陳光祖, 黃鑫陳, 譚 沖, 陳 平, 卜智勇

(1.中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所,上海 200050; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049; 3.中國(guó)科學(xué)院無(wú)線傳感網(wǎng)與通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200050; 4．國(guó)動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)有限公司,上海 200050)

0 引 言

D2D中繼通信疊加在蜂窩通信中能夠提高頻譜效率,中繼選擇算法受到廣泛研究?，F(xiàn)有研究中的中繼節(jié)點(diǎn)通常都被假定配備電源或電池[1]。但能量收集(energy harvest,EH)技術(shù)已經(jīng)引起了學(xué)者研究興趣[2]。

在中繼選擇策略方面,大部分研究都使用相同的中繼進(jìn)行接收和傳輸,無(wú)法同時(shí)利用最佳可用的源—中繼信道和中繼—目的節(jié)點(diǎn)信道,如果中繼具有緩存,則接收中繼可以與發(fā)送中繼不同,因此能夠利用兩跳最優(yōu)信道。文獻(xiàn)[3,4]考慮了帶緩存的中繼以提高簡(jiǎn)單三節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

本文研究了同時(shí)具備能量收集能力和緩存的中繼通信,提出一種緩存輔助的D2D能量收集中繼選擇策略(buffer-assisted and energy-harvesting relay selection strategy,BERSS),綜合考慮中繼用戶的緩存狀態(tài)、能量收集能力、傳輸速率和中斷概率。仿真表明:BERSS獲得了更高的成功概率和更低的傳輸時(shí)延。

1 系統(tǒng)模型

圖1所示為一個(gè)由蜂窩基站BS,蜂窩用戶CUs，中繼用戶RUs和D2D用戶DUs組成的通信網(wǎng)絡(luò),假設(shè)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)滿負(fù)載運(yùn)行,D2D通信以Underlay的方式疊加到蜂窩通信。假設(shè)一對(duì)DU以協(xié)作中繼通信的方式建立鏈接,用戶對(duì)S表示源節(jié)點(diǎn),D表示目的節(jié)點(diǎn)；N個(gè)中繼用戶RU表示為R1,R2,…,RN。中繼用戶均安裝有無(wú)線能量收集裝置,可以收集周?chē)蓴_信號(hào)攜帶的能量存儲(chǔ)在電容中,作為唯一能源提供給中繼工作時(shí)使用。S和D具有固定電源,本模型中不考慮電量短缺問(wèn)題。假設(shè)所有RU都配有內(nèi)存大小為L(zhǎng)的緩存,用于存儲(chǔ)接收到的數(shù)據(jù)。當(dāng)RU的緩存不滿時(shí)認(rèn)為S—R鏈路是“Open”的,當(dāng)RU的緩存不為空時(shí)認(rèn)為R—D鏈路是“Open”的,“Open”表示鏈路可用且可被選擇[5]。源節(jié)點(diǎn)S以固定大小的數(shù)據(jù)包向中繼傳輸數(shù)據(jù)。此外,假設(shè)基站已知每條通信鏈路的信道狀態(tài)信息CSI(channel state information)。S—R和R—D之間的瑞利衰落信道系數(shù)由hSR和hRD表示。

圖1 系統(tǒng)模型

2 基于能量收集與緩存輔助的中繼選擇策略

2.1 中繼能量收集

由于電容容量和無(wú)線能量收集功率的限制,設(shè)備的能量?jī)?chǔ)備應(yīng)當(dāng)作為中繼選擇的重要指標(biāo)之一。假設(shè)所有設(shè)備的電容容量均為EC。設(shè)t時(shí)刻的RUs的能量分別時(shí)E1(t),E2(t),…,EN(t),則可以預(yù)估下一時(shí)刻第i個(gè)中繼的能量為[6]

Ei(t+1)=Ei(t)+τ(∑c∈CDPBhx‖x-y‖-α+

(1)

式中ti為中繼設(shè)備Ri能夠正常工作的時(shí)間,Ei為Ri能夠使用的能量?jī)?chǔ)備,中繼設(shè)備Ri的發(fā)射功率為PRi,工作電壓為Vi,α為Peukert常量。由于電容容量的限制,設(shè)備的能量?jī)?chǔ)備表示為Ei=min(Ei,EC)。

2.2 信道狀態(tài)分析

Rr和Rt分別表示接收中繼和轉(zhuǎn)發(fā)中繼,用hSRr,hRtD和hRrRt表示S-Rr,Rt-D和Rr-Rt的信道系數(shù)。同時(shí)D2D通信復(fù)用蜂窩通信資源,彼此之間受到同頻干擾。除干擾外所有設(shè)備都將受到均值為0,方差為σ2的加性高斯白噪聲N0。根據(jù)香農(nóng)公式,在信道帶寬為B的情況下,S-Rr和Rt-D的傳輸速率可以表示如下

定義Rr處SINR閾值γth1,如果中繼接收到的SINR高于γth1,則意味著該信號(hào)在Rr可以解碼存儲(chǔ),同時(shí)定義D處閾值γth2,低于該閾值信號(hào)將無(wú)法解碼[5]。則中斷概率可以表示為

Pout=PDF·Pr(SINRS-Rr>γth1)+Pr(SINRS-Rr≤γth1)

(5)

PDF可表示為[5]

PDF=Pr(SINRRt-D≤γth2|SINRS-Rr>γth1)

=(1-eγth2/SINRRt-D)CRD

(6)

可得

Pout=(1-e-γth2/SINRRt-D)CRD×{1-[(1-e-γth1/SINRS-Rr)CSR]}+

(1-e-γth1/SINRS-Rr)CSR

(7)

式中CSR和CRD分別為SR鏈路和R-D鏈路是“Open”的數(shù)量。

2.4 中繼選擇策略

由于接收中繼和轉(zhuǎn)發(fā)中繼承擔(dān)任務(wù)不同,因此選擇接收中繼Rr時(shí)考慮S—Rr鏈路的要求,剩余空間較大、傳輸速度較快、EH功率較大的節(jié)點(diǎn)更適宜；選擇轉(zhuǎn)發(fā)中繼Rt時(shí)考慮Rt-D鏈路的要求,已經(jīng)存有數(shù)據(jù)且能夠轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)量越大、信道條件越好的節(jié)點(diǎn)更適宜。除此之外,還應(yīng)保證D2D通信對(duì)蜂窩通信的干擾在可控范圍。

根據(jù)上述要求,算法分別給接收中繼Rr和轉(zhuǎn)發(fā)中繼Rt一個(gè)能力值權(quán)重[8],表示如下

ΨRr=(L-Q(t))·RS-Rr·(1-Pout)·U[SINRCiB>γB]

(8)

式中U[x]為指示函數(shù),在x為真或假時(shí),函數(shù)取值為1或0。SINRCiB和SINRCjB表示第i個(gè)和第j個(gè)CU到BS的信干噪比,γB表示閾值。同時(shí)遵循優(yōu)先送達(dá)原則,即中繼用戶Ri被同時(shí)選擇時(shí),Ri應(yīng)被優(yōu)先選定為轉(zhuǎn)發(fā)中繼Rt,以保證中繼中已經(jīng)緩存的文件能夠優(yōu)先送達(dá)目的節(jié)點(diǎn)D。此時(shí)接收中繼Rr轉(zhuǎn)向選擇次優(yōu)解。根據(jù)能力值權(quán)重選擇激活相應(yīng)的S—Rr和Rt—D鏈路,因此將選擇策略表示為

(Rr,Rt)=(Rargmax(i≠argmaxΦRi)ΨRi,RargmaxΦRi),

i=1,2…N

(10)

算法過(guò)程描述如下：1)算法開(kāi)始時(shí),節(jié)點(diǎn)S和節(jié)點(diǎn)D的D2D通信需求上傳給基站,基站通知中繼用戶；2)中繼用戶(R1,R2,…,RN)檢查自身狀態(tài)并分別計(jì)算能量收集功率、能夠轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量、鏈路信干噪比和信號(hào)傳輸速率；3)中繼用戶將計(jì)算結(jié)果和自身緩存狀態(tài)發(fā)送給基站；4)基站檢查中繼用戶的S—R或R—D是否為“Open”狀態(tài),篩選掉不可用節(jié)點(diǎn)；5)基站計(jì)算中繼節(jié)點(diǎn)中斷概率后分別計(jì)算中繼用戶擔(dān)任接收中繼Rr或轉(zhuǎn)發(fā)中繼Rt的能力值權(quán)重并排序；6)遵循排序結(jié)果和優(yōu)先送達(dá)原則,基站根據(jù)式(10)選擇接收中繼Rr和轉(zhuǎn)發(fā)中繼Rt。

3 仿真分析

本文基于MATLAB平臺(tái)對(duì)提出的BERSS與隨機(jī)中繼選擇算法(random relay selection algorithm,RRSA)及基于緩存的最大—最大中繼選擇(max-max relay selection for relays with buffers,MMRS)[9]算法進(jìn)行對(duì)比仿真驗(yàn)證,仿真環(huán)境設(shè)置小區(qū)半徑500 m,基站BS位于中心。其他主要參數(shù)設(shè)置:基站傳輸功率為46 dBm,蜂窩用戶傳輸功率為23 dBm,D2D用戶傳輸功率為20 dBm,中繼用戶傳輸功率為20 dBm,路徑損耗系數(shù)α為2,高斯白噪聲為-174 dBm/Hz,能量收集效率τ為0.8,單位時(shí)隙為1 T/ms,數(shù)據(jù)包大小為1 kbits,中繼初始能量范圍為[0,1 000]mAh,中繼電容容量為1 000 mAh,蜂窩通信SINR閾值γB為10 dB。

圖2表示BERSS,MMSA和RRSA三種選擇策略下的整個(gè)通信過(guò)程的成功概率與源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間距離的關(guān)系。仿真設(shè)置γth1和γth2均為10 dB。在一個(gè)時(shí)隙算法成功選擇出接收中繼Rr或轉(zhuǎn)發(fā)中繼Rt定義為本次通信成功,反之則定義為通信失敗,據(jù)此得到成功概率。

圖2 D2D通信成功概率隨S—D距離的變化

可以看出RRSA隨機(jī)選擇中繼,沒(méi)有對(duì)中繼進(jìn)行篩選,因而成功率是最低的。MMSA算法選擇最優(yōu)的源到中繼信道和最優(yōu)的中繼到目的節(jié)點(diǎn)的信道進(jìn)行通信,因此成功率高于RRSA,但是MMSA沒(méi)有考慮中繼設(shè)備的能量問(wèn)題,極易選擇到能量較低的終極用戶,性能差于本文所提BERSS。

圖3考察了中斷概率與DF解碼信干噪比門(mén)限之間的關(guān)系?？梢钥闯鲭S著γth1的增大,對(duì)所選鏈路的要求也逐漸提高,能夠達(dá)到要求的節(jié)點(diǎn)愈少,因而中斷概率不斷增大。在同等γth1條件下,γth2越大鏈路的中斷概率就越大。由于RRSA的隨機(jī)性,中繼節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)不能保證,因此在閾值很高的情況下很難建立通信鏈路。BERSS能夠使一些低電量但信道狀態(tài)較好的中繼用戶在收集了能量以后也有機(jī)會(huì)被選中。因此,同等γth1和γth2條件下BERSS的中斷概率低于MMSA。

圖3 中斷概率隨信噪比門(mén)限的變化

圖4表示中繼節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間對(duì)從源節(jié)點(diǎn)S傳輸定量數(shù)據(jù)到目的節(jié)點(diǎn)D所需時(shí)間的影響?？梢钥闯?隨著中繼用戶內(nèi)存空間增大,通信鏈路的成功率不斷提升,系統(tǒng)傳輸定量數(shù)據(jù)所需時(shí)間在不斷減少。但隨著內(nèi)存空間的不斷增大,內(nèi)存對(duì)延時(shí)的影響不斷減弱,對(duì)系統(tǒng)的提升趨勢(shì)放緩。RRSA由于在能量、信道狀態(tài)等參數(shù)上的劣勢(shì),傳輸用時(shí)依然最大。BERSS相比于MMSA在能量參數(shù)方面的中繼選擇優(yōu)勢(shì)也在本仿真中體現(xiàn),因而用時(shí)最短。

圖4 傳輸時(shí)間隨中繼節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)空間變化

4 結(jié) 論

本文在D2D中繼選擇中綜合考慮中繼的能量、緩存和信道狀態(tài),提出一種基于能量收集和緩存輔助的中繼選擇策略。給出中繼綜合評(píng)價(jià)指標(biāo),在每個(gè)通信時(shí)隙選擇評(píng)價(jià)最高的接收中繼Rr或轉(zhuǎn)發(fā)中繼Rt。仿真分析表明:本文所提策略比對(duì)比策略獲得了更高的成功概率、更低的傳輸時(shí)延。