無線網絡終端協作多播技術研究

謝 飛

(重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶400065)

0 引言

金融時報曾報道:在倫敦奧運會期間，利用移動終端來收看NBS與BBC在線比賽視頻的用戶分別占其線上用戶的45%與41%。除了收看電視直播節目外，多媒體廣播多播還可用于設備的固件或者操作系統升級、應用升級、網站高點擊率視頻的推送、動態交通信息提醒、群組會話等多種用途。

多媒體廣播多播業務的高需求對網絡容量提出了挑戰，這就要求網絡設計者們不斷研究各種新的技術來滿足日益增長的容量需求。在眾多提高容量的技術途徑中，協作通信技術因其能使系統獲得可觀的性能增益、提供均衡的服務質量的特性，獲得了研究者的廣泛關注，將協作通信技術應用于多播傳輸中，成為了一個新的研究方向。

1 終端協作多播技術

1．1 協作通信

協作通信利用網絡中的終端幫助轉發源節點發送的信息來擴展覆蓋范圍或者實現分集，提高網絡性能。為了完成協作通信，需要解決3個問題:選擇合適的協作節點、確定協作時機和選擇協作方式。協作節點即為參與協作的中繼節點或稱為伙伴節點;協作時機指協作節點在什么時候參與協作，分為3類:固定協作、動態選擇協作和增量協作;協作方式指中繼節點對從源節點處接收到的信息的處理方式，可分為放大轉發(Amplify and Forward，AF)、解碼轉發(Decode and Forward，DF)和編碼協作(Code Cooperation，CC)。協作通信系統如圖1所示，在系統為源節點S選擇協作伙伴R后，源節點S向目的節點D與協作伙伴R發送信息，此為協作通信第一階段;第二階段，協作伙伴R將接收到的源節點信號經過一定處理發送至目的節點D，目的節點將兩次接收到的信號以特定方式合并后解調解碼獲得源信息。

圖1 協作通信示意圖

選擇適當的協作節點、協作時機與協作方式能使系統得到較高的性能增益，包括分集增益、復用增益以及路損增益，這些增益可以轉化為傳輸功率的降低、系統容量的提高以及小區覆蓋范圍的擴大。其次，通過協作還能使系統獲得均衡的服務質量，在傳統系統中，處于小區邊緣和陰影衰落的用戶會遇到容量或覆蓋問題，而中繼可以平衡小區邊緣和小區中心的差異，從而為所有用戶提供一致的服務質量(QoS)。當然協作通信也有缺點，首先是調度復雜，雖然調度具有單個協作中繼節點的鏈路容易，但隨著系統中用戶和中繼節點的增多，這將很快變為一項極其復雜的工作。其次，協作需要嚴格同步、保障安全性，因此開銷增加。再次，確定最優的中繼傳輸和協作對象是一項復雜的工作。此外，協作還帶來了端到端延遲增加、更多的信道估計等。

1．2 協作多播

多播的首要特征是多個用戶在同一信道上接收相同的業務，這多個用戶成為一個多播組，例如正在收看同一移動電視頻道的用戶便屬于同一個多播組，多播組的數量便等于這個電視業務的頻道數量。由于用戶分布在不同的位置，并且因為無線信道的時變特性，不同用戶經歷著不同的路徑損耗與衰落，因此為同一個多播組內的所有用戶提供一致的業務質量是一項挑戰。在3GPP(The Third Generation Partnership Project)的增強型多媒體廣播多播業務eMBMS(Enhanced Multimedia Broadcast Multicast Service)標準中，基于LTE中自適應調制編碼技術(AMC)，通過提供多播組內所有用戶能滿足的最低速率來完成多媒體業務的發送。因此，多播組內信道條件最差的用戶成了吞吐量的瓶頸，尤其是在大部分用戶均有較好信道條件，而小部分用戶遠離基站或者處于深衰落情況時，基站將以低速率發送業務來滿足信道用戶的QoS需求，資源利用率將嚴重降低。

所謂協作多播便是利用多播組內成功解碼多播信息的用戶，作為中繼轉發多播業務至其他組內用戶。與點到點的協作通信技術將信息發送分為兩跳一樣，協作多播傳輸也將多播分為2個階段:第一階段(Phase I)源節點(如基站)發送多播信息，第二階段(Phase II)被選擇出的中繼節點轉發多播信息。以蜂窩網為例，如圖2所示，協作多播簡要流程如下:

①測量多播組內所有用戶的信道質量CSI，即信道估計過程;

②基站確定覆蓋率C，即根據所有用戶的CSI選擇適當的發送速率R1和功率P1，使得多播組內的C×100%用戶在第一階段能成功解碼接收到業務;

③通過某種協作中繼選擇策略，在所有第一階段成功收到業務的用戶(稱為成功用戶Us，圖2中的淺色終端)中選擇出一個或多個用戶作為協作中繼Ur;

④多播第二階段，協作中繼Ur以特定的速率R2和功率P2發送多播業務;

⑤第一階段未成功解碼接收多播業務的用戶(稱為失敗用戶Uf，圖2中的深色終端)將2個階段接收到的信息以特定方式合并，解碼解調獲得源信息。

其中發送速率需滿足:R1·T1=R2·T2，協作多播消耗總功率為PbsT1+E(m)PueT2，其中T1、T2為分配給多播2個階段的時間，Pbs與Pue為基站與協作中繼的發射功率，E(m)為協作中繼數量，各值的物理意義如圖3所示。

圖2 蜂窩網協作多播示意圖一

圖3 蜂窩網協作多播示意圖二

通過協作，可以很好地解決多播吞吐量的瓶頸問題。它將原來的單跳通信轉化為兩跳，單跳通信時與基站間鏈路質量差的用戶通過協作可以獲得較好的鏈路質量，從而實現吞吐量的提升。

2 協作多播技術研究現狀

通常，評估某個多播業務的性能指標包括:公平性、吞吐量和可靠性。協作多播的研究目的是在不增加頻譜資源消耗且保證公平性的前提下，提高系統吞吐量;或者在不增加頻譜資源消耗與不降低系統吞吐量的前提下，減少系統的消耗功率。基于這兩種目的，研究者們從以下幾個方面對協作多播展開研究。

2.1 協作方式

由于在協作多播傳輸中，只考慮多播組內的用戶間相互協作，因此在協作方式的選擇上只考慮解碼轉發(DF)與編碼協作(CC)2種方式。

2．1．1 編碼協作

2006年，Aitor del Coso和 Osvaldo Simeone首次提出了空時編碼協作多播協議(Space-Time coded cooperative multicasting Protocol)，即將協作通信中的空時編碼協作擴展至多播傳輸中［1］。根據協議，第一階段源節點將信息發送至信道條件較好的多個用戶;第二階段這多個用戶以分布式空時編碼(DSTC)的方式將已接收的信息重新編碼，聯合發送至其他用戶。Aitor和Osvaldo詳細分析了在有限覆蓋范圍網絡下，這種二階段空時編碼協作多播協議的性能，并將其與非協作多播進行了對比。結果表明，隨著用戶數量的增加，空時編碼協作多播協議的系統中斷容量(Outage Capacity)逐漸上升，而非協作多播系統中斷容量逐漸下降;隨著發送信噪比的提高，不論是否協作，其系統中斷容量均提升;協作多播系統中斷容量只在低發送信噪比區(＜15 dB)優于非協作系統，這是由于空時編碼協作是基于解碼轉發機制的，而解碼轉發機制在高信噪比時效率較低。

2．1．2 解碼轉發

2009年，Fen Hou和 Lin X．Cai中提出 IEEE 802.16網絡下多媒體業務的協作多播調度機制［2］，該機制利用多播組間的多信道分集與多播組內的用戶協作，使得系統相較于傳統非協作802.16網絡獲得了更高的吞吐量;其次，通過考慮多播組間的歸一化相對信道條件并以此來調度多播組，獲得了較好的公平性。

文獻［2］首次提出了商用蜂窩網絡下的多媒體業務協作多播策略，給出對所研究協作多播機制的分析模型，并研究了為使網絡吞吐量最大化該如何設置協議關鍵參數。結果表明，通過協作，不論是多播組的吞吐量，還是用戶吞吐量都較傳統多播機制有多于一倍的提升，且通過考慮多播組間的歸一化相對信道條件的組間調度，不僅能提升網絡吞吐量，還能保證組間的公平性。

除了吞吐量與公平性，功率消耗也是一個非常重要的性能關注點。文獻［2］仿真結果表明當多播組內用戶小于15時，協作多播的功率消耗要小于非協作情況;隨著多播組成員的增加，第二階段參與協作的用戶增多，這導致了功率消耗逐漸增加，而非協作多播由于始終只有基站在發射信號，功率消耗不變。當多播組成員達40個時，功率消耗是非協作的1.7倍，而吞吐量的提升達到了10倍。

2．2 低功耗協作多播與協作中繼選擇

如果不限制在多播第二階段參與協作的用戶數，或者不對其進行功率控制，那么系統的功率消耗相較于傳統非協作情況會有一定的提升。雖然增加的功耗能帶來吞吐量的提高，但是研究者們仍想在保證吞吐量的前提下盡量減少不必要的功率消耗，于是提出了多種低功耗協作多播(Energy Efficient Cooperative Multicast，EECM)策略，這些策略里均包含了對協作中繼的選擇，并在此基礎上對每個協作用戶進行功率控制。

文獻［3］在文獻［2］的基礎上提出了3種協作中繼選擇策略，以減少協作多播的功率消耗:

① 最近鄰居節點發現協議(Nearest-Neighbor Discovery Protocol，NNP)。該協議假設基站知道所有用戶的地理位置，在Phase I結束后，選擇距離失敗用戶最近的成功用戶作為協作中繼。系統根據用戶的移動頻率周期性地執行NNP協議。該協議相較于文獻［2］的所有成功用戶參與協作策略，減少了協作中繼的數量，降低系統功耗。

②傳輸半徑協作中繼選擇算法(Transmission Radius RA Selection Algorithm)。該算法選擇傳輸半徑內具有最多失敗用戶的成功用戶作為協作中繼。相較于NNP協議，進一步減少了協作中繼的數量，避免了每一個失敗用戶均有一個協作中繼的極端情況。

③基于用戶間鏈路CSI的協作中繼選擇算法(SS-SS Inter-link CSI RA Selection Algorithm)。該算法統計所有成功用戶與失敗用戶之間的實時信道狀態信息并將其反饋給基站，基站根據這些信道狀態信息選擇傳輸范圍內有最多失敗用戶的成功用戶作為協作中繼。

仿真結果表明，所提出的3種協作中繼選擇策略相較于文獻［2］能有效地減少系統的功率消耗，但可靠性有所下降，隨著多播組內用戶數增加，可靠性逐漸趨于一致。

文獻［4］提出了一種功率受限的低功耗協作多播策略，該策略含3個步驟:① 根據用戶的長期信道條件確定協作多播兩階段的發送速率;②根據受限的功率消耗確定第二階段的協作中繼數量;③根據最小信噪比(Minimum-SNR)準則從成功用戶中選擇中繼。功率受限:PbsT1+E(m)PueT2=?PT，其中?P表示可分配給協作多播的總功率，?為功率控制因子;最小信噪比準則:在成功用戶中選擇SNR最小的用戶作為協作中繼。該準則基于這樣一個事實，即SNR越小的成功用戶距離失敗用戶越近，在第二階段可以較低的功率實現中繼。

文獻［5］提出了一種分布式協作多播機制，它與文獻［4］采用了一樣的功率限制方式，不同的是沒有對協作中繼進行選擇，而是所有成功用戶參與協作。文獻［5］對分布式協作多播做了透徹的性能分析，給出了平均中斷率的閉式解與估計值，同時還分析了最優的功率分配，分析得將總功率的一般分配給源節點可最小化平均中斷率;通過分析與仿真，結果表明協作多播可達到的分集階數為2，用戶分集可減小中斷率，尤其是在高信噪比區。

文獻［6］提出了一種最優中繼解碼轉發協作多播機制，第一次分析了在選擇出最優中繼情況下協作多播系統的精確中斷率，單端對端目標速率為R時，中斷率的表達式為:

式中，z=22R－1，K為候選中繼數量，N為目的節點數，βSD、βSR和 βRD分別為源 － 目的、源 － 中繼、中繼－目的三信道的信道系數。由于多播容量取決于系統中最弱的那條鏈路，因此最優中繼選擇策略為選擇能使端到端最小容量取得最大值的中繼。最后分析還得出，最優中繼選擇策略可達到的分集階數為K+1。

文獻［7］提出一種基于選擇性中繼的低功耗協作多播機制，該機制通過在多播第一與第二階段間插入標記幀(Beacon Frame)的方法來選擇中繼。標記幀又被分為2階段，Stage I與Stage II，基站在Stage I廣播標記幀來搜索失敗用戶;Stage II失敗用戶廣播標記幀。在多播第二階段，接收到失敗用戶廣播的標記幀的成功用戶參與協作。仿真結果表明該協作多播機制能在保證系統吞吐量的前提下節省不必要的功率消耗。

2．3 多階段協作多播

文獻［8］提出了一種多階段協作多播機制，所謂多階段是指在協作中繼階段各中繼輪流發送信號，假設有m個用戶參與協作，則協作多播傳輸過程被分為了m+1個階段，第一階段發送時間為(1 －?)T，后m個階段每階段發送時間為?T/m。文獻［7］研究了這種多階段協作多播機制下的中繼數量選擇與最優時間分配問題，并提出了一種快速時間分配算法。研究發現，最優(最大化吞吐量)的中繼數量m是一個單純的門限值，網絡從成功用戶中隨機選擇出m個用戶作為協作中繼。多階段協作多播機制同樣能提升多播系統性能。

2．4 其他協作多播策略

文獻［9］提出了一種基于終端電量感知的協作多播機制，其在選擇協作中繼時將終端電量作為優先考慮的因素。其主要步驟為:①多播第一階段結束后收集所有成功用戶的電量信息，計算平均值;②提出電量低于平均值的用戶，不作為候選中繼;③在剩余的成功用戶里應用文獻［3］提出的3種中繼選擇策略。基于終端電量感知的機制可有效延長網絡壽命，避免了終端作為協作中繼而電量過快耗盡的情況，利于多媒體業務的可靠傳輸。

3 結束語

近年來多媒體廣播多播技術的應用逐漸增多，3GPP也正著力于擴展eMBMS的應用，基于eMBMS的TD-LTE公網集群通信系統正處于R12的標準化進程中［10］。雖然國內外研究者們的廣泛研究都證明了協作多播可有效地提升系統性能，解決傳統多播吞吐量的瓶頸問題，但協作多播技術的不完善使得其目前無法走向商用。

當前協作多播技術的研究不足之處有許多，例如基于用戶位置的中繼選擇策略精確度差，距離相近的用戶間信道條件不一定就好，這降低了傳輸的可靠性;而文獻［6］的最優中繼選擇策略雖然是基于容量最大化準則，但其并未考慮一個中繼為分散的兩個區域同時協作的場景。在協作多播傳輸中，降低系統總功耗與提高吞吐量是永恒的追求，此外保證數據的安全性也是協作多播技術需要解決的重要問題。

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