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(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)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(nèi)信息共享機(jī)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(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)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(wǎng)絡(luò)中的重要技術(shù)，有利于提升數(shù)據(jù)分發(fā)業(yè)務(wù)傳輸效率;然而，由于D2D通信引入了大量額外信令開銷，當(dāng)前的增強(qiáng)多播方案無法解決高效數(shù)據(jù)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(nèi)信息共享算法，包含集中式與分布式兩種實(shí)現(xiàn)方式，能通過自適應(yīng)地選擇D2D多播重傳發(fā)射者和多播重傳數(shù)據(jù)分組，大幅減少簇內(nèi)重傳次數(shù)，達(dá)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(shù)據(jù)分發(fā);多播傳輸;5G

1 引言

5G是4G移動通信技術(shù)的延伸，4G是5G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，資源利用率將提高10倍以上，系統(tǒng)吞吐率提高25倍，頻率資源擴(kuò)展4倍左右。為了達(dá)到這個目標(biāo)，5G采用了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，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(wǎng)技術(shù)和超密集組網(wǎng)、D2D(device to device)和新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)［1］。其中，D2D是 5G網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)重要技術(shù)，增加了蜂窩通信系統(tǒng)頻譜效率，降低了終端發(fā)射功率，在一定程度上解決了無線通信系統(tǒng)頻譜資源匱乏的問題。

在當(dāng)前基于基礎(chǔ)設(shè)施的移動通信網(wǎng)絡(luò)中，基站(BS)作為小區(qū)內(nèi)的中心控制節(jié)點(diǎn)，是移動設(shè)備(終端)獲得網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的唯一接入點(diǎn)。移動設(shè)備只能通過蜂窩上行或下行鏈路與網(wǎng)絡(luò)中某個特定基站進(jìn)行無線通信。然而研究表明［2-5］，當(dāng)多個移動設(shè)備彼此接近時，如果能實(shí)現(xiàn)設(shè)備間直接通信(即D2D通信)，會給傳統(tǒng)的蜂窩系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)干擾水平。近年來，采用D2D技術(shù)增強(qiáng)傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為一個頗具前景的新概念并受到廣泛重視。上述D2D增強(qiáng)型蜂窩網(wǎng)中，一方面，設(shè)備間的直接通信可以受益于蜂窩網(wǎng)的集中式控制架構(gòu);另一方面，高質(zhì)量短距離的D2D無線鏈路有助于大幅提高蜂窩通信網(wǎng)的傳輸效率。

D2D通信在蜂窩網(wǎng)的一種典型應(yīng)用為簇內(nèi)信息共享。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分發(fā)(data dissemination)業(yè)務(wù)［6］(如數(shù)據(jù)下載和實(shí)時視 頻)，可以通 過 D2D 通 信 而顯著提 高效率［6，7］。D2D還能實(shí)現(xiàn)對蜂窩網(wǎng)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(nèi)信息共享的諸多性能優(yōu)勢［2-4］，本文以通過 D2D通信增強(qiáng)的蜂窩下行數(shù)據(jù)分發(fā)(簡稱為D2D增強(qiáng)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(tǒng)授權(quán)頻段［4］，簇內(nèi)信息共享過程中的每次多播傳輸都需要蜂窩系統(tǒng)的下行信令支持，如D2D多播傳輸調(diào)度資源、終端的收發(fā)狀態(tài)通知。因此，為了節(jié)省系統(tǒng)的信令開銷，有必要盡可能減少D2D傳輸與重傳的次數(shù)，實(shí)現(xiàn)信令開銷和傳輸效率聯(lián)合優(yōu)化。這是當(dāng)前D2D增強(qiáng)多播的主要缺陷，也是提升數(shù)據(jù)分發(fā)整體效率的關(guān)鍵所在。

現(xiàn)有移動網(wǎng)絡(luò)中的重傳由數(shù)據(jù)分組的初始發(fā)射者發(fā)起，該機(jī)制如果直接應(yīng)用在D2D簇內(nèi)信息共享的場景中，會導(dǎo)致重傳次數(shù)過多，信令開銷和分發(fā)時延也同比例急劇上升［9］。為此，本文在具體分析了現(xiàn)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(chǔ)，設(shè)計了一種基于多維矢量分析的D2D簇內(nèi)信息共享算法，包含集中與分布兩種實(shí)現(xiàn)方式。該算法通過對簇內(nèi)共享狀態(tài)的實(shí)時收集與分析，自適應(yīng)地選擇最佳重傳發(fā)射者和待重傳數(shù)據(jù)分組，有效減少簇內(nèi)重傳次數(shù)，達(dá)到最小化信令開銷的目的。

2 系統(tǒng)模型

以D2D通信(或簇內(nèi)信息共享)增強(qiáng)的下行數(shù)據(jù)分發(fā)方案由圖1所示。首先，多個已接入蜂窩網(wǎng)且地理位置彼此接近的移動設(shè)備，通過協(xié)商建立起D2D簇。同簇的移動設(shè)備除了可以進(jìn)行正常蜂窩上下行通信外，還能在D2D鏈路上進(jìn)行設(shè)備間直接通信。在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分發(fā)方案中，當(dāng)D2D簇中的所有設(shè)備都希望從云端下載同一個數(shù)據(jù)文件，每個設(shè)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(shè)為C byte)，如圖1(a)所示。而通過使用D2D簇內(nèi)信息共享增強(qiáng)的蜂窩下行數(shù)據(jù)分發(fā)方案，基站側(cè)的完整數(shù)據(jù)文件被切分為若干個數(shù)據(jù)塊(假設(shè)分為3塊，大小為C1、C2和C3且 C1+C2+C3=C)，簇內(nèi)每個設(shè)備分別通過各自的蜂窩下行鏈路接收其中的一個數(shù)據(jù)塊;然后，為了在各個設(shè)備處重新產(chǎn)生完整的數(shù)據(jù)文件，簇內(nèi)每個設(shè)備需要將自己成功收到的數(shù)據(jù)塊轉(zhuǎn)發(fā)給簇內(nèi)其他所有的設(shè)備，該過程稱為“D2D簇內(nèi)信息共享”。經(jīng)過多次D2D簇內(nèi)信息共享和交換后，完整的數(shù)據(jù)文件可成功地從蜂窩基站側(cè)被傳送到D2D簇內(nèi)的每個移動設(shè)備側(cè)。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(shí)現(xiàn)了提高下行數(shù)據(jù)分發(fā)效率與吞吐量的目的，如圖 1(b)所示。

圖1 傳統(tǒng)多播和D2D增強(qiáng)多播的系統(tǒng)模型

本文關(guān)于D2D通信的研究假設(shè)如下。

首先，D2D通信作為移動蜂窩通信網(wǎng)的補(bǔ)充和增強(qiáng)，必須能夠與蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)共存。D2D通信和蜂窩通信采用相同的空口技術(shù)并工作在時分雙工模式下。D2D通信占用蜂窩網(wǎng)授權(quán)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(jìn)行，基站采用集中式調(diào)度的無線資源管理策略。蜂窩下行單播和D2D簇內(nèi)信息共享可通過時分復(fù)用而共存于每個物理子幀。通常假設(shè)D2D簇內(nèi)信息共享部分原上行時隙。此外，蜂窩系統(tǒng)需要設(shè)計額外的D2D控制信令，實(shí)時指示設(shè)備進(jìn)行發(fā)射狀態(tài)與接收狀態(tài)的切換。

再次，由于簇內(nèi)各設(shè)備的間距較短，D2D鏈路的可達(dá)速率通常較高。因此，簇內(nèi)信息共享傳輸一般在基站發(fā)射了多個下行單播幀后才會進(jìn)行一次。多個在下行鏈路上成功接收到的數(shù)據(jù)分組可以級聯(lián)成一個更大的D2D數(shù)據(jù)分組，用于簇內(nèi)信息共享傳輸。基站根據(jù)無線鏈路質(zhì)量、QoS、設(shè)備緩存大小等因素調(diào)度簇內(nèi)信息共享的通信行為。

最后，為提高效率，D2D簇內(nèi)信息共享可以采用點(diǎn)到多點(diǎn)的多播傳輸協(xié)議。

3 當(dāng)前D2D增強(qiáng)多播的主要缺陷

以D2D通信增強(qiáng)的蜂窩下行數(shù)據(jù)分發(fā)方案可抽象為3個連續(xù)的階段。

階段一D2D簇的建立。該階段包括鄰居伙伴發(fā)現(xiàn)、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(jù)部署場景和業(yè)務(wù)模式，D2D簇的建立既可采用設(shè)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(nèi)的各移動設(shè)備需要分別廣播導(dǎo)頻信號，估計D2D鏈路的大尺度衰落和信道質(zhì)量，并在蜂窩系統(tǒng)的控制下向基站匯報測量結(jié)果。

階段三下行數(shù)據(jù)傳輸與簇內(nèi)信息共享。該階段為D2D增強(qiáng)多播的核心。首先各設(shè)備在下行鏈路上分別接收不同的切分后的數(shù)據(jù)塊(C1，C2和C3)，然后，各設(shè)備在基站下行信令的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)塊簇內(nèi)的共享轉(zhuǎn)發(fā)。

當(dāng)某個設(shè)備有D2D數(shù)據(jù)分組需要在簇內(nèi)共享時，基站需要為其在簇內(nèi)的多播傳輸調(diào)度資源。相關(guān)信令包括D2D調(diào)度信令許可和D2D調(diào)度信息。前者用于向簇內(nèi)發(fā)射者指示資源調(diào)度結(jié)果和多播傳輸?shù)木幋a調(diào)制格式，后者用于向簇內(nèi)多個接收者通知調(diào)度信息。只有當(dāng)簇內(nèi)所有設(shè)備都收到了上述信令，一次有效可控的D2D簇內(nèi)多播及相應(yīng)ACK/NACK反饋過程才能被執(zhí)行。經(jīng)過一輪(多次)完整的D2D簇內(nèi)多播后，部分D2D數(shù)據(jù)分組在設(shè)備間交換成功，而另一些D2D數(shù)據(jù)分組在簇內(nèi)交換失敗。此時，D2D簇內(nèi)重傳的請求需要上報給基站，然后在基站的調(diào)度下，新一輪的D2D簇內(nèi)多播被執(zhí)行，直到所有的簇內(nèi)設(shè)備都擁有了完整的數(shù)據(jù)文件。

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

綜上，簇內(nèi)信息共享所需的信令開銷與簇內(nèi)多播或重傳的次數(shù)成正比。為有效降低信令開銷，必須采取適當(dāng)措施來減少簇內(nèi)多播和重傳的次數(shù)。本文解決的問題為:(1)如何選擇最合適的設(shè)備作為D2D簇內(nèi)重傳的發(fā)射者;(2)在D2D簇內(nèi)多播和重傳中，如何確定需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組;(3)如何實(shí)現(xiàn)D2D簇內(nèi)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(shè)備的 D2D簇，記作 VN=｛1，2，…，N｝，其中VN表示簇內(nèi)設(shè)備序號的集合，序號是標(biāo)識設(shè)備的自然數(shù)。簇內(nèi)設(shè)備均屬于同一小區(qū)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(shù)據(jù)塊，記作C1，C2，…，CN。為了達(dá)到簇內(nèi)信息共享的目的，各個設(shè)備需要依次將其所擁有的數(shù)據(jù)塊以多播方式發(fā)送給其余所有設(shè)備。由于無線信道衰落的影響，假設(shè)在每次D2D多播中，只有部分設(shè)備能正確接收并反饋ACK信號，其余未能正確接收的設(shè)備反饋NACK信號。

定義1對于D2D簇VN內(nèi)任意給定的多播發(fā)射者k，當(dāng)其以多播方式在簇內(nèi)共享一個D2D數(shù)據(jù)分組后，會收到來自簇內(nèi)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(fā)射者可共同構(gòu)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(shí)現(xiàn)D2D簇內(nèi)信息的完全共享，每個簇內(nèi)設(shè)備要依次成為多播傳輸?shù)陌l(fā)射者，因此，所有的PEV共同構(gòu)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(biāo)志當(dāng)前D2D簇內(nèi)信息共享傳輸成功與否的接收狀態(tài)信息，可用于對信令開銷進(jìn)行定量分析和最優(yōu)重傳策略設(shè)計。若PEM中不存在0，則在當(dāng)前這輪D2D簇內(nèi)信息共享中，所有D2D數(shù)據(jù)分組都被所有的移動設(shè)備成功接收了，簇內(nèi)信息共享成功，無需進(jìn)行再一次的多播重傳。否則，仍然需要啟動D2D簇內(nèi)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(shè)D2D簇中包含 4個設(shè)備，VN=｛1，2，3，4｝。在每個移動設(shè)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(xiàn)有D2D簇內(nèi)重傳算法與PEM更新示例

根據(jù)現(xiàn)有的D2D簇內(nèi)重傳算法，對于每一次簇內(nèi)多播，只要對應(yīng)的PEV中包含0，則原多播發(fā)射者就必須將相同的數(shù)據(jù)分組在簇內(nèi)重新多播一次。如圖2和圖3所示，當(dāng)設(shè)備1向設(shè)備2、3、4多播了D2D數(shù)據(jù)分組C1后，假設(shè)只有設(shè)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(shè)備1需要向基站發(fā)出D2D簇內(nèi)重傳請求。經(jīng)過基站的資源調(diào)度和信令通知，設(shè)備1再次向設(shè)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(fā)生在設(shè)備2、3、4的簇內(nèi)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(tǒng)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(nèi)重傳才能保證PEM中不含0。傳統(tǒng)方案的重傳次數(shù)直接取決于D2D簇的大小。隨著簇內(nèi)設(shè)備增多，該方案的信令開銷和系統(tǒng)時延將線性增長，導(dǎo)致數(shù)據(jù)分發(fā)性能的急劇惡化。

假設(shè)在簇內(nèi)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(shù)據(jù)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(jìn)行N次重傳的概率為:

其中，Nretrans表示在D2D簇內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全信息共享所需的最小重傳次數(shù)。根據(jù)式(3)進(jìn)行計算可知，隨著Pe和N的增加，平均最小重傳次數(shù)會快速增長，意味著信令開銷和數(shù)據(jù)分發(fā)時延也將相應(yīng)地急劇上升。

5 最小化信令開銷的信息共享算法

本節(jié)提出了一種最小化信令開銷的D2D簇內(nèi)信息共享算法，設(shè)計動機(jī)歸納如下:如果能夠在簇內(nèi)找出一個最合適的候選重傳發(fā)射者，由它一次性盡可能多地重傳所有需要在簇內(nèi)重傳的D2D數(shù)據(jù)分組，則簇內(nèi)信息共享所需要的平均重傳次數(shù)就會明顯降低。

以圖2和圖3為例，如果設(shè)備2被選為簇內(nèi)首次重傳的發(fā)射者，在重傳時多播數(shù)據(jù)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(shè)備3被選為簇內(nèi)第二次重傳的發(fā)射者，在重傳時多播數(shù)據(jù)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(nèi)多播重傳就實(shí)現(xiàn)了完全的簇內(nèi)信息共享，而第3節(jié)中的傳統(tǒng)方案至少需要4次簇內(nèi)多播重傳才能達(dá)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(nèi)信息共享算法包含4個連續(xù)的步驟，具體描述如下。

第1步接收狀態(tài)信息獲取與PEM生成。

在D2D簇內(nèi)重傳開始之前，首先需要獲取簇內(nèi)各個設(shè)備的接收狀態(tài)信息，并在網(wǎng)絡(luò)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(cè)生成;而對于分布式，完整的PEM則分別在D2D簇內(nèi)的每個設(shè)備側(cè)生成。D2D ACK/NACK特指簇內(nèi)多播接收者反饋的確認(rèn)信息。

(1)集中式流程

①每一次D2D簇內(nèi)多播之后，基站立即監(jiān)聽由多播接收者反饋的D2D ACK/NACK;或者由D2D簇內(nèi)多播發(fā)射者監(jiān)聽D2D ACK/NACK，然后轉(zhuǎn)發(fā)給基站。

②當(dāng)簇內(nèi)每個設(shè)備都完成一次多播發(fā)送后，基站即可獲得完整的PEM。基站根據(jù)PEM，完成簇內(nèi)最優(yōu)重傳發(fā)射者的選擇后，通過蜂窩下行信令通知該設(shè)備。

(2)分布式流程

①每一次D2D簇內(nèi)多播之后，各多播接收者依次在簇內(nèi)廣播自己的D2D ACK/NACK;在不發(fā)送D2D ACK/NACK的時隙，上述多播接收者切換至接收狀態(tài)，監(jiān)聽其他多播接收者發(fā)送的D2D ACK/NACK。

②當(dāng)簇內(nèi)每個設(shè)備都完成一次多播發(fā)送后，每個簇內(nèi)設(shè)備均可獲得完整的PEM，并可根據(jù)PEM完成簇內(nèi)最優(yōu)重傳發(fā)射者的選擇。

第2步D2D簇內(nèi)重傳增益因子計算。

為了找出最優(yōu)簇內(nèi)重傳發(fā)射者，需要計算簇內(nèi)每個設(shè)備的“重傳增益因子”。本算法中，某個移動設(shè)備的重傳增益因子定義為“該設(shè)備已經(jīng)成功獲得并且至少有一個簇內(nèi)其他設(shè)備沒有成功獲得的D2D數(shù)據(jù)分組的個數(shù)”，如式(4)所示。

第3步最優(yōu)D2D重傳發(fā)射者選擇。

擁有最高的重傳增益因子的設(shè)備被選為簇內(nèi)重傳發(fā)射者。如果多個設(shè)備同時擁有最大重傳增益因子，則根據(jù)預(yù)設(shè)優(yōu)先級或隨機(jī)在多個候選設(shè)備中進(jìn)行選擇。上述優(yōu)先級可以是建簇時為每個設(shè)備分配的臨時編號。若PEM為集中式生成，最優(yōu)重傳發(fā)射者的選擇由基站執(zhí)行;若PEM為分布式生成，最優(yōu)重傳發(fā)射者的選擇則由簇內(nèi)各設(shè)備分別執(zhí)行。由于PEM和重傳增益因子的計算方法是相同的，所以各設(shè)備分別運(yùn)行的重傳發(fā)射者選擇流程將得到完全相同的結(jié)果。

D2D簇內(nèi)待重傳數(shù)據(jù)分組為同時滿足下列條件的所有數(shù)據(jù)分組:發(fā)射者已經(jīng)成功獲得的數(shù)據(jù)分組;至少有一個簇內(nèi)其他設(shè)備沒有成功獲得的數(shù)據(jù)分組。為提高重傳效率，簇內(nèi)重傳的發(fā)射者可以將所有滿足條件的數(shù)據(jù)分組級聯(lián)在一起，生成一個更大的D2D數(shù)據(jù)分組一次性在簇內(nèi)多播。

第4步簇內(nèi)重傳和PEM更新。

D2D簇內(nèi)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(jié)采用MATLAB語言進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，比較了3種D2D簇內(nèi)信息共享方案的平均重傳次數(shù)。方案一為現(xiàn)有簇內(nèi)重傳方案，由各個多播發(fā)射者分別負(fù)責(zé)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(yōu)重傳方案(性能上界)，最小重傳次數(shù)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(shù)設(shè)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(shù)設(shè)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(shù)設(shè)為3;以此類推，窮舉出理論上的最小重傳次數(shù)。該最優(yōu)重傳方案雖可得到最少的簇內(nèi)重傳次數(shù)，但是計算復(fù)雜，很難在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。

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(biāo)誤塊率不同的情況下的平均簇內(nèi)重傳次數(shù)。其中，誤塊率表示D2D簇內(nèi)多播接收者的平均譯碼錯誤概率(即Pe)，簇大小表示D2D簇內(nèi)所含設(shè)備的個數(shù)(即 N)。

觀察性能仿真結(jié)果，可以得出結(jié)論:本文所提的簇內(nèi)重傳算法，能顯著地降低D2D簇內(nèi)信息共享所需的多播重傳次數(shù)，從而能夠大幅減少系統(tǒng)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(nèi)重傳次數(shù)降低到與理論最小值非常接近的水平;隨著簇內(nèi)設(shè)備個數(shù)不斷增加，現(xiàn)有重傳方案的性能不斷惡化，重傳次數(shù)與簇內(nèi)設(shè)備個數(shù)基本為線性關(guān)系，而本文所提算法的性能非常穩(wěn)定，重傳次數(shù)隨著簇內(nèi)設(shè)備個數(shù)的增加增長緩慢;相比現(xiàn)有重傳方案，本文所提算法能夠更好地支持較大規(guī)模的D2D簇，而包含較多設(shè)備的大D2D簇通常能夠提供更多的協(xié)作增益和更高的傳輸效率。

表3 D2D簇內(nèi)信息共享方案的重傳次數(shù)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(jié)束語

提升D2D增強(qiáng)多播性能的關(guān)鍵在于設(shè)計高效的簇內(nèi)重傳方案以實(shí)現(xiàn)信令開銷和傳輸效率聯(lián)合優(yōu)化。傳統(tǒng)的簇內(nèi)重傳必須由多播發(fā)射者完成，重傳次數(shù)多，信令開銷大，影響了D2D增強(qiáng)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(chǔ)，設(shè)計了一種最小化信令開銷的D2D簇內(nèi)信息共享算法，含集中與分布兩種實(shí)現(xiàn)方式。通過自適應(yīng)選擇多播重傳發(fā)射者和多播重傳數(shù)據(jù)分組，有效減少簇內(nèi)重傳次數(shù)，顯著降低了信令開銷和傳輸時延。仿真結(jié)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(yōu)勢更明顯。

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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(xué)基金資助項(xiàng)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(shù)部工程師，主要研究方向?yàn)槠脚_技術(shù)和移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

周斌(1978-)，男，博士，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所副研究員，主要研究方向?yàn)镈2D通信、全雙工通信和大規(guī)模自組網(wǎng)。