yōu)匹配的D2D資源分配算法設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2015,32(3):827-829.

[6]Xiaoyue Zhu,Si Wen,Chenwei Wang,et al.A cross-layer study:information correlation based scheduling scheme for device-to-device radio underlaying cellular networks[C].Jounieh:19th International Conference on Telecommunications,2012.

[7]李方建.D2D通信系統(tǒng)中的最優(yōu)中繼選擇及功率分配策略研究[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2014,26(5):605-610.

[8]Xiran Ma,Rui Yin,Guanding Yu,et al.A distributed relay selection method for relay assisted device-to-device communication system[J].IEEE Personal,Indoor and Mobile Radio Communications,2012(11):1020-1024.

[9]尹露娟,陳智雄,苑津莎.基于譯碼前傳的跨層中繼選擇策略研究[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2010,37(3):97-102.

[10]Daquan Feng,Lu Lu,Yi Yuanwu,et al.Device-to-device communications underlaying cellular networks[J].IEEE Transactions on Communications,2013,61(8):3541-3551.

A Cross-Layer Relay Selection Algorithm for D2D Communication System

HAO Bin,WANG Ruishan,XU Pengfei

(School of Electronic & Information Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

AbstractThe introduction of relay nodes can effectively improve the D2D link throughput and D2D user interference where the D2D communication system and the cellular network coexist.We present a cross layer relay selection algorithm which combines the physical layer and data link layer,and a program of relay selection by cross-layer based on Decode and Forward model is proposed.The algorithm selects the optimal relay node through analysis of the channel state information at the physical layer and queue state information at the data link layer.Simulation results show that the proposed cross-layer relay selection algorithm improves the throughput of the communication system and reduces the average transmission delay and packet error probability.

KeywordsD2D communication;cross-layer;relay selection;channel state information;queue state information

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.031

收稿日期:2015-08-31

作者簡(jiǎn)介:郝斌(1990—),男,碩士研究生。研究方向:無(wú)線通信。

中圖分類(lèi)號(hào)TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)05-117-04