面向5G的D2D簇內信息共享機制

汪少敏 ，周斌

(1.中國電信股份有限公司上海研究院，上海 200122;2.中國科學院上海微系統與信息技術研究所，上海200050;3.上海無線通信研究中心，上海 201210)

面向5G的D2D簇內信息共享機制

汪少敏1，周斌2，3

(1.中國電信股份有限公司上海研究院，上海 200122;2.中國科學院上海微系統與信息技術研究所，上海200050;3.上海無線通信研究中心，上海 201210)

D2D(device-to-device)通信是5G網絡中的重要技術，有利于提升數據分發業務傳輸效率;然而，由于D2D通信引入了大量額外信令開銷，當前的增強多播方案無法解決高效數據傳輸與低效信令流程之間的矛盾，降低了整體性能增益。為此，提出了一種基于多維矢量分析的最小化信令開銷的D2D簇內信息共享算法，包含集中式與分布式兩種實現方式，能通過自適應地選擇D2D多播重傳發射者和多播重傳數據分組，大幅減少簇內重傳次數，達到顯著降低信令開銷和傳輸時延的目的。

D2D通信;信令開銷;數據分發;多播傳輸;5G

1 引言

5G是4G移動通信技術的延伸，4G是5G網絡的基礎，資源利用率將提高10倍以上，系統吞吐率提高25倍，頻率資源擴展4倍左右。為了達到這個目標，5G采用了多項關鍵技術，包括高頻段傳輸、新型多天線傳輸、同時同頻全雙工、密集組網技術和超密集組網、D2D(device to device)和新型網絡架構［1］。其中，D2D是 5G網絡的一項重要技術，增加了蜂窩通信系統頻譜效率，降低了終端發射功率，在一定程度上解決了無線通信系統頻譜資源匱乏的問題。

在當前基于基礎設施的移動通信網絡中，基站(BS)作為小區內的中心控制節點，是移動設備(終端)獲得網絡服務的唯一接入點。移動設備只能通過蜂窩上行或下行鏈路與網絡中某個特定基站進行無線通信。然而研究表明［2-5］，當多個移動設備彼此接近時，如果能實現設備間直接通信(即D2D通信)，會給傳統的蜂窩系統帶來許多顯著性能增益，如更高的無線資源利用率、更長的電池使用時間、更大的信號覆蓋范圍以及更低的網絡干擾水平。近年來，采用D2D技術增強傳統蜂窩網絡已經成為一個頗具前景的新概念并受到廣泛重視。上述D2D增強型蜂窩網中，一方面，設備間的直接通信可以受益于蜂窩網的集中式控制架構;另一方面，高質量短距離的D2D無線鏈路有助于大幅提高蜂窩通信網的傳輸效率。

D2D通信在蜂窩網的一種典型應用為簇內信息共享。傳統的數據分發(data dissemination)業務［6］(如數據下載和實時視 頻)，可以通 過 D2D 通 信 而顯著提 高效率［6，7］。D2D還能實現對蜂窩網中多段無線鏈路的高效聚合，滿足特定場景下的傳輸帶寬需求［8］。鑒于D2D簇內信息共享的諸多性能優勢［2-4］，本文以通過 D2D通信增強的蜂窩下行數據分發(簡稱為D2D增強多播)為研究對象。

D2D通信受基站直接控制且工作在蜂窩系統授權頻段［4］，簇內信息共享過程中的每次多播傳輸都需要蜂窩系統的下行信令支持，如D2D多播傳輸調度資源、終端的收發狀態通知。因此，為了節省系統的信令開銷，有必要盡可能減少D2D傳輸與重傳的次數，實現信令開銷和傳輸效率聯合優化。這是當前D2D增強多播的主要缺陷，也是提升數據分發整體效率的關鍵所在。

現有移動網絡中的重傳由數據分組的初始發射者發起，該機制如果直接應用在D2D簇內信息共享的場景中，會導致重傳次數過多，信令開銷和分發時延也同比例急劇上升［9］。為此，本文在具體分析了現有算法的缺陷后，提出了一種適用于該場景的信令開銷建模與分析方法。以此為理論基礎，設計了一種基于多維矢量分析的D2D簇內信息共享算法，包含集中與分布兩種實現方式。該算法通過對簇內共享狀態的實時收集與分析，自適應地選擇最佳重傳發射者和待重傳數據分組，有效減少簇內重傳次數，達到最小化信令開銷的目的。

2 系統模型

以D2D通信(或簇內信息共享)增強的下行數據分發方案由圖1所示。首先，多個已接入蜂窩網且地理位置彼此接近的移動設備，通過協商建立起D2D簇。同簇的移動設備除了可以進行正常蜂窩上下行通信外，還能在D2D鏈路上進行設備間直接通信。在傳統數據分發方案中，當D2D簇中的所有設備都希望從云端下載同一個數據文件，每個設備都需要通過各自的蜂窩下行鏈路從所屬基站接收完整的該文件(設為C byte)，如圖1(a)所示。而通過使用D2D簇內信息共享增強的蜂窩下行數據分發方案，基站側的完整數據文件被切分為若干個數據塊(假設分為3塊，大小為C1、C2和C3且 C1+C2+C3=C)，簇內每個設備分別通過各自的蜂窩下行鏈路接收其中的一個數據塊;然后，為了在各個設備處重新產生完整的數據文件，簇內每個設備需要將自己成功收到的數據塊轉發給簇內其他所有的設備，該過程稱為“D2D簇內信息共享”。經過多次D2D簇內信息共享和交換后，完整的數據文件可成功地從蜂窩基站側被傳送到D2D簇內的每個移動設備側。上述方案同時使用了蜂窩下行鏈路和D2D直接鏈路，通過D2D通信實現了提高下行數據分發效率與吞吐量的目的，如圖 1(b)所示。

圖1 傳統多播和D2D增強多播的系統模型

本文關于D2D通信的研究假設如下。

首先，D2D通信作為移動蜂窩通信網的補充和增強，必須能夠與蜂窩通信網絡共存。D2D通信和蜂窩通信采用相同的空口技術并工作在時分雙工模式下。D2D通信占用蜂窩網授權頻段。為了降低干擾，D2D和蜂窩通信盡可能使用正交時頻資源。

其次，D2D通信在蜂窩基站控制下進行，基站采用集中式調度的無線資源管理策略。蜂窩下行單播和D2D簇內信息共享可通過時分復用而共存于每個物理子幀。通常假設D2D簇內信息共享部分原上行時隙。此外，蜂窩系統需要設計額外的D2D控制信令，實時指示設備進行發射狀態與接收狀態的切換。

再次，由于簇內各設備的間距較短，D2D鏈路的可達速率通常較高。因此，簇內信息共享傳輸一般在基站發射了多個下行單播幀后才會進行一次。多個在下行鏈路上成功接收到的數據分組可以級聯成一個更大的D2D數據分組，用于簇內信息共享傳輸。基站根據無線鏈路質量、QoS、設備緩存大小等因素調度簇內信息共享的通信行為。

最后，為提高效率，D2D簇內信息共享可以采用點到多點的多播傳輸協議。

3 當前D2D增強多播的主要缺陷

以D2D通信增強的蜂窩下行數據分發方案可抽象為3個連續的階段。

階段一D2D簇的建立。該階段包括鄰居伙伴發現、直接鏈路探測、簇頭選舉等一系列建簇所需的信令交互。根據部署場景和業務模式，D2D簇的建立既可采用設備自主的分布式建簇方式，也可采用基站輔助的集中式建簇方式。

階段二D2D鏈路測量和匯報。在該階段，簇內的各移動設備需要分別廣播導頻信號，估計D2D鏈路的大尺度衰落和信道質量，并在蜂窩系統的控制下向基站匯報測量結果。

階段三下行數據傳輸與簇內信息共享。該階段為D2D增強多播的核心。首先各設備在下行鏈路上分別接收不同的切分后的數據塊(C1，C2和C3)，然后，各設備在基站下行信令的控制下進行數據塊簇內的共享轉發。

當某個設備有D2D數據分組需要在簇內共享時，基站需要為其在簇內的多播傳輸調度資源。相關信令包括D2D調度信令許可和D2D調度信息。前者用于向簇內發射者指示資源調度結果和多播傳輸的編碼調制格式，后者用于向簇內多個接收者通知調度信息。只有當簇內所有設備都收到了上述信令，一次有效可控的D2D簇內多播及相應ACK/NACK反饋過程才能被執行。經過一輪(多次)完整的D2D簇內多播后，部分D2D數據分組在設備間交換成功，而另一些D2D數據分組在簇內交換失敗。此時，D2D簇內重傳的請求需要上報給基站，然后在基站的調度下，新一輪的D2D簇內多播被執行，直到所有的簇內設備都擁有了完整的數據文件。

值得注意的是，每次D2D簇內多播和重傳都需要基站調度和蜂窩下行信令。因此，多次的D2D簇內多播或重傳會產生大量信令開銷和較長時延。傳統D2D增強多播方案無法有效克服上述問題，形成了高效率數據傳輸與低效率信令流程之間的矛盾，嚴重抵銷了引入D2D通信帶來的性能增益。

綜上，簇內信息共享所需的信令開銷與簇內多播或重傳的次數成正比。為有效降低信令開銷，必須采取適當措施來減少簇內多播和重傳的次數。本文解決的問題為:(1)如何選擇最合適的設備作為D2D簇內重傳的發射者;(2)在D2D簇內多播和重傳中，如何確定需要傳輸的數據分組;(3)如何實現D2D簇內多播和重傳效率的最大化。

4 信令開銷的建模與分析方法

考慮一個包含N個設備的 D2D簇，記作 VN=｛1，2，…，N｝，其中VN表示簇內設備序號的集合，序號是標識設備的自然數。簇內設備均屬于同一小區且位置彼此接近，各獲得了一個來自基站的同一文件切分后的數據塊，記作C1，C2，…，CN。為了達到簇內信息共享的目的，各個設備需要依次將其所擁有的數據塊以多播方式發送給其余所有設備。由于無線信道衰落的影響，假設在每次D2D多播中，只有部分設備能正確接收并反饋ACK信號，其余未能正確接收的設備反饋NACK信號。

定義1對于D2D簇VN內任意給定的多播發射者k，當其以多播方式在簇內共享一個D2D數據分組后，會收到來自簇內其余N-1個多播接收者反饋的ACK/NACK信號，該信號序列與多播發射者可共同構成一個N1維的矢量，記作多播誤差矢量 (packet error vector，PEV)，PEV中的1表示接收到ACK信號、0表示接收到NACK信號，如式(1)所示。

定義2為了實現D2D簇內信息的完全共享，每個簇內設備要依次成為多播傳輸的發射者，因此，所有的PEV共同構成了一個NN維的矩陣，記作多播誤差矩陣(packet error matrix，PEM)，如式(2)所示。

PEM包含了標志當前D2D簇內信息共享傳輸成功與否的接收狀態信息，可用于對信令開銷進行定量分析和最優重傳策略設計。若PEM中不存在0，則在當前這輪D2D簇內信息共享中，所有D2D數據分組都被所有的移動設備成功接收了，簇內信息共享成功，無需進行再一次的多播重傳。否則，仍然需要啟動D2D簇內的多播重傳，直至PEM中的所有0都被1更新。

如圖2所示，假設D2D簇中包含 4個設備，VN=｛1，2，3，4｝。在每個移動設備分別完成一次D2D多播后，PEV1=［1，1，0，1］T，PEV2=［0，1，1，0］T，PEV3=［0，0，1，0］T，PEV4=［1，1，0，1］T。重傳之前，PEM 初始值為｛PEV1，PEV2，PEV3，PEV4｝。

圖2 D2D多播傳輸與多播誤差矢量PEV示例

圖3 現有D2D簇內重傳算法與PEM更新示例

根據現有的D2D簇內重傳算法，對于每一次簇內多播，只要對應的PEV中包含0，則原多播發射者就必須將相同的數據分組在簇內重新多播一次。如圖2和圖3所示，當設備1向設備2、3、4多播了D2D數據分組C1后，假設只有設備3沒能正確接收并反饋NACK。由于此次多播沒有使所有的接收者都成功接收，因此設備1需要向基站發出D2D簇內重傳請求。經過基站的資源調度和信令通知，設備1再次向設備2、3、4重傳C1，PEM第一列隨即得到更新。相同的過程依次發生在設備2、3、4的簇內多播中，從而確保了PEM中所有含0列向量都依次更新，直至矩陣中不含0。

在上述傳統方案中，由于每次重傳只能更新PEM的一列，所以圖2的PEM至少需要4次簇內重傳才能保證PEM中不含0。傳統方案的重傳次數直接取決于D2D簇的大小。隨著簇內設備增多，該方案的信令開銷和系統時延將線性增長，導致數據分發性能的急劇惡化。

假設在簇內信息共享過程中，多播接收者的平均譯碼錯誤概率為Pe(即D2D數據分組的傳輸誤塊率)。在不考慮重傳錯誤的情況下，D2D簇VN至少需要進行N次重傳的概率為:

其中，Nretrans表示在D2D簇內實現完全信息共享所需的最小重傳次數。根據式(3)進行計算可知，隨著Pe和N的增加，平均最小重傳次數會快速增長，意味著信令開銷和數據分發時延也將相應地急劇上升。

5 最小化信令開銷的信息共享算法

本節提出了一種最小化信令開銷的D2D簇內信息共享算法，設計動機歸納如下:如果能夠在簇內找出一個最合適的候選重傳發射者，由它一次性盡可能多地重傳所有需要在簇內重傳的D2D數據分組，則簇內信息共享所需要的平均重傳次數就會明顯降低。

以圖2和圖3為例，如果設備2被選為簇內首次重傳的發射者，在重傳時多播數據分組 C1、C2和 C4，則 PEM可在一次重傳中被更新3個含0列;如果設備3被選為簇內第二次重傳的發射者，在重傳時多播數據分組C3，則PEM最后一個含0列也可被更新，如圖4所示。上述重傳方案僅僅通過兩次簇內多播重傳就實現了完全的簇內信息共享，而第3節中的傳統方案至少需要4次簇內多播重傳才能達到相同效果。

圖4 最小化信令開銷的重傳算法與PEM矩陣更新示例

最小化信令開銷的D2D簇內信息共享算法包含4個連續的步驟，具體描述如下。

第1步接收狀態信息獲取與PEM生成。

在D2D簇內重傳開始之前，首先需要獲取簇內各個設備的接收狀態信息，并在網絡中生成PEM。具體方法有集中式與分布式兩種。對于集中式，完整的PEM在基站側生成;而對于分布式，完整的PEM則分別在D2D簇內的每個設備側生成。D2D ACK/NACK特指簇內多播接收者反饋的確認信息。

(1)集中式流程

①每一次D2D簇內多播之后，基站立即監聽由多播接收者反饋的D2D ACK/NACK;或者由D2D簇內多播發射者監聽D2D ACK/NACK，然后轉發給基站。

②當簇內每個設備都完成一次多播發送后，基站即可獲得完整的PEM。基站根據PEM，完成簇內最優重傳發射者的選擇后，通過蜂窩下行信令通知該設備。

(2)分布式流程

①每一次D2D簇內多播之后，各多播接收者依次在簇內廣播自己的D2D ACK/NACK;在不發送D2D ACK/NACK的時隙，上述多播接收者切換至接收狀態，監聽其他多播接收者發送的D2D ACK/NACK。

②當簇內每個設備都完成一次多播發送后，每個簇內設備均可獲得完整的PEM，并可根據PEM完成簇內最優重傳發射者的選擇。

第2步D2D簇內重傳增益因子計算。

為了找出最優簇內重傳發射者，需要計算簇內每個設備的“重傳增益因子”。本算法中，某個移動設備的重傳增益因子定義為“該設備已經成功獲得并且至少有一個簇內其他設備沒有成功獲得的D2D數據分組的個數”，如式(4)所示。

第3步最優D2D重傳發射者選擇。

擁有最高的重傳增益因子的設備被選為簇內重傳發射者。如果多個設備同時擁有最大重傳增益因子，則根據預設優先級或隨機在多個候選設備中進行選擇。上述優先級可以是建簇時為每個設備分配的臨時編號。若PEM為集中式生成，最優重傳發射者的選擇由基站執行;若PEM為分布式生成，最優重傳發射者的選擇則由簇內各設備分別執行。由于PEM和重傳增益因子的計算方法是相同的，所以各設備分別運行的重傳發射者選擇流程將得到完全相同的結果。

D2D簇內待重傳數據分組為同時滿足下列條件的所有數據分組:發射者已經成功獲得的數據分組;至少有一個簇內其他設備沒有成功獲得的數據分組。為提高重傳效率，簇內重傳的發射者可以將所有滿足條件的數據分組級聯在一起，生成一個更大的D2D數據分組一次性在簇內多播。

第4步簇內重傳和PEM更新。

D2D簇內重傳后，如果更新后的PEM仍然包含0，返回第1步，直至PEM矩陣被更新為全1矩陣。

6 性能仿真

本節采用MATLAB語言進行仿真實驗，比較了3種D2D簇內信息共享方案的平均重傳次數。方案一為現有簇內重傳方案，由各個多播發射者分別負責每次多播的重傳，直至信息完全共享。方案二為本文所提的最小化信令開銷的重傳方案。方案三為理論上最優重傳方案(性能上界)，最小重傳次數通過窮盡式搜索獲得，方法如下:如果PEM中存在任意一個不含0行向量，則重傳次數設為1;如果在PEM中能夠找到任意兩個行向量，它們逐元素相加后得到的“和向量”中不含0，則重傳次數設為2;如果在PEM中能夠找到任意3個行向量，它們逐元素相加后得到的“和向量”中不含0，則重傳次數設為3;以此類推，窮舉出理論上的最小重傳次數。該最優重傳方案雖可得到最少的簇內重傳次數，但是計算復雜，很難在實際系統中實現。

表3與圖5比較了上述3種不同的重傳方案在D2D簇大小和D2D鏈路目標誤塊率不同的情況下的平均簇內重傳次數。其中，誤塊率表示D2D簇內多播接收者的平均譯碼錯誤概率(即Pe)，簇大小表示D2D簇內所含設備的個數(即 N)。

觀察性能仿真結果，可以得出結論:本文所提的簇內重傳算法，能顯著地降低D2D簇內信息共享所需的多播重傳次數，從而能夠大幅減少系統的信令開銷和傳輸時延;比較本文所提算法(方案二)和通過窮舉搜索獲得的理論上限(方案三)可知，本文所提算法可以使簇內重傳次數降低到與理論最小值非常接近的水平;隨著簇內設備個數不斷增加，現有重傳方案的性能不斷惡化，重傳次數與簇內設備個數基本為線性關系，而本文所提算法的性能非常穩定，重傳次數隨著簇內設備個數的增加增長緩慢;相比現有重傳方案，本文所提算法能夠更好地支持較大規模的D2D簇，而包含較多設備的大D2D簇通常能夠提供更多的協作增益和更高的傳輸效率。

表3 D2D簇內信息共享方案的重傳次數性能對比

圖5 最小化信令開銷的重傳算法的性能仿真

7 結束語

提升D2D增強多播性能的關鍵在于設計高效的簇內重傳方案以實現信令開銷和傳輸效率聯合優化。傳統的簇內重傳必須由多播發射者完成，重傳次數多，信令開銷大，影響了D2D增強多播的效率。本文提出了一種適用于該場景的信令開銷建模與分析方法，以此為理論基礎，設計了一種最小化信令開銷的D2D簇內信息共享算法，含集中與分布兩種實現方式。通過自適應選擇多播重傳發射者和多播重傳數據分組，有效減少簇內重傳次數，顯著降低了信令開銷和傳輸時延。仿真結果表明，本文所提算法充分逼近理論上限，且隨著簇的增大，優勢更明顯。

［1］IMT-2020(5G)推進組.5G無線技術架構白皮書［R/OL］.(2015-05-29) ［2015-10-16］.http://www.imt-2020.org.cn/zh/documents/listByQuery currentPage=1&content=.IMT-2020 (5G)Promoting Group.5G wireless technology architecture white paper ［R/OL］. (2015-05-29) ［2015-10-16］.http://www.imt-2020.org.cn/zh/documents/listByQuerycurrent Page=1&content=.

［2］JANIS P，YU C H，DOPPLER K，et al.Device-to-device communication underlaying cellular communications systems［J］.InternationalJournalCommunications，Network and System Sciences，2009，2(3):169-178.

［3］DOPPLER K，RINNE M P，JANIS P，et al.Device-to-device communications; functional prospects for LTE-advanced networks ［C］//Proceedings of IEEE International Conference on Communications，June 14-18，2009，Dresden，Germany.New Jersey:IEEE Press，2009:1-6.

［4］DOPPLER K，RINNE M，WIJTING C，et al.Device-to-device communication as an underlay to LTE-advanced networks ［J］.IEEE Communications Magazine，2009，47(12):42-49.

［5］王彬，陳力，張欣，等.在 LTE-Advanced網絡下的Device-to-Device 通信［J］.現代電信科技，2010(7):24-27.WANG B，CHEN L，ZHANG X，etal.Device-to-device communication as an underlay to LTE-advanced networks ［J］.Modern Science&Technology of Telecommunications，2010(7):24-27.

［6］POPAVA L，HERPEL T，GERSTACHER W，et al.Cooperative mobile-to-mobile file dissemination in cellular networks within a unified radio interface ［J］.Computer Networks，2008，52(6):1153-1165.

［7］FITZEK FH P，KATZM.CognitiveWirelessNetworks:Concepts，Methodologies and Visions Inspiring the Age of Enlightenment of Wireless Communications ［M］.New York:Springer，2007:50-53.

［8］ZHUD，MUTKAM W，CEN ZW.QoSawarewireless bandwidth aggregation (QAWBA)by integrating cellular and Ad-Hoc networks ［C］//Proceedings of 1st International Conference on Quality of Service in Heterogeneous Wired/Wireless Networks (QSHINE'04)，October 18-20，2004，East Lansing，MI，USA.New Jersey:IEEE Press，2004:156-163.

［9］STEFANIA S，ISSAM T，MATTHEW B.LTE-the UMTS Long Term Evolution:From Theory to Practice ［M］.United Kingdom:John Wiley&Sons Ltd，2011:108-120.

5G-oriented information sharing mechanism within D2D clusters

WANG Shaomin1，ZHOU Bin2，3
1.Shanghai Research Institute of China Telecom Co.，Ltd.，Shanghai 200122，China 2.Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200050，China 3.Shanghai Research Center for Wireless Communications，Shanghai 201210，China

Device-to-Device(D2D)communication is an important technology in 5G network.It helps to improve the transmission efficiency of data dissemination services.However，due to the extra signaling overhead caused by D2D communications，currently most of enhanced-multicast solutions cannot solve the contradiction between high-efficient data transmission and low-efficient signaling procedure，so as to reduce the overall performance gain.An intra-cluster D2D information sharing algorithm based on matrix analysis which includes centralized and distributed modes was proposed.The proposed algorithm could significantly reduce D2D retransmission times in clusters by adaptively selecting the optimal transmitters and data packets for D2D multicast retransmission，achieving the aim of reducing signaling overhead and transmission delay.

D2D communication，signaling overhead，data dissemination，multicast transmission，5G

The Natural Science Foundation of Shanghai(No.13ZR1440700)

TN915

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016019

2015-06-03;

2015-11-16

上海市自然科學基金資助項目(No.13ZR1440700)

汪少敏(1983-)，女，中國電信股份有限公司上海研究院平臺技術部工程師，主要研究方向為平臺技術和移動通信網絡技術。

周斌(1978-)，男，博士，中國科學院上海微系統與信息技術研究所副研究員，主要研究方向為D2D通信、全雙工通信和大規模自組網。