5G無線網絡中D2D通信的輔助路由算法*

李 鑫

（南京郵電大學，江蘇 南京 210000）

0 引 言

第五代移動通信系統（5G）承諾，通過提供更高密度的移動寬帶用戶、支持端到端通信、超可靠和大規模的機器型通信來革新蜂窩通信[1]。

端到端（D2D）通信是一種可擴展基站覆蓋范圍的技術。一些研究人員一直在討論在長期演進（LTE）中應用D2D的優缺點。事實上，重新思考移動通信體系結構，似乎是減少維護成本和提供創新服務部署的基礎[2]。這項工作中，提出了NAR（網絡輔助路由）算法。該算法設計用于在一小組基站因不可控原因而無法工作時為該區域提供D2D通信。與其他方法不同，NAR算法在為移動設備分配資源塊來定義路由時，考慮了信道質量。

作為參考，將NAR與文獻[3]中提出的基于負載均衡的選擇性點播多路徑距離矢量算法（LBSAOMDV）進行比較，將兩種算法在SimuLTE[4]（基于OMnet++）中予以實現。結果表明，所提方案節能提高35%，發送數據包數量增加15%。

文章結構如下：第1部分介紹相關工作；第2部分介紹NAR算法；第3部分介紹仿真情況；第4部分比較兩種算法；第5部分總結。

1 相關工作

當前，D2D通信吸引了越來越多的業界和學術界的關注。文獻[5]中，Asadi等人描述了各種類型的D2D通信。

Sharma等人設計了一種有效算法來平衡不同層級單元之間的負載，從而允許更多用戶同時訪問資源[6]。

Yuan等人提出了一種干擾感知路由（IAR），用于減少基站造成的D2D干擾，而路由過程沿著基站小區的邊緣[7]。同時，Ren等人也提出利用干擾感知路由來減少傳遞消息時的跳數[8]。

Lee等人提到，蜂窩和D2D通信實體之間的干擾可能在共享相同資源時發生[9]，因此提出了一種減少設備之間可能干擾的資源分配方案。

Melki等人在文獻[10]中基于干擾避免方法，提出用于多跳D2D路由的無線資源分配。

文獻[11]通過優化信道重用和功率分配，為多跳D2D系統提供了一種新的節能多跳路由算法。

最后，Tata和Kadoch[3]提出了基于負載均衡的選擇性點播多路徑距離矢量算法（LBS-AOMDV），用于計算兩個端點之間的多路徑路由。LBSAOMDV在第3部分討論。

本文方案與以往提案不同，通過分析信道質量選擇最佳路由，提出了一種基于基站來管理和定義D2D通信中使用的路由的路由算法。

2 NAR——網絡輔助路由算法

當一小部分基站由于不可控因素而面臨技術故障時，NAR可為該區域提供D2D通信。但是，NAR算法需要至少一個活動基站。NAR使用貪婪的啟發式方法來執行資源分配，使用參數化閾值內的最短路徑和信道質量指標（CQI）定義基站和移動設備之間的多跳路由，且允許基站在小區內不同移動設備之間管理路由，尋求更好的干擾管理、更好的資源利用率和更小的功耗。

D2D通信采用以下方式進行：（1）小區的每個用戶設備（UE）在接收到分組轉發請求時，向基站請求一個路由，用于D2D通信以轉發分組；（2）基站分配資源塊（RB）并定義哪個UE將參與該路由，確保所有設備使用相同的資源塊；（3）在分配資源后，向請求的UE發送消息，通知負責轉發分組的設備；（4）接收到通知后，使用定義的資源塊發送數據；（5）直接在UE之間交換數據；（6）發起UE關閉傳輸，并釋放資源塊。

算法1：NAR在算法

當eNB（基站）從UE接收到用于執行D2D通信的請求（RROUTE）時開始。運行Dijkstra算法以找到eNB和移動設備（eUE）之間的最短路徑，請求分組（SREQ）從eNB發送到eUE。

在發送響應（SREP）前，UE向其所有相鄰的設備廣播生命期（TTL）為1的Hello消息（Hellomsg）。接收到該消息的每個設備都會返回其信道質量。子路和CQI通過SREP響應分組被發送到eNB。RREQTX和RREQRX屬性用于存儲開啟和關閉值，以確定UE是否已收到路由消息。為了確保無循環的多個路由，每個設備發送RREQ，以將RREQTX屬性設置為關閉。另外，接收數據包的每個UE必須將RREQTX屬性設置為關閉狀態。

對eNB而言，它不會將RREQTX設置為關閉狀態，直到它將RREQ發送給其所有選定的子路。類似地，UE并未將RREQRX設置為關閉狀態，因為它沒有從其所有選擇的子路接收到RREQ作為多路由的一員。但是，eNB必須只發送（RREQ）給它的子路。因此，每個設備必須選擇RREQ路由到最佳子路。

算法2：資源分配算法

算法2給出了執行資源分配的貪婪啟發式算法。一旦UE收到RREQ，它就會響應RREP路由響應。RREP添加有關信道CQI的簡單信息，允許選擇到多個路徑的路由。在定義多個路徑后，執行資源分配過程。其中，UE的每個路由請求（RROUTE）被定義為具有不同資源塊的兩個路由，一個用于D2D通信的路由，另一個在路線發生故障時作為輔助路由。

NAR主動為D2D通信選擇多條路由，并在收到路由請求（RROUTE）后選擇相應路由。

3 LBS-AOMDV算法

將NAR與基于負載均衡的選擇性點播多路徑距離矢量算法（LBSAOMDV）進行比較[3]。簡單來說，LBS-AOMDV定義了通過異構網絡實現D2D通信的多路徑路由。LBS-AOMDV的一個特殊性是，提供關于多路徑內每條路由的可用帶寬信息。此外，它通過減少接收RREQ請求的節點數量減少控制流量。這是可行的，因為RREQ發送者選擇能夠接收分組的節點。

該算法轉發來自源的RREQ，以查找目的地。發送者不使用泛洪，而是選擇其子路中的最佳路徑作為RREQ接收器。式（1）描述了最好的子路的定義：其中(pr,ci)表示父節點pr與其子ci之間的距離，而R表示網絡中節點的覆蓋范圍。

父節點pr的最佳子節點cb是可以向其父節點提供最佳帶寬數量（BestBW）的節點。BestBW的數量取決于pr子路的可用帶寬。

4 基準

4.1 信道質量

為了比較NAR算法與其他算法，分析以下指標：信道質量、能量消耗、發送和丟失的信息。

為了評估通信信道質量，移動設備根據蜂窩信號電平測量結果發送信息。CQI的信息很重要，因為它可以用來衡量通信的覆蓋范圍。圖1描繪了通信信道質量與移動設備之間的距離（米）之間的關系。結果表明，距離小于80 m時，擁有良好的信道質量。較高的CQI值，表示較好的信道質量。

圖1 信道質量指標x距離

4.2 能量消耗和消息傳遞率

評估數據包傳輸和路由間的能耗（不考慮控制包），結果如表1所示。

表1 NAR和LBS算法包和能耗對比

此外，根據發送和丟失的消息來評估交付的性能。在考慮仿真場景時，NAR比LBS-AOMDV多發送約15%的消息（數據包）。與LBS-AOMDS相比，NAR的節能提高約35%。結果表明，NAR算法可以為D2D通信定義更好的路由，同時降低干擾風險。

5 結 語

提出了路由D2D通信中的輔助路由算法（NAR）。NAR依賴于至少一個基站，能降低相鄰模塊間通信產生的干擾風險，同時提高蜂窩頻譜的利用率。利用SimuLTE進行實驗，比較NAR與LBS-AOMDV兩種算法。結果表明，輔助路由算法NAR的節能較LBS-AOMDV提高35%，發送數據包數量增加15%。