基于D2D混合網絡中繼選擇算法的研究

陳小琴

x摘 要】D2D通信是指距離相距很近的終端直接進行數據通信，不需要經過基站轉發，且具有鏈路質量好、發送功率低，通訊時延短等特點。在蜂窩網絡中引入D2D通信可減少基站的負載、擴大小區的覆蓋，提高資源利用率。D2D通信的網絡結構接近于自組織網絡，因此中繼選擇是影響系統性能的關鍵因素。本文論述的中繼選擇算法考慮了系統的能耗、距離、鏈路質量等因素。

【關鍵詞】D2D 中繼算法 蜂窩網

1 引言

隨著大規模集成電路和互聯網技術突飛猛進的發展，傳統蜂窩網絡單一的以基站為中心的通信方式存在資源利用率低，不能滿足人們的需求。將通過本地進行直接通信的D2D通信運用到蜂窩網中，形成D2D混合網絡。該混合網絡可提高頻譜的利用率，提高系統的整體容量。

D2D通信具有鏈路質量好、發送功率低，通訊時延短等特點，并且與蜂窩網絡共同使用授權頻帶資源，形成統一的D2D與蜂窩網混合網絡。而傳統的短距離通信技術，如藍牙、WIFI、Zigbee等技術使用的是非授權頻帶進行數據傳輸，其干擾環境是不可控的。D2D混合網絡非常適合與本地通信業務，如在一個演唱會場內，主辦方需要向觀眾提供視頻等多媒體服務，如果采用基站的方式提供，可能會導致基站負載過重，以至于影響其他業務。如果采用D2D通信，則觀眾可直接下載各種資料，基站只負責D2D鏈路的控制及無線資源的分配等工作。同時基站還可為蜂窩用戶提供良好的語音和數據服務。

D2D網絡作為自組網絡的一個發展分支，良好有效的中繼選擇算法對混合系統鏈路質量的保障和頻譜利用都起著至關重要的作用。在不引入中繼的D2D混合網絡中，想要充分發揮D2D通信的優勢，必須限制通信終端間的距離和發射的功率。這樣任意兩個終端間能通過D2D通信的接通概率將大大降低，無法起到復用頻率和提高頻譜利用率的效果。

中繼技術的基本思想是中繼節點將源節點的信號處理后再發送出去，從而實現新的覆蓋區域，從而達到延伸網絡的覆蓋范圍的目的。

根據中繼選擇個數，可將中繼可分為MIMO中繼和機會中繼。MIMO中繼是通過網絡編碼或DSTC的協作分集[1]實現的。機會中繼是基于即時信道狀態（CSI）選擇策略的中繼選擇算法，最早由A.Bletsas[2]等人提出，基本思想是每次只選擇一個最佳中繼參與協作，而不需要知道拓撲信息，從而減少了物理層的設計。

本文在機會中繼算法的基礎上，把節點的能耗和節點間的距離作為選擇中繼節點的篩選條件，在保證通信質量的前提下，降低了能耗、達到了延長網絡生存時間的效果。

2 場景描述

D2D混合網絡中繼應用場景如圖1所示。其中，U1-U2、U3-U4、U5-U6為D2D通信對，U7、U8工作在蜂窩模式。當通信信道發生變化時，基站會根據相應的規則，切換節點的通信方式。如U1請求與U2通信時， U1、U2直連通道的通信質量不能達到要求，則基站會選取U9作為U1、U2通信間的中繼節點進行通信。若沒有搜索到合適的節點作為中繼節點，即通過基站進行通信，如U3、U4之間的通信。若存在多個節點都滿足中繼節點的要求，則會選擇最優的一個節點作為中繼節點，如U5、U6之間的通信。本文重點研究如何選擇最優的中繼節點，既能提高節點間的通信質量，又能降低節點的能耗。

圖1：D2D混合網絡中繼選擇應用場景

3 D2D混合網絡的中繼選擇算法

3.1 D2D中繼觸發條件

3.1.1 發射功率限制

當D2D節點間的鏈路質量下降時，發送節點會提高發射功率，來提高鏈路質量。但發射功率越高，對其他通信鏈路的形成干擾，因此，發射功率需控制在Pmax以下。

3.1.2 能量限制

當D2D節點的能量小于某個臨界值的時候，該節點不能作為中繼節點；當中繼節點的能量低于該值的時候，應向基站發送信息請求重新選取中繼節點。

3.1.3 距離限制

在不引入中繼的情況下，節點間進行D2D通信的充分條件就是，距離必須小于某值。在引入中繼記住的D2D混合網絡中，為了保證通信的質量，在選取中繼節點的時候，也必須在一定的范圍內。

3.1.4 鏈路可靠性限制

D2D節點間的通過中繼通信時，其路勁損耗必須小于某個門限值。否則接收端收到的信號是不能滿足通信要求的。

3.2 D2D中繼選擇流程

D2D混合網絡中繼通信的建立，是在基站的協助下，為了改善節點的通信質量而建立的。基站通過節點上報的CQI掌握各個節點的信道質量[3]，當某信道質量不滿足要求時，基站根據空閑節點的距離、能量等因素啟動D2D中繼。具體流程如圖2所示。

圖2：D2D混合網絡中繼選擇流程圖

仿真結果表明，加入中繼機制后的，鏈路質量明顯提高，蜂窩模式的用戶減少，D2D模式的用戶增加，從而減少了基站的負荷，提高了系統容量。

4 結語

隨著多媒體業務需求的急劇增長，頻譜資源短缺現象日趨明顯。因此， D2D混合網絡的應用將是未來的發展趨勢，而高效的中繼選擇算法對混合網絡中頻譜資源的利用和鏈路質量的保證起著重要作用。

參考文獻：

[1] Laneman J N， Wornell G W. Distributed space-time-coded protocols for exploiting cooperative diversity in wireless networks[J]. IEEE Transactions on Information Theory 2003， 49（10）： 2415-2425.

[2] Bletsas A， Khisti A， Reed D P， et al. A simple cooperative diversity method based on network path selection[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 2006， 24（3）： 659-672.

[3] 顧聞 基于D2D的中繼選擇算法研究[D].南京：南京郵電大學，2013.