C-RAN 架构网络中基于分组调度的直接通信机制

刘占军，陈玲珑，沈 悦，吕宗琦，陈前斌

(重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆，400065)

0 引言

随着我国4G(4thGeneration)牌照的发放，5G(5thGeneration)技术的研究已经成为无线通信领域的研究焦点。业内普遍认为5G的技术特点为更大的网络吞吐容量、更多的用户连接数、大数据处理以及用户的随时随地接入［1－2］。而实现上述目标主要可以从网络架构和接入方式2个方面进行研究。

针对大的网络容量、大数据处理等特点，中国移动提出了集中式/协作式/云计算无线接入网(centralized，cooperative，cloudradio access network，CRAN)［3－5］。该网络主要由分布式无线网络、光传输网络以及基带资源处理池组成。分布式无线网络中密集分布的无线远端单元(radio remote unit，RRU)由高带宽、低延迟的光传输网络连接至基带资源处理池中的基带处理单元(base band unit，BBU)。集中式基带资源处理池能够实现基带资源动态共享，对不同小区之间的基带资源进行集中调度、控制。同时基带资源处理池内各个处理单元共享和交互移动终端信息，并结合移动交换中心(mobile switching center，MSC)及无线网络控制器(radio network controller，RNC)集中管理网络中的业务调度。基于云计算的虚拟化技术能够实现C－RAN架构系统资源和终端业务的最优调度，从而提高系统资源利用率，更好地满足不同终端业务服务质量(quality of service，QoS)的需求。

针对接入方式，移动终端直接通信(device to device，D2D)技术省去了网络中转而使设备之间可以直接进行通信。传统的蜂窝通信模式需要为上、下行链路分配资源，D2D模式只需要为直接通信链路分配资源，从而D2D可以有效地提高网络的资源利用率［6－7］。直接通信的关键技术包括 2 点:D2D发现和D2D通信［8］。D2D发现是指终端如何搜索周边的直接通信终端，目前针对该技术的研究成果包括文献［9］研究网络控制下D2D发现的使用案例以及直接通信在商业和公共安全方面的潜在需求，而文献［10］则研究了D2D发现对系统结构设计的需求以及解决方案;D2D通信建立机制是如何在直接通信终端之间建立连接，文献［11］研究了D2D通信会话建立和管理的机制。

然而，目前尚没有C－RAN架构网络下的直接通信的相关研究成果，针对这个问题进行研究不仅能够推动C－RAN和D2D技术的发展，还符合5G技术发展的需求。因此，研究C－RAN架构网络的D2D通信具有重要意义。本文提出了一种C－RAN架构下实现D2D通信的分组调度机制，该机制利用基带资源处理池共享移动终端信息的特性，直接根据用户的空间位置信息为用户选择合适的通信方式并建立通信链路。

1 C-RAN架构下实现D2D通信的分组调度机制

C－RAN架构下实现D2D直接通信的分组调度机制包含2个部分:通信方式决策和通信链路建立。

1.1 通信方式决策

通信方式对策与流程如图1所示。

1)初始化位置信息。在基于C－RAN架构无线网络中，移动终端定期地利用自身GPS(global positioning system)获取自己的位置信息，然后，将获取的位置信息发送至基带资源处理池;基带资源处理池接收系统中移动终端发送的位置信息，并利用移动终端的位置信息建立终端位置数据库，以及根据移动终端的位置信息更新终端位置数据库中的移动终端的位置信息，以便核心网中的MSC查询系统中的终端位置信息。

2)RRU接收到来自主叫终端的呼叫请求信号，并将主叫终端的呼叫请求信号发送至基带资源处理池;基带资源处理池接收到主叫终端的呼叫请求信号后，读取出主叫终端的呼叫请求信息并将该信息发送至核心网中的MSC;MSC接收到主叫终端的呼叫请求信息后，读取主叫终端的移动用户识别码(international mobile subscriber identity calling，IMSIc)，以及被叫终端的移动用户识别码(international mobile subscriber identity incoming calling，IMSII)，并向终端位置数据库查询IMSIc，IMSII的位置信息。

3)MSC利用查询到的主、被叫终端位置信息，计算主被叫终端之间的距离。然后，将主被叫终端之间的距离与系统设定的终端直接通信门限距离dth进行比较。

4)如果主被叫终端之间的距离小于设定的终端直接通信门限距离dth，则MSC决定终端采用直接通信方式。否则，终端通过RRU中转建立通信。

图1 通信方式决策流程Fig.1 Decision of communication mode

1.2 D2D直接通信链路建立

MSC决定了终端的通信方式后，将终端的通信方式、分配的时频资源、发送功率等信息封装成调度指令。终端根据调度指令中的参数建立直接通信链路，其步骤如图2所示。

图2 C－RAN架构网络下D2D直接通信建立过程Fig.2 Link establishment for D2D communication in C－RAN network

1)基带资源池经RRU向主被叫终端下发调度指令。

2)主叫终端读取接收到的调度指令，获取终端的通信方式，并根据调度指令中的终端发送功率和带宽，设置发射机的发送功率和带宽，在调度指令中的发送时间内向被叫终端发送建立连接请求消息。

3)被叫终端读取调度指令，获取终端的通信方式，在调度指令中的接收时间内接收主叫终端发送的请求消息。如果被叫终端接收到主叫终端的请求建立消息，则根据调度指令，调整发射机的发射功率和带宽，在发送时间内向主叫终端发送请求响应消息。

4)主叫终端根据调度指令中的接收时间，接收被叫终端的请求响应消息。如果主叫终端接收到被叫终端的请求响应消息，则认为主被叫终端之间成功建立直接通信链路;否则认为直接通信链路无法建立。

2 仿真及性能分析

2.1 仿真环境

本节根据上述分组调度机制，在MATLAB中仿真了C－RAN架构网络下的D2D直接通信。仿真采用的C－RAN网络拓扑结构如图3所示，该通信网络由37个蜂窝小区组成，各RRU分布在每个小区中心，采用全向天线。用户随机均匀分布在网络中，分为D2D用户和RRU转发用户，其中，‘*’表示D2D用户;‘.’表示 RRU转发用户;‘☆’表示RRU。

图3 80个用户随机均匀分布在网络中的拓扑图Fig.3 Network topology with 80 users

仿真中，均匀分布在37个小区的用户共享20 MHz的系统带宽。该带宽可最多支持25对RRU转发用户或者50对D2D用户同时通信，其中，每个终端的最大传输功率为16.02 dBm。仿真中采用的传播模型为自由空间传播模型，只考虑路径损耗和高斯白噪声对终端的影响，载波频率为800 MHz，进而终端的接收功率只与设备之间的距离有关。仿真采用Infinite buffer业务模型，保证终端有足够多的数据发送。其仿真主要参数如表1所示。

表1 主要仿真参数Tab.1 Main simulation parameters

2.2 性能分析

仿真过程中选取与最近RRU距离超过20 m且用户之间的距离小于15 m的2个用户作为一对D2D用户。若有多个用户满足此条件，则随机选取其中2个用户即可，同时保证每个用户只能与一个用户通信。仿真中，采用RRU转发方式时，系统为用户到RRU的上行链路和RRU到用户的下行链路分配资源块(resource block，RB)，并计算该资源下的系统吞吐量;而采用直接通信方式时，系统只为直接通信链路分配RB，并计算该资源下的系统吞吐量。系统获得的用户连接数为系统中获得RB的用户数。D2D用户同RRU转发用户使用相互正交的物理资源，由集中式基带资源处理池统一调度，调度的最小单元为一个RB。RB调度规则为当用户数小于RB个数时，采用轮询分配方式直至系统中的RB分配完毕;当系统中的用户数大于RB个数时，将采用D2D技术节约的RB分配给系统中未分配RB的用户，且每个用户分配的RB不超过一个。

本文比较了C－RAN架构网络在采用直接通信模式前后，系统吞吐量和用户连接数随系统用户密度的变化情况。后面所述直接通信模式即直接通信模式与RRU转发模式共存的混合模式。

2.2.1 系统吞吐量

图4为系统吞吐量图。由图4可知，系统吞吐量随系统用户密度增加而增加。当系统中用户密度较小时，系统采用直接通信与RRU转发模式获得的吞吐量基本相当，这主要是因为用户均匀分布在整个系统中，大部分用户依然以RRU转发的方式进行通信。当用户密度处于8.5～15.4(number/(103×m2))时，采用直接通信模式，系统吞吐量增加10.4%;而在整个用户密度变化的区间上，系统采用直接通信模式，其吞吐量仍然能够增加7.2%。这主要是因为:①直接通信用户拥有更短的通信链路，在不考虑干扰的情况下，能够拥有更好的SNR，因此，在相同带宽的情况下，用户采用直接通信能够获得更高的吞吐量;②随着用户密度增大，系统中满足直接通信条件的用户更多，系统将存在更多的通信链路。

2.2.2 用户连接数

图5为系统用户连接数图，由图5可知，当用户密度较大时，系统采用直接通信能够获得更大的用户连接数。当用户密度较小时，2种通信模式获得相同的用户连接数，此时系统无线资源能够满足用户接入需求。当用户密度处于8.5～15.4(number/(103×m2))时，系统采用直接通信模式，其用户连接数能够提高9.1%;而在整个用户密度变化区间上，系统采用直接通信模式，其用户连接数仍然提高了6.4%。这主要是因为当用户密度增大时，系统会产生更多的直接通信用户，此时系统将直接通信节约的RB分配给未获得RB的用户，进而系统能够同时支持更多的用户进行通信。

图4 不同通信方式下，系统吞吐量随用户密度变化曲线Fig.4 Curve of system throughput changes along with user’s density in different communication modes

图5 不同通信方式下，系统用户连接数随用户密度变化曲线Fig.5 Curve of the number of user changes along with user’s density in different communication modes

3 结论

本文提出了一种在C－RAN架构下实现D2D通信的通信方式决策和链路建立机制。在该机制中，MSC利用主被叫终端位置信息，计算主被叫终端之间的距离，并与设定的门限值比较，从而确定终端的通信方式并建立通信链路。该机制充分利用了CRAN架构网络集中式处理特性。仿真结果表明，相对于RRU转发通信，D2D通信能使C－RAN架构网络的吞吐量增加7.2%，同时用户连接数提高6.4%。

本文的工作存在以下需要进一步完善的地方:①计算复杂度较高。由于该网络结构是基于集中式处理的网络结构，而且一个云计算中心需负责较大一块覆盖区域中的较多用户，而随着网络中用户数量和RRU数量的增加网络状态复杂程度将快速增加，而对于技术所需要的计算复杂度也就随之增加，如何降低实现的复杂程度，本文并没有讨论;②没有考虑频谱的分配问题。D2D应用到网络中，网络中的用户设备(user equipment，UE)可能会出现直接通信的状态，而RRU也可能会出现覆盖区域有UE互相直接通信状态和有UE与其他RRU覆盖区域中的UE直接通信的状态。而网络中结点状态的增加必然会导致频谱分配的改变，相关技术也是接下来所需要进一步研究的内容。

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