基于D2D與WLAN共享的分布式頻譜配置方案研究

王雅青，徐斌，譚國(guó)平

（河海大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京　210098）

基于D2D與WLAN共享的分布式頻譜配置方案研究

王雅青，徐斌，譚國(guó)平

（河海大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京210098）

為了有效地解決現(xiàn)有蜂窩資源緊缺問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)蜂窩頻譜資源及ISM頻譜資源的統(tǒng)籌調(diào)度，從而優(yōu)化頻譜資源配置，文中構(gòu)建出LTE D2D系統(tǒng)與WLAN系統(tǒng)共存的場(chǎng)景模型。通過(guò)使用虛擬的擴(kuò)展的CSMA/CA信道接入方法，提出一種分布式的D2D簇頻譜爭(zhēng)用及優(yōu)化的信令機(jī)制，并結(jié)合單播業(yè)務(wù)場(chǎng)景對(duì)所提機(jī)制進(jìn)行驗(yàn)證分析。仿真研究表明，新型分布式頻譜優(yōu)化機(jī)制可實(shí)現(xiàn)蜂窩頻譜資源的節(jié)約利用，其平均吞吐量的性能增益都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的WLAN通信模式，有效地提高了頻譜資源利用率。

D2D通信；頻譜優(yōu)化配置；CSMA/CA；共享頻譜

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，移動(dòng)數(shù)據(jù)的需求呈現(xiàn)爆炸式的增長(zhǎng)，現(xiàn)有蜂窩資源已遠(yuǎn)不能滿足用戶的需求。為了滿足需求，近年來(lái)，LTE（Long Term Evolution）系統(tǒng)利用免費(fèi)頻段技術(shù)的發(fā)展，已引起電信行業(yè)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定組織們的高度關(guān)注。ISM（Industrial Scientific Medical）頻段是由國(guó)際電信聯(lián)盟ITU（International Telecommunication Union）所定義的免費(fèi)頻段，無(wú)需授權(quán)許可。D2D通信是指終端到終端直連地進(jìn)行通信的方式。目前，D2D通信作為蜂窩網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充技術(shù)，已被證明是LTE-Advanced網(wǎng)絡(luò)中較為關(guān)鍵的應(yīng)用技術(shù)［1-3］。D2D利用LTE的技術(shù)［4］可以稱(chēng)為L(zhǎng)TE D2D。

考慮到以上這些問(wèn)題，LTE系統(tǒng)集中控制和較好協(xié)調(diào)的優(yōu)勢(shì)需要被充分開(kāi)發(fā)利用。蜂窩網(wǎng)絡(luò)融合的D2D技術(shù)，可借助基站eNB的集中控制優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)蜂窩頻譜資源及ISM頻譜資源的統(tǒng)籌調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)高效優(yōu)化頻譜資源配置。文中主要研究蜂窩網(wǎng)絡(luò)D2D通信技術(shù)的頻譜優(yōu)化配置，將基于基站控制的D2D簇場(chǎng)景，提出一種高效的分布式頻譜爭(zhēng)用及優(yōu)化配置機(jī)制，并給出詳細(xì)的信令設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合單播業(yè)務(wù)場(chǎng)景對(duì)所提機(jī)制進(jìn)行驗(yàn)證分析。

1　系統(tǒng)模型概述

D2D通信既可以受控于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，即利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)直接進(jìn)行通信，也可以利用ISM網(wǎng)絡(luò)直接通信。本章著力于提出LTE D2D通信系統(tǒng)與WLAN通信系統(tǒng)共享頻譜資源的模型。

如圖1所示的單蜂窩小區(qū)系統(tǒng)場(chǎng)景，在eNB的覆蓋范圍內(nèi)有一些移動(dòng)用戶UEs（User Equipments），假定每個(gè)UEs都有一個(gè)臨時(shí)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)號(hào)（C-RNTI），其中某些用戶既可加入局域網(wǎng)進(jìn)行蜂窩通信，也可形成D2D簇進(jìn)行短距離的直接通信。我們假定有N對(duì)D2D用戶，第i對(duì)用戶定義為UEi1/ UEi2（1＜i＜N）。針對(duì)用戶設(shè)備的假設(shè)功能如下：

1）LTE設(shè)備具有LTE和WLAN雙重模式。

2）每個(gè)用戶設(shè)備具有兩套射頻天線系統(tǒng)，一套用于蜂窩頻段，而另一套用于ISM頻段。

3）D2D用戶通過(guò)蜂窩頻段完成配對(duì)，他們像WLAN基站一樣借用CSMA/CA機(jī)制偵聽(tīng)及爭(zhēng)用ISM頻段。

圖1　LTE D2D系統(tǒng)與WLAN系統(tǒng)共存場(chǎng)景

需要注意的是，文中所提到的D2D通信系統(tǒng)與WLAN通信系統(tǒng)共享頻譜資源的模型，D2D設(shè)備和WLAN設(shè)備的關(guān)系完全對(duì)等，不存在高級(jí)用戶或者低級(jí)用戶的概念。下面將基于所描述的系統(tǒng)場(chǎng)景，使用虛擬的擴(kuò)展的CSMA/CA信道接入方法，提出頻譜優(yōu)化配置的方案。

2　虛擬CSMA/CA信道接入方法

我國(guó)將2.4～2.483 5 GHz的ISM頻段劃分為13個(gè)信道，且可同時(shí)支持3個(gè)正交信道。LTE D2D用戶可以像WLAN用戶一樣，采用虛擬的CSMA/CA機(jī)制［5］爭(zhēng)用這些信道資源。文獻(xiàn)［6］中提出，在信道爭(zhēng)用階段，D2D用戶對(duì)可采用虛擬的CSMA/ CA機(jī)制參與信道的爭(zhēng)用。在數(shù)據(jù)傳輸階段，D2D用戶可使用LTE制式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。802.11標(biāo)準(zhǔn)中包含兩種CSMA/CA機(jī)制，即傳統(tǒng)的CSM/CA機(jī)制和擴(kuò)展的CSMA/CA機(jī)制。

傳統(tǒng)的CSMA/CA機(jī)制中，用戶在傳輸數(shù)據(jù)前需要先偵聽(tīng)信道，如果信道空閑，用戶仍需等待一個(gè)DIFS（Distributed Inter Frame Space）和隨機(jī)的窗口退避時(shí)間，以避免多個(gè)用戶同時(shí)接入信道而引起的沖突。當(dāng)用戶的隨機(jī)退避窗口時(shí)間歸為零時(shí)，方可接入信道。

擴(kuò)展的CSMA/CA機(jī)制是一種虛擬的載波偵聽(tīng)機(jī)制，引入了RTS（Request to send）幀和CTS（Clear to send）幀，以及網(wǎng)絡(luò)分配矢量NAV（Network allocation vector）。如圖2所示，在某個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信前，首先需要偵聽(tīng)信道，判斷信道是否可用。若信道保持DIFS空閑時(shí)間，該節(jié)點(diǎn)即可接入信道并開(kāi)始傳輸RTS幀（其中包括源節(jié)點(diǎn)地址，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址和本次通信的持續(xù)時(shí)間）。若信道被占用，那么發(fā)送端將保持偵聽(tīng)，直到再次空閑且持續(xù)DIFS時(shí)間。目的節(jié)點(diǎn)收到RTS幀后將反饋一個(gè)CTS幀（其中包括目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址和本次通信的持續(xù)時(shí)間）。交換RTS/CTS幀的目的是為該通信對(duì)預(yù)留一段時(shí)間的信道資源，即NAV，此時(shí)間矢量中包含了通信對(duì)所需的通信時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)其他用戶檢測(cè)到RTS或者CTS后，即可獲悉信道被占用的時(shí)長(zhǎng)，可避免因多個(gè)用戶同時(shí)通信而產(chǎn)生的沖突干擾。

圖2　擴(kuò)展的CSMA/CA機(jī)制

由于本文的研究重點(diǎn)為有效的解決ISM頻譜上的多系統(tǒng)共存問(wèn)題，更加高效地利用現(xiàn)有的蜂窩頻譜和ISM頻譜資源，所以采用了擴(kuò)展CSMA/CA機(jī)制爭(zhēng)用信道資源的接入方法。

3　D2D簇分布式頻譜爭(zhēng)用及優(yōu)化的信令機(jī)制

3.1分布式頻譜爭(zhēng)用及優(yōu)化的信令設(shè)計(jì)

為高效解決多系統(tǒng)共存及資源競(jìng)爭(zhēng)等問(wèn)題，有效配置優(yōu)化蜂窩頻譜及ISM頻譜資源，提高頻譜的利用率，本節(jié)將基于擴(kuò)展的CSMA/CA機(jī)制，提出一種基站eNB控制D2D簇的分布式頻譜爭(zhēng)用及優(yōu)化配置方案，并給出詳細(xì)的信令設(shè)計(jì)。

在信令中，簇頭CH是簇成員與基站eNB間的通信橋梁，簇頭CH負(fù)責(zé)管理簇且了解簇成員的通信需求，以及業(yè)務(wù)類(lèi)別：?jiǎn)尾I(yè)務(wù)。此外簇頭CH明確D2D成員對(duì)的RTS和CTS發(fā)送者，以及他們所需的通信持續(xù)時(shí)間。簇頭CH也知道簇內(nèi)相關(guān)通信成員是否已經(jīng)交換過(guò)彼此的MAC地址，如果相關(guān)用戶UEs首次建立通信，簇頭CH將ISM_contend_prepare信令中的‘MAC地址標(biāo)志’位設(shè)為0，若不是首次且知道彼此的MAC地址，‘MAC地址標(biāo)志’位將設(shè)為1。

一般情況下分級(jí)分離效率理論都要嚴(yán)格的遵守顆粒的質(zhì)量守恒定律，在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)了分離器流場(chǎng)、顆粒運(yùn)動(dòng)以及幾何尺寸，這時(shí)就可以通過(guò)計(jì)算得出粒徑范圍的顆粒和不同尺寸的分離效率，可以體現(xiàn)出旋風(fēng)分離器的性能。在不同的粒徑范圍內(nèi)分級(jí)分離效率計(jì)算如下：

依據(jù)圖1所示系統(tǒng)場(chǎng)景，下面將詳細(xì)介紹所提機(jī)制信令的步驟。

第一步：eNB首先向簇頭CH發(fā)送一個(gè)ISM頻段爭(zhēng)用請(qǐng)求信令I(lǐng)SM_attempt，邀請(qǐng)簇頭及其簇內(nèi)成員嘗試爭(zhēng)用ISM頻段進(jìn)行通信服務(wù)；

第二步：簇頭CH接收到eNB的ISM_attempt信令后，開(kāi)始搜索WLAN信號(hào)并決定所要爭(zhēng)用的ISM信道。接著簇頭CH按照簇內(nèi)成員所需的通信服務(wù)類(lèi)別，向其簇內(nèi)相關(guān)D2D成員對(duì)廣播ISM信道爭(zhēng)用準(zhǔn)備信令 ISM_contend_prepare，ISM_contend_prepare信令所包含的信息如表1所示。

表1　ISM_contend_prepare信令的信息位

第三步：簇內(nèi)相關(guān)的用戶接收到ISM_contend_prepare信令后。

1）如果MAC地址標(biāo)志位為1，RTS的發(fā)送者UEi將檢索自己所保存的CTS發(fā)送者UEj的MAC地址，然后直接進(jìn)入第四步；

2）如果MAC地址標(biāo)志位為0，相關(guān)D2D對(duì)用戶UEs需要通過(guò)簇頭CH交換彼此的MAC地址，UEs將所收到的其他用戶MAC地址保存在本地。

第四步：準(zhǔn)備爭(zhēng)用ISM信道的相關(guān)用戶UEs（單播或者多播業(yè)務(wù)中的RTS/CTS發(fā)送者）充當(dāng)虛擬的WLAN用戶，利用擴(kuò)展的CSMA/CA機(jī)制開(kāi)啟爭(zhēng)用信道機(jī)制：

1）RTS發(fā)送者UEi首先更新自己的RTS幀信息，將自己的MAC地址填充到RTS幀的TA位，而將對(duì)應(yīng)CTS發(fā)送者UEj的 MAC地址填充到 RA位，在 Duration位中填入ISM_contend_prepare信令中所標(biāo)示的通信業(yè)務(wù)持續(xù)時(shí)間。

2）在單播服務(wù)的信道爭(zhēng)用中，用戶UEj收到RTS幀且檢測(cè)到RA位中的MAC地址為自己時(shí)，將依據(jù)WLAN爭(zhēng)用信道流程機(jī)制，向相應(yīng)用戶UEj反饋CTS幀，CTS幀中的RA位填入對(duì)應(yīng)RTS發(fā)送者UEi的MAC地址。

第五步：如果RTS的發(fā)送者UEi成功收到其對(duì)應(yīng)的D2D用戶UEj的CTS，即D2D對(duì)UEi/UEj成果搶占ISM信道，UEi將向簇頭CH發(fā)送一搶占ISM信道的結(jié)果指示信令Result_contention。若搶占ISM信道失敗，簇將保持初始的蜂窩通信頻譜配置狀態(tài)。

第六步：如果簇頭CH接收到來(lái)自RTS發(fā)送者UEi的成功占用ISM信道指示后，簇頭CH向基站eNB發(fā)送其簇成員成功占用ISM信道的信令，其中包含使用ISM信道的持續(xù)時(shí)間。基站eNB可以在此期間，將之前分配給簇的蜂窩資源分配給其他簇用戶使用。

以上分步驟地給出了詳細(xì)的分布式ISM信道爭(zhēng)用及頻譜配置機(jī)制。所提出的機(jī)制充分利用了LTE系統(tǒng)集中控制的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于ISM頻段上的多系統(tǒng)共存問(wèn)題提供了一種有效的解決方案。下面將通過(guò)單播業(yè)務(wù)進(jìn)一步證實(shí)所提機(jī)制的時(shí)效性。

3.2單播業(yè)務(wù)場(chǎng)景實(shí)例

如圖3所示的簇內(nèi)用戶UE1與用戶UE2之間的單播業(yè)務(wù)機(jī)制圖。基站eNB邀請(qǐng)簇頭CH發(fā)動(dòng)簇內(nèi)成員爭(zhēng)用ISM信道資源，以減少對(duì)蜂窩頻譜資源的使用，從而更加有效地優(yōu)化配置現(xiàn)有的頻譜資源。基站eNB控制及簇頭輔助的D2D用戶對(duì)UE1/UE2，爭(zhēng)用ISM信道及資源優(yōu)化配置的機(jī)制如3.1節(jié)所設(shè)計(jì)的信令步驟，其中，業(yè)務(wù)類(lèi)別選擇0，MAC地址標(biāo)志位為0。

借助所提機(jī)制，LTD D2D系統(tǒng)在遵循 WLAN系統(tǒng)CSMA/CA機(jī)制的前提條件下，通過(guò)所設(shè)計(jì)的ISM_attempt和ISM_contend_prepar信令的協(xié)調(diào)管理，既保證了ISM頻譜資源的公平爭(zhēng)用，也緩解了蜂窩頻譜資源的使用緊張。基站eNB可統(tǒng)籌調(diào)度蜂窩頻譜及ISM頻譜資源，實(shí)現(xiàn)了LTE D2D系統(tǒng)與WLAN系統(tǒng)爭(zhēng)用免費(fèi)頻段的有效性及公平性。

圖3　單播業(yè)務(wù)的信令機(jī)制

4　性能分析及系統(tǒng)仿真

為評(píng)估所提機(jī)制的性能，本節(jié)將給出周密的仿真方案。因所提的分布式頻譜爭(zhēng)用及優(yōu)化機(jī)制是基于擴(kuò)展的CSMA/ CA（RTS/CTS）機(jī)制，所有的仿真參數(shù)都將參考IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)定義值，各仿真參數(shù)的設(shè)置如表2。便于突出對(duì)比所提機(jī)制與傳統(tǒng)機(jī)制在系統(tǒng)平均吞吐量及沖突概率兩方面的性能，所有的測(cè)試都將在飽和的條件下執(zhí)行，而所選用的對(duì)比機(jī)制為無(wú)頻譜優(yōu)化配置的WLAN和D2D通信模式，有頻譜優(yōu)化配置及無(wú)頻譜優(yōu)化配置的方案對(duì)比。對(duì)于仿真用戶的數(shù)量，我們做如下設(shè)置：WLAN用戶數(shù)為N1，D2D用戶數(shù)為N2且N2=2N1，即移動(dòng)用戶總數(shù)為N=N1+N2，N取（6，12，18，24，30，36，43，48）。

表2　仿真參數(shù)的設(shè)置

圖4給出了無(wú)頻譜優(yōu)化配置場(chǎng)景下，用戶爭(zhēng)用ISM信道進(jìn)行WLAN蜂窩通信和D2D通信時(shí)的性能對(duì)比。隨著用戶數(shù)量的逐步遞增，用戶間的信道爭(zhēng)用沖突加劇，將會(huì)導(dǎo)致用戶信道接入的延遲和信道利用率的降低，因此系統(tǒng)的平均吞吐量也將隨著用戶數(shù)量的增加而降低。然而，D2D通信模式無(wú)需基站或AP站點(diǎn)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)，顯著提升了用戶間的通信效率，使得D2D信道爭(zhēng)用的沖突概率和系統(tǒng)平均吞吐量的性能增益都將優(yōu)于傳統(tǒng)的WLAN通信模式.

圖5給出了新型分布式頻譜優(yōu)化配置和傳統(tǒng)無(wú)頻譜優(yōu)化配置時(shí)的性能對(duì)比，用戶既可加入WLAN系統(tǒng)爭(zhēng)用ISM信道進(jìn)行蜂窩通信，也可參與D2D簇爭(zhēng)用ISM信道進(jìn)行直接通信。隨著用戶數(shù)量的遞增，新型分布式頻譜優(yōu)化機(jī)制可實(shí)現(xiàn)蜂窩頻譜資源的節(jié)約利用，但用戶間的信道爭(zhēng)用沖突和通信延遲都將有所增加，所以新型機(jī)制的沖突概率增速大于且將超過(guò)傳統(tǒng)機(jī)制。然而，新型機(jī)制確保了頻譜資源的高效利用，因此系統(tǒng)的平均吞吐量遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)機(jī)制。但當(dāng)用戶數(shù)過(guò)大時(shí)，用戶間的信道爭(zhēng)用沖突將會(huì)急劇增大，從而新型機(jī)制的吞吐量將會(huì)降低。

圖4　無(wú)頻譜優(yōu)化配置下的WLAN與D2D通信系統(tǒng)的性能比較

圖5　新型分布式頻譜優(yōu)化配置與傳統(tǒng)無(wú)頻譜優(yōu)化機(jī)制的性能對(duì)比

5　結(jié)束語(yǔ)

為有效解決ISM頻譜上的多系統(tǒng)共存問(wèn)題，更加高效的利用現(xiàn)有的蜂窩頻譜和ISM頻譜資源。本文基于WLAN系統(tǒng)的CSMA/CA機(jī)制，提出了一種D2D簇分布式信道爭(zhēng)用及頻譜優(yōu)化配置方案，并給出了詳細(xì)信令設(shè)計(jì)步驟。通過(guò)單播業(yè)務(wù)場(chǎng)景分析驗(yàn)證了所提機(jī)制的實(shí)效性。此機(jī)制極大提升了蜂窩系統(tǒng)的頻譜利用率，也有效減弱了D2D通信對(duì)蜂窩用戶通信的干擾，增強(qiáng)了系統(tǒng)的容量性能。雖然該機(jī)制能夠有效解決頻譜資源的優(yōu)化配置等問(wèn)題，但要消耗一定的系統(tǒng)資源，并產(chǎn)生一些信道競(jìng)爭(zhēng)和通信延時(shí)等，這些問(wèn)題有待進(jìn)一步的改善和優(yōu)化。

［1］Janis P，Yu C H，Doppler K，et al.Device-to-Device communication underlaying cellular communications systems［J］. Int.J.Communications，Networkand System Sciences，2009，2（3）:169-178.

［2］Doppler K，Rinne M，et al.Device-to-Device comm-unication as an underlay to LTE-Advanced networks［J］.IEEE Commun. Mag.，2009，47（12）:42-49.

［3］Chiahao Y，Tirkkonen O，Doppler K，et al.On the performance of Device-to-Device underlay communication with simple power control［C］//In IEEE 69th Vehicular Technology Conference，VTC 2009，2009:1-5.

［4］Sesia，Stefania/Toufik，Issam/Barker，Matthew.The.UMTS Long Term Evolution:From Theory to Practice［M］.America:Wiley，2009.

［5］Wireless LAN Medium Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY）Specifications［S］.IEEE Std 802.11TM-2007.

［6］Zhou B，Ma S，Xu J，et al.Group-wise channel sensing and resource pre-allocation for LTE D2D on ISM band［C］//in Proc.IEEE WCNC，2013:118-122.

The research on a distributed spectrum configuration scheme for D2D sharing with WLAN

WANG Ya-qing，XU Bin，TAN Guo-ping
（College of Computer and Information，Hohai University，Nanjing 210098，China）

In order to solve the problem that the shortage of existing cellular resources effectively，and achieve the whole scheduling between cellular spectrum resources and ISM spectrum resources to optimize spectrum allocation of resources.In this paper，we present LTE D2D systems and WLAN systems coexist scene model.Based on a virtual extension of CSMA/CA channel access method，we define and describe a signaling mechanism which is a distributed D2D cluster spectrum contention and optimization，and combine with unicast scenario to analysis this mechanism.Simulation studies demonstrate that the new distributed spectrum optimization mechanism enables cellular spectrum resources to be utilized economically，the average throughput performance gain significantly better than traditional WLAN communication mode obviously，and it improves the spectrum resources efficiency.

D2D communications；spectrum optimization；CSMA/CA；spectrum sharing

TN929.53

A

1674-6236（2016）14-0087-04

2015-07-30稿件編號(hào)：201507193

王雅青（1991—），女，山西晉中人，碩士研究生。研究方向：無(wú)線資源管理與優(yōu)化。