基于D2D的電力物聯(lián)網(wǎng)及其組播重傳技術

黃強 秦劍華 胡成博 路永玲 陶風波 王真

摘要：針對基于資源競爭與應答重傳的傳統(tǒng)自組網(wǎng)無法滿足電力物聯(lián)網(wǎng)需求的問題，提出了一種新型的基于蜂窩基礎設施的無線自組網(wǎng)架構。該方案融合終端間直接通信（D2D）與自組網(wǎng)技術，利用集中式資源調度與終端間互相協(xié)作的優(yōu)點，可以大幅縮短網(wǎng)絡部署時間，提升網(wǎng)絡魯棒性。同時，考慮D2D簇內各終端的蜂窩網(wǎng)鏈路的陰影衰落具有強相關性，從而在某些場景中存在接收節(jié)點都譯碼失敗的情況，現(xiàn)有重傳方案效率不高。為解決此問題設計了協(xié)作簇內快速重傳方案。新方案無需基站重傳，而由終端間的協(xié)作傳輸和軟信息合并完成組播重傳，從而極大地提升了電力自組網(wǎng)的傳輸效率和魯棒性。仿真結果表明，所提方案在這種場景中平均重傳次數(shù)和傳輸時延性能都得到了改善。

關鍵詞：無線自組網(wǎng);蜂窩網(wǎng)絡;電力物聯(lián)網(wǎng);終端直接通信;D2D

DOI：10.15938/j.jhust.2021.05.016

中圖分類號：TM76 文獻標志碼：A 文章編號：1007-2683（2021）05-0124-06

0 引言

智能電網(wǎng)是電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，而電力物聯(lián)網(wǎng)是智能電網(wǎng)中的關鍵技術，圍繞電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)充分應用先進通信技術，實現(xiàn)發(fā)、輸、變、配、用、調等各類設備和人員的全景感知、泛在接入[1-2]。這要求高性能的電力通信網(wǎng)絡作為支撐，對網(wǎng)絡的可靠性和魯棒性有很強的要求。以無中心無基礎設施為特征的無線自組網(wǎng)（Ad hoc）技術，例如基于WiFi、ZigBee、藍牙等的Mesh網(wǎng)絡[3]，在電力設備監(jiān)控等應用中已經(jīng)有了廣泛的研究。

除了Ad hoc網(wǎng)絡，有基礎設施的蜂窩移動通信網(wǎng)絡（如GSM、WCDMA、LTE等）是另一種廣泛應用的構架。這兩種架構的設計思想完全不同，因此具有各自的特征和適用場景。針對這兩種網(wǎng)絡架構各自的優(yōu)勢與不足，一種可行的方案是將Ad hoc網(wǎng)絡與蜂窩網(wǎng)絡相融合。機會驅動多路訪問（ODMA）技術[4-5]是3GPP在3G時代提出的一種傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)與Ad hoc結合的接入技術。在ODMA網(wǎng)絡中既有基站接入，也允許用戶互相中繼，終端可以靈活選擇蜂窩單跳工作方式或終端間多跳工作方式。文[6]在研究應急通信自組網(wǎng)技術時，也提出了集成蜂窩網(wǎng)和Ad hoc網(wǎng)絡的混合式無線通信網(wǎng)絡的構想，在基站受損時終端自動轉換到Ad hoc模式工作。文[7]探討了寬帶蜂窩網(wǎng)絡在安全領域的局限性，進而提出在無基礎設施時通過終端間中繼的方式實現(xiàn)自組網(wǎng)。但是現(xiàn)有文獻都沒有涉及具體的方案，而且所提構想僅是兩種網(wǎng)絡的簡單結合，不能完全利用兩者的優(yōu)勢。

在Ad hoc自組網(wǎng)與蜂窩網(wǎng)融合方面，終端直通（D2D，Device-to-Device）是一種很有潛力的5G增強技術，是解決無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)量快速增長帶來的頻譜資源緊張、網(wǎng)絡負擔加重等問題的一種重要技術途徑[8-13]。D2D不需要基站作為中繼，允許終端之間通過復用基站的無線資源直接進行通信。D2D技術的優(yōu)點主要有：減輕基站負擔、增加網(wǎng)絡吞吐量、能提供更可靠和更大容量的數(shù)據(jù)傳輸通道等。

D2D已經(jīng)在電力無線通信領域獲得了較多應用。文[2]研究了能源互聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的總體架構、關鍵技術等，提出以D2D為代表的5G關鍵技術在電力天地互聯(lián)中的應用前景，特別是D2D可支持泛在物聯(lián)網(wǎng)對海量測量、音視頻維檢作業(yè)，甚至電力虛擬現(xiàn)實等應用。視頻的廣播或組播業(yè)務可借助無線信道天然的廣播特性來高效地實現(xiàn)，同時還可利用D2D的特性優(yōu)化重傳流程，降低基站負擔，節(jié)約無線頻譜資源[11-12]。無線組播將同一內容同時傳播給多個接收者，非常適合數(shù)據(jù)分發(fā)和音頻視頻播報等應急通信應用。

本文以一個電力物聯(lián)網(wǎng)音視頻巡檢場景為例，研究蜂窩無線網(wǎng)絡中采用D2D實現(xiàn)自組網(wǎng)的融合架構，并在此基礎上，針對此架構中的組播重傳提出一種優(yōu)化方案。

1 新型蜂窩D2D自組網(wǎng)及模型

1.1 新型蜂窩D2D自組網(wǎng)

考慮一個電力物聯(lián)網(wǎng)中的維檢現(xiàn)場作業(yè)場景：一隊工作人員配備音視頻通信終端，在現(xiàn)場區(qū)域構建一個自組網(wǎng)，隊員之間可互相直接通信，亦可多跳傳輸，自組網(wǎng)終端亦可是由隊員遙控的巡檢無人機。維檢工作人員處于一個蜂窩基站覆蓋之下，通過由基站和5G核心網(wǎng)中配置的專屬通道與智能電網(wǎng)應用平臺的控制中心連接。維檢小隊通過音視頻向控制中心報告現(xiàn)場情況，并接受控制中心維檢專家的遠程指揮和作業(yè)指導。這種下行數(shù)據(jù)流適合使用組播業(yè)務進行傳輸。

圖1 新型基于蜂窩D2D的自組網(wǎng)

針對上述場景，本文提出一種新的蜂窩D2D自組網(wǎng)。如圖1所示，由基站、蜂窩網(wǎng)終端C1和D2D簇構成，其中D2D簇由地理上彼此接近的終端D1、D2、D3和D4組成，簇內終端可以互相直接通信，或經(jīng)多跳通信（如圖中D2與D4之間經(jīng)D1通信）。簇內終端可處于蜂窩基站覆蓋范圍之外（如圖中D4），通過D2D實現(xiàn)覆蓋擴展。當某終端與D2D簇地理上較遠無法加入D2D簇時（如圖中C1），其通過基站間的蜂窩鏈路與其他終端通信。

1.2 新型蜂窩D2D自組網(wǎng)模型

在上述蜂窩D2D自組網(wǎng)中，定義D2D協(xié)作簇由N個終端構成集合V={D1，D2，…，DN}，終端位置隨機分布，空間位置服從泊松點分布，滿足密度為λ的λ泊松點過程。

設終端Di接收基站下行信號的SINR為

γi=PtPLi/（li+σi2）（1）其中：Pt、li和σi2分別為基站發(fā)射功率、干擾功率和噪聲功率;PLi為路徑損耗，可表示為PLi=Adi-αXiΨi，在對數(shù)域可寫為PLi=Yi+Ψi+Xi，Yi=A+αlndi，其中Yi是大尺度傳播損耗，Ψi為陰影衰落，Xi是小尺度瑞利衰落效應，且Xi、Yi與Ψi相互獨立。A和α是確定傳播模型的常數(shù)：A與參考點的位置選擇有關，α是衰減指數(shù)的10倍，di表示終端與基站間的距離。小尺度瑞利衰落Xi服從負指數(shù)分布。陰影衰落Ψi主要受地貌和障礙物影響，服從對數(shù)正態(tài)分布，在對數(shù)域，其概率密度函數(shù)為其中σ為陰影效應標準差。

1.3 型新型蜂窩D2D自組網(wǎng)優(yōu)勢

新型蜂窩D2D自組網(wǎng)充分利用了5G通信網(wǎng)絡“三高兩低”的優(yōu)勢，即高速率、高容量、高可靠性、低時延與低能耗[2]，完全匹配泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的需求，為實現(xiàn)智能電網(wǎng)提供了技術保障。從上述的蜂窩D2D自組網(wǎng)模型，易知D2D簇內終端間距離大幅減小，提升了接收信號能量;另一方面，借助蜂窩網(wǎng)時頻資源集中控制分配的優(yōu)勢，減少終端間干擾，可避免Ad hoc中分布式資源競爭機制存在的干擾管理效果不佳的問題。因而，在蜂窩D2D自組網(wǎng)中，無線信號的SINR有很大改善，即可提升終端間傳輸速率，又可通過降低發(fā)射功率達到節(jié)能的效果。

新型蜂窩D2D自組網(wǎng)在網(wǎng)絡拓撲管理方面也具有很強的優(yōu)勢。在Ad hoc網(wǎng)絡中，分布式的網(wǎng)絡拓撲和路由機制使得拓撲管理和路由維護變得特別低效、繁瑣和復雜[11]。但是，在所提的蜂窩D2D自組網(wǎng)中，利用蜂窩網(wǎng)集中管理的優(yōu)勢，由基站實現(xiàn)全局優(yōu)化的資源分配、調度與路由，避免了Ad hoc在拓撲和路由管理方面的難題，簡化了網(wǎng)絡設計，提高了資源利用率。

2 蜂窩D2D自組網(wǎng)中的組播優(yōu)化

無線組播將同一內容同時傳播給多個接收者，非常適合數(shù)據(jù)分發(fā)和音頻視頻播報等應急通信應用。當某些接受者未能正確接收組播數(shù)據(jù)包時，需要重傳該數(shù)據(jù)包。本節(jié)在所提蜂窩D2D自組網(wǎng)架構下提出一種改進組播效率的方案。

2.1 已有組播重傳方案

在3GPP中，定義了一種基本的重傳方案。在該方案中，當某終端未能正確接收組播數(shù)據(jù)包時，由基站向該終端重傳數(shù)據(jù)[8]。此方案為基準方案，效率較低。以下簡稱為方案1。

在D2D組播中，基站可以用較高的速率向全簇終端組播相同的數(shù)據(jù)包，該組播速率不必確保簇內所有終端的正確接收。簇中成功接收的終端可用D2D鏈路向未能成功接收的終端重傳該數(shù)據(jù)包。這樣不但可大幅增加組播吞吐量，而且，由于短距離的D2D鏈路具有更好的信道質量，能支持高速率重傳，從而大幅提升組播傳輸?shù)男蔥8]。以下將此方案稱為方案2，過程如下：

第1步：基站向小區(qū)內組播用戶傳輸一組數(shù)據(jù);

第2步：正確接收的終端反饋確認標識ACK，未正確接收的終端反饋出錯標識NACK;

第3步;D2D簇內的ACK終端向NACK終端重傳數(shù)據(jù)，直到所有終端都正確接收，或超過最大重傳次數(shù)，請求基站重傳。

在此方案中，利用D2D鏈路可實現(xiàn)D2D自組網(wǎng)中高效的組播數(shù)據(jù)重傳。但是，在此方案中，重傳只能由ACK終端向NACK終端發(fā)送，未能利用NACK終端接收數(shù)據(jù)中的信息，因此效率仍有提升空間。

2.2 D2D簇陰影衰落強相關性

對于地理上互相接近的D2D終端，它們到基站的路徑上可能存在相同的障礙物遮擋，因此經(jīng)歷相同的陰影衰落，即基站到同一D2D簇的鏈路間陰影衰落具有很強的相關性。陰影衰落相關系數(shù)主要取決于角度和距離：鏈路間的夾角越小則相關系數(shù)越大;終端間的距離越近則相關系數(shù)也越大[12]。

考察一個蜂窩無線鏈路，根據(jù)編碼方案和誤塊率（BLER）目標，存在 SINR門限γmin，當其信干噪比γ小于γmin時發(fā)生中斷，即D2D終端不能正確解碼數(shù)據(jù)包。結合式（1）與式（2）有中斷概率

對D2D簇內的多個終端，由于它們的蜂窩鏈路間陰影衰落具有強相關性，特別是當基站與簇之間有較大障礙物或建筑物時。此時，在式（3）中，終端與基站間距離d、衰減指數(shù)α、陰影衰落影衰落Ψ都有十分相近的特性和取值，決定終端的中斷概率。因此，在D2D簇內，當其中一個鏈路中斷時，另一鏈路中斷概率并不獨立，有

簇內所有終端同時中斷的情況可從上式擴展，雖然此時不易得出其閉合表達式，但可以通過數(shù)值仿真的方法得出中斷概率。圖2為一組仿真結果，仿真檢驗了陰影衰落對簇內多個終端都不能正確接收基站組播包（NACK）的概率，比較了自由傳播為主（場景1）與D2D簇與基站間存在遮擋物（場景2）時終端發(fā)生全NACK的中斷概率。調整MCS格式使得單個終端NACK的概率為50%。仿真?zhèn)鬏?0000個組播數(shù)據(jù)包，統(tǒng)計數(shù)據(jù)包傳輸時發(fā)生NACK的終端的比率。

由仿真結果可以看出，與場景1相比，在場景2中，多終端發(fā)生NACK的概率有較大幅度的增加。其中，3終端全NACK的概率由18%增加到了27%;5終端全部NACK的概率由6%增加到19%。

上述分析及仿真結果表明，在某些條件下D2D簇易發(fā)生所有終端都無法正確接收蜂窩組播數(shù)據(jù)的情況。此時，方案1和2都不可避免地要從基站進行重傳，導致額外的資源消耗，從而降低了網(wǎng)絡吞吐量。因此，有必要研究在陰影衰落相關性較強的場景中提升組播重傳優(yōu)化方法。

2.3 D2D簇陰影衰落強相關性

本為解決上述問題，本文提出一種改進的組播重傳方案。該方案的基本原理是，利用軟信息合并機制，在D2D簇中進行協(xié)作傳輸，充分利用簇內終端已經(jīng)接收到的數(shù)據(jù)中的信息，提升組播效率。當接收數(shù)據(jù)在解碼失敗的情況下，其中依然包含有一定的信息。軟信息合并利用這部分信息，將錯誤數(shù)據(jù)包保存在存儲器中，并與后續(xù)接收到的重傳數(shù)據(jù)包進行合并，得到一個比單獨解碼更可靠的數(shù)據(jù)包，即“軟合并”過程，然后對此數(shù)據(jù)包進行解碼。而且，由于多個重傳復本經(jīng)歷不同的信道條件，使得軟信息合并解碼獲得了部分分集增益，進一步提高了傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

新方案的優(yōu)化重傳過程如下：

第1步：基站向組播用戶傳輸一組數(shù)據(jù);

第2步：未正確解碼的終端反饋NACK;

第3步：簇內終端向NACK終端組播自己收到的數(shù)據(jù)包，包括NACK終端也將自己未正確解碼的數(shù)據(jù)包向其他NACK終端組播;

第4步：NACK終端接收到多個組播數(shù)據(jù)包后，使用軟信息合并，解碼組播數(shù)據(jù)包;

第5步：如果解碼成功，則結束;否則返回第3步，直到所有終端都正確接收，或超過最大重傳次數(shù)。

圖3為改進的蜂窩D2D自組網(wǎng)組播重傳方案通信過程的一個示例。基站將組播數(shù)據(jù)包B通過下行鏈路發(fā)送給D2D簇內終端D1、D2和D3，設這3個終端都未能正確解碼組播包B，它們接收數(shù)據(jù)包分別記為B1、B2和B3。此時，D1將B1發(fā)送給D2，D3將B3發(fā)送給D2。經(jīng)過D2D簇內數(shù)據(jù)交互之后，每個終端具有了組播包B的多個副本，如：D1擁有{B1，B2}，D2擁有{B1，B2，B3}，D3擁有{B2，B3}。然后，各終端利用軟信息合并技術，從中解碼出組播包Bo額外地，在D3正確解碼出B之后，可通過D2D鏈路D3-D4將B發(fā)送給D4。至此，在無需基站重傳的情況下，組播包B被簇中的各個終端正確接收。如果經(jīng)上述過程仍未能正確解碼組播包B，則可請求基站重傳。

3 計算機仿真

3.1 仿真模型參數(shù)

為了驗證新方案的重傳效率，采用MATLAB進行仿真實驗。終端分布服從密度為λ=5的泊松點分布，D2D鏈路的陰影衰落服從對數(shù)正態(tài)分布，小尺度衰落采用慢變平坦瑞利衰落模型。其他參數(shù)見表1。

在距離基站400m處布放由5個終端組成的D2D簇。設置兩個仿真場景，場景1：基站與D2D簇之間以自由空間路損為主，陰影衰落相關性弱;場景2：基站與D2D簇之間設置一幢大樓，陰影衰落相關性強。仿真?zhèn)鬏?0000個組播數(shù)據(jù)包后進行統(tǒng)計分析。

3.2 仿真結果及分析

首先，在上述陰影衰落相關性較強的場景2下，仿真檢驗本文所提基于軟信息合并的D2D簇內重傳的效率，仿真結果如圖4所示。從中可以看到，在SIIVR為5dB時，一次傳輸?shù)腂LER約20%，但是經(jīng)與一個D2D包合并后BLER大幅降低，重傳成功率接近100%;在SINR為0dB時，首次傳輸BLEB達80%，2個數(shù)據(jù)包合并解碼后BLER降低到56%，3個數(shù)據(jù)包合并解碼的BLER降低到10%左右，4數(shù)據(jù)包合并解碼的成功率達99%。這表明，即便在低信噪比條件下，最多接收3個簇內協(xié)作傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進行4包合并，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的正確解碼。

在上述兩種場景下，對比了3種方案的成功傳輸一個組播數(shù)據(jù)包時通過基站進行的平均重傳次數(shù)，結果如圖5所示。由圖可見，方案1在兩種場景下的平均重傳次數(shù)都是最高的，主要原因是該方案中只要有一個終端未能成功接收組播包就需要基站重傳。相比而言，方案2的重傳次數(shù)有很大幅度的降低，這得益于D2D簇內終端間協(xié)作傳輸降低了基站重傳發(fā)生的次數(shù)。在場景2下，方案2的重傳次數(shù)略小于場景1，但是兩者相差不多。新方案的平均重傳次數(shù)比方案2有改善，其中在場景1時與方案2性能接近。在場景2中，新方案的平均重傳次數(shù)比方案2有明顯的改善，原因在于此場景下發(fā)生D2D簇內所有終端NACK的概率較高，方案2頻繁地需要基站重傳，而新方案可借助簇內終端協(xié)作傳輸和軟信息合并，在無需基站重傳的情況下完成組播的正確接收。

最后，仿真對比了3種方案的平均傳輸時延，結果如表2所示。各方案在場景1時傳輸時延皆較低，方案2比方案1有明顯改善，而新方案性能接近方案2。這主要是由于在場景1中發(fā)生多終端全NACK的概率較小，新方案適用的機會少。在場景2中，方案1和方案2的平均傳輸時延比場景1都有較大增加，而新方案雖然也比場景1有所增加，但是與其他兩個方案相比，平均傳輸時延有較大幅度的降低。這主要是由于新方案避免了絕大多數(shù)基站的數(shù)據(jù)重傳。從另一個角度來看，由于傳輸時延與重傳次數(shù)有近似正比的關系，這從傳輸時延與重傳次數(shù)之間的關系也不難理解。因此，新方案具有更優(yōu)的傳輸時延性能。

4 結語

研究了電力物聯(lián)網(wǎng)場景下的一種新型蜂窩D2D自組網(wǎng)及其組播優(yōu)化方案。通過結合蜂窩網(wǎng)集中控制與D2D簇內通信的優(yōu)點實現(xiàn)自組網(wǎng)通信，有效避免傳統(tǒng)Ad hoc網(wǎng)絡在拓撲和路由管理方面面臨的難題，實現(xiàn)高效可控的低延遲傳輸。基于此組網(wǎng)方案，利用D2D組內協(xié)作通信的優(yōu)勢，通過軟信息合并，降低蜂窩組播重傳次數(shù)，提升自組網(wǎng)傳輸效率和魯棒性。計算機仿真驗證了方案在平均重傳次數(shù)和傳輸時延等方面的有效性。

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（編輯：溫澤宇）

收稿日期：2021-03-05

基金項目：國家電網(wǎng)指南項目（5500-202018068A）.

作者簡介：秦劍華（1975-），男，博士，高級工程師;胡成博（1984-），男，碩士，高級工程師.

通信作者：黃強（1974-），男，碩士，高級工程師，E-mail：huangqiangnj@163.com.