工業5G的D2D多跳中繼輔助傳輸方法及中斷性能分析

摘 要： 面向工業5G網絡的超可靠強實時傳輸要求，研究基于設備到設備通信（device-to-device，D2D）的多跳多中繼輔助傳輸方法。基于隨機幾何理論，采用泊松點過程對工業現場設備進行建模，并劃分中繼選擇區域。多跳中繼過程中，每一跳中繼選擇信干噪比最大的節點進行解碼轉發，充分考慮層疊部署的多條D2D傳輸路徑上的節點干擾以及隨機噪聲，推導出端到端中斷概率的閉式表達式。仿真分析了中繼節點部署密度、發射功率、路徑距離等因素對端到端中斷概率的影響。結果表明，采用多跳多中繼輔助的D2D傳輸可以大幅降低工業5G網絡的端到端中斷概率，提高傳輸可靠性。

關鍵詞： 工業5G； D2D通信； 隨機幾何； 中繼選擇； 中斷概率

中圖分類號： TN929.5"" 文獻標志碼： A

文章編號： 1001-3695（2022）05-038-1510-04

doi：10.19734/j.issn.1001-3695.2021.10.0454

Multi-hop D2D relay-assisted transmission and outage analysis for industrial 5G

Wang Zhun1，2，3，4， Xu Chi2，3，4， Wang Yitian1，2，3，4， Xu Wenbiao1，2，3，4， Xia Changqing2，3，4， Jin Xi2，3，4

（1.College of Information Engineering， Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang 110142， China; 2.Key Laboratory of Networked Control Systems， Chinese Academy of Sciences， Shenyang 110016， China; 3.Shenyang Institute of Automation， Chinese Academy of Sciences， Shenyang 110169， China; 4.Institutes for Robotics amp; Intelligent Manufacturing， Chinese Academy of Sciences， Shenyang 110169， China）

Abstract： For ultra-reliable low latency communication of industrial 5G network， this paper studied multi-hop and multi-relay-assisted device-to-device communication scheme. Based on the stochastic geometry theory， this paper used the Poisson point process to model the devices in the industrial field and divided the relay selection area. During multi-hop transmission， the relay of each hop selected node with the largest signal to interference plus noise ratio for decoding and forwarding. Fully considering the node interference and random noise on the multiple D2D transmission paths， this paper derived the closed form expression of the end-to-end outage probability. Simulations demonstrated the influence of relay node deployment density， transmit power， path distance on the end-to-end outage probability. The results show that the use of multi-hop and multi-relay-assisted D2D transmission can greatly reduce the end-to-end outage probability of industrial 5G networks and improve transmission reliability.

Key words： industrial 5G; D2D communication; stochastic geometry; relay selection; outage probability

0 引言

5G的快速發展推動工業無線網絡技術的迭代升級，特別是5G的超可靠強實時通信（ultra-reliable low latency communications，URLLC）技術，打破了傳統移動通信僅面向人類的高帶寬通信的需求，直接鎖定了工業自動化領域，以期賦能智能制造。然而，工業環境下，溫濕度變化快、機械振動強、金屬隨機移動導致多徑衰落嚴重、突發干擾強，使得5G難以滿足工業控制的高可靠、強實時、低抖動的確定性通信要求。特別是，工業企業普遍缺乏授權頻譜，工業無線網絡往往工作于免授權頻段，信道資源競爭更加嚴重，又進一步降低了5G在垂直行業的可用性。因此，有必要研究專門面向工業自動化的5G網絡技術，即工業5G。

D2D的終端直通方式是5G實現URLLC的關鍵技術之一，它可以不完全依賴基站調度，實現設備之間的直接無線傳輸，進而提高傳輸可靠性、降低傳輸功率、提高頻譜利用率，因此更加適合工業場景。現有工業無線網絡，如WirelessHART、ISA100.11a、WIA-PA等均采用D2D的通信模式并進行Mesh組網，因此，工業5G引入D2D傳輸機制，通過短距離、多跳中繼輔助的冗余傳輸方式可以確保實時性和可靠性，大大提升頻譜利用率。同時，D2D通信鏈路一旦建立起來，無須核心網設備或中間設備的干預，可降低核心網的壓力，使網絡更加靈活、高效地運行［1～4］。文獻［5］提出的WIA-NR工業無線網絡就采用D2D進行組網，實現了URLLC的核心指標性能。

此外，文獻［6］提出了一種用于工業無線網絡D2D部署的頻譜共享方案；文獻［7］提出了一種基于D2D通信模式選擇的資源的分配算法，提高網絡中資源的分配效率。但由于D2D通信復用了頻譜資源，對現有網絡造成了有害干擾，會降低系統的預期性能［8～10］。考慮到工業無線網絡大多工作在非授權頻譜上，相對于有限且昂貴的授權頻譜，在充足且免費的非授權頻譜上部署D2D對工業企業更具價值［11］。文獻［12］考慮工業無線網絡的空間多樣性，研究了D2D通信網絡的覆蓋性能；文獻［13］面向多中繼網絡提出了中繼選擇方法，其中，對于可以在相同的一致性時間內進行通信的設備，聯合中繼選擇方案對于設備通信公平性和超可靠低時延通信非常重要;文獻［14］進行了多跳中繼網絡下的中斷分析與優化研究，推導了干擾受限環境下網絡固定節點群的中斷概率上界和下界;文獻［15］研究了D2D無線傳感網絡的中斷性能。考慮頻譜共享問題，文獻［16，17］分析了干擾功率約束下，認知放大轉發中繼網絡的中斷概率，兩者都證明中繼輔助傳輸可大幅提升網絡性能;此外，文獻［18，19］分別研究了D2D中繼輔助和多跳認知無線網絡的通信容量。

然而，現有研究工作主要聚焦于蜂窩移動通信，對于工業應用的研究偏少，本文聚焦工業5G的D2D通信，研究其多跳中繼輔助傳輸方法，并分析網絡的中斷性能。具體來說，充分考慮工業現場設備隨機分布的特征，本文基于隨機幾何理論，采用泊松點過程對工業現場設備進行建模;然后，考慮任意一條端到端通信路徑，為躲避隨機干擾、保障可靠性，采用多跳中繼輔助傳輸模式。多跳傳輸過程中，每一跳節點從覆蓋范圍內的中繼節點群中選擇信干噪比最大的中繼進行解碼轉發，充分考慮多跳傳輸過程中層疊部署的多條D2D傳輸路徑上的節點干擾以及隨機噪聲，本文推導了端到端的中斷概率并得到了閉式表達式。在此基礎上，通過仿真實驗驗證了理論推導的正確性，分析了中繼節點部署密度、發射功率、傳輸距離等因素對端到端中斷概率的影響。結果表明，采用多跳多中繼的D2D傳輸可以大幅降低工業5G網絡的端到端中斷概率，提高傳輸可靠性。

1 系統模型

如圖1所示，工業現場中，各類工業設備隨機部署，在二維平面上采用泊松點過程描述，表示為ω1，密度為λ1。隨機部署的工業設備根據制造任務要求進行端到端通信，所有設備共享非授權頻譜，并采用D2D終端直通的方式進行通信。受傳輸距離限制以及金屬遮擋等影響，端到端通信采用多跳中繼的方式完成，確保可靠傳輸。其中，每一跳的中繼轉發方式為解碼轉發［20］。假設端到端通信區域內沒有工業傳輸任務的設備均可作為中繼節點，那么相鄰設備進行一跳傳輸時，將從周圍隨機部署的設備中選擇最佳中繼進行中繼輔助。

具體來說，對于任意一次端到端通信，在K跳中繼轉發過程中，源設備R1到目的設備RK+1之間規定的每個中繼選擇區域內，如果不存在可用中繼節點，那么鏈路中斷；如果存在唯一可用中繼節點，則直接通過該鏈路進行通信；如果區域內存在多個中繼設備，則進行中繼選擇。將具有端到端通信任務的多對源設備和目的設備集合表示為S1，將沒有通信任務的設備作為中繼節點，節點集合表示為S2。其中，S2亦符合泊松點過程，在二維平面上表示為ω2，密度為λ2。根據Palm理論［21］，假設將Sa（a∈{1，2}）上一個典型接收設備的位置位于原點上，則不會影響泊松點過程的統計。

2 多跳多中繼輔助傳輸方法

工業5G進行多跳D2D通信的過程中將進行中繼選擇。設從R1開始等距離選擇一點，以該點為圓心、半徑為D的圓內總能找到一個中繼節點作為接收端進行轉發，否則連接失敗、通信中斷，該圓即為中繼選擇區域。源設備R1經過多個選定的中繼節點Rk（k=2，…，K）到目的設備RK+1傳輸過程中，在該通路上存在K-1個區域，在每個區域內經中繼選擇后選定中繼節點進行轉發從而實現多中繼輔助下的K跳傳輸，連通示意圖如圖2所示。

5 仿真分析

本章對在多跳多中繼輔助下D2D通信中斷性能進行了仿真分析。為研究其端到端的中斷性能，對不同參數下的中斷概率進行仿真并對比。仿真過程中，如無特殊說明，相關參數設置如表1所示［18，23］。

圖3展示了不同通信模式下的中斷概率，將本文提出的最佳中繼輔助方法與無中繼輔助、單中繼輔助、隨機中繼輔助［18， 23］進行了系統比較。可以看出，潛在的中繼節點密度與具有通信任務的設備密度接近時，中斷性能極佳；隨著中繼節點密度的增大，干擾增加，中斷性能下降。其中，無中繼輔助通信下D2D通信中斷概率逐漸接近于1，而單中繼輔助和隨機中繼輔助的中斷概率顯然大于本文提出的最佳中繼輔助。

多中繼輔助D2D通信在一定程度上提高了通信鏈路距離，同時也對系統的性能產生了影響，下面就多跳情況下端到端通信受不同因素影響進行仿真，對多中繼輔助下的中斷性能進行分析。圖4分析中斷概率隨中繼節點密度的變化情況，同時對比了不同的跳數和鏈路距離的影響。通過圖4的仿真結果可以看出，在確定的源到目的多跳通信過程中，中斷性能隨著中繼節點密度的增大而下降。同時，隨著跳數K的增大，中斷性能隨之提高，但是也會出現繼續增加跳數性能提升不再明顯的現象，并且造成資源浪費。因此一味地增加節點進行輔助轉發并不能有效提高中斷性能，應該選擇合適跳數的中繼節點進行輔助。

圖5是多跳多中繼輔助通信下的中斷概率在不同距離R下的變化。同時，對比仿真了不同跳數和中繼節點密度對中斷概率的影響。R為源節點到目的節點的路徑距離，隨著R的不斷增加，中斷概率隨之增大。同時可以知道在中繼節點處于高密度時，中斷概率較大。從圖5可以看出，在距離相對較小的情況下如10 m時，在跳數較大的情況下，中斷性能并不是最大的，這也與圖4仿真結果分析相同。所以針對不同的通信距離可以選擇合適的跳數來實現系統的最佳中斷性能。

圖6為中斷概率隨發射功率的變化情況。隨著發射功率的增加，中斷性能也有所提高，原因是一定程度上削弱了外界噪聲對系統的影響。通過以上仿真結果可以知道，中繼節點部署密度、發射功率、傳輸距離等因素都對中斷概率起著不同程度的影響。

6 結束語

在工業5G網絡中，多跳多中繼輔助D2D通信可以提高可靠性，滿足工業應用要求。本文采用隨機幾何理論，基于泊松點過程構建了工業現場設備隨機分布場景，并提出了多跳多中繼輔助通信方法；在此基礎上，分析了工業5G網絡多跳多中繼輔助D2D傳輸時網絡的端到端中斷性能，推導并得到了端到端中斷概率的閉式表達式，并通過仿真分析驗證了結果的正確性。結果表明，網絡的端到端中斷性能受到各跳之間的鏈路距離以及網絡中噪聲和各節點密度的影響，這些因素都不同程度地對該系統產生干擾影響，可以針對不同條件下的源和目的節點的通信選擇最佳的中繼輔助狀態建立通信，極大提高通信可靠性。基于本文提出的多跳D2D傳輸方法，下一步將研究工業5G的無線自組網方法，實現工業5G網絡的廣連接、深覆蓋，提高網絡的靈活性。

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