LTE通信系統中D2D多播傳輸方案設計

王 靜,劉向陽,楊 洋,王新梅

(1.長安大學信息工程學院,陜西西安 710064;2.西安通信學院,陜西西安 710106;3.西安電子科技大學綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室,陜西西安 710071)

LTE通信系統中D2D多播傳輸方案設計

王 靜1,劉向陽2,楊 洋1,王新梅3

(1.長安大學信息工程學院,陜西西安 710064;2.西安通信學院,陜西西安 710106;3.西安電子科技大學綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室,陜西西安 710071)

為了提高長期演進通信系統中的頻譜效率以及傳輸可靠性,將長期演進通信網絡的終端用戶劃分成終端直通通信簇,通過基站多播數據包給所有簇頭以及各簇頭在終端直通通信簇內廣播數據包這兩跳傳輸,實現長期演進通信系統中數據包的多播傳輸.鑒于終端直通通信簇內用戶鏈路不可靠,考慮采用基于網絡編碼的自動重傳請求重傳算法,利用建立的丟失數據包列表,簇頭對需要重傳的數據包進行網絡編碼,廣播編碼數據包,減少重傳次數.性能分析和仿真結果表明,該方案可以獲得與已有基于時間的網絡編碼重傳方案相同的傳輸效率,具有較低的計算復雜度.相對于傳統蜂窩通信模式下基于網絡編碼的多播重傳方案,只在終端直通簇內進行數據包重傳,高丟包率時有效減少基站發送數據包的次數,降低了蜂窩網絡頻譜資源的消耗.

終端直通;多播傳輸;網絡編碼;自動重傳請求

目前,長期演進(Long Term Evolution,LTE)通信系統已經投入商用,但蜂窩網絡頻譜資源有限,可分配的帶寬資源已無法滿足通信需求[1],且以基站為中心的通信方式造成系統覆蓋不足、邊緣用戶通信質量不高等問題.為了提高蜂窩網絡的頻譜利用率以及邊緣用戶的通信質量,文獻[2-3]提出了終端直通(Deviceto-Device,D2D)技術,在蜂窩基站控制下與小區用戶共享網絡資源.在LTE通信系統中融合D2D技術,將有效地提高蜂窩網絡容量、增強網絡覆蓋、節省頻譜資源[4-6].進一步地,文獻[7]將隨機線性網絡編碼引入到D2D通信,通過在蜂窩用戶和D2D通信對之間進行聯合的資源分配和中繼選擇,確保D2D通信傳輸速率的同時,提高蜂窩網絡的信息傳輸速率.文獻[8]研究在蜂窩網絡中聯合應用D2D技術和網絡編碼技術,與只采用D2D或者網絡編碼相比,可以獲得更高的頻譜和能量效率.文獻[9]在D2D發送端與接收端之間引入中繼節點,在中繼節點采用物理層網絡編碼,提高D2D通信對之間的傳輸速率.

在傳統的蜂窩通信模式中,由于無線信道衰落等因素的影響,可能有部分終端用戶沒有正確接收到數據包.目前,在LTE通信系統中仍采用自動重傳請求(Automatic Repeat-reQuest,ARQ)技術重傳丟失的數據包,來確保數據傳輸的可靠性[10].考慮到在無線網絡中采用網絡編碼技術[11-12],能有效減少傳輸次數.進一步地,文獻[13]提出了基于網絡編碼的多數據流聯合ARQ算法,提高未成功譯碼數據流的檢測性能.文獻[14]提出了基于時間的網絡編碼重傳算法,采用網絡編碼技術組合并重傳不同接收節點丟失的數據包,降低了重傳次數,提高了傳輸效率.但在LTE通信系統中直接采用基于時間的網絡編碼重傳算法,在基站向終端用戶多播數據包的過程中,其傳輸速率仍然取決于基站與終端用戶之間質量最差的多播鏈路,將受到低速鏈路傳輸速率的限制,難以充分利用頻譜資源.

為了提高蜂窩網絡的頻譜效率,使距離基站較遠的終端用戶可以可靠地接收到數據,筆者提出一種基于網絡編碼的D2D多播傳輸方案.首先對終端用戶進行分簇,在基站可靠傳輸范圍內選擇簇頭,確保基站到簇頭的鏈路可靠且基站能以較高的速率向簇頭傳輸數據包.簇頭與其各自廣播范圍內的所有終端構成D2D通信簇.基站以蜂窩通信模式向各簇頭多播數據包,各簇頭接收到數據包之后,在各自的D2D通信簇內切換到D2D通信模式廣播數據包,有效提高基站的傳輸速率,增加網絡吞吐量.

不可避免地,無線鏈路具有較高的出錯概率.由于基站到各簇頭的鏈路可靠,假定簇頭能正確接收到基站發送的數據包.但在D2D通信模式下,在簇頭廣播數據包的過程中,有部分終端用戶沒有正確接收到數據包,出現傳輸錯誤.為此,各簇頭利用否定應答(Negative ACKnowledge,NACK)反饋信息建立丟失數據包列表,對需要重傳的數據包進行網絡編碼,廣播編碼數據包,減少重傳次數.該方案相對于傳統蜂窩通信模式下基于網絡編碼的多播重傳方案,只在D2D簇內進行數據包重傳,高丟包率時有效減少基站發送數據包的次數,減少了用戶與基站節點的連接時間,進一步降低了網絡頻譜資源消耗.性能分析和仿真結果表明,該方案可以獲得與已有基于時間的網絡編碼重傳方案相同的傳輸效率,具有較低的計算復雜度.

1　LTE系統中D2D通信模型

在蜂窩網絡中,D2D終端用戶可以根據實際需求切換通信模式,終端通過基站進行通信的蜂窩通信模式以及使用D2D鏈路直接通信的D2D通信模式.當終端用戶距離基站較遠,且終端用戶之間距離較近時,可以直接采用D2D通信模式;當終端用戶距離較遠,且終端用戶與小區基站鏈路可靠,則選擇蜂窩通信模式.一對終端用戶可以建立D2D通信連接,此外,多對終端用戶還可以建立D2D通信簇,在簇內多個終端通過D2D鏈路進行通信.

圖1給出了蜂窩網絡中的D2D通信模型.在基站e NB可靠傳輸范圍內選擇簇頭UER1,UER2,UER3,確保eNB到UER1,UER2,UER3的鏈路可靠且基站能以較高的速率向UER1,UER2,UER3傳輸數據包.各簇頭與其各自廣播范圍內的所有終端用戶構成D2D通信簇.在該網絡中,簇頭UER1與終端用戶UE11,UE12,…,UE1n組建成D2D簇1,簇頭UER2與終端用戶UE21,UE22,…,UE2n組建成D2D簇2,簇頭UER3與終端用戶UE31,UE32,…,UE3n組建成D2D簇3.基站eNB采用蜂窩通信模式向簇頭UER1,UER2,UER3發送數據包. UER1,UER2,UER3接收到基站發送的數據包后,切換到D2D通信模式,向各自D2D簇內的用戶廣播該數據包.通過選擇簇頭并建立D2D通信簇,確保基站能以較高的鏈路速率可靠地向簇頭多播數據包.D2D通信簇使用的時頻資源由基站分配.為了避免D2D終端與其他終端的干擾,基站給D2D通信簇分配獨立的時頻資源,簇頭采用正交復用蜂窩小區資源的方式廣播數據包,有效避免了蜂窩通信與D2D通信之間的干擾,提高了網絡容量和頻譜利用率.

圖1　蜂窩網絡中D2D通信模型示意圖

2　LTE通信系統中的D2D多播傳輸方案

由于無線鏈路具有較高的出錯概率,不可避免地,上述D2D通信鏈路存在數據包丟失的情況.考慮到在各D2D通信簇簇頭的選取過程中,已確保基站到各簇頭的鏈路可靠且基站能以較高的速率向簇頭傳輸數據包,故只需考慮D2D通信模式下,D2D簇內傳輸鏈路不可靠的情況.為此,本節給出一種LTE通信系統中的D2D多播傳輸方案.具體地,將基站向終端用戶多播數據包的過程分解為基站多播數據包給所有簇頭以及簇頭在各自D2D簇內以D2D通信模式廣播數據包這兩個過程.鑒于D2D通信簇內用戶鏈路不可靠,考慮采用基于網絡編碼的ARQ重傳算法,各簇頭利用NACK反饋信息建立丟失數據包列表,對需要重傳的數據包進行網絡編碼,廣播編碼數據包,減少數據包的重傳次數.

2.1基于網絡編碼的ARQ重傳算法

在D2D通信簇中,簇頭向簇內所有終端用戶廣播數據包,但D2D通信簇內用戶鏈路不可靠,有部分用戶沒有正確接收到數據包.圖2給出了簇頭利用NACK反饋信息建立的丟失數據包列表,其中“○”表示數據包被正確接收,“×”表示數據包沒有被正確接收.

圖2　簇頭中存儲的丟失數據包列表

圖3　數據包丟失矩陣

以D2D簇內終端用戶的數目作為行數,數據包的數目作為列數,可以將丟失數據包列表用數據包丟失矩陣表示.根據圖2簇頭中存儲的丟失數據包列表,很容易得到對應的數據包丟失矩陣,如圖3所示.基于得到的數據包丟失矩陣,簇頭對來自不同終端用戶的丟失數據包進行網絡編碼,在D2D簇內廣播編碼數據包.假定D2D通信簇內有N個終端用戶,簇頭廣播發送M個數據包.下面給出基于網絡編碼的ARQ重傳算法的具體實施步驟:

步驟1 根據簇頭存儲的丟失數據包列表,得到對應的數據包丟失矩陣.

步驟2 在數據包丟失矩陣中的第i行(1≤i≤N),尋找第1個“1”數據對應的數據包Pm(1≤m≤M),令P′i=Pm,對于所有終端用戶,保證數據包P′1,P′2,…,P′i對應的數據之和不大于1,并將該矩陣中數據包Pm所在的列變為全“0”列.如果第1個“1”對應的數據包沒有滿足上述條件,則從第2個“1”數據對應的數據包開始,直到找到滿足上述條件的數據包;如果沒有滿足上述條件的數據包,則跳過第i行.

步驟3 同樣在數據包丟失矩陣的第i+1行,尋找第1個“1”數據對應的數據包Pn(1≤n≤M),記P′i+1=Pn,對于所有終端用戶,保證數據包P′1,P′2,…,P′i,P′i+1對應的數據之和不大于1,并將該矩陣中數據包Pn所在的列變為全“0”列.如果第1個“1”對應的數據包沒有滿足上述條件,則從第2個“1”數據對應的數據包開始,直到找到滿足上述條件的數據包;如果沒有滿足上述條件的數據包,則跳過第i+1行.

步驟4 重復上述操作,直到第N行.

步驟5 簇頭對步驟2到步驟4得到的所有數據包進行網絡編碼操作,得到編碼數據包,在D2D簇內廣播該編碼數據包.

步驟6 重復上述操作,直到數據包丟失矩陣為全“0”矩陣.

對于圖3中的數據包丟失矩陣,采用上述基于網絡編碼的ARQ重傳算法,得到編碼數據包P1⊕P4、P2⊕P5、P3⊕P6以及P7.簇頭只需4次重傳,就能使終端用戶恢復出所有丟失的數據包,相對于傳統的ARQ重傳方案需要分別重傳數據包P1,P2,…,P7,減少了3次重傳.

2.2LTE通信系統中D2D多播傳輸

在傳統蜂窩通信網絡中,基站向終端用戶多播數據包的過程中,其傳輸速率仍然取決于基站與終端用戶之間質量最差的多播鏈路,多播傳輸受到低速鏈路速率的限制,難以充分利用頻譜資源.為此,在上述基于網絡編碼的ARQ重傳算法的基礎上討論LTE通信系統中D2D多播傳輸,具體算法如下:

步驟1 進行D2D終端簇的劃分,在基站可靠傳輸范圍內選擇簇頭.基站計算可靠傳輸范圍內各用戶連接其他終端用戶的連接度,選取連接度較大且基站到其傳輸速率較高的用戶作為簇頭,該簇頭與其廣播范圍內的所有終端用戶構成一個D2D通信簇.該D2D通信簇內的所有終端以及簇頭將不再參與后續分簇操作.

步驟2 重復步驟1中的操作,直到基站中所有終端用戶都成為D2D簇頭或者簇內終端,至此D2D通信簇建立過程完成.

步驟3 基站以蜂窩通信模式向各簇頭多播數據包,各簇頭接收到數據包之后,切換到D2D通信模式在各自D2D簇內廣播數據包.

步驟4 D2D通信簇內的簇頭根據簇內用戶的NACK反饋信息,建立并存儲丟失數據包列表.

步驟5 各簇頭采用2.1節中基于網絡編碼的ARQ重傳算法,生成編碼數據包,完成丟失數據包的重傳.

在LTE通信系統中,為了提高頻譜效率,使距離基站較遠的用戶能可靠地接收到數據包,首先在基站可靠傳輸范圍內選擇簇頭,并在此基礎上建立D2D通信簇.通過劃分D2D通信簇,使LTE通信網絡具有分層拓撲結構,通過基站多播數據包給所有簇頭以及簇頭在各自D2D通信簇內廣播數據包這兩跳傳輸,實現LTE通信系統中數據包可靠高效的多播傳輸.

3　性能分析與仿真

首先從提高頻譜資源利用率的角度,理論分析LTE通信系統中采用D2D多播傳輸方案,基站處數據包的平均傳輸次數,并與傳統蜂窩通信模式進行對比說明;然后討論在D2D通信簇內采用基于網絡編碼的ARQ重傳算法的傳輸帶寬消耗,與基于時間的網絡編碼重傳算法[14]以及傳統的ARQ重傳算法進行對比分析;最后對算法的復雜度進行分析說明.

3.1基站的傳輸次數

數學分析LTE通信系統分別采用D2D多播傳輸方案以及傳統蜂窩通信模式,基站處數據包的平均傳輸次數.在文中提出的D2D多播傳輸方案中,基站要傳輸M個數據包給所有終端用戶,可以由基站向D2D簇頭多播M個數據包以及D2D簇頭廣播數據包給各自D2D簇內的終端用戶這兩跳傳輸完成.由于該D2D多播傳輸方案在基站可靠傳輸范圍內選擇簇頭,確保基站到D2D簇頭鏈路可靠,不會發生數據包丟失,且采用基于網絡編碼的ARQ重傳算法,來保證D2D簇內傳輸可靠性.因此,基站只需要M次傳輸,就可以把M個數據包發送給所有簇頭.

如果LTE通信系統采用傳統蜂窩通信模式,則基站以一跳方式向所有終端用戶多播數據包,部分終端用戶沒有正確接收到數據包.此時,基站直接采用基于網絡編碼的ARQ重傳算法,對丟失數據包進行網絡編碼操作,多播編碼數據包給終端用戶,減少數據包的傳輸次數.假定存在兩個終端用戶,用戶1的丟失概率p1小于用戶2的丟失概率p2,且不存在編碼數據包丟失的情況,則基站的傳輸次數由成功發送數據包給具有最大丟失概率的接收節點所需要的傳輸數目確定,那么基站要成功發送M個數據包給兩個終端用戶,基站需要次傳輸.不失一般性,將該結果推廣到N個終端用戶,基站需要次傳輸,才能將M個數據包發送給所有終端用戶.

下面討論在低丟包率(pi=0.136 8)以及高丟包率(pi=0.368 1)情況下,文中提出的D2D多播傳輸方案和傳統蜂窩通信模式下基站需要的傳輸次數.無論低丟包率還是高丟包率,當需要傳輸M=1 000個數據包時,采用D2D多播傳輸方案,基站的傳輸次數都為M=1 000次.不同地,在低丟包率(pi=0.136 8)時,傳統蜂窩通信中采用基于網絡編碼的ARQ重傳算法,基站需要傳輸M(1-0.136 8)=1 158次;在高丟包率(pi=0.368 1)時,基站需要傳輸M(1-0.368 1)=1 583次.可見,當高丟包率時,采用傳統蜂窩通信模式,基站需要傳輸的次數將明顯大于D2D多播傳輸方案中的傳輸次數.

3.2傳輸帶寬消耗

考慮D2D通信簇內采用基于網絡編碼的ARQ重傳算法時的傳輸帶寬消耗,假定在D2D通信簇內存在N個終端用戶,簇頭到第i個終端用戶的鏈路丟包率為pi,且將數據包傳輸錯誤與超時傳輸統一定義為鏈路丟包.采用C++語言進行仿真實驗,在仿真實驗過程中,終端用戶數目在2到14之間取值,D2D簇頭連續發送M=1 000個數據包.這里傳輸帶寬定義為每個數據包的平均傳輸數目,即總的傳輸數目與M之比,N個終端用戶的鏈路丟包率p1,p2,…,pN相互獨立且分別服從Bernoulli分布,仿真實驗分別得到低丟包率和高丟包率情況下的傳輸帶寬消耗并進行比較.

圖4給出了低丟包率(pi=0.1368,1≤i≤N)以及高丟包率(pi=0.3681,1≤i≤N)環境下,終端用戶數目N在2至14之間取值時的傳輸帶寬消耗.由仿真結果可知,當終端用戶數目N增加時,傳統的ARQ重傳算法、基于網絡編碼的ARQ重傳算法以及基于時間的網絡編碼重傳算法[14]的傳輸帶寬消耗都相應增加,基于網絡編碼的ARQ重傳算法與基于時間的網絡編碼重傳算法具有幾乎相同的傳輸帶寬性能,且都優于傳統的ARQ重傳算法.例如,在圖4(a)情況下,當終端用戶數目N=8時,基于網絡編碼的ARQ重傳算法與基于時間的網絡編碼重傳算法具有幾乎相同的帶寬消耗,與傳統的ARQ重傳算法相比,傳輸帶寬消耗可以減少23.8%.

圖4　低丟包率和高丟包率情況下的傳輸帶寬消耗

分別對低丟包率和高丟包率情況下,傳統的ARQ重傳算法、基于網絡編碼的ARQ重傳算法以及基于時間的網絡編碼重傳算法的傳輸帶寬消耗進行對比分析.在高丟包率情況下,D2D通信簇內多個終端用戶沒有接收到同一數據包的概率較大,根據數據包丟失矩陣,采用基于網絡編碼的ARQ重傳算法,簇頭將獲得較多的編碼數據包,需要重傳編碼數據包的數目明顯高于低丟包率情況,故其帶寬消耗也將相應增加.對圖4(a)和圖4(b)進行對比分析發現,低丟包率時基于網絡編碼的ARQ重傳算法與基于時間的網絡編碼重傳算法的傳輸帶寬消耗明顯小于高丟包率情況下的帶寬消耗,仿真實驗結果與上述理論分析完全吻合.

3.3算法復雜度

現在分析基于網絡編碼的ARQ重傳算法的復雜度,并與現有的基于時間的網絡編碼重傳算法進行對比.D2D通信簇內有N個終端用戶,簇頭連續廣播M個數據包,需要O(MN)次計算獲得數據包丟失矩陣.接下來,在數據包丟失矩陣的每一行中尋找可以進行網絡編碼的數據包,確保對于所有終端用戶,所找到的數據包對應的數據之和不大于1,該過程需要O(MN)次操作.上述步驟操作O(M)次,直到數據包丟失矩陣為全“0”矩陣,則簇頭需要O(M2N)次計算獲得用于網絡編碼的丟失數據包的最大集合.因此,基于網絡編碼的ARQ重傳算法的復雜度為O(M2N+MN).

文獻[15]已經證明,在基于時間的網絡編碼重傳算法中,尋找參與網絡編碼的丟失數據包的最佳集合是一個復雜的NP難題.因此,該算法不具有多項式時間復雜度,容易得到基于時間的網絡編碼重傳算法具有指數計算復雜度.因此,基于網絡編碼的ARQ重傳算法的算法復雜度明顯低于基于時間的網絡編碼重傳算法的.在實際蜂窩無線網絡中,終端用戶數目很大,采用基于時間的網絡編碼重傳算法復雜度很高,不具有可實現性.另外,蜂窩節點(更具體地,D2D簇頭)的計算能力有限,這樣即使在終端用戶數目不是很大的情況下,基于時間的網絡編碼重傳算法的計算復雜度也是不可接受的.

4　結束語

為了提高LTE通信系統的頻譜效率以及傳輸可靠性,文中提出一種基于網絡編碼的D2D多播傳輸方案.將LTE通信網絡中的終端用戶劃分成D2D通信簇,通過基站以蜂窩通信模式多播數據包給所有簇頭以及各簇頭以D2D通信模式廣播數據包這兩跳傳輸,有效提高基站的傳輸速率,增加網絡吞吐量.

不可避免地,無線鏈路具有較高的出錯概率.由于在基站可靠傳輸范圍內選擇簇頭,基站到各簇頭的鏈路可靠,因此,簇頭能正確接收到基站發送的數據包.但在D2D通信模式下,在簇頭廣播數據包的過程中,有部分終端用戶沒有正確接收到數據包,出現傳輸錯誤.為此,各簇頭采用基于網絡編碼的ARQ重傳算法,利用NACK反饋信息建立丟失數據包列表,對需要重傳的數據包進行網絡編碼,廣播編碼數據包,減少重傳次數.該方案相對于傳統蜂窩通信模式,高丟包率時有效減少基站需要傳輸數據包的次數,降低蜂窩網絡頻譜資源消耗;在D2D通信簇內采用基于網絡編碼的ARQ重傳算法,減少D2D簇內的帶寬資源消耗,且算法復雜度明顯低于現有基于時間的網絡編碼重傳算法.

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(編輯:李恩科)

Design of the D2D multicast transmission scheme in the LTE communication system

WANG Jing1,LIU Xiangyang2,YANG Yang1,WANG Xinmei3
(1.School of Information Engineering,Chang’an Univ.,Xi’an 710064,China;2.Xi’an Communication College,Xi’an 710106,China;3.State Key Lab.of Integrated Service Networks,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China)

In order to improve spectrum efficiency and transmission reliability of the LTE communication system,its terminal users can be divided into the D2D communication cluster.Specially,the multicast transmission of data packets in the LTE system can be realized through two hop transmissions,namely,the base station multicasts data packets to all cluster-heads and each cluster-head in the D2D communication cluster broadcasts the received packets.Considering that the links may be unreliable in the D2D communication cluster,the ARQ retransmission algorithm based on network coding is adopted.By establishing the lost-packet list,the cluster-head operates the lost-packets by network coding,and broadcasts the encoded packets to reduce the number of retransmission.Performance analysis and simulation results show that the proposed scheme can achieve almost the same transmission efficiency as the existing scheme,but has a lower computational complexity.Compared with the traditional multicast retransmission scheme based on network coding in the cellular communication mode,the scheme only retransmits the lost-packets in D2D cluster,to reduce the pachets transmission number of base stations and decrease the spectrum resource consumption of the cellular network effectively at a high packet loss rate.

device-to-device(D2D);multicast transmission;network coding;automatic repeat-request

TP911.2

A

1001-2400(2016)03-0101-06

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.03.018

2015-03-19

時間:2015-07-27

國家自然科學基金資助項目(61040005,61001126,61271262);陜西省自然科學基金資助項目(2014JQ8300,2015JM6307);大學生創新創業訓練計劃資助項目(201510710131);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2013G1241117)

王 靜(1982-),女,副教授,博士,E-mail:jingwang@chd.edu.cn.

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20150727.1952.018.html