面向D2D通信網(wǎng)絡的沖突改錯跨層自適應機制* 1

趙　漢，葛萬成

(同濟大學，上海 200092)

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面向D2D通信網(wǎng)絡的沖突改錯跨層自適應機制* 1

趙漢，葛萬成

(同濟大學，上海 200092)

摘要：針對D2D通信網(wǎng)絡的可靠性問題，提出了一種沖突改錯的跨物理層PHY和數(shù)據(jù)鏈路層MAC自適應機制，該機制的主要思想是，在傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)的基礎上增加了MRH，CRH，PPS，CE/CC決策和自適應調制/解調等模塊，實現(xiàn)了D2D通信的自適應跨層傳輸；通過緩存的數(shù)據(jù)包及重傳信息，利用沖突改錯算法，在減少數(shù)據(jù)包重傳次數(shù)的前提下提高D2D通信的可靠性。仿真結果表明，所設計的沖突改錯算法尤其在信道質量差、重傳次數(shù)較高的條件下可提高D2D通信安全消息數(shù)據(jù)包成功率、減少誤比特率，從而提高D2D通信連接的可靠性。

關鍵詞：D2D通信;沖突改錯;跨層設計;自適應調制

0引言

在傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)中，各個子載波上使用相同的功率分配方式和調制方式，這種方法容易實現(xiàn)，但是信道的頻譜資源沒有得到充分的利用，尤其是當各個子載波所處的信道條件不一樣時，采用固定調制方式和固定發(fā)送功率的在載波會產(chǎn)生一定的信息量浪費和誤比特率，減少了通信的可靠性。隨著科技網(wǎng)絡的快速發(fā)展，D2D通信[1]作為 5G 通信[2]的關鍵技術，彌補了專用短程通信DSRC(Dedicated Short Range Communication)通信中傳輸距離受限和安全消息可靠性低等缺陷。在DSRC中，車輛具有主動安全的應用，這些主動安全的應用需要周期性廣播車輛的心跳信息。車輛的心跳信息提供了非常重要的信息，如位置、方向、速度以及車輛的安全消息和緊急消息，如安全氣囊的部署、事故報告等，從而保證了駕駛員在開車過程中對緊急事件的及時反映。D2D通信技術作為DSRC的一種擴展，同時也有安全消息的傳輸。安全消息的可靠傳輸，能夠保證車輛主動安全應用的有效性，所以在D2D通信中，安全消息的可靠性傳輸是非常重要的。而跨層自適應設計技術作為一種提高安全消息可靠性傳輸?shù)膭?chuàng)新技術，既不會造成信道質量好的頻帶利用率的浪費，又能彌補信道質量差的影響，能夠在保證系統(tǒng)可靠性的前提下提高系統(tǒng)的頻譜效率，這對于網(wǎng)絡通信具有非常重要的意義。

1PHY和MAC跨層自適應結構設計

1.1D2D通信跨PHY層和MAC層自適應系統(tǒng)

基于OFDM[3]的系統(tǒng)結構和自適應調制系統(tǒng)模型，提出本文設計的D2D跨PHY層和 MAC層自適應系統(tǒng)。本設計中D2D發(fā)送節(jié)點采用OFDM系統(tǒng)的自適應調制技術[4]。D2D發(fā)送節(jié)點首先獲取各個子載波的信道參數(shù)，由接收端進行信道估計，并通過反饋信道發(fā)送給發(fā)送端，或者在時分復用的方式下，根據(jù)信道的互易性來獲得信道參數(shù)。然后，發(fā)送端根據(jù)一定的算法確定各個子載波的調制方式，再進行快速傅里葉反變換、并串轉換和添加循環(huán)前綴。同時各子載波的調制方式也作為信息發(fā)送給D2D接收端。D2D接收節(jié)點在傳統(tǒng)的OFDM PHY層和MAC層[5-7]都增加了相應的模塊，物理層增加和改變的模塊為接收包緩存CRP(Cache of Received Packets)，信道估計沖突改錯決策CE/CC Decision(Channel Estimator Collision Correction Decision)，自適應解調，自適應解碼。MAC層增加的模塊為介質訪問控制重傳歷史MRH(Media Access Control Repetition History)，前數(shù)據(jù)包選擇器PPS(Previous Packet Selector)，具體系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1　D2D通信跨PHY層和MAC層自適應結構

1.2應用場景模型

本文的跨層設計自適應系統(tǒng)是能夠根據(jù)不同的信道條件選擇相應的調制方式，并當D2D的安全消息在發(fā)生沖突的時候，能夠在一個沖突消息已經(jīng)傳輸過一次的前提下恢復出在沖突中損壞的數(shù)據(jù)包。場景模型如圖2所示，D2D 節(jié)點A已經(jīng)在上一個時隙給D2D節(jié)點B傳輸了一個數(shù)據(jù)包，在下一個時隙，假設D2D節(jié)點A和C同時給B發(fā)送數(shù)據(jù)包，此時數(shù)據(jù)包發(fā)送沖撞，B收到A和C沖突后的數(shù)據(jù)包。

圖2　D2D安全消息沖突場景模型

場景1：一個時隙一個傳輸，無沖突發(fā)生。

場景2：有過去時隙的信息，有沖突發(fā)生。

場景3：無過去時隙信息，有沖突發(fā)生。

圖3為D2D節(jié)點處理安全消息沖突的三個應用場景的示例圖，該示例圖清晰明了的表明了三個應用場景的關系以及D2D節(jié)點MAC層和PHY層進行標準信道估計信道均衡和沖突改錯的機制。最重要的應用場景是場景1和場景2，場景1存儲相關信息用于場景2的沖突改錯，而場景3可以轉化為場景1。

圖3　示例圖

1.3沖突改錯算法描述

如圖2場景模型所示，假設D2D節(jié)點B接收到的數(shù)據(jù)包為Y，分別從節(jié)點A和節(jié)點C接收到的數(shù)據(jù)包為Y1和Y2，則有：

Y=Y1+Y2?X1H1+W1+X2H2+W2

(1)

在式(1)中，X1表示D2D節(jié)點A發(fā)送的數(shù)據(jù)包，X2表示D2D節(jié)點C發(fā)送的數(shù)據(jù)包，假定X2為沖突中需要恢復的數(shù)據(jù)包，X1、H1已經(jīng)在D2D節(jié)點B中的CRP有相應的存儲信息。由于D2D節(jié)點A和C同時發(fā)送數(shù)據(jù)包，造成數(shù)據(jù)包在D2D節(jié)點B的MAC層發(fā)生沖突。沖突改錯算法具體描述如下：

步驟一：由式(1)可知，當忽略高斯白噪聲的影響時，將式(1)可以簡化為：

Y=Y1+Y2?X1H1+X2H2

(2)

步驟二：由式(3)計算得出H2。

(3)

步驟三：將計算出的H2帶入下式 (4)，即可恢復出X2，

(4)

2仿真結果及分析

基于前面提出的D2D通信安全消息沖突改錯算法和圖2的應用場景模型，利用Matlab工具對D2D通信跨PHY層和MAC層自適應系統(tǒng)進行一定程度的仿真。

如圖4所示進行仿真參數(shù)的設置，數(shù)據(jù)包長度為200 Bytes，SNR為8 dB，頻差為1 400 Hz，數(shù)據(jù)包個數(shù)為6，最大重傳次數(shù)為3，D2D結點數(shù)為3，圖形用戶界面(GUI,Graphical User Interface)仿真結果如圖5所示。

圖4　GUI仿真參數(shù)設置

圖5　GUI仿真結果顯示

由圖4可知，這樣的仿真結果雖然有清晰友好的仿真參數(shù)設置界面，但是參數(shù)設置只能設定為定值，仿真結果具有單一性，不具有統(tǒng)計性和對比性。故通過調用runsim.m等函數(shù)接口，并對部分參數(shù)進行優(yōu)化和Matlab編程，取得需要的仿真結果，并讓仿真結果以曲線的形式顯示出來。在進一步的優(yōu)化仿真中，相關參數(shù)設置如下：D2D節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸速率19.2 Mb/s；最大傳輸距離200 m；最小傳輸距離1 m。

以下仿真結果中Node表示D2D節(jié)點數(shù)，Rep表示重傳次數(shù)，Probability of Success表示D2D通信安全消息正確接收的概率，Offered Load表示D2D節(jié)點的輸入數(shù)據(jù)負載，即數(shù)據(jù)包的到達率，Average Throughput表示D2D節(jié)點的平均吞吐量，SNR即信噪比，ARQ-CLA表示采用跨層自適應技術(CLA,Cross-Layer self-Adaption)的自動重傳請求(ARQ, Automatic Repeat reQuest)協(xié)議，Number of Transmission即最大重傳次數(shù)。

圖6為D2D安全消息正確接收概率與D2D節(jié)點數(shù)據(jù)負載的仿真結果。由圖可知，隨著數(shù)據(jù)負載的增加，數(shù)據(jù)包成功率減少。三條曲線分別表示了D2D節(jié)點數(shù)為2、3和5時的情況，從圖中可以進一步得知，在相同數(shù)據(jù)負載的情況下，D2D節(jié)點數(shù)量越少，數(shù)據(jù)包正確接收的概率越大。

圖6　數(shù)據(jù)包成功率與數(shù)據(jù)負載關系

圖7所示為D2D平均吞吐量與節(jié)點數(shù)據(jù)負載的仿真結果。由圖可知，隨著數(shù)據(jù)負載的增加，D2D節(jié)點的平均吞吐量先增加，然后變平坦，最后有小幅度的減少。具體的Node=2, Rep=3時，當數(shù)據(jù)負載為6.776 Mb/s時，隨著數(shù)據(jù)負載的增加，吞吐量保持不變，并有一定程度的減少，這表示了D2D節(jié)點處理數(shù)據(jù)的能力。

圖7　平均吞吐量與數(shù)據(jù)負載關系

圖8表明，當信噪比從5 dB不斷增加時，數(shù)據(jù)包成功的概率也從0.94不斷增加，并無限的接近概率1。4組曲線兩兩對比，表示了重傳次數(shù)不同、ARQ協(xié)議是否采用CLA情況下的關系圖。由圖中可知，采用CLA的ARQ協(xié)議比ARQ協(xié)議有明顯的效果，當SNR越小，效果越明顯，SNR約為8 dB時，可以提高0.01的可靠性；相同MAC協(xié)議，Rep=5比Rep=3時的效果好。5G通信要求通信連接的可靠性為99.999%，ARQ-CLA實現(xiàn)了SNR為5 dB時可靠性為99.92%，且隨著SNR的增加，數(shù)據(jù)包成功率可以實現(xiàn)一定程度的提高。

圖8　數(shù)據(jù)包成功率與信噪比關系

圖9為數(shù)據(jù)包正確率與最大重傳次數(shù)的關系圖。由圖可知，隨著重傳次數(shù)的增加，數(shù)據(jù)包成功率不斷增加，并趨近于一個定值。當重傳次數(shù)為5時，D2D節(jié)點數(shù)為3、采用ARQ協(xié)議的數(shù)據(jù)包成功接收的概率為0.971 7，此時隨著重傳次數(shù)的增加，數(shù)據(jù)包成功接收的概率保持不變；而同樣的條件，采用ARQ-CLA的數(shù)據(jù)包成功接收概率提高0.025 8，且隨著重傳次數(shù)的增加，數(shù)據(jù)包成功接收概率不斷增大，只是由于考慮到實際的通信系統(tǒng)重傳次數(shù)的限制，仿真中最大重傳次數(shù)取值范圍較窄，效果不是很明顯。

圖9　數(shù)據(jù)包成功率與最大重傳次數(shù)關系

3結語

本文提出了一種D2D通信跨PHY和MAC層自適應系統(tǒng)，并基于此自適應系統(tǒng)設計了一種針對D2D通信安全消息的CC算法。該自適應系統(tǒng)在傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)的基礎上增加了MRH, CRP, PPS, CE/CC決策和自適應調制/解調等模塊，通過緩存的數(shù)據(jù)包及重傳信息，利用沖突改錯算法，在減少數(shù)據(jù)包重傳次數(shù)的前提下提高D2D通信的可靠性。仿真結果表明，該跨層自適應系統(tǒng)和沖突改錯算法在當SNR不低于5 dB時可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)包成功率高于99.92%，在重傳次數(shù)和D2D節(jié)點數(shù)相同時，可以提高數(shù)據(jù)包成功率2.58%，具有提高D2D通信連接可靠性的優(yōu)勢。由于受到Matlab仿真精度的限制以及仿真參數(shù)設置的簡化，距離5G可靠性目標還差一個有效數(shù)字，因此實現(xiàn)低信噪比下的5G可靠性達到99.999%的目標還需更深層次的研究。

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D2D Communication Network-Oriented Collision Correction and Cross-Layer Adaptive Mechanism

ZHAO Han,GE Wan-cheng

(Tongji University, Shanghai 200092,China)

Abstract：For D2D communication network reliability, a collision correction adaptive mechanism across PHY and MAC is proposed. The main idea of this mechanism is to build up the MRH, CRH, PPS, CE/CC decision and adaptive modulation/demodulation module in the traditional OFDM system and realize the adaptive cross-layer transmission of D2D communication; by caching packets and repetition and using collision correction algorithm, the reliability of D2D communication can be improved on the premise of reducing repetition times. The simulation results show that the proposed collision correction algorithm could, particularly in the poor channel quality and high repetition, improve the success rate of safe packets and reduce the BER (Bit Error Rate) in D2D communication, thus to raise the reliability of D2D communication connection.

Key words：D2D communication;collision correction;cross-layer design;adaptive modulation

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.05.018

* 收稿日期：2015-12-16；修回日期：2016-03-28Received date:2015-12-16；Revised date：2016-03-28

中圖分類號：TP393

文獻標志碼：A

文章編號：1002-0802(2016)05-0603-05

作者簡介：

趙漢(1992—)，女，碩士研究生，主要研究方向為電子與通信工程;

葛萬成(1964—)，男，博士，教授，主要研究方向為信號與信息處理。