基于D2D與WLAN共享的分布式頻譜配置方案研究

王雅青，徐斌，譚國平

（河海大學 計算機與信息學院，江蘇 南京　210098）

基于D2D與WLAN共享的分布式頻譜配置方案研究

王雅青，徐斌，譚國平

（河海大學 計算機與信息學院，江蘇 南京210098）

為了有效地解決現有蜂窩資源緊缺問題，實現蜂窩頻譜資源及ISM頻譜資源的統籌調度，從而優化頻譜資源配置，文中構建出LTE D2D系統與WLAN系統共存的場景模型。通過使用虛擬的擴展的CSMA/CA信道接入方法，提出一種分布式的D2D簇頻譜爭用及優化的信令機制，并結合單播業務場景對所提機制進行驗證分析。仿真研究表明，新型分布式頻譜優化機制可實現蜂窩頻譜資源的節約利用，其平均吞吐量的性能增益都明顯優于傳統的WLAN通信模式，有效地提高了頻譜資源利用率。

D2D通信；頻譜優化配置；CSMA/CA；共享頻譜

隨著移動通信技術的快速發展，移動數據的需求呈現爆炸式的增長，現有蜂窩資源已遠不能滿足用戶的需求。為了滿足需求，近年來，LTE（Long Term Evolution）系統利用免費頻段技術的發展，已引起電信行業和國際標準制定組織們的高度關注。ISM（Industrial Scientific Medical）頻段是由國際電信聯盟ITU（International Telecommunication Union）所定義的免費頻段，無需授權許可。D2D通信是指終端到終端直連地進行通信的方式。目前，D2D通信作為蜂窩網絡的補充技術，已被證明是LTE-Advanced網絡中較為關鍵的應用技術［1-3］。D2D利用LTE的技術［4］可以稱為LTE D2D。

考慮到以上這些問題，LTE系統集中控制和較好協調的優勢需要被充分開發利用。蜂窩網絡融合的D2D技術，可借助基站eNB的集中控制優勢，實現蜂窩頻譜資源及ISM頻譜資源的統籌調度，從而實現高效優化頻譜資源配置。文中主要研究蜂窩網絡D2D通信技術的頻譜優化配置，將基于基站控制的D2D簇場景，提出一種高效的分布式頻譜爭用及優化配置機制，并給出詳細的信令設計方案，并結合單播業務場景對所提機制進行驗證分析。

1　系統模型概述

D2D通信既可以受控于蜂窩網絡，即利用蜂窩網絡直接進行通信，也可以利用ISM網絡直接通信。本章著力于提出LTE D2D通信系統與WLAN通信系統共享頻譜資源的模型。

如圖1所示的單蜂窩小區系統場景，在eNB的覆蓋范圍內有一些移動用戶UEs（User Equipments），假定每個UEs都有一個臨時的蜂窩網絡標識號（C-RNTI），其中某些用戶既可加入局域網進行蜂窩通信，也可形成D2D簇進行短距離的直接通信。我們假定有N對D2D用戶，第i對用戶定義為UEi1/ UEi2（1＜i＜N）。針對用戶設備的假設功能如下：

1）LTE設備具有LTE和WLAN雙重模式。

2）每個用戶設備具有兩套射頻天線系統，一套用于蜂窩頻段，而另一套用于ISM頻段。

3）D2D用戶通過蜂窩頻段完成配對，他們像WLAN基站一樣借用CSMA/CA機制偵聽及爭用ISM頻段。

圖1　LTE D2D系統與WLAN系統共存場景

需要注意的是，文中所提到的D2D通信系統與WLAN通信系統共享頻譜資源的模型，D2D設備和WLAN設備的關系完全對等，不存在高級用戶或者低級用戶的概念。下面將基于所描述的系統場景，使用虛擬的擴展的CSMA/CA信道接入方法，提出頻譜優化配置的方案。

2　虛擬CSMA/CA信道接入方法

我國將2.4～2.483 5 GHz的ISM頻段劃分為13個信道，且可同時支持3個正交信道。LTE D2D用戶可以像WLAN用戶一樣，采用虛擬的CSMA/CA機制［5］爭用這些信道資源。文獻［6］中提出，在信道爭用階段，D2D用戶對可采用虛擬的CSMA/ CA機制參與信道的爭用。在數據傳輸階段，D2D用戶可使用LTE制式進行數據的傳輸。802.11標準中包含兩種CSMA/CA機制，即傳統的CSM/CA機制和擴展的CSMA/CA機制。

傳統的CSMA/CA機制中，用戶在傳輸數據前需要先偵聽信道，如果信道空閑，用戶仍需等待一個DIFS（Distributed Inter Frame Space）和隨機的窗口退避時間，以避免多個用戶同時接入信道而引起的沖突。當用戶的隨機退避窗口時間歸為零時，方可接入信道。

擴展的CSMA/CA機制是一種虛擬的載波偵聽機制，引入了RTS（Request to send）幀和CTS（Clear to send）幀，以及網絡分配矢量NAV（Network allocation vector）。如圖2所示，在某個節點進行通信前，首先需要偵聽信道，判斷信道是否可用。若信道保持DIFS空閑時間，該節點即可接入信道并開始傳輸RTS幀（其中包括源節點地址，目標節點地址和本次通信的持續時間）。若信道被占用，那么發送端將保持偵聽，直到再次空閑且持續DIFS時間。目的節點收到RTS幀后將反饋一個CTS幀（其中包括目標節點地址和本次通信的持續時間）。交換RTS/CTS幀的目的是為該通信對預留一段時間的信道資源，即NAV，此時間矢量中包含了通信對所需的通信時長。當其他用戶檢測到RTS或者CTS后，即可獲悉信道被占用的時長，可避免因多個用戶同時通信而產生的沖突干擾。

圖2　擴展的CSMA/CA機制

由于本文的研究重點為有效的解決ISM頻譜上的多系統共存問題，更加高效地利用現有的蜂窩頻譜和ISM頻譜資源，所以采用了擴展CSMA/CA機制爭用信道資源的接入方法。

3　D2D簇分布式頻譜爭用及優化的信令機制

3.1分布式頻譜爭用及優化的信令設計

為高效解決多系統共存及資源競爭等問題，有效配置優化蜂窩頻譜及ISM頻譜資源，提高頻譜的利用率，本節將基于擴展的CSMA/CA機制，提出一種基站eNB控制D2D簇的分布式頻譜爭用及優化配置方案，并給出詳細的信令設計。

在信令中，簇頭CH是簇成員與基站eNB間的通信橋梁，簇頭CH負責管理簇且了解簇成員的通信需求，以及業務類別：單播業務。此外簇頭CH明確D2D成員對的RTS和CTS發送者，以及他們所需的通信持續時間。簇頭CH也知道簇內相關通信成員是否已經交換過彼此的MAC地址，如果相關用戶UEs首次建立通信，簇頭CH將ISM_contend_prepare信令中的‘MAC地址標志’位設為0，若不是首次且知道彼此的MAC地址，‘MAC地址標志’位將設為1。

一般情況下分級分離效率理論都要嚴格的遵守顆粒的質量守恒定律，在簡化設計了分離器流場、顆粒運動以及幾何尺寸，這時就可以通過計算得出粒徑范圍的顆粒和不同尺寸的分離效率，可以體現出旋風分離器的性能。在不同的粒徑范圍內分級分離效率計算如下：

依據圖1所示系統場景，下面將詳細介紹所提機制信令的步驟。

第一步：eNB首先向簇頭CH發送一個ISM頻段爭用請求信令ISM_attempt，邀請簇頭及其簇內成員嘗試爭用ISM頻段進行通信服務；

第二步：簇頭CH接收到eNB的ISM_attempt信令后，開始搜索WLAN信號并決定所要爭用的ISM信道。接著簇頭CH按照簇內成員所需的通信服務類別，向其簇內相關D2D成員對廣播ISM信道爭用準備信令 ISM_contend_prepare，ISM_contend_prepare信令所包含的信息如表1所示。

表1　ISM_contend_prepare信令的信息位

第三步：簇內相關的用戶接收到ISM_contend_prepare信令后。

1）如果MAC地址標志位為1，RTS的發送者UEi將檢索自己所保存的CTS發送者UEj的MAC地址，然后直接進入第四步；

2）如果MAC地址標志位為0，相關D2D對用戶UEs需要通過簇頭CH交換彼此的MAC地址，UEs將所收到的其他用戶MAC地址保存在本地。

第四步：準備爭用ISM信道的相關用戶UEs（單播或者多播業務中的RTS/CTS發送者）充當虛擬的WLAN用戶，利用擴展的CSMA/CA機制開啟爭用信道機制：

1）RTS發送者UEi首先更新自己的RTS幀信息，將自己的MAC地址填充到RTS幀的TA位，而將對應CTS發送者UEj的 MAC地址填充到 RA位，在 Duration位中填入ISM_contend_prepare信令中所標示的通信業務持續時間。

2）在單播服務的信道爭用中，用戶UEj收到RTS幀且檢測到RA位中的MAC地址為自己時，將依據WLAN爭用信道流程機制，向相應用戶UEj反饋CTS幀，CTS幀中的RA位填入對應RTS發送者UEi的MAC地址。

第五步：如果RTS的發送者UEi成功收到其對應的D2D用戶UEj的CTS，即D2D對UEi/UEj成果搶占ISM信道，UEi將向簇頭CH發送一搶占ISM信道的結果指示信令Result_contention。若搶占ISM信道失敗，簇將保持初始的蜂窩通信頻譜配置狀態。

第六步：如果簇頭CH接收到來自RTS發送者UEi的成功占用ISM信道指示后，簇頭CH向基站eNB發送其簇成員成功占用ISM信道的信令，其中包含使用ISM信道的持續時間。基站eNB可以在此期間，將之前分配給簇的蜂窩資源分配給其他簇用戶使用。

以上分步驟地給出了詳細的分布式ISM信道爭用及頻譜配置機制。所提出的機制充分利用了LTE系統集中控制的優勢，對于ISM頻段上的多系統共存問題提供了一種有效的解決方案。下面將通過單播業務進一步證實所提機制的時效性。

3.2單播業務場景實例

如圖3所示的簇內用戶UE1與用戶UE2之間的單播業務機制圖。基站eNB邀請簇頭CH發動簇內成員爭用ISM信道資源，以減少對蜂窩頻譜資源的使用，從而更加有效地優化配置現有的頻譜資源。基站eNB控制及簇頭輔助的D2D用戶對UE1/UE2，爭用ISM信道及資源優化配置的機制如3.1節所設計的信令步驟，其中，業務類別選擇0，MAC地址標志位為0。

借助所提機制，LTD D2D系統在遵循 WLAN系統CSMA/CA機制的前提條件下，通過所設計的ISM_attempt和ISM_contend_prepar信令的協調管理，既保證了ISM頻譜資源的公平爭用，也緩解了蜂窩頻譜資源的使用緊張。基站eNB可統籌調度蜂窩頻譜及ISM頻譜資源，實現了LTE D2D系統與WLAN系統爭用免費頻段的有效性及公平性。

圖3　單播業務的信令機制

4　性能分析及系統仿真

為評估所提機制的性能，本節將給出周密的仿真方案。因所提的分布式頻譜爭用及優化機制是基于擴展的CSMA/ CA（RTS/CTS）機制，所有的仿真參數都將參考IEEE 802.11標準定義值，各仿真參數的設置如表2。便于突出對比所提機制與傳統機制在系統平均吞吐量及沖突概率兩方面的性能，所有的測試都將在飽和的條件下執行，而所選用的對比機制為無頻譜優化配置的WLAN和D2D通信模式，有頻譜優化配置及無頻譜優化配置的方案對比。對于仿真用戶的數量，我們做如下設置：WLAN用戶數為N1，D2D用戶數為N2且N2=2N1，即移動用戶總數為N=N1+N2，N取（6，12，18，24，30，36，43，48）。

表2　仿真參數的設置

圖4給出了無頻譜優化配置場景下，用戶爭用ISM信道進行WLAN蜂窩通信和D2D通信時的性能對比。隨著用戶數量的逐步遞增，用戶間的信道爭用沖突加劇，將會導致用戶信道接入的延遲和信道利用率的降低，因此系統的平均吞吐量也將隨著用戶數量的增加而降低。然而，D2D通信模式無需基站或AP站點的中繼轉發，顯著提升了用戶間的通信效率，使得D2D信道爭用的沖突概率和系統平均吞吐量的性能增益都將優于傳統的WLAN通信模式.

圖5給出了新型分布式頻譜優化配置和傳統無頻譜優化配置時的性能對比，用戶既可加入WLAN系統爭用ISM信道進行蜂窩通信，也可參與D2D簇爭用ISM信道進行直接通信。隨著用戶數量的遞增，新型分布式頻譜優化機制可實現蜂窩頻譜資源的節約利用，但用戶間的信道爭用沖突和通信延遲都將有所增加，所以新型機制的沖突概率增速大于且將超過傳統機制。然而，新型機制確保了頻譜資源的高效利用，因此系統的平均吞吐量遠大于傳統機制。但當用戶數過大時，用戶間的信道爭用沖突將會急劇增大，從而新型機制的吞吐量將會降低。

圖4　無頻譜優化配置下的WLAN與D2D通信系統的性能比較

圖5　新型分布式頻譜優化配置與傳統無頻譜優化機制的性能對比

5　結束語

為有效解決ISM頻譜上的多系統共存問題，更加高效的利用現有的蜂窩頻譜和ISM頻譜資源。本文基于WLAN系統的CSMA/CA機制，提出了一種D2D簇分布式信道爭用及頻譜優化配置方案，并給出了詳細信令設計步驟。通過單播業務場景分析驗證了所提機制的實效性。此機制極大提升了蜂窩系統的頻譜利用率，也有效減弱了D2D通信對蜂窩用戶通信的干擾，增強了系統的容量性能。雖然該機制能夠有效解決頻譜資源的優化配置等問題，但要消耗一定的系統資源，并產生一些信道競爭和通信延時等，這些問題有待進一步的改善和優化。

［1］Janis P，Yu C H，Doppler K，et al.Device-to-Device communication underlaying cellular communications systems［J］. Int.J.Communications，Networkand System Sciences，2009，2（3）:169-178.

［2］Doppler K，Rinne M，et al.Device-to-Device comm-unication as an underlay to LTE-Advanced networks［J］.IEEE Commun. Mag.，2009，47（12）:42-49.

［3］Chiahao Y，Tirkkonen O，Doppler K，et al.On the performance of Device-to-Device underlay communication with simple power control［C］//In IEEE 69th Vehicular Technology Conference，VTC 2009，2009:1-5.

［4］Sesia，Stefania/Toufik，Issam/Barker，Matthew.The.UMTS Long Term Evolution:From Theory to Practice［M］.America:Wiley，2009.

［5］Wireless LAN Medium Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY）Specifications［S］.IEEE Std 802.11TM-2007.

［6］Zhou B，Ma S，Xu J，et al.Group-wise channel sensing and resource pre-allocation for LTE D2D on ISM band［C］//in Proc.IEEE WCNC，2013:118-122.

The research on a distributed spectrum configuration scheme for D2D sharing with WLAN

WANG Ya-qing，XU Bin，TAN Guo-ping
（College of Computer and Information，Hohai University，Nanjing 210098，China）

In order to solve the problem that the shortage of existing cellular resources effectively，and achieve the whole scheduling between cellular spectrum resources and ISM spectrum resources to optimize spectrum allocation of resources.In this paper，we present LTE D2D systems and WLAN systems coexist scene model.Based on a virtual extension of CSMA/CA channel access method，we define and describe a signaling mechanism which is a distributed D2D cluster spectrum contention and optimization，and combine with unicast scenario to analysis this mechanism.Simulation studies demonstrate that the new distributed spectrum optimization mechanism enables cellular spectrum resources to be utilized economically，the average throughput performance gain significantly better than traditional WLAN communication mode obviously，and it improves the spectrum resources efficiency.

D2D communications；spectrum optimization；CSMA/CA；spectrum sharing

TN929.53

A

1674-6236（2016）14-0087-04

2015-07-30稿件編號：201507193

王雅青（1991—），女，山西晉中人，碩士研究生。研究方向：無線資源管理與優化。