超密集網絡中D2D通信的高效傳輸協議設計

王一丹 冀保峰,* 韓瑽琤(河南科技大學信息工程學院 河南 洛陽 4703)(中科院大氣物理所中層大氣和全球環境探測重點實驗室 北京 0009)

0 引 言

近年來，人們對無線數據業務量需求呈指數級上升趨勢，當前的蜂窩網系統架構已難以滿足千兆水平的數據業務量[1]。為了滿足無線通信中業務量大幅度增加的需求(即2020年的數據速率與2010年相比要提升1 000倍[2])，5G系統的研究迫在眉睫。其中大規模多輸入多輸出MIMO(Multiple Input and Multiple Output)天線技術可使頻譜效率提高10至20倍[3]，而融合毫米波通信技術的蜂窩網可提供超過100 MHz的頻率帶寬。然而大規模MIMO和毫米波通信技術會大大降低蜂窩覆蓋面積。因此，超密集網絡UDNs(Ultra Dense Networks)為該問題的解決提供了有效方案，而超密集網絡的多層覆蓋使得有線回程的部署成本劇增，且超密集多小區間的干擾加劇。因此超密集網絡的回程傳輸和干擾管理成為5G網絡的關鍵技術問題。

由于異構網絡能夠有效共享網絡資源，使得密集異構覆蓋場景成為5G系統的主流場景之一[4]。因此為了實現千兆(Mbit/s)每秒的無線傳輸速率，聯合中繼、小小區等節點部署的UDN架構即為超密集異構網絡，如圖1所示。通過利用更小和更多的特定小區，該網絡可更有效地滿足用戶需求，并提高網絡的系統吞吐量[5-9]。

圖1 典型的超密集網絡

目前，超密集網絡回程方案的研究受到廣泛關注。文獻[10]中，Coldrey等提出高頻微波回程是非視距NLOS(Non Line of Sight)環境下超密集小小區回程鏈路的可行的解決方案，并基于仿真和測量結果得出無線回程方案是超密集網絡的正確選擇。在此基礎上，Ge等[11]在兩種典型UDN回程場景下的不同頻帶對回程網絡能效的影響進行了分析，表明分布式解決方案比集中式解決方案更有優勢且適合未來的5G網絡環境。但諸多方案需要宏基站MBS(Macrocell Base Station)或特定SBS進行信源到目的端的數據轉發，該方案在傳輸過程中存在較大的路徑損耗，易導致誤碼率增大。而且，當兩個用戶距離較近時，用戶間可通過藍牙等短距離通信技術直接通信；而當兩個用戶距離較遠時，不能直接通信。使用設備到設備D2D(device-to-device)的通信功能是可以通信的，就是允許兩個相近的設備在沒有基站(BS)涉及或受限于BS的情況下在許可的蜂窩帶寬中彼此通信。這顯然是與傳統蜂窩架構的戲劇性偏離[12]。

因此本文為了進一步提高網絡吞吐量并降低系統誤碼率，提出UDN中D2D通信的新協議設計。所提的方案與現有用戶間通信技術相比其優點包括：與現有超高速無線局域網標準兼容的前提下(如IEEE 802.11AJ/AC)，當存在較多基本服務集BSS(Basic Service Set)密集覆蓋時，用戶間可通過多跳中繼來實現通信而不需MBS的轉發，從而使信源到目的端的數據傳輸更高效，該方案尤其適用于無法關聯到宏基站的情況。

由于未來通信系統超高速率的要求，使得小區之間距離較近，且用戶間的通信通常采用毫米波頻段，從而可大幅度地提升用戶間的通信速率。IEEE 802.11ac標準是第五代Wi-Fi協議，文獻介紹了該標準中新引入的多用戶MIMO及傳輸機會(TXOP，Transmission Opportunity)共享等傳輸機制[13-14]，文獻[15]又進一步比較了該技術下的動靜態帶寬接入機制，結果表明超密集網絡場景下動態帶寬機制的性能要優于靜態帶寬機制。本文所研究的新一代通信技術為IEEE 802.11aj，即根據中國的毫米波頻段而制定的下一代無線局域網標準。文獻[16]對該標準下的45 GHz信道的分布和性能進行了介紹，從中可知引入毫米波機制的無線局域網，其系統容量等性能得以大幅度提升。本文研究了用戶間通信方案的毫米波動態帶寬分配機制，并對其性能與傳統Wi-Fi進行了詳細對比和分析。

1 系統模型

在UDN場景中采用大規模MIMO和毫米波通信技術是未來5G網絡的主要技術之一。本文首先介紹兩種UDN網絡架構來分析5G無線回程網絡的吞吐量。

1.1 集中式網絡架構

集中式網絡架構如圖2所示。假設一個MBS位于宏小區的中央，SBS均勻分布在宏小區中，且SBS具有相同的傳輸功率和覆蓋面積。從圖2可以看到，小小區的業務量通過毫米波通信鏈路傳送到MBS，然后在MBS中聚合的回程業務量通過光纖到小區(FTTC)鏈路被轉發到核心網絡。S1和X2這兩個邏輯接口在集中式架構中用于轉發回程業務量。S1可看作是從先行網關到MBS用戶數據的一根饋線，先行網關是核心網絡的入口。X2使交互信息能夠在小小區之間交換。

圖2 無線回程網絡的集中式網絡架構

1.2 分布式網絡架構

分布式網絡架構如圖3所示。與圖2的集中式架構相比，沒有MBS去收集來自小小區的所有回程業務量，回程業務量被傳送到特定的SBS。假設圖3所有的SBS均勻分布在給定區域中，SBS的回程業務量通過使用毫米波通信傳送到相鄰的SBS。來自相鄰SBS的所有回程業務量會被合作轉發給一個特定的SBS，該特定的SBS通過FTTC鏈路連接到核心網絡，其中S1和X2的功能在分布式和集中式網絡架構中是相同的。

圖3 無線回程網絡的分布式網絡架構

2 UDN中D2D通信的高效傳輸協議設計

UDN的集中式和分布式解決方案可實現遠距離回程傳輸，且用戶間的信息傳輸需通過MBS或特定的SBS轉發，這將大幅度降低系統吞吐量。尤其當重疊覆蓋的密集小小區增多時，高頻傳輸的毫米波通信中斷概率會急劇增大。因此，為了解決該問題，本文提出了用戶設備間通信的增強方案。采用所提方案進行傳輸時，數據業務量無需宏基站或特定小小區基站轉發給核心網絡，可直接從信源用戶通過多跳中繼傳輸至目的用戶。

所提方案通過對接入點AP(Access Point)的信標幀和用戶的關聯請求等幀中的能力元素進行修改，在兼容現有無線局域網標準的前提下，實現UDN中多個基本服務BSS(Basic Service Set)集覆蓋的用戶間多跳傳輸方法，提高了用戶的服務質量。

具體實現步驟如下：UDN中定義IEEE 802.11ac中管理幀的子類型，即定義其信標幀中的信息元素字段中的甚高吞吐量VHT(Very High Throughput)能力元素的預留字段B30-B31中的B30或B31作為用戶設備間是否具有直接通信能力的標記，編碼“1”為具備該能力，編碼“0”則不具備該能力。IEEE 802.11ac中信標幀的能力元素結構如圖4所示，B0-B31共32個比特位，其中B0-B29的比特位是IEEE 802.11ac已經標準化的字段。本方案在兼容已有協議的前提下，對預留比特位B30-B31賦予“直接通信”能力標示，可有效實現UDN中D2D的直接通信。圖4為每個字段下的數字表示所占的比特位數目，例如B0-B1標示的“最大MAC協議數據單元MPDU(MAC Protocol Data Unit)長度”包含B0和B1共2個比特位。

圖4 802.11ac中信標幀的能力元素結構

當信源設備A和目的設備B之間距離較遠時，兩用戶設備間有多個BSS，用戶間的D2D通信采用如下方法：

發送設備A通過其所關聯的接入點AP發送的信標幀來發現網絡，并向所關聯的AP發送含有目標設備B地址信息的數據，其中信標幀中包含指示D2D直接通信能力的比特信息，即識別B30或B31的比特位，用戶的關聯幀也包含具備該能力的VHT能力元素。

AP收到該數據后，將其所在BSS存儲的用戶地址信息與接收數據中目標用戶B的地址信息進行匹配，如果匹配成功，則將數據發送給目標用戶B；如果匹配失敗，則攜帶發送用戶A數據的AP將該數據轉發給其周圍具有直接通信能力的AP，用上述的地址匹配方法繼續進行匹配。

在設定的時間周期內，如果匹配成功，匹配成功的AP逐級向上一級AP回傳結束通信的指令，直至反饋給發送用戶A；接收到結束通信指令的AP向其他其已發送數據的下一級AP發送結束通信的指令，直至所有攜帶上述數據的AP都結束通信；如果設定時間內一直沒有匹配成功，則逐級向上一級AP反饋匹配失敗的信息，直至反饋給發送用戶A，并丟棄匹配失敗的數據。

接入站點AP同時接收到多個AP發送的數據時，按設定的順序依次進行地址匹配。

按照本方案所提方法可以大大減小切換開銷，同時由于路徑損耗比較小，因此所產生的誤碼率也隨之降低。

3 毫米波通信的增強方案

本文所提的UDN中D2D通信的高效傳輸協議設計可適用于IEEE 802.11ac協議和IEEE 802.11aj協議等無線局域網協議。近年研究的IEEE 802.11ac協議的動態帶寬機制吞吐量性能要遠優于靜態帶寬機制。本文重點考慮在所提方案中引入IEEE 802.11aj毫米波動態帶寬機制，并在此基礎上與傳統Wi-Fi等Sub-6 GHz頻帶傳輸的性能進行比較和分析。

IEEE 802.11aj任務組的主要任務是根據中國的毫米波頻段制定下一代無線局域網標準，因此本文所提方法需用IEEE 802.11aj協議進行通信。IEEE 802.11aj標準分為60 GHz與45 GHz兩個頻段，60 GHz頻段標準要求與已存在標準后向兼容，而45 GHz頻段上不存在已有設備，因此不需要考慮兼容性問題。

為滿足寬帶無線接入系統頻率使用需求，中國開放了42.3～47.0 GHz和47.2～48.4 GHz頻段用于發展本國寬帶無線接入，支持540 MHz和1 080 MHz信道帶寬[17]。圖5和圖6所示分別為這兩種信道的頻譜分配。傳統的動態帶寬機制與靜態帶寬機制相比，可同時使用主信道和次信道進行數據傳輸，更好地利用了信道。但也存在著缺陷，例如當主信道繁忙時，次信道不可用。因此在毫米波動態帶寬機制中，由于45 GHz頻段不需要考慮設備的前向兼容性，可以在主信道繁忙時，將數據接入次信道進行傳輸。從而可大幅度提高頻譜利用率。

圖5 IEEE 802.11aj 540 MHz信道l

圖6 IEEE 802.11aj 1 080 MHz信道

4 仿真結果分析

本節將通過MATLAB軟件環境進行仿真實驗，以驗證所提方法與已有方法的性能差異，突出了所提方案的優勢。

4.1 UDN中D2D通信的優勢

分布式解決方案已經在一定程度上能改善了通信質量，但仍存在轉發開銷的問題。本文提出UDN中D2D通信的新方法，能解決轉發開銷的問題，降低誤碼率，進一步提高通信質量。

本節采用最小均方誤差MMSE(Minimum Mean Square Error)預編碼方法，對所提方案與集中式方案和分布式方案進行仿真比較。仿真頻段為45 GHz毫米波頻段，波長為λ=6.7 mm，采用瑞利信道模型，散射體數Sk=12，子陣列天線單元間距d=0.5λ[18]。假設傳播路徑的到達角和離開角服從[0,2π)的均勻分布。

圖7和圖8給出了所提方案與采用現有回程解決方案通信的誤碼率和吞吐量的比較。圖中橫坐標SNR表示信噪比，縱坐標BER表示誤碼率，Throughput表示吞吐量。

圖7 所提方案與集中式方案和分布式方案的誤碼率的比較

圖8 所提方案與集中式方案和分布式方案的吞吐量的比較

從圖中可以看出，采用毫米波頻段通信時，所提方案的誤碼率和吞吐量明顯優于集中式方案和分布式方案。雖然分布式方案優于集中式方案，但仍然與所提方案有差距。這是由于在用戶間直接通信時，不需要MBS或特定的SBS進行轉發，降低了中間基站的負載，路徑損耗降低，因此傳輸過程中錯傳或漏傳的概率降低，通信的網絡吞吐量也得到提高。

4.2 毫米波動態帶寬機制的優勢

采用45 GHz毫米波頻段進行通信時，需要考慮帶寬接入機制，不同的帶寬接入機制對信道的吞吐量和能效都有一定影響。圖9和圖10為所提毫米波動態帶寬接入機制與傳統動態帶寬接入機制的吞吐量和能效的比較圖。設置仿真參數如下：幀長度為10 000 B，空閑功率和發送功率分別設為20 MW和100 MW，仿真次數為3 000。圖中物理數據速率標識值代表物理層數據速率抽樣從小到大抽取8組數據。

從圖中可以看出，當物理層數據速率增加時，信道吞吐量和能量效率也呈增加趨勢，而且毫米波動態帶寬接入機制的吞吐量和能量效率都優于傳統帶寬接入機制。

圖9 毫米波動態帶寬接入機制與傳統動態帶寬接入機制的吞吐量的比較

圖10 毫米波動態帶寬接入機制與傳統動態帶寬接入機制的能量效率的比較

5 結 語

5G網絡有望于實現無線業務量的快速增長，其中毫米波通信和UDN技術可以使5G網絡達到千兆傳輸速率。本文設置兩種典型的UDN場景對已有的無線回程解決方案進行分析，提出了UDN中D2D通信高效傳輸協議設計。此通信方案在已有方案的基礎上進一步降低誤碼率，提高網絡吞吐量，使數據傳輸更高效。本文的最后考慮在所提方案中使用毫米波通信機制，并提出其動態帶寬接入機制，進一步改善通信的服務質量。

仿真結果表明采用毫米波頻段通信時，所提的UDN中高效傳輸協議設計方法與集中式方案和分布式方案相比，誤碼率更小、吞吐量更高。毫米波動態帶寬接入機制與傳統機制相比，其吞吐量和能效也有所改善。然而，在這篇文章中，所提方法沒有考慮UDN中的干擾問題，可以作為未來研究的主題。

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