基于D2D通信模式的移動用戶新型內容分發機制探究

石 玉，魏勝利

（安陽工學院計算機科學與信息工程學院，河南 安陽 455000）

0 引言

日益增長的多媒體業務使已處于高負荷狀態運行的通信網絡進一步加重了負擔。如何進一步提升網絡容量，優化網絡性能，是需要重點解決的問題之一。設備間直接通信（D2D Communication）作為5G通信中的一項關鍵技術，通過在基站集中式控制模式中引入分布式異構網絡，實現數據分流，可以有效地進一步提升通信網絡的吞吐量。所謂設備間直接通信，是指位置臨近的終端設備之間直接進行數據傳輸而無需通過基站轉發的通信方式。D2D(device to device)通信工作在有效頻段上，相比WIFI等其他通信方式可靠可控[1]。

現如今，用戶對于數據的消費形式逐步由網頁新聞等短幀數據形式向視頻、微視頻等大文件數據傳輸方式轉變。根據內容流行程度著名的冪律分布定律，流行程度排名前20%的內容擁有80%的用戶，因此，用戶群獲取內容具有一定的重復性[2]。如果用戶作為本地存儲可以將某些內容存儲起來，并通過D2D通信技術直傳給其他用戶而無需再從基站處請求下載，基站負荷則會減小。幸運的是，隨著移動終端存儲價格不斷降低，存儲容量不斷擴大，使得終端自身存儲內容并分享給通信范圍內的其他用戶成為可能。若需求用戶可通過相臨近的緩存數據用戶直傳數據，不再通過基站請求下載，既可降低基站的數據傳輸負荷，也可借助分布式直傳進一步提升現有蜂窩網絡的容量。

第三代合作伙伴計劃3GPP組織已在release 13協議標準中完善了基于應用程序發起的設備間直接發現（Discovery）和設備間直接進行通信的具體過程，保證了需求用戶不僅可以發現地理位置上臨近的其他用戶，還可以進一步發現這些用戶是否存儲有需求用戶所需的內容[3]。Release13系列標準可以保證用戶處于靜止狀態下實現設備間直接進行通信。然而，當用戶處于移動狀態時，若需求用戶移動出發送數據用戶的通信范圍，直接內容傳輸中斷，接收數據的需求用戶大概率因為通信時間持續過短而導致數據接收不完整，無法達到數據直傳獲取內容的效果。

針對以上問題，本文提出了一種基于D2D通信技術的多對一進行數據直接傳輸的實施方案，并給出了一種在3GPP協議支持下兼容現有內容分發機制的具體實施過程。該過程可以有效降低用戶處于移動狀態時數據傳輸失敗的概率，有效提升系統吞吐量的同時保證數據的完整傳輸。需求用戶首先通過discovery發現過程找到附近的哪些用戶存儲有自己想要的內容。確定存儲有需求內容的用戶后，存儲有需求內容的用戶根據自身意愿幫助需求用戶進行數據傳輸。每個存儲有需求內容的用戶隨機選擇內容傳輸起始點，在保持通信的時間內向需求用戶傳輸數據。需求用戶通過整合各個幫助用戶傳來的數據保證接收。若傳輸結束后數據接收仍舊不完整，未接收部分再由基站發送，從而完全保證數據的完整接收。

1 新型內容分發機制

此前已有部分工作研究了不同形式的內容分發過程。文獻[4]提出了一種基于簇的內容分發方案，利用D2D多播通信縮短內容分發時間。文獻[5]通過合理選擇基站傳輸速率和用戶群，優化了移動用戶內容分發的系統容量。文獻[6]將用戶社交特性考慮到內容分發過程中，利用社會關系建立圖網，實現多文件的分發。文獻[7]提出了用戶緩存內容實現局部分發數據的方法。以上工作分別從引入D2D通信和用戶緩存數據角度提出了網絡性能提升方法，然而并未考慮用戶移動性。

針對用戶因移動而導致大概率數據直傳失敗的問題，本文采取多個用戶同時幫助一個用戶進行數據傳輸。考慮到現有的標準規范中只支持單個用戶對單個用戶實現直接通信，本文提出的新型內容分發機制將深入具體的基站和用戶間的交互機制，以及用戶和用戶間的交互機制，進而提出一種兼容可行的多對一新型內容分發機制，保證傳輸效果。

首先對多用戶對單用戶幫助內容分發的工作場景做簡要介紹，然后分別基于多用戶間發現過程，通信建立、持續過程以及關鍵節點的傳輸設計進行詳細論述。

1.1 工作場景

如圖1所示，中心用戶MT1是需求用戶，需要獲取某個內容。各個用戶均處于移動狀態下。當前時刻用戶MT2、MT3、MT4和MT6處在MT1的通信范圍內，MT5處在MT1的通信范圍外。因通信范圍的限制，MT5無法接收MT1的信息。MT2、MT3、MT4和MT6雖然都處在需求用戶MT1的通信范圍內，但并非所有臨近節點都存儲有MT1用戶所需的內容。（假設圖示各用戶均存儲有不同的內容，但用戶中只有MT2和MT3中存儲有MT1用戶想要的內容。）

1.2 多用戶間的互相發現過程

在進行數據傳輸前，MT1需要知道處在其通信范圍內的哪些用戶存儲有自己想要的內容，并且可以幫助傳輸。3GPP協議中已經對基于地理位置的發現過程做了詳細的定義[8]，即MT1可以通過判斷地理位置是否臨近知道MT2、MT3、MT4和MT6四個用戶的存在。然而，基于此種發現方式，MT1無法進一步知道處在自己通信范圍內的哪些用戶含有自己想要的內容。值得一提的是，3GPP技術文檔TS 23.003中定義了一種新的發現方式——基于應用的發現。這種發現方式在發現請求信令消息中增加了ProSe Application ID域[9]，保證了MT1在請求幫助發現附近的用戶時，被發現的用戶既可以處在自己的通信范圍內，又存儲有需求用戶需要的內容。

圖1 多對一內容分發場景

結合圖2，新型多用戶間的發現機制描述如下。發現過程由MT1（需求用戶）發起。MT1首先向ProSe服務器（e.g.基站）發送請求信息[10]。若ProSe服務器包含有該用戶的注冊信息，則直接返回用戶發現應答消息；若ProSe服務器不包含該用戶的注冊信息，ProSe服務器則向用戶歸屬服務器（HSS）發送身份認證查詢，認證成功后將該用戶認證信息保存后，再向MT1發送發現應答消息[10]。應答信息中包含著ProSe服務器為其分配的申請碼（ProSe Application Code），以及該申請碼的有效期。

圖2 發現請求過程

以上過程完成后，MT1成功向ProSe服務器進行了發現申請，并等待發現開啟。

與此同時，其他存儲有各種內容的用戶（MT2，MT3，MT4，MT6）根據自身意愿向ProSe服務器發送監聽申請。申請過程步驟與第一用戶請求發現過程類似。不同的是，存儲有內容的用戶申請成功后，獲得的是ProSe服務器為其分配的發現過濾器（ProSe Application Filter）[11]。該發現過濾器由ProSe服務器根據該用戶存儲的具體內容一一對應生成。

MT1和其他幫助用戶(MT2、MT3，MT4，MT6)均完成請求過程后，MT1向臨近的用戶廣播ProSe服務器為其分配的申請碼。其他用戶收到該申請碼后，即會與自身獲得的發現過濾器進行部分或完整比對。若可以通過比對校驗，則說明該設備中存儲有MT1需要的內容，成功發現可以進行幫助數據直傳目標。由于只有MT2和MT3用戶存儲有MT1用戶所需要的內容，因此MT2和MT3用戶所獲得的發現過濾器可以匹配MT1用戶的廣播申請碼。MT4和MT6用戶因存儲內容不符而匹配失敗，未被發現。我們稱MT2和MT3用戶為直傳幫助用戶。

1.3 通信過程

發現過程完成后，MT1和MT2、MT3成功互相發現。MT1向MT2、MT3發送直接通信請求消息。通信雙方進行授權認證后，由ProSe服務器分配用于數據傳輸的資源，MT2和MT3用戶隨機選擇起始位置開始進行數據傳輸。

圖3 通信建立、持續過程[12]

1.4 傳輸設計

本文中我們提出多個用戶同時幫助一個用戶進行數據傳輸。由于目前技術只支持一對一直接通信，設計需兼容多個直傳幫助用戶并發向需求用戶傳輸。為保證傳輸完整性，傳輸時要求每個幫助直傳的用戶分別傳輸內容的不同部分。因此，需求用戶需告知每個幫助直傳用戶需傳輸的內容的起始位置和終止位置，并給予不同幫助直傳用戶以不同的身份標識。在參考傳輸過程中RRC層及MAC層所做的處理后，本文決定在MAC層幀結構中通過使用預留標識位完成標識工作。

3GPP協議MAC層TS 36.321標準文檔中記錄了MAC層數據包各個控制域的詳細信息。MAC層載荷部分的控制元素和MAC層頭部的各個子頭部一一對應。各個子頭部中均有一個LCID域。LCID是一個區域設置標識符。LCID域的功能如表1所示。

可以看到，LCID控制域中01001-11000位為保留位。因此，可以啟用控制域的保留位作為直傳幫助用戶身份標識指示，每個直傳幫助用戶對應一組保留位。如MT2采用01111作為身份指示，MT3采用10001作為身份指示。為方便標識直傳幫助用戶傳輸內容的起始和終止位置，將需求的內容整體看作單位“1”，則可將傳輸內容起止處以百分比形式表示，通過將起止位置處百分比折合成二進制形式表示，放入LCID身份指示對應的MAC數據域中進行傳輸，則可完成數據起止位置標識。如：MT3需完成需求內容50%處至80%處數據段的傳輸，則可獲得發送起始位置標識符為00110010，發送終止位置（80%）標識符為01010000。

表1 LCID位指示[13]

數據傳輸過程結束后，MT1發起通信鏈接拆除請求，鏈接拆除后，通信資源釋放，內容分發過程結束。

2 結束語

本文介紹了基于3GPP協議的多個用戶同時幫助一個用戶進行數據傳輸的內容分發方案。該方案解決了處于移動狀態下的用戶通過D2D通信滿足用戶內容需求的問題，有效地降低了蜂窩網絡負荷的同時，保證了需求用戶數據接收的完整性。