5G 網(wǎng)絡(luò)中高性能的D2D 輔助中繼技術(shù)研究

郭旭靜，陳 虎

（1.湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息通信學(xué)院，湖南 長沙 410015；2.中國聯(lián)通集團(tuán)總部 企業(yè)服務(wù)部、福建聯(lián)通云網(wǎng)BG 云網(wǎng)BU 云接入網(wǎng)格（兼），北京 100033）

隨著第五代移動(dòng)通信技術(shù)（Fifth-Generration，5G）的全面普及以及移動(dòng)無線通信的數(shù)據(jù)流量不斷增加，蜂窩網(wǎng)絡(luò)將迎來巨大的壓力。在頻譜資源稀缺的環(huán)境下，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將會(huì)存在非常大的問題。與此同時(shí)，如何降低設(shè)備的能耗以解決智能終端設(shè)備電池容量受限也是一個(gè)急需解決的問題［1-3］。新型的異構(gòu)移動(dòng)通信技術(shù)成為當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)通信領(lǐng)域?qū)W者研究的重點(diǎn)，設(shè)備到設(shè)備（Device to Device，D2D）通信技術(shù)是最具代表性的一種。其能滿足短距離用戶在不需要使用基站的前提下直接完成通信，具備資源利用率高、設(shè)備能耗低、網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)少等特點(diǎn)，能夠大幅度地提升網(wǎng)絡(luò)性能［4-5］。D2D 通信的應(yīng)用分為兩種類型，D2D 接收端和發(fā)送端的通信及D2D 作為中繼完成輔助數(shù)據(jù)傳輸，即D2D 輔助中繼技術(shù)，它被應(yīng)用于智能終端設(shè)備能夠大幅度地提升網(wǎng)絡(luò)性能，成本較低且分布簡單。有研究指出，將基站中的非連續(xù)接收（Discontinuous Reception，DRX）引入到D2D的Sidelink 中能降低用戶設(shè)備（User Equipment，UE）的能耗。但目前DRX 配置參數(shù)、控制機(jī)理等仍然存在較大的爭議。研究提出高能效的D2D直通鏈路非連續(xù)性接收（Sidelink Discontinuous Reception，SL-DRX）方案，旨在為降低通信資源的能耗提供建設(shè)性的建議。

1 高能效的SL-DRX 方案構(gòu)建

1.1 SL-DRX 作用機(jī)制和參數(shù)配置

用戶到網(wǎng)絡(luò)中繼（UE-to-Network Relay）是最早由第三代合作伙伴計(jì)劃（Thrid Generation Partnership Project，3GPP）提出的D2D 輔助中繼技術(shù)，扮演中繼角色的UE 命名為Relay UE，獲取Relay UE輔助的UE為Remote UE。UE-to-Network Relay 框架下的通信流程主要為初始化Relay UE、中繼的發(fā)現(xiàn)、Relay UE 的選取和連接。中繼發(fā)現(xiàn)的類型為限制型和開放型，發(fā)現(xiàn)過程的模式分為兩種，一種是Relay UE 和Remote UE 分別負(fù)責(zé)廣播發(fā)現(xiàn)信息和監(jiān)聽，另一種是Relay UE和Remote UE 分別負(fù)責(zé)廣播發(fā)現(xiàn)信息和發(fā)現(xiàn)信息并及時(shí)回復(fù)。D2D 鏈路和回程鏈路的信道容量的表達(dá)式為式（1）。

DRX 是一種結(jié)合喚醒模式和睡眠模式的周期性重復(fù)模式。DRX 的流程機(jī)制包括未接收到物理下行控制信道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH）且配置longDRX-CycleStartOffset、收到PDCCH且配置longDRX-CycleStartOffset、收 到DRX Command 且配置longDRX-CycleStartOffset。

圖1（a）和圖1（b）分別表示兩種中繼場景的示意圖。下行鏈路（DownLink，Uu DL）是指Relay UE 和基站相互間的下行通信鏈路；上行鏈路（UpLink，Uu UL）是指Relay UE 和基站相互間的上行通信鏈路。單向中繼場景中，Remote UE的數(shù)據(jù)上行傳輸通過Relay UE 實(shí)現(xiàn)，下行數(shù)據(jù)傳輸通過Uu 鏈路實(shí)現(xiàn)，Relay UE 和Remote UE 需滿足在基站覆蓋的范圍內(nèi)。雙向中繼場景，Remote UE 不能直接與基站進(jìn)行通信，而是經(jīng)Relay UE完成上行和下行傳輸數(shù)據(jù)。Relay UE 務(wù)必要在基站的覆蓋區(qū)間，而Remote UE 有兩種設(shè)置形式，覆蓋區(qū)間內(nèi)和外均可。Remote UE 具體是指智能眼鏡、智能手表等可穿戴設(shè)備，它們的電池容量有一定的限制。一方面，Relay UE 需與多個(gè)Remote UE 連接并為Remote UE 的工作提供最基本的保障；另一方面，Relay UE 也會(huì)借助大量的能量處理自身負(fù)責(zé)的事物。

圖1 兩種中繼場景示意圖

SL-DRX 的基本機(jī)制為在D2D 連接UE 的前提下重新配置SL-DRX 周期，其由Opportunity for SL-DRX 和兩個(gè)部分組成。On-Duration 可以理解為激活期，UE 能監(jiān)聽并接收物理直通鏈路控制信道（Physical Sidelink Control Channel，PSCCH）。Opportunity for SL-DRX 可視為休眠期。每個(gè)UE均分配兩個(gè)SL-DRX 周期，包括長的SL-DRX 周期和短的SL-DRX 周期，兩個(gè)周期具有各自的特點(diǎn)，共同點(diǎn)是激活期一致，差異為后者的休眠期更短［6-8］。需要注意的是，任何時(shí)刻UE 只能采用一種形式的周期。鑒于Remote UE 和Relay UE 沒有鏈接的情況，Sidelink DRX 的支持并不是特別有用，SL-DRX 只需考慮Remote UE 和Relay UE 的連接狀況。

配置參數(shù)如下，當(dāng)Remote UE 或Relay UE 與基站建立無線資源控制層連接情況下，配置方式為SL-CommConfig 中 的MAC-MainConfigSL；Remote UE 依據(jù)Relay UE 完成配置。SL-DRX 的配置參數(shù)均可適用于y 兩種場景，參數(shù)設(shè)置情況如表1 所示。Psf 表示PSCCH 的子幀。其中，SLDRX-ShortCycleTimer、SLDRX-InactivityTimer、SLDRX-onDuration Timeer 為三個(gè)定時(shí)器。三個(gè)定時(shí)器的終止條件均為計(jì)時(shí)器超時(shí)。SLShortDRXCycle 的起始條件為PSCCH-Counter 計(jì)時(shí)器超過閾值且SLDRX-InactivityTimer 超時(shí)。SLDRXInactivityTimer 的起始條件為監(jiān)聽到PSCCH。SLDRX-onDuration Timeer 的開始條件為UE 采用SLShortDRX-Cycle（Cycle1）且符合相應(yīng)幀號(hào)要求，具體如式（2）所示。

表1 SL-DRX 的參數(shù)設(shè)置

式（1）中，SFN 和N1 分別表示系統(tǒng)幀號(hào)和子幀號(hào)。假如采用SLLongDRX-Cycle（Cycle2 ），也需要符合相應(yīng)幀號(hào)要求，具體如式（3）所示。

1.2 高能效的SL-DRX 方案流程

配 置SL-DRX 在UE-to-Network Relay 兩 種典型的單向中繼和雙向中繼場景后，Relay UE 能間斷性地監(jiān)聽源自Remote UE 的PSCCH 進(jìn)而降低能耗，Remote UE 也能間斷性地監(jiān)聽源自Relay UE 的PSCCH 進(jìn)而降低能耗，D2D 通信場景中UE也會(huì)間斷性地監(jiān)聽另一個(gè)UE 的PSCCH。研究將分為業(yè)務(wù)量小和業(yè)務(wù)量大兩個(gè)方面考慮SLDRXInactivityTimer，針對(duì)業(yè)務(wù)量大的狀態(tài)需制訂兩種SL-DRX 周期切換方案。Relay UE 監(jiān)聽Remote UE 的PSCCH 可分為能監(jiān)聽到和不能監(jiān)聽到兩種情況。假如沒有監(jiān)聽到Remote UE 的PSCCH，則進(jìn)入休眠模式。假如能監(jiān)聽到Remote UE 的PSCCH，則需啟動(dòng)SLDRX-InactivityTimer 并在正常工作期間內(nèi)完成解碼，可分為解碼成功和解碼失敗兩種情況進(jìn)行分析［9-11］。針對(duì)解碼成功的情況，定時(shí)器沒有監(jiān)測到Remote UE 的PSCCH，則等待自動(dòng)結(jié)束進(jìn)程；定時(shí)器監(jiān)測到Remote UE 的PSCCH，則立即開始SLDRX-InactivityTimer 運(yùn)作。圖1（a）所示如下，針對(duì)解碼失敗的現(xiàn)象，SLDRXInactivity Timer 超時(shí)導(dǎo)致第一個(gè)PSCCH 解碼失敗。第一個(gè)和第二個(gè)PSCCH 解碼失敗和解碼成功的示意圖如圖2（b）所示。SLDRX-Inactivity Timer超時(shí)也會(huì)因?yàn)槎〞r(shí)器的時(shí)間超過SL-DRX 當(dāng)前的運(yùn)行周期。

圖2 解碼失敗的示意圖

目前SLDRX-Inactivity Timer 超時(shí)的解決方案是切換到配置短的周期，研究依據(jù)業(yè)務(wù)量規(guī)模判斷是否需要完成SL-DRX 的周期切換。當(dāng)業(yè)務(wù)量大時(shí)，則需要進(jìn)行周期切換，切換到SLShortDRX-Cycle，進(jìn)而能夠提升PSCCH 監(jiān)聽的時(shí)間。當(dāng)業(yè)務(wù)量小時(shí)，則無需切換SL-DRX 的周期。研究增加一個(gè)PSCCH-Counter 計(jì)時(shí)器記錄周期內(nèi)監(jiān)測到的PSCCH 次數(shù)，通過閾值評(píng)估業(yè)務(wù)量的大小。當(dāng)PSCCH-Counter 計(jì)時(shí)器的數(shù)據(jù)低于閾值時(shí)，則評(píng)估業(yè)務(wù)量為小，滿足初始條件的子幀則采用SLLongDRX-Cycl，不會(huì)采用SLShortDRXCycle。當(dāng)PSCCH-Counter 計(jì)時(shí)器的數(shù)據(jù)超過閾值時(shí)，則評(píng)估業(yè)務(wù)量為大，此種情況有兩個(gè)方案進(jìn)行處理。

SL-DRX 方案一為采用SLDRX-ShortCycleTimer和SLShortDRX-Cycle。當(dāng)下一個(gè)子幀滿足初始條件時(shí)，則Relay UE 采用SLShortDRX-Cycle 并開始運(yùn)作。假如碰到其超時(shí)的現(xiàn)象時(shí)，則需轉(zhuǎn)化為SLLongDRX-Cycle。SL-DRX方案二為先采用SLShortDRX-Cycle，再根據(jù)要求判斷是否需執(zhí)行SLLongDRXIndicator。當(dāng)下一個(gè)子幀滿足初始條件時(shí)，Relay UE 采用SLShortDRX-Cycle，在Remote UE 業(yè)務(wù)量較少時(shí)，則將SLLongDRXIndicator 傳遞給Relay UE，Relay UE 會(huì)在再次碰到滿足初始條件的子幀時(shí)轉(zhuǎn)換到SLLongDRX-Cycle。SL-DRX Conmand MAC Control Element 的下發(fā)能依據(jù)業(yè)務(wù)量的數(shù)量轉(zhuǎn)換方式，降低對(duì)PSCCH 的監(jiān)聽。研究提出三個(gè)指標(biāo)分析SL-DRX 方案的性能，分別是發(fā)送失敗導(dǎo)致發(fā)送端UE 消耗的能量、接收端UE的監(jiān)聽成功率、吞吐量［12-13］。設(shè)置仿真場景為單向中繼場景，參考國家相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)SC10 相應(yīng)的參數(shù)確定PSCCH 包的規(guī)模。參考標(biāo)準(zhǔn)TS 36.843功耗模型，確定如下所示參數(shù)和取值范圍，UE 休眠階段、UE 發(fā)送PSCCH、UE 監(jiān)聽PSCCH 三種階段相應(yīng)的功耗取值為0.01、1、1unit/subframe［14-15］。

2 仿真測試分析

首先分析不同PSCCH 發(fā)送概率下SL-DRX 方案的性能，結(jié)果如表2 所示。選取的策略分別用策略一和策略二表示，分別是切換成SLShortDRXCycle和僅使用SLLongDRX-Cycle，子幀數(shù)量為50000 個(gè)。隨著PSCCH 發(fā)送概率的增加，發(fā)送失敗導(dǎo)致的概率先逐漸增加后逐漸下降，方案A和方案B 的峰值分別為4863 unit 和10058 unit。發(fā)送失敗導(dǎo)致的概率逐漸增大是因?yàn)槊總€(gè)周期內(nèi)接收到的PSCCH 逐漸增大，因此失敗產(chǎn)生的能耗會(huì)逐漸增加。但當(dāng)失敗產(chǎn)生的能耗達(dá)到一定值時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)會(huì)導(dǎo)致多次SLDRX-Inactivity Timer重新工作，這在一定程度會(huì)降低PSCCH 的失敗率。所提出的長短周期切換能降低因發(fā)送失敗產(chǎn)生的能耗，這是由于切換成方案A 后，相同時(shí)間內(nèi)監(jiān)聽PSCCH 的時(shí)間增加會(huì)導(dǎo)致監(jiān)聽的效率增加，進(jìn)而降低監(jiān)聽失敗率，最終節(jié)省因發(fā)送端UE反復(fù)發(fā)送造成的能量損耗。

表2 不同PSCCH 發(fā)送概率下SL-DRX 方案的性能

對(duì)于監(jiān)聽PSCCH 的成功率來說，隨著PSCCH發(fā)送概率的增加，監(jiān)聽的成功率將會(huì)逐漸增加，這是因?yàn)榧せ頢LDRX-InactivityTimer 的頻率增加，這將會(huì)導(dǎo)致監(jiān)聽的時(shí)間也呈現(xiàn)增長的趨勢(shì)。當(dāng)PSCCH 發(fā)送概率為100%時(shí)，此時(shí)監(jiān)聽可視為連續(xù)性的監(jiān)聽，監(jiān)聽的成功率高達(dá)100%。在相同時(shí)間內(nèi)，所提出的周期切換方案能延長監(jiān)聽PSCCH的時(shí)間，進(jìn)而使得接收端UE 監(jiān)聽成功率增加。對(duì)于吞吐量來說，隨著PSCCH 發(fā)送概率的增加，吞吐量將會(huì)逐漸增加，這是因?yàn)槊總€(gè)周期內(nèi)接收到PSCCH 的概率將會(huì)逐漸增加。當(dāng)PSCCH 發(fā)送概率為100%時(shí)，吞吐量均高達(dá)3.62×104bps。所提出的周期切換方案能在相同時(shí)間延長監(jiān)聽PSCCH 的時(shí)間，進(jìn)而使得吞吐量增加。

接著分析不同PSCCH 計(jì)數(shù)器閾值下方案的性能。仿真的子幀數(shù)量為60000 個(gè)。SL-DRX 方案一因發(fā)送產(chǎn)生的能耗、監(jiān)聽成功率、吞吐量分別如圖3（a）、3（b）、3（c）所示。原始方案為采用策略2 的D2D 輔助中繼方案。所提出方案一在三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)方面均比原有方案的性能更佳，且在PSCCH 計(jì)數(shù)器閾值為1～8 時(shí)，兩者的差距較大，而在閾值為9 時(shí)，兩者幾乎一致。SL-DRX 方案二因發(fā)送產(chǎn)生的能耗、監(jiān)聽成功率、吞吐量分別如圖4（a）、4（b）、4（c）所示。所提出方案一在三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)方面均比原有方案的性能更佳，且在PSCCH 計(jì)數(shù)器閾值為1～7 時(shí)，兩者的差距較大，而在閾值為8 時(shí)，兩者的性能差別并不大。

圖3 不同PSCCH 計(jì)數(shù)器閾值下方案一的性能

圖4 不同PSCCH 計(jì)數(shù)器閾值下方案二的性能

3 結(jié)論

針對(duì)目前D2D 輔助中繼技術(shù)存在較大的網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)等問題，研究在D2D 輔助中繼的UE-to-Network Relay 場景下，提出了考慮業(yè)務(wù)量規(guī)模的高性能SL-DRX 方案，并給出了因發(fā)送產(chǎn)生能耗、監(jiān)聽成功率、吞吐量三個(gè)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。長短周期切換結(jié)果驗(yàn)證，隨著PSCCH 發(fā)送概率的增加，發(fā)送失敗導(dǎo)致的概率先逐漸增加后逐漸下降，策略一和策略二的峰值分別為4863unit和10058unit。當(dāng)PSCCH 發(fā)送概率為100%時(shí)，方案A 監(jiān)聽的成功率高達(dá)100%，吞吐量均高達(dá)3.62×104bps。所提出SL-DRX 方案一在三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)方面均比原有方案的性能更佳，且在PSCCH 計(jì)數(shù)器閾值為1～8 時(shí)，兩者的差距更為顯著，而在閾值為9 時(shí)，兩者具有相同的性能。所提出SL-DRX 方案二在三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)方面均比原有方案的性能更佳，且在PSCCH 計(jì)數(shù)器閾值為1～7時(shí)，兩者的差距較大，而在閾值為8 時(shí)，兩者的性能差別并不大。研究所構(gòu)建的方案能適用于D2D通信場景和UE-to-Network Relay 兩種典型的單向中繼和雙向中繼場景。受限于本人的時(shí)間和精力，研究未分析D2D 通信場景中一對(duì)多的情況，并進(jìn)一步分析SL-DRX 方案的參數(shù)配置。