5G網絡中DR－OC型D2D通信收益模型及定價研究*

金昱任，唐俊華

(上海交通大學上海市信息安全綜合管理技術研究重點實驗室，上海200240)

0 引言

隨著手持智能設備數量的飛速增長，用戶對于移動寬帶的需求也空前增加，目前的蜂窩網絡已經很難滿足大量出現的高耗帶寬應用的需求。而且根據這個發展趨勢，在未來十年，我們可以預見第四代移動通信網絡也將很難滿足這個需求。而5G網絡將會考慮到的Device－to－Device(D2D)通信，可以在一定程度上解決移動通信系統頻譜資源匱乏的問題。對于運營商如何激勵用戶加入更加高速且安全的D2D通信網絡而非傳統蜂窩網絡，D2D通信的定價是一個很關鍵的問題。定價要顧及到運營商和多數用戶的收益，而且要合理，D2D通信網絡才能更好地實現與發展。

1 D2D通信簡介

1． 1 D2D概念簡介

Device－to－Device(D2D)通信是一種在蜂窩系統的控制下，允許終端之間通過復用小區資源直接進行通信的技術。D2D通信中，兩個臨近的設備在許可蜂窩帶寬之內，只需要有限的基站參與，或者甚至沒有基站的參與，也可以進行相互通信。

1． 2 D2D網絡的分類

為了融入D2D通信，5G蜂窩網絡應該會是一個雙層網絡，包括宏蜂窩層和設備層。宏蜂窩層與傳統蜂窩網絡一樣，包含基站和設備之間的通信;而設備層則包含D2D通信，也就是設備和設備之間的通信。如果設備通過基站連接到蜂窩網絡，我們就說該設備運行在宏蜂窩層;如果設備直接連接到另一個設備、或者通過其他設備的協助來實現傳輸，我們就說該設備運行在設備層。在雙層系統中，基站依然繼續為設備服務，而在小區邊緣或者擁塞地帶，則允許設備相互通信，建立ad hoc網狀網絡［1］。

在設備層通信的實現中，運營商應該有不同級別的控制。運營商可以對資源分配進行全面或者部分控制，也可以不進行控制。因此，設備層有以下四種主要類型［2］。

1)由運營商控制連接建立的設備轉發(DROC，Device relaying with operator controlled link establishment):在小區邊緣或者擁塞地區的設備可以通過其他設備轉發消息來與基站通信。這可以使設備獲得更高的Qos和電池壽命。運營商與中繼設備通信，部分或全部控制了連接建立。

2)由運營商控制連接建立的直接D2D通信(DC－OC，Direct D2D communication with operator controlled link establishment):源和目標設備不通過基站交換信息，但連接建立是由運營商協助完成。

3)由設備控制連接建立的設備轉發(DR－DC，Device relaying with device controlled link establishment):運營商不參與連接建立過程，因此，源和目標設備使用它們之間的中繼協同通信。

4)由設備控制連接建立的直接D2D通信(DC－ DC，Direct D2D communication with device controlled link establishment):源和目標設備在沒有運營商控制的情況下直接相互通信。因此，源和目標設備應盡量確保降低和設備層內部以及宏蜂窩層的設備之間的干擾。

2 DR-OC型D2D通信的定價討論

5G網絡中，運營商需要解決的一個重要問題就是如何對D2D服務進行資費收取。如果費用收取過低，則對運營商的經營收益不利;如果費用收取過高，則會使一部分用戶放棄使用D2D服務轉而使用低速切安全性較差的傳統服務。雖然我們不能立即合理地解決這個問題，但如果運營商想要實施一個收費方案，他們必須為這個收費模式中D2D設備為哪些項目付費提出依據，這樣才有可能使用戶認同收費模式的合理性。

D2D設備為其他使用者進行轉發的時候，貢獻了它們自己的電池、內存和帶寬等資源。收費模式應該考慮為D2D設備的這些貢獻做出補償，才能吸引用戶參與到D2D通信中來。而在運營商方面，它們可以為D2D通信過程提供安全環境，也可以對QoS做出保障，因此這些也可以成為運營商向D2D設備收費的理由。對中繼設備的一種可行的激勵是，根據它們轉發的數據量，運營商為其提供一些免費的獎勵帶寬的作為交換。

下面就D2D四種類型中的DR－OC型D2D通信定價進行討論。

2． 1 DR-OC型D2D通信的設備收益

就定價而言，凈效用通常用來表示對性能和定價的滿意程度。凈效用通常定義如下［3］:

式(1)中，()U q是性能q的效用函數;()R x是給定數量的待分配資源x的性能函數;p是資源x的單價，因此p·x是資源x的總花費。

參考以上，可將式(1)中第一項定義為網絡中的信道容量，根據香農公式可簡單表示為［4］

式(2)中，C是信道容量;b是通信可用帶寬;S=Eb·R是接收信號功率，其中Eb是每信息比特的接收能量，R是通信的信息速率;N=N0·b是影響接收信號的白噪聲功率，其中N0是噪聲功率譜密度;k=為普效率;γ=為鏈路平均信噪比。

因而，對于傳統的蜂窩網絡而言，設備i的收益可以表示如下:

式(3)中，第一項是設備i使用的頻道帶寬所對應的收益，其中，bi是設備i所使用的頻道帶寬;ki表示普效率;γi是設備i和基站之間鏈路的平均信噪比。第二項是設備i應向運營商繳納的使用費用，其中，pi是譜單價。

因此，傳統蜂窩網絡的設備收益可以理解為設備使用頻道帶寬所獲得的對應收益，減去設備為使用這段帶寬而向運營商繳納的費用。

效仿此思路，本文提出DR－OC類型的D2D網絡中設備的收益，表示如下:

式(4)中，第一項與傳統蜂窩網絡相同。第二項是設備i應向運營商繳納的使用費用，其中，Mi是基站和設備i之間數據傳輸的跳數。第三項是設備i從獎勵帶寬獲得的收益，其中，?bi是獎勵帶寬。

與傳統蜂窩網絡相比，DR－OC類型的D2D網絡中，在小區邊緣或者擁塞地區的設備可以通過其他設備轉發消息來與基站通信。其中請求幫忙轉發消息和負責轉發消息的設備在網絡中使用的不同數量的資源，也貢獻著不同的數量的資源。

第二項則是D2D網絡運營商對中繼設備的一個獎勵，中繼設備貢獻了自己的資源，應該得到獎勵和安撫以鼓勵這種行為，所以運營商根據中繼設備的實際轉發信息情況，給予其特定數量的獎勵帶寬。

第三項與式(3)相比增加的系數 1+ln M( )i意味著，如果某設備與基站通信需要越多的中繼設備來轉發消息，也就是該設備和基站之間數據傳輸的跳數Mi越大，那么該設備就使用著網絡中越多的資源，運營商也就應該向該設備收取更多的費用。

下面對DR－OC類型的D2D網絡中的設備收益進行簡單仿真。

假設網絡中的設備需要最多兩次轉發可以與基站通信，且需要轉發次數小于兩次的設備均幫助需要轉發次數為兩次的設備進行轉發，即，每條通信鏈路末端的設備，其相應傳輸跳數Mi均為2。

對于直接與基站進行通信的設備，即Mi=1的情況，有Ui=(bi+b?i1－bipi) lb ( 1 +kiγi)，相應地當傳輸跳數Mi=2時，可以得到:Ui=［bi+b?i2－(1+ln2)bipi］lb(1+kiγi)，Mi=3 時，Ui=bi［1 － (1+ln3)pi］lb(1+kiγi)。

本次仿真中假設 bi=5 MHz，ki=0．2，pi=0．4，5≤γi≤25 dB，對于網絡中所有設備都相同。對于Mi=1的設備，獎勵帶寬?bi1=2．5 MHz;對于Mi=2的設備，獎勵帶寬?bi2=1．5 MHz;而對于Mi=3的設備，由于其并沒有幫助網絡中任何設備轉發消息，并沒有貢獻自己的資源，因此?bi3=0(式中已省略)。基于上述條件的設備收益仿真結果如圖1所示。

圖1 傳統蜂窩網絡與DR－OC類型D2D網絡中設備收益比較Fig．1 Comparison of revenue for devices in DR －OCD2D network and conventional cellular network

對于Mi=1的設備，它們在D2D網絡中做了數量最大的信息轉發工作，而且又與基站建立直接通信，沒有占用其他信息轉發資源。與傳統蜂窩網絡相比，Mi=1的設備完全地多出了提供中繼轉發資源的貢獻;與D2D網絡中其他設備相比，Mi=1的設備貢獻的資源更多，而且沒有索取，因此它們從運營商獲得較大的獎勵帶寬，也向運營商繳納較少的費用。所以從圖1中也可以看到，Mi=1的設備比傳統蜂窩網絡和D2D網絡中其他設備收益都大，有著圖中最大的設備收益。

而相反地，對于Mi=3的設備，它們在D2D網絡中依靠其他中繼設備進行了最大數量的信息轉發，而且沒有提供自己的資源為網絡中其他設備進行信息轉發。與傳統蜂窩網絡相比，Mi=3的設備完全地多出了占用中繼轉發資源的部分;與D2D網絡中其他設備相比，Mi=3的設備索取的資源更多，而且沒有貢獻，因此它們并沒有從運營商獲得獎勵帶寬，也需向運營商繳納更多的費用。所以從圖1中也可以看到，Mi=3的設備比傳統蜂窩網絡和D2D網絡中其他設備收益都小，有著圖中最小的設備收益。

而對于Mi=2的設備，它們在D2D網絡中既為其他設備做了數據轉發工作，也占用了數據轉發資源為自己轉發數據。因此，根據其在網絡中貢獻和索取情況多少的不同，Mi=2的設備收益既可能比傳統蜂窩網絡設備收益大，也可能比它小。在圖1中的譜單價和獎勵帶寬數量情況下，Mi=2的設備收益是大于傳統蜂窩網絡的。由式(3)和Mi=2時的Ui，不難計算得到，當運營商擬定的譜單價和獎勵帶寬滿足ln2pibi=?bi2時，Mi=2的設備收益與傳統蜂窩網絡中的設備收益相同。

以上也可以說明，譜單價pi和獎勵帶寬?bi的數值共同影響網絡中的設備收益。而頻繁調整譜單價不易被接受，因而運營商可以通過調整獎勵帶寬來影響設備收益，從而可以鼓勵設備加入到D2D網絡中，加入到中繼設備的行列中，從而起到影響市場的作用。

2． 2 DR-OC型D2D通信的運營商收益

假設網絡中設備數量為N，則傳統蜂窩網絡中，運營商的收益可以表示為:

式(5)中，bi是設備i所使用的頻道帶寬;ki表示普效率;γi是設備i和基站之間鏈路的平均信噪比。整個式子的含義是網絡中全部設備(數量為N)應向運營商繳納的使用費用。

而對于DR－OC類型D2D網絡，運營商除了向設備收取業務帶寬的使用費用，還額外不計費地向中繼設備提供獎勵帶寬作為補償鼓勵和鼓勵，因此，其運營商的收益可以表示為:

式(6)中，bi是設備i所使用的頻道帶寬;ki表示普效率;γi是設備i和基站之間鏈路的平均信噪比;Mi是基站和設備i之間數據傳輸的跳數;pi是譜單價;?bi是獎勵帶寬。這個式子的含義是，網絡中全部設備(數量為N)應向運營商繳納的使用費用減去運營商為中繼設備提供的獎勵帶寬所對應的價值。

下面介紹對網絡中的運營商收益進行的仿真。

本次仿真中，假設網絡中的設備需要最多兩次轉發可以與基站通信，這包括通信鏈路末端設備的傳輸跳數Mi=1，2，3這三種情況。

并假設 bi=5 MHz，ki=0．2，pi=0．4，5≤γi≤25 dB，對于網絡中所有設備都相同。假設網絡中有設備數量為N=100，下面分別就不同情況的仿真進行條件假設。

通信鏈路末端設備的傳輸跳數Mi=3的情況下，對于Mi=1的設備，其獎勵帶寬?bi3，1=2．5 MHz;對于Mi=2的設備，其獎勵帶寬?bi3，2=1．5 MHz;而對于Mi=3的設備，其獎勵帶寬?bi3，3=0。這樣的通信鏈路條數為10。

通信鏈路末端設備的傳輸跳數Mi=2的情況下，對于Mi=1的設備，其獎勵帶寬?bi2，1=1．5 MHz;對于Mi=2的設備，其獎勵帶寬?bi2，2=0。這樣的通信鏈路條數為10。

通信鏈路末端設備的傳輸跳數Mi=1的情況下，對于Mi=1的設備，其獎勵帶寬?bi1，1=0。這樣的通信鏈路條數為50。

基于上述條件的運營商收益仿真結果如圖2所示，從圖2中可以看出DR－OC類型D2D網絡的運營商收益高于傳統蜂窩網絡中運營商收益。

圖2 傳統蜂窩網絡與DR－OC類型D2D網絡運營商收益比較Fig．2 Comparison of revenue for operators in DR －OCD2D network and conventional cellular network

從運營商收益公式得出，通信鏈路末端設備的傳輸跳數Mi=1的情況下，傳統蜂窩網絡與DROC類型D2D網絡運營商收益表達式相同;在通信鏈路末端設備傳輸跳數Mi=3和Mi=2的情況下，只需要調整獎勵帶寬使其分別滿足( l n2+ln3) bib?i3，1－(1+ln2)b?i3，2＞0和ln2bi－b?i2，1＞0，就可以保證D2D網絡在這兩種鏈路上的運營商收益優勢。

此外，從式(6)可以看出，主要為D2D網絡買單的是處于通信鏈路末端的設備，這些設備大多處于小區邊緣或者擁塞地區，如果沒有D2D網絡，它們很可能無法完成與基站建立正常的通信。既然D2D網絡改善了這些設備的通信環境，那它們多支付一些費用也在情理之中。

3 結語

運營商可以通過調整獎勵帶寬?bi為主，調節譜單價pi為輔的方式，來影響設備收益，可以通過調整獎勵帶寬?bi來影響運營商收益。運營商削減獎勵帶寬可以謀取其自身收益，增加獎勵帶寬可以鼓勵設備加入到D2D網絡中，加入到中繼設備的行列中。運營商應該在兩者之間做出權衡，在保證自己收益的同時，也考慮如何促進D2D網絡的長遠發展。同時在網絡中很可能存在其他因素，它們同樣會對設備和運營商收益產生影響，這些潛在因素若能在未來加入收益模型，必然會更加豐富和完善5G網絡的D2D通信定價系統。

［1］ 文軍，張思峰，李濤柱．移動互聯網技術發展現狀及趨勢綜述［J］．通信技術，2014，47(09):977－984．

［2］ Tehrani M N．，Uysal M．，and Yanikomeroglu H．，Device－to－Device Communication in 5G Cellular Networks:Challenges，Solutions，and Future Directions［J］．IEEE Communications Magazine，2014，(5):86 －92．

［3］ Hossain E．，Niyato D．，and Han Z．，Dynamic Spectrum Access and Management in Cognitive Radio Networks［M］，1st ed．，Cambridge Univ．Press，2009:378 －384．

［4］ Dahlman E．，Parkvall S．，and Skold J．，4G:LTE/LTE－ Advanced for Mobile Broadband［M］，1st ed．，Holland:Elsevier Press，2011:15 －16．