毫米波多跳D2D網絡中轉發探測路由的研究

馬 越，陳 萍

(1 信陽廣播電視大學培訓處，河南信陽 464000；2 黃淮學院信息工程學院，鄭州 451150)

0 引言

毫米波依靠超高的頻率、速度和容量為5G應用提供超強動力，吸引了學術和工業界的關注。但是，毫米波存在高的衰減問題[1-2]。由于高頻波段信號的快速衰減，天線波束被廣泛應用于毫米波通信，既可利用模擬波束形成器，也可利用數字波束形成器[3]實現大型的天線陣列。因此，波束訓練(beamforming training,BT)技術廣泛應用于毫米波發射端和接收端的光束對。

設備間D2D通信是另一個5G的重要技術。設備間通過D2D技術直接通信，而無需大型基站(marco-base station, BS)轉發[4]。這就解決了在密集網絡內通信對BS依賴，使D2D技術在5G廣泛使用。為此，文獻[5]研究了帶入(in-band)和帶外(out-band)的D2D網絡結構。相比于in-band，out-band的D2D網絡內鏈路間干擾更少。

將毫米波傳輸與D2D結合可實現雙贏[6-9]。一方面，由于高的定向短距離傳輸特點，使毫米波能夠構建低干擾、高密度的D2D網絡；另一方面，由于高傳播損耗、易受到路徑擁塞影響，短距離D2D模式更適應于毫米波。文獻[10]研究表明，毫米波信號隨發/收兩端距離的增加呈指數減少。因此，短程D2D傳輸更適應毫米波。此外，將轉發技術應用于毫米波傳輸可有效克服其有限的覆蓋范圍。毫米波 D2D 轉發技術能有效解決擁塞區域內的數據傳輸問題，擴展了毫米波鏈路性能[11-12]。基于轉發技術的毫米波網絡性能受到廣泛研究，研究人員也提出不同的轉發策略[13]。

BT的使用拓展了轉發探測包(relay probing, RP)的應用，通過RP，可有效選擇轉發節點，克服毫米波轉發的關鍵問題。為此，針對毫米波D2D網絡，提出可靠的多跳轉發探測包策略RMRP。基站先收集轉發節點的μW信號強度，再利用此值估計鏈路毫米波信噪比大于閾值的概率，最終通過概率選擇最優的轉發節點，進而構建毫米波D2D路由。仿真結果表明，提出的RMRP策略有效提升了網絡吞吐量。

1 系統模型

1.1 多跳D2D網絡

考慮如圖1所示out-band的毫米波多跳D2D轉發網絡結構，其包含了三頻段的設備，包括LTE,μW和毫米波設備。這些設備分布于LTE BS的覆蓋區域。

圖1 網絡結構

LTE帶寬對源設備至目的設備間的多跳傳輸進行總體管理，包括D2D資源調度、多跳路由的構建。由于存在擁塞，兩個毫米波設備間存在視距(line of sight, LOS)和非視距(non-line of sight, NLOS)路徑。

1.2 鏈路模型

PμW(r)=PμW(t)-47.2-23.2log10(d)-εμW

(1)

式中：PμW(r)為接收端所發射的功率(dBm);PμW(t)為發射端所接收到的功率;d為發射端與接收端間距離;εμW為噪聲變量，其方差為δμW。

對于毫米波鏈路模型，RMRP算法參照文獻[15], 通過貝努里隨機變量表述LOS擁塞的影響：

(2)

式中：Pg(r),Pg(t)分別表示接收端、發射端所接收、發射的毫米波功率;ΛTX(θ)、ΛRX(φ)分別表示發射端、接收端的波束增益，其中θ、φ分別表示發射角、到達角。依據文獻[15]可得：

(3)

再回到式(2)，式中ηPLOS(d)和χPNLOS(d)是關于參數PLOS(d)和PNLOS(d)的兩個貝努里隨機變量;PLOS(d),PNLOS(d)分別表示在毫米波路徑出現LOS,NLOS路徑的概率，其定義如式(4)所示。

PLOS(d)=1-PNLOS(D)=e-λd

(4)

而式(2)中的LLOS(d),LNLOS(d)分別表示LOS、NLOS路徑損耗，其定義如式(5)所示[16]。

10log10(Li(d))=βi+10αilog10(d)+εi

(5)

式中：i∈{LOS,NLOS},即表示LOS和NLOS兩種情況；βi為在參考距離d0=5 m處的路徑衰耗;αi為路徑衰耗指數;εi為噪聲變量，其服從零均值和標準方差為δi的分布。

2 問題描述

圖2 毫米波多跳 D2D路由

(6)

依據文獻[16]，可計算ψT0→rm→Tk：

(7)

(8)

3 RMRP路由

RMRP路由旨在建立從源節點至目的節點的多跳D2D路由。首先，BS觸發周圍設備打開μW模塊，使源節點至目的節點間交互μW接收信號強度(received signal strength,RSS)測量請求包(RSS-Req)和測量回應包(RSS-Res)。然后，再利用這些測量包，估計路由性能，進而選擇最優路由，最后，利用所選的路由傳輸毫米波數據，如圖3所示。

圖3 RMRP策略框圖

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

式中：φs表示保留下來的路由空間。

4 性能分析

4.1 仿真環境

在200 m×200 m范圍內均勻地分布20個用戶。具體的仿真參數如表1所示。

表1 仿真參數

為了更好分析RMRP路由性能，選擇文獻[17]所提出的最優轉發探測包(optimal relay probing,ORP)策略作為參照，并分析吞吐量、平均探測路由數和平均能耗，其中平均探測路由數表示構建路由所產生探測路由數。平均探測路由數越低，路由性能越差。

4.2 吞吐量

首先，分析擁塞密度λ對吞吐量的影響，其中λ為0,0.002,0.004,0.006,0.008和0.01。并且考慮K=5,6兩種情況。圖4給出RMRP和ORP路由的吞吐量隨λ的變化情況。從圖可知，在K=5,6兩種情況下，RMRP的吞吐量優于ORP路由。主要原因在于：RMRP路由最大化了源節點至目的節點的頻譜效率,而ORP路由是采用固定路由數。

圖4 吞吐量

當λ=0時，RMRP路由在K=5,6時的吞吐量比ORP路由分別提高了49%,62%。而當λ=0.01，相比于ORP路由，RMRP路由的吞吐量提高了近300%。

4.3 平均探測路由數

圖5給出RMRP路由的平均探測路由數隨擁塞密度的變化情況。相比于ORP，RMRP路由在K=5,6情況下的平均探測路由數得到有效控制。當λ=0.01,K=5時，RMRP路由的平均探測路由數約為12，而ORP路由的平均探測路由數為23.5。此外，當λ=0時，ORP路由與RMRP路由的平均探測路由數相同。但是當λ=0時，RMRP路由的吞吐量優于ORP路由。這主要因為：RMRP路由動態地選擇路由，而ORP路由采用固定的路由。

圖5 平均探測包數

4.4 平均能耗

最后，分析ORP和RMRP路由的平均能耗，如圖6所示，路由的平均能耗隨λ的增加而上升。但是，RMRP路由的能耗少于ORP路由，并且隨著λ的增加，能耗下降得越多。當K=5，λ=0時，RMRP路由的能耗比ORP路由下降了約16%，而當λ增加至0.01，RMRP路由的能耗比ORP路由的能耗下降了約40%。這歸功于：λ的增加下降了平均探測路由數。

圖6 平均能耗

5 總結

針對毫米波多跳路由中的轉發探測包問題進行研究，并提出可靠的多跳轉發探測包策略RMRP。RMRP策略先利用節點間的μW信號強度值，估計鏈路上出現毫米波信號強度值大于閾值概率，再利用此概率擇優選擇轉發節點，進而構建最優的多跳路由。仿真結果表明，提出的RMRP策略提升D2D網絡的吞吐量，并控制了節點的能耗。