面向D2D通信網(wǎng)絡(luò)的沖突改錯(cuò)跨層自適應(yīng)機(jī)制* 1

趙　漢，葛萬(wàn)成

(同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

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面向D2D通信網(wǎng)絡(luò)的沖突改錯(cuò)跨層自適應(yīng)機(jī)制* 1

趙漢，葛萬(wàn)成

(同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

摘要：針對(duì)D2D通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性問(wèn)題，提出了一種沖突改錯(cuò)的跨物理層PHY和數(shù)據(jù)鏈路層MAC自適應(yīng)機(jī)制，該機(jī)制的主要思想是，在傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了MRH，CRH，PPS，CE/CC決策和自適應(yīng)調(diào)制/解調(diào)等模塊，實(shí)現(xiàn)了D2D通信的自適應(yīng)跨層傳輸；通過(guò)緩存的數(shù)據(jù)包及重傳信息，利用沖突改錯(cuò)算法，在減少數(shù)據(jù)包重傳次數(shù)的前提下提高D2D通信的可靠性。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的沖突改錯(cuò)算法尤其在信道質(zhì)量差、重傳次數(shù)較高的條件下可提高D2D通信安全消息數(shù)據(jù)包成功率、減少誤比特率，從而提高D2D通信連接的可靠性。

關(guān)鍵詞：D2D通信;沖突改錯(cuò);跨層設(shè)計(jì);自適應(yīng)調(diào)制

0引言

在傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)中，各個(gè)子載波上使用相同的功率分配方式和調(diào)制方式，這種方法容易實(shí)現(xiàn)，但是信道的頻譜資源沒(méi)有得到充分的利用，尤其是當(dāng)各個(gè)子載波所處的信道條件不一樣時(shí)，采用固定調(diào)制方式和固定發(fā)送功率的在載波會(huì)產(chǎn)生一定的信息量浪費(fèi)和誤比特率，減少了通信的可靠性。隨著科技網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，D2D通信[1]作為 5G 通信[2]的關(guān)鍵技術(shù)，彌補(bǔ)了專(zhuān)用短程通信DSRC(Dedicated Short Range Communication)通信中傳輸距離受限和安全消息可靠性低等缺陷。在DSRC中，車(chē)輛具有主動(dòng)安全的應(yīng)用，這些主動(dòng)安全的應(yīng)用需要周期性廣播車(chē)輛的心跳信息。車(chē)輛的心跳信息提供了非常重要的信息，如位置、方向、速度以及車(chē)輛的安全消息和緊急消息，如安全氣囊的部署、事故報(bào)告等，從而保證了駕駛員在開(kāi)車(chē)過(guò)程中對(duì)緊急事件的及時(shí)反映。D2D通信技術(shù)作為DSRC的一種擴(kuò)展，同時(shí)也有安全消息的傳輸。安全消息的可靠傳輸，能夠保證車(chē)輛主動(dòng)安全應(yīng)用的有效性，所以在D2D通信中，安全消息的可靠性傳輸是非常重要的。而跨層自適應(yīng)設(shè)計(jì)技術(shù)作為一種提高安全消息可靠性傳輸?shù)膭?chuàng)新技術(shù)，既不會(huì)造成信道質(zhì)量好的頻帶利用率的浪費(fèi)，又能彌補(bǔ)信道質(zhì)量差的影響，能夠在保證系統(tǒng)可靠性的前提下提高系統(tǒng)的頻譜效率，這對(duì)于網(wǎng)絡(luò)通信具有非常重要的意義。

1PHY和MAC跨層自適應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1D2D通信跨PHY層和MAC層自適應(yīng)系統(tǒng)

基于OFDM[3]的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)模型，提出本文設(shè)計(jì)的D2D跨PHY層和 MAC層自適應(yīng)系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)中D2D發(fā)送節(jié)點(diǎn)采用OFDM系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)[4]。D2D發(fā)送節(jié)點(diǎn)首先獲取各個(gè)子載波的信道參數(shù)，由接收端進(jìn)行信道估計(jì)，并通過(guò)反饋信道發(fā)送給發(fā)送端，或者在時(shí)分復(fù)用的方式下，根據(jù)信道的互易性來(lái)獲得信道參數(shù)。然后，發(fā)送端根據(jù)一定的算法確定各個(gè)子載波的調(diào)制方式，再進(jìn)行快速傅里葉反變換、并串轉(zhuǎn)換和添加循環(huán)前綴。同時(shí)各子載波的調(diào)制方式也作為信息發(fā)送給D2D接收端。D2D接收節(jié)點(diǎn)在傳統(tǒng)的OFDM PHY層和MAC層[5-7]都增加了相應(yīng)的模塊，物理層增加和改變的模塊為接收包緩存CRP(Cache of Received Packets)，信道估計(jì)沖突改錯(cuò)決策CE/CC Decision(Channel Estimator Collision Correction Decision)，自適應(yīng)解調(diào)，自適應(yīng)解碼。MAC層增加的模塊為介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制重傳歷史MRH(Media Access Control Repetition History)，前數(shù)據(jù)包選擇器PPS(Previous Packet Selector)，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　D2D通信跨PHY層和MAC層自適應(yīng)結(jié)構(gòu)

1.2應(yīng)用場(chǎng)景模型

本文的跨層設(shè)計(jì)自適應(yīng)系統(tǒng)是能夠根據(jù)不同的信道條件選擇相應(yīng)的調(diào)制方式，并當(dāng)D2D的安全消息在發(fā)生沖突的時(shí)候，能夠在一個(gè)沖突消息已經(jīng)傳輸過(guò)一次的前提下恢復(fù)出在沖突中損壞的數(shù)據(jù)包。場(chǎng)景模型如圖2所示，D2D 節(jié)點(diǎn)A已經(jīng)在上一個(gè)時(shí)隙給D2D節(jié)點(diǎn)B傳輸了一個(gè)數(shù)據(jù)包，在下一個(gè)時(shí)隙，假設(shè)D2D節(jié)點(diǎn)A和C同時(shí)給B發(fā)送數(shù)據(jù)包，此時(shí)數(shù)據(jù)包發(fā)送沖撞，B收到A和C沖突后的數(shù)據(jù)包。

圖2　D2D安全消息沖突場(chǎng)景模型

場(chǎng)景1：一個(gè)時(shí)隙一個(gè)傳輸，無(wú)沖突發(fā)生。

場(chǎng)景2：有過(guò)去時(shí)隙的信息，有沖突發(fā)生。

場(chǎng)景3：無(wú)過(guò)去時(shí)隙信息，有沖突發(fā)生。

圖3為D2D節(jié)點(diǎn)處理安全消息沖突的三個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景的示例圖，該示例圖清晰明了的表明了三個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景的關(guān)系以及D2D節(jié)點(diǎn)MAC層和PHY層進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)信道估計(jì)信道均衡和沖突改錯(cuò)的機(jī)制。最重要的應(yīng)用場(chǎng)景是場(chǎng)景1和場(chǎng)景2，場(chǎng)景1存儲(chǔ)相關(guān)信息用于場(chǎng)景2的沖突改錯(cuò)，而場(chǎng)景3可以轉(zhuǎn)化為場(chǎng)景1。

圖3　示例圖

1.3沖突改錯(cuò)算法描述

如圖2場(chǎng)景模型所示，假設(shè)D2D節(jié)點(diǎn)B接收到的數(shù)據(jù)包為Y，分別從節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)C接收到的數(shù)據(jù)包為Y1和Y2，則有：

Y=Y1+Y2?X1H1+W1+X2H2+W2

(1)

在式(1)中，X1表示D2D節(jié)點(diǎn)A發(fā)送的數(shù)據(jù)包，X2表示D2D節(jié)點(diǎn)C發(fā)送的數(shù)據(jù)包，假定X2為沖突中需要恢復(fù)的數(shù)據(jù)包，X1、H1已經(jīng)在D2D節(jié)點(diǎn)B中的CRP有相應(yīng)的存儲(chǔ)信息。由于D2D節(jié)點(diǎn)A和C同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)包，造成數(shù)據(jù)包在D2D節(jié)點(diǎn)B的MAC層發(fā)生沖突。沖突改錯(cuò)算法具體描述如下：

步驟一：由式(1)可知，當(dāng)忽略高斯白噪聲的影響時(shí)，將式(1)可以簡(jiǎn)化為：

Y=Y1+Y2?X1H1+X2H2

(2)

步驟二：由式(3)計(jì)算得出H2。

(3)

步驟三：將計(jì)算出的H2帶入下式 (4)，即可恢復(fù)出X2，

(4)

2仿真結(jié)果及分析

基于前面提出的D2D通信安全消息沖突改錯(cuò)算法和圖2的應(yīng)用場(chǎng)景模型，利用Matlab工具對(duì)D2D通信跨PHY層和MAC層自適應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行一定程度的仿真。

如圖4所示進(jìn)行仿真參數(shù)的設(shè)置，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為200 Bytes，SNR為8 dB，頻差為1 400 Hz，數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)為6，最大重傳次數(shù)為3，D2D結(jié)點(diǎn)數(shù)為3，圖形用戶(hù)界面(GUI,Graphical User Interface)仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4　GUI仿真參數(shù)設(shè)置

圖5　GUI仿真結(jié)果顯示

由圖4可知，這樣的仿真結(jié)果雖然有清晰友好的仿真參數(shù)設(shè)置界面，但是參數(shù)設(shè)置只能設(shè)定為定值，仿真結(jié)果具有單一性，不具有統(tǒng)計(jì)性和對(duì)比性。故通過(guò)調(diào)用runsim.m等函數(shù)接口，并對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和Matlab編程，取得需要的仿真結(jié)果，并讓仿真結(jié)果以曲線(xiàn)的形式顯示出來(lái)。在進(jìn)一步的優(yōu)化仿真中，相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：D2D節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸速率19.2 Mb/s；最大傳輸距離200 m；最小傳輸距離1 m。

以下仿真結(jié)果中Node表示D2D節(jié)點(diǎn)數(shù)，Rep表示重傳次數(shù)，Probability of Success表示D2D通信安全消息正確接收的概率，Offered Load表示D2D節(jié)點(diǎn)的輸入數(shù)據(jù)負(fù)載，即數(shù)據(jù)包的到達(dá)率，Average Throughput表示D2D節(jié)點(diǎn)的平均吞吐量，SNR即信噪比，ARQ-CLA表示采用跨層自適應(yīng)技術(shù)(CLA,Cross-Layer self-Adaption)的自動(dòng)重傳請(qǐng)求(ARQ, Automatic Repeat reQuest)協(xié)議，Number of Transmission即最大重傳次數(shù)。

圖6為D2D安全消息正確接收概率與D2D節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)負(fù)載的仿真結(jié)果。由圖可知，隨著數(shù)據(jù)負(fù)載的增加，數(shù)據(jù)包成功率減少。三條曲線(xiàn)分別表示了D2D節(jié)點(diǎn)數(shù)為2、3和5時(shí)的情況，從圖中可以進(jìn)一步得知，在相同數(shù)據(jù)負(fù)載的情況下，D2D節(jié)點(diǎn)數(shù)量越少，數(shù)據(jù)包正確接收的概率越大。

圖6　數(shù)據(jù)包成功率與數(shù)據(jù)負(fù)載關(guān)系

圖7所示為D2D平均吞吐量與節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)負(fù)載的仿真結(jié)果。由圖可知，隨著數(shù)據(jù)負(fù)載的增加，D2D節(jié)點(diǎn)的平均吞吐量先增加，然后變平坦，最后有小幅度的減少。具體的Node=2, Rep=3時(shí)，當(dāng)數(shù)據(jù)負(fù)載為6.776 Mb/s時(shí)，隨著數(shù)據(jù)負(fù)載的增加，吞吐量保持不變，并有一定程度的減少，這表示了D2D節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)的能力。

圖7　平均吞吐量與數(shù)據(jù)負(fù)載關(guān)系

圖8表明，當(dāng)信噪比從5 dB不斷增加時(shí)，數(shù)據(jù)包成功的概率也從0.94不斷增加，并無(wú)限的接近概率1。4組曲線(xiàn)兩兩對(duì)比，表示了重傳次數(shù)不同、ARQ協(xié)議是否采用CLA情況下的關(guān)系圖。由圖中可知，采用CLA的ARQ協(xié)議比ARQ協(xié)議有明顯的效果，當(dāng)SNR越小，效果越明顯，SNR約為8 dB時(shí)，可以提高0.01的可靠性；相同MAC協(xié)議，Rep=5比Rep=3時(shí)的效果好。5G通信要求通信連接的可靠性為99.999%，ARQ-CLA實(shí)現(xiàn)了SNR為5 dB時(shí)可靠性為99.92%，且隨著SNR的增加，數(shù)據(jù)包成功率可以實(shí)現(xiàn)一定程度的提高。

圖8　數(shù)據(jù)包成功率與信噪比關(guān)系

圖9為數(shù)據(jù)包正確率與最大重傳次數(shù)的關(guān)系圖。由圖可知，隨著重傳次數(shù)的增加，數(shù)據(jù)包成功率不斷增加，并趨近于一個(gè)定值。當(dāng)重傳次數(shù)為5時(shí)，D2D節(jié)點(diǎn)數(shù)為3、采用ARQ協(xié)議的數(shù)據(jù)包成功接收的概率為0.971 7，此時(shí)隨著重傳次數(shù)的增加，數(shù)據(jù)包成功接收的概率保持不變；而同樣的條件，采用ARQ-CLA的數(shù)據(jù)包成功接收概率提高0.025 8，且隨著重傳次數(shù)的增加，數(shù)據(jù)包成功接收概率不斷增大，只是由于考慮到實(shí)際的通信系統(tǒng)重傳次數(shù)的限制，仿真中最大重傳次數(shù)取值范圍較窄，效果不是很明顯。

圖9　數(shù)據(jù)包成功率與最大重傳次數(shù)關(guān)系

3結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種D2D通信跨PHY和MAC層自適應(yīng)系統(tǒng)，并基于此自適應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種針對(duì)D2D通信安全消息的CC算法。該自適應(yīng)系統(tǒng)在傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了MRH, CRP, PPS, CE/CC決策和自適應(yīng)調(diào)制/解調(diào)等模塊，通過(guò)緩存的數(shù)據(jù)包及重傳信息，利用沖突改錯(cuò)算法，在減少數(shù)據(jù)包重傳次數(shù)的前提下提高D2D通信的可靠性。仿真結(jié)果表明，該跨層自適應(yīng)系統(tǒng)和沖突改錯(cuò)算法在當(dāng)SNR不低于5 dB時(shí)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包成功率高于99.92%，在重傳次數(shù)和D2D節(jié)點(diǎn)數(shù)相同時(shí)，可以提高數(shù)據(jù)包成功率2.58%，具有提高D2D通信連接可靠性的優(yōu)勢(shì)。由于受到Matlab仿真精度的限制以及仿真參數(shù)設(shè)置的簡(jiǎn)化，距離5G可靠性目標(biāo)還差一個(gè)有效數(shù)字，因此實(shí)現(xiàn)低信噪比下的5G可靠性達(dá)到99.999%的目標(biāo)還需更深層次的研究。

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D2D Communication Network-Oriented Collision Correction and Cross-Layer Adaptive Mechanism

ZHAO Han,GE Wan-cheng

(Tongji University, Shanghai 200092,China)

Abstract：For D2D communication network reliability, a collision correction adaptive mechanism across PHY and MAC is proposed. The main idea of this mechanism is to build up the MRH, CRH, PPS, CE/CC decision and adaptive modulation/demodulation module in the traditional OFDM system and realize the adaptive cross-layer transmission of D2D communication; by caching packets and repetition and using collision correction algorithm, the reliability of D2D communication can be improved on the premise of reducing repetition times. The simulation results show that the proposed collision correction algorithm could, particularly in the poor channel quality and high repetition, improve the success rate of safe packets and reduce the BER (Bit Error Rate) in D2D communication, thus to raise the reliability of D2D communication connection.

Key words：D2D communication;collision correction;cross-layer design;adaptive modulation

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.05.018

* 收稿日期：2015-12-16；修回日期：2016-03-28Received date:2015-12-16；Revised date：2016-03-28

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-0802(2016)05-0603-05

作者簡(jiǎn)介：

趙漢(1992—)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娮优c通信工程;

葛萬(wàn)成(1964—)，男，博士，教授，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。