0 引言

    在無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，組播流量占總流量的很大一部分。在現(xiàn)有的可靠多播方案中，BS重復(fù)發(fā)送相同的數(shù)據(jù)包，直到它被所有接收者接收，導(dǎo)致基站(Base station，BS)承擔(dān)較大的組播業(yè)務(wù)負(fù)載和節(jié)點(diǎn)端大量的接收能耗。

    無線蜂窩網(wǎng)中的設(shè)備到設(shè)備(Device-to-Device，D2D)通信技術(shù)能有效減輕BS負(fù)載，近幾年受到了極大重視^[1-2]。在無線蜂窩網(wǎng)中使用D2D通信有很多的優(yōu)勢^[3]，例如，利用鄰近節(jié)點(diǎn)之間的直接通信，可以減輕基站的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載；通過中繼實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)和基站之間的兩跳路由，能夠增強(qiáng)用戶在小區(qū)邊緣和惡劣蜂窩鏈路條件下的服務(wù)質(zhì)量。

    目前已開展一些基于D2D通信的高效多播方案設(shè)計(jì)的研究。從多播用戶的物理位置分布角度，多播場景主要有以下兩類：(1)從BS多播數(shù)據(jù)到散布在整個(gè)蜂窩小區(qū)的用戶；(2)從BS多播數(shù)據(jù)到某個(gè)小區(qū)域（如一幢辦公樓）內(nèi)多個(gè)用戶，這些用戶兩兩鄰近，組成一個(gè)D2D多播簇。在一個(gè)蜂窩小區(qū)中的多播用戶往往會(huì)形成多個(gè)D2D多播簇^[4]，因此有必要研究一種高效的面向D2D多播簇的多播方案，既可單獨(dú)用于多播數(shù)據(jù)到D2D的多播簇，也可嵌入到用戶分布在整個(gè)小區(qū)的多播方案中。

    關(guān)于從BS多播數(shù)據(jù)到某個(gè)小區(qū)域內(nèi)多個(gè)用戶，ZHANG Q等人^[5]提出，當(dāng)BS多播完一組數(shù)據(jù)包后，隨機(jī)挑出一定數(shù)目的節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)首先確定哪些包沒被正確接收（稱為丟失包），然后按順序輪流轉(zhuǎn)發(fā)丟失包，直到所有節(jié)點(diǎn)正確收到。但是，可能選中D2D鏈路質(zhì)量較差的中繼節(jié)點(diǎn)，無法保證100%包接收率。ZHOU B等人^[6]提出了基于子簇劃分的轉(zhuǎn)發(fā)方案，最小化時(shí)間-頻率兩個(gè)維度總資源開銷方案。利用子簇劃分算法來將每一個(gè)未正確接收到包的節(jié)點(diǎn)（稱為NACK節(jié)點(diǎn)）依附到無線鏈路質(zhì)量較好的可正確接收到包的節(jié)點(diǎn)（稱為ACK節(jié)點(diǎn)），然后由每個(gè)ACK節(jié)點(diǎn)以讓其所依附的所有NACK節(jié)點(diǎn)正確接收的最高的速率來在子簇內(nèi)廣播數(shù)據(jù)包。但一方面，多個(gè)子簇并行轉(zhuǎn)發(fā)同一個(gè)數(shù)據(jù)包，造成較大的發(fā)送能耗；另一方面，香農(nóng)公式表示的信道傳輸速率僅提供理論上的極限速率，而不具有實(shí)際可操作性，實(shí)際中反應(yīng)信道真實(shí)吞吐量的指標(biāo)是誤比特率（也就是丟包率）。

    本文研究BS到某個(gè)小區(qū)域內(nèi)多個(gè)節(jié)點(diǎn)(即D2D多播簇)的基于D2D通信的高效數(shù)據(jù)多播，提出了兩種基于鏈路丟包率方案：中繼節(jié)點(diǎn)固定的多播(Fixed-Relay based Multicast，F(xiàn)R-M)方案和中繼節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)選取的多播(Dynamic-Relay based Multicast，DR-M)方案。并以最小化所有接收節(jié)點(diǎn)的總能耗為目標(biāo)，優(yōu)化中繼節(jié)點(diǎn)及其發(fā)送功率的選取。

1 系統(tǒng)模型

2 基于D2D通信的多播方案

2.1 FR-M方案

    假設(shè)一組以M個(gè)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，在一個(gè)多播周期內(nèi)無線鏈路的通信質(zhì)量近似不變，來進(jìn)行多播發(fā)送。挑一個(gè)固定節(jié)點(diǎn)i來執(zhí)行數(shù)據(jù)包的D2D中繼。具體如圖1所示，組內(nèi)的每一個(gè)數(shù)據(jù)包的多播包含兩個(gè)階段：

    (1)BS先反復(fù)向多播簇內(nèi)的中繼節(jié)點(diǎn)i發(fā)送數(shù)據(jù)包，直到節(jié)點(diǎn)i正確接收到數(shù)據(jù)包。

    (2)中繼節(jié)點(diǎn)i反復(fù)在多播簇內(nèi)廣播，直到多播簇內(nèi)所有其他節(jié)點(diǎn)都正確接收。

    在多播簇內(nèi)挑選哪個(gè)節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)以及中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率的多少，決定了BS到中繼節(jié)點(diǎn)的鏈路質(zhì)量、D2D鏈路質(zhì)量及轉(zhuǎn)發(fā)的發(fā)送能耗，最終決定了整個(gè)多播簇的接收總能耗。不同的中繼節(jié)點(diǎn)和不同的發(fā)送功率會(huì)導(dǎo)致不同的總能耗。

2.2 DR-M方案

    本方案工作方式如下:對于每個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送，會(huì)挑一個(gè)節(jié)點(diǎn)nR來執(zhí)行數(shù)據(jù)包的D2D中繼。具體如圖2所示，每一個(gè)數(shù)據(jù)包的多播包含兩個(gè)階段：

    (1)BS首先重復(fù)向簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)廣播數(shù)據(jù)包，直到至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)正確接收到，稱正確接收到的節(jié)點(diǎn)為ACK節(jié)點(diǎn)，而稱其他節(jié)點(diǎn)為NACK節(jié)點(diǎn)。

    (2)從ACK節(jié)點(diǎn)中選出一個(gè)節(jié)點(diǎn)i作為D2D多播發(fā)送者，反復(fù)廣播給NACK節(jié)點(diǎn)，直到所有NACK節(jié)點(diǎn)都正確接收到。

    在第一階段結(jié)束后，中繼節(jié)點(diǎn)與NACK節(jié)點(diǎn)間的包接收成功率取決于中繼節(jié)點(diǎn)的選取和中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率；中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率越高，雖然D2D鏈路包接收成功率越高，但發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包所需要發(fā)送能耗也越高。由不同的ACK節(jié)點(diǎn)i來擔(dān)任中繼節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)以不同的發(fā)送功率來廣播數(shù)據(jù)包，整個(gè)多播簇的總能耗是不相同的。

3 FR-M方案的中繼節(jié)點(diǎn)及發(fā)送功率選取

    定義集合I={1，2，…，K}為D2D多播簇節(jié)點(diǎn)序號集合。

3.1 包接收率

    節(jié)點(diǎn)i作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行數(shù)據(jù)包發(fā)送， BS反復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)包直到節(jié)點(diǎn)i正確接收，因此對于當(dāng)前這一組數(shù)據(jù)包，節(jié)點(diǎn)i的包平均接收次數(shù)為：

    選用平均總能耗最小的節(jié)點(diǎn)作為中繼，最優(yōu)檔功率作為功率：

    此時(shí)i就是最好的中繼節(jié)點(diǎn)序號，k就是對應(yīng)最好中繼下的最好發(fā)送功率檔。

4 DR-M方案中繼節(jié)點(diǎn)及發(fā)送功率選取

    用S表示第一階段結(jié)束(即基站發(fā)送結(jié)束)后NACK節(jié)點(diǎn)的序號集合，用F表示第一階段結(jié)束(即基站發(fā)送結(jié)束)后ACK節(jié)點(diǎn)的序號集合。顯然，S∪F={1，2，…，K}。

4.1 包接收率

4.3 多播簇內(nèi)接收總能耗最小化

    當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)i以k檔功率發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，NACK節(jié)點(diǎn)集合的平均接受總能耗為：

    此時(shí)i就是最好的中繼節(jié)點(diǎn)序號，k就是對應(yīng)最好中繼下的最好發(fā)送功率檔。

5 性能評估

    以BS到K個(gè)用戶的包接收成功率(Packet Delivery Ratio，PDR)是在[P_BU，0.7]范圍內(nèi)的隨機(jī)值來仿真，中繼節(jié)點(diǎn)到其余節(jié)點(diǎn)的包接收成功率是在[P_min，0.99]范圍內(nèi)的隨機(jī)值，P_min與中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率相關(guān)，節(jié)點(diǎn)有3檔發(fā)送功率P₁、P₂和P₃，對應(yīng)的P_min分別為0.7、0.8和0.9。圖3為3種方案不同節(jié)點(diǎn)數(shù)目時(shí)的平均包傳遞總能耗，P₁=1.0 W，P₂=1.5 W，P₃=2.0 W，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都是1 000組數(shù)據(jù)的平均結(jié)果，每組數(shù)據(jù)包含10個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送，且每組數(shù)據(jù)包的多播所對應(yīng)的鏈路PDR是隨機(jī)生成的。

    從圖3可以得到結(jié)論：隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目K增大，3個(gè)方案的平均包傳遞總能耗(Average Total Energy Consumption per Packet Delivery，ATECPD)越來越高。采用傳統(tǒng)的方案， ATECPD正比于K，ATECPD隨著K的增大而增大。采用DR-M方案，當(dāng)K增大時(shí)，節(jié)點(diǎn)在第一階段接收數(shù)據(jù)包的總能耗會(huì)增加。K越大導(dǎo)致簇內(nèi)NACK節(jié)點(diǎn)數(shù)目越大，第二階段中繼的平均重發(fā)次數(shù)也會(huì)增加，中繼節(jié)點(diǎn)的包平均轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)和NACK節(jié)點(diǎn)的包接收總次數(shù)都增大。因此K增大會(huì)使DR-M的第一階段的收能耗和第二階段的收發(fā)能耗都增加。對于FR-M方案，總能耗的增加來自于第二階段中繼的平均重發(fā)次數(shù)的增多及其他節(jié)點(diǎn)的包接收總次數(shù)增大，中繼的發(fā)送能耗增加及節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包的總接收能耗增加。

    其次，F(xiàn)R-M和DR-M都優(yōu)于傳統(tǒng)方案。雖然這兩個(gè)方案中的中繼節(jié)點(diǎn)會(huì)消耗少量的發(fā)送能耗(平均包轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)較接近1)，但利用D2D鏈路來重傳相比于使用蜂窩鏈路來重傳具有更高的PDR、更小的包接收總次數(shù)、更低的總接收能耗。FR-M總是優(yōu)于DR-M。FR-M中第一階段只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)從基站那接收數(shù)據(jù)，其他所有節(jié)點(diǎn)都是通過D2D鏈路來接收包，具有相對較小的包接收次數(shù)。DR-M中，第一階段所有節(jié)點(diǎn)都接收BS發(fā)送的包，會(huì)有相對較多的節(jié)點(diǎn)消耗了能量卻沒正確接收到包。

    圖4給出了3種方案在不同蜂窩鏈路包接收率下限值P_BU時(shí)的ATECPD，P₁=1.0，P₂=1.5，P₃=2.0。可以看出，F(xiàn)R-M和DR-M都優(yōu)于傳統(tǒng)方案。隨著PBU的不斷增大，DR-M的性能不斷變優(yōu)。當(dāng)PDR逐漸變大，越來越多的節(jié)點(diǎn)在基站發(fā)送一次數(shù)據(jù)包后正確收到數(shù)據(jù)，NACK節(jié)點(diǎn)越來越少。隨著NACK節(jié)點(diǎn)數(shù)目的減少，第二階段被選為中繼的那個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均發(fā)送次數(shù)也會(huì)減少，第二階段的收發(fā)總能耗也降低。對于FR-M，隨著PDR增加，被選為中繼的那個(gè)節(jié)點(diǎn)的期望接收次數(shù)會(huì)有降低，但降低量很微小，蜂窩鏈路質(zhì)量的提高對此方案的第二階段沒有任何影響，所以PDR的變化對此方案的影響很小。

    圖5給出了在P₁=1.0，P₂=1.0+ΔP和P₃=1.0+2ΔP下，不同相鄰發(fā)送功率差值ΔP下的ATECPD仿真，F(xiàn)R-M和DR-M均優(yōu)于傳統(tǒng)方案， FR-M優(yōu)于DR-M。FR-M在ΔP較小時(shí)比ΔP較大時(shí)僅具有略微好的性能，因?yàn)镻₁是相同的，當(dāng)ΔP=0.5時(shí)，被選出的中繼節(jié)點(diǎn)大多以P₃發(fā)送，增加的不多的發(fā)送能耗換來更少的平均重傳次數(shù)，使FR-M在第二階段節(jié)省了不少能耗；而當(dāng)ΔP足夠大(如ΔP=1.0)時(shí)，使用P₂或P₃發(fā)送功率導(dǎo)致發(fā)送能耗很大卻沒顯著提高包接收率，因?yàn)榇蠖鄶?shù)時(shí)候中繼節(jié)點(diǎn)仍會(huì)選擇功率P₁來發(fā)送從而使接收總能耗最小。至于DR-M，當(dāng)ΔP=0.5時(shí)，被選出的中繼節(jié)點(diǎn)也大多時(shí)候以P₁發(fā)送，通常NACK節(jié)點(diǎn)數(shù)目不多，導(dǎo)致通過增大發(fā)功率（如采用P₂=1.0+ΔP）也僅僅換來D2D重傳次數(shù)降低，但下降的接收能耗抵不上增加的發(fā)送能耗。

    雖然FR-M在性能指標(biāo)和ATECPD上都優(yōu)于DR-M，但DR-M能更有效地降低BS的多播流量負(fù)載：使用DR-M時(shí)，對于每個(gè)數(shù)據(jù)包的多播，BS發(fā)送一次后接近100%的概率至少會(huì)有一個(gè)節(jié)點(diǎn)正確接收到，BS的包平均發(fā)送次數(shù)近似為1。使用FR-M時(shí)，對于每個(gè)數(shù)據(jù)包的多播，BS要反復(fù)重發(fā)直到中繼節(jié)點(diǎn)正確接收到，期望的包發(fā)送次數(shù)為1/p，其中p為BS到中繼節(jié)點(diǎn)的蜂窩鏈路PDR。

6 結(jié)論

    本文研究基站到某個(gè)小區(qū)域內(nèi)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的基于D2D通信的高效數(shù)據(jù)多播，提出了FR-M方案和DR-M方案，通過中繼節(jié)點(diǎn)和最優(yōu)功率的最優(yōu)選擇，最小化兩個(gè)方案中多播簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的總能耗。相比于傳統(tǒng)的基站多播方案，所提的兩種方案都能有效地降低簇內(nèi)總能耗。FR-M方案比DR-M方案具有更低的平均包傳遞總能耗，但DR-M方案能更有效地降低BS的多播流量負(fù)載。

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作者信息:

徐曉瑤1，湯澤鋒2，池凱凱2

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，浙江 嘉興314033；

2.浙江工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州310023)