5G网络中DR－OC型D2D通信收益模型及定价研究*

金昱任，唐俊华

(上海交通大学上海市信息安全综合管理技术研究重点实验室，上海200240)

0 引言

随着手持智能设备数量的飞速增长，用户对于移动宽带的需求也空前增加，目前的蜂窝网络已经很难满足大量出现的高耗带宽应用的需求。而且根据这个发展趋势，在未来十年，我们可以预见第四代移动通信网络也将很难满足这个需求。而5G网络将会考虑到的Device－to－Device(D2D)通信，可以在一定程度上解决移动通信系统频谱资源匮乏的问题。对于运营商如何激励用户加入更加高速且安全的D2D通信网络而非传统蜂窝网络，D2D通信的定价是一个很关键的问题。定价要顾及到运营商和多数用户的收益，而且要合理，D2D通信网络才能更好地实现与发展。

1 D2D通信简介

1． 1 D2D概念简介

Device－to－Device(D2D)通信是一种在蜂窝系统的控制下，允许终端之间通过复用小区资源直接进行通信的技术。D2D通信中，两个临近的设备在许可蜂窝带宽之内，只需要有限的基站参与，或者甚至没有基站的参与，也可以进行相互通信。

1． 2 D2D网络的分类

为了融入D2D通信，5G蜂窝网络应该会是一个双层网络，包括宏蜂窝层和设备层。宏蜂窝层与传统蜂窝网络一样，包含基站和设备之间的通信;而设备层则包含D2D通信，也就是设备和设备之间的通信。如果设备通过基站连接到蜂窝网络，我们就说该设备运行在宏蜂窝层;如果设备直接连接到另一个设备、或者通过其他设备的协助来实现传输，我们就说该设备运行在设备层。在双层系统中，基站依然继续为设备服务，而在小区边缘或者拥塞地带，则允许设备相互通信，建立ad hoc网状网络［1］。

在设备层通信的实现中，运营商应该有不同级别的控制。运营商可以对资源分配进行全面或者部分控制，也可以不进行控制。因此，设备层有以下四种主要类型［2］。

1)由运营商控制连接建立的设备转发(DROC，Device relaying with operator controlled link establishment):在小区边缘或者拥塞地区的设备可以通过其他设备转发消息来与基站通信。这可以使设备获得更高的Qos和电池寿命。运营商与中继设备通信，部分或全部控制了连接建立。

2)由运营商控制连接建立的直接D2D通信(DC－OC，Direct D2D communication with operator controlled link establishment):源和目标设备不通过基站交换信息，但连接建立是由运营商协助完成。

3)由设备控制连接建立的设备转发(DR－DC，Device relaying with device controlled link establishment):运营商不参与连接建立过程，因此，源和目标设备使用它们之间的中继协同通信。

4)由设备控制连接建立的直接D2D通信(DC－ DC，Direct D2D communication with device controlled link establishment):源和目标设备在没有运营商控制的情况下直接相互通信。因此，源和目标设备应尽量确保降低和设备层内部以及宏蜂窝层的设备之间的干扰。

2 DR-OC型D2D通信的定价讨论

5G网络中，运营商需要解决的一个重要问题就是如何对D2D服务进行资费收取。如果费用收取过低，则对运营商的经营收益不利;如果费用收取过高，则会使一部分用户放弃使用D2D服务转而使用低速切安全性较差的传统服务。虽然我们不能立即合理地解决这个问题，但如果运营商想要实施一个收费方案，他们必须为这个收费模式中D2D设备为哪些项目付费提出依据，这样才有可能使用户认同收费模式的合理性。

D2D设备为其他使用者进行转发的时候，贡献了它们自己的电池、内存和带宽等资源。收费模式应该考虑为D2D设备的这些贡献做出补偿，才能吸引用户参与到D2D通信中来。而在运营商方面，它们可以为D2D通信过程提供安全环境，也可以对QoS做出保障，因此这些也可以成为运营商向D2D设备收费的理由。对中继设备的一种可行的激励是，根据它们转发的数据量，运营商为其提供一些免费的奖励带宽的作为交换。

下面就D2D四种类型中的DR－OC型D2D通信定价进行讨论。

2． 1 DR-OC型D2D通信的设备收益

就定价而言，净效用通常用来表示对性能和定价的满意程度。净效用通常定义如下［3］:

式(1)中，()U q是性能q的效用函数;()R x是给定数量的待分配资源x的性能函数;p是资源x的单价，因此p·x是资源x的总花费。

参考以上，可将式(1)中第一项定义为网络中的信道容量，根据香农公式可简单表示为［4］

式(2)中，C是信道容量;b是通信可用带宽;S=Eb·R是接收信号功率，其中Eb是每信息比特的接收能量，R是通信的信息速率;N=N0·b是影响接收信号的白噪声功率，其中N0是噪声功率谱密度;k=为普效率;γ=为链路平均信噪比。

因而，对于传统的蜂窝网络而言，设备i的收益可以表示如下:

式(3)中，第一项是设备i使用的频道带宽所对应的收益，其中，bi是设备i所使用的频道带宽;ki表示普效率;γi是设备i和基站之间链路的平均信噪比。第二项是设备i应向运营商缴纳的使用费用，其中，pi是谱单价。

因此，传统蜂窝网络的设备收益可以理解为设备使用频道带宽所获得的对应收益，减去设备为使用这段带宽而向运营商缴纳的费用。

效仿此思路，本文提出DR－OC类型的D2D网络中设备的收益，表示如下:

式(4)中，第一项与传统蜂窝网络相同。第二项是设备i应向运营商缴纳的使用费用，其中，Mi是基站和设备i之间数据传输的跳数。第三项是设备i从奖励带宽获得的收益，其中，˜bi是奖励带宽。

与传统蜂窝网络相比，DR－OC类型的D2D网络中，在小区边缘或者拥塞地区的设备可以通过其他设备转发消息来与基站通信。其中请求帮忙转发消息和负责转发消息的设备在网络中使用的不同数量的资源，也贡献着不同的数量的资源。

第二项则是D2D网络运营商对中继设备的一个奖励，中继设备贡献了自己的资源，应该得到奖励和安抚以鼓励这种行为，所以运营商根据中继设备的实际转发信息情况，给予其特定数量的奖励带宽。

第三项与式(3)相比增加的系数 1+ln M( )i意味着，如果某设备与基站通信需要越多的中继设备来转发消息，也就是该设备和基站之间数据传输的跳数Mi越大，那么该设备就使用着网络中越多的资源，运营商也就应该向该设备收取更多的费用。

下面对DR－OC类型的D2D网络中的设备收益进行简单仿真。

假设网络中的设备需要最多两次转发可以与基站通信，且需要转发次数小于两次的设备均帮助需要转发次数为两次的设备进行转发，即，每条通信链路末端的设备，其相应传输跳数Mi均为2。

对于直接与基站进行通信的设备，即Mi=1的情况，有Ui=(bi+b˜i1－bipi) lb ( 1 +kiγi)，相应地当传输跳数Mi=2时，可以得到:Ui=［bi+b˜i2－(1+ln2)bipi］lb(1+kiγi)，Mi=3 时，Ui=bi［1 － (1+ln3)pi］lb(1+kiγi)。

本次仿真中假设 bi=5 MHz，ki=0．2，pi=0．4，5≤γi≤25 dB，对于网络中所有设备都相同。对于Mi=1的设备，奖励带宽˜bi1=2．5 MHz;对于Mi=2的设备，奖励带宽˜bi2=1．5 MHz;而对于Mi=3的设备，由于其并没有帮助网络中任何设备转发消息，并没有贡献自己的资源，因此˜bi3=0(式中已省略)。基于上述条件的设备收益仿真结果如图1所示。

图1 传统蜂窝网络与DR－OC类型D2D网络中设备收益比较Fig．1 Comparison of revenue for devices in DR －OCD2D network and conventional cellular network

对于Mi=1的设备，它们在D2D网络中做了数量最大的信息转发工作，而且又与基站建立直接通信，没有占用其他信息转发资源。与传统蜂窝网络相比，Mi=1的设备完全地多出了提供中继转发资源的贡献;与D2D网络中其他设备相比，Mi=1的设备贡献的资源更多，而且没有索取，因此它们从运营商获得较大的奖励带宽，也向运营商缴纳较少的费用。所以从图1中也可以看到，Mi=1的设备比传统蜂窝网络和D2D网络中其他设备收益都大，有着图中最大的设备收益。

而相反地，对于Mi=3的设备，它们在D2D网络中依靠其他中继设备进行了最大数量的信息转发，而且没有提供自己的资源为网络中其他设备进行信息转发。与传统蜂窝网络相比，Mi=3的设备完全地多出了占用中继转发资源的部分;与D2D网络中其他设备相比，Mi=3的设备索取的资源更多，而且没有贡献，因此它们并没有从运营商获得奖励带宽，也需向运营商缴纳更多的费用。所以从图1中也可以看到，Mi=3的设备比传统蜂窝网络和D2D网络中其他设备收益都小，有着图中最小的设备收益。

而对于Mi=2的设备，它们在D2D网络中既为其他设备做了数据转发工作，也占用了数据转发资源为自己转发数据。因此，根据其在网络中贡献和索取情况多少的不同，Mi=2的设备收益既可能比传统蜂窝网络设备收益大，也可能比它小。在图1中的谱单价和奖励带宽数量情况下，Mi=2的设备收益是大于传统蜂窝网络的。由式(3)和Mi=2时的Ui，不难计算得到，当运营商拟定的谱单价和奖励带宽满足ln2pibi=˜bi2时，Mi=2的设备收益与传统蜂窝网络中的设备收益相同。

以上也可以说明，谱单价pi和奖励带宽˜bi的数值共同影响网络中的设备收益。而频繁调整谱单价不易被接受，因而运营商可以通过调整奖励带宽来影响设备收益，从而可以鼓励设备加入到D2D网络中，加入到中继设备的行列中，从而起到影响市场的作用。

2． 2 DR-OC型D2D通信的运营商收益

假设网络中设备数量为N，则传统蜂窝网络中，运营商的收益可以表示为:

式(5)中，bi是设备i所使用的频道带宽;ki表示普效率;γi是设备i和基站之间链路的平均信噪比。整个式子的含义是网络中全部设备(数量为N)应向运营商缴纳的使用费用。

而对于DR－OC类型D2D网络，运营商除了向设备收取业务带宽的使用费用，还额外不计费地向中继设备提供奖励带宽作为补偿鼓励和鼓励，因此，其运营商的收益可以表示为:

式(6)中，bi是设备i所使用的频道带宽;ki表示普效率;γi是设备i和基站之间链路的平均信噪比;Mi是基站和设备i之间数据传输的跳数;pi是谱单价;˜bi是奖励带宽。这个式子的含义是，网络中全部设备(数量为N)应向运营商缴纳的使用费用减去运营商为中继设备提供的奖励带宽所对应的价值。

下面介绍对网络中的运营商收益进行的仿真。

本次仿真中，假设网络中的设备需要最多两次转发可以与基站通信，这包括通信链路末端设备的传输跳数Mi=1，2，3这三种情况。

并假设 bi=5 MHz，ki=0．2，pi=0．4，5≤γi≤25 dB，对于网络中所有设备都相同。假设网络中有设备数量为N=100，下面分别就不同情况的仿真进行条件假设。

通信链路末端设备的传输跳数Mi=3的情况下，对于Mi=1的设备，其奖励带宽˜bi3，1=2．5 MHz;对于Mi=2的设备，其奖励带宽˜bi3，2=1．5 MHz;而对于Mi=3的设备，其奖励带宽˜bi3，3=0。这样的通信链路条数为10。

通信链路末端设备的传输跳数Mi=2的情况下，对于Mi=1的设备，其奖励带宽˜bi2，1=1．5 MHz;对于Mi=2的设备，其奖励带宽˜bi2，2=0。这样的通信链路条数为10。

通信链路末端设备的传输跳数Mi=1的情况下，对于Mi=1的设备，其奖励带宽˜bi1，1=0。这样的通信链路条数为50。

基于上述条件的运营商收益仿真结果如图2所示，从图2中可以看出DR－OC类型D2D网络的运营商收益高于传统蜂窝网络中运营商收益。

图2 传统蜂窝网络与DR－OC类型D2D网络运营商收益比较Fig．2 Comparison of revenue for operators in DR －OCD2D network and conventional cellular network

从运营商收益公式得出，通信链路末端设备的传输跳数Mi=1的情况下，传统蜂窝网络与DROC类型D2D网络运营商收益表达式相同;在通信链路末端设备传输跳数Mi=3和Mi=2的情况下，只需要调整奖励带宽使其分别满足( l n2+ln3) bib˜i3，1－(1+ln2)b˜i3，2＞0和ln2bi－b˜i2，1＞0，就可以保证D2D网络在这两种链路上的运营商收益优势。

此外，从式(6)可以看出，主要为D2D网络买单的是处于通信链路末端的设备，这些设备大多处于小区边缘或者拥塞地区，如果没有D2D网络，它们很可能无法完成与基站建立正常的通信。既然D2D网络改善了这些设备的通信环境，那它们多支付一些费用也在情理之中。

3 结语

运营商可以通过调整奖励带宽˜bi为主，调节谱单价pi为辅的方式，来影响设备收益，可以通过调整奖励带宽˜bi来影响运营商收益。运营商削减奖励带宽可以谋取其自身收益，增加奖励带宽可以鼓励设备加入到D2D网络中，加入到中继设备的行列中。运营商应该在两者之间做出权衡，在保证自己收益的同时，也考虑如何促进D2D网络的长远发展。同时在网络中很可能存在其他因素，它们同样会对设备和运营商收益产生影响，这些潜在因素若能在未来加入收益模型，必然会更加丰富和完善5G网络的D2D通信定价系统。

［1］ 文军，张思峰，李涛柱．移动互联网技术发展现状及趋势综述［J］．通信技术，2014，47(09):977－984．

［2］ Tehrani M N．，Uysal M．，and Yanikomeroglu H．，Device－to－Device Communication in 5G Cellular Networks:Challenges，Solutions，and Future Directions［J］．IEEE Communications Magazine，2014，(5):86 －92．

［3］ Hossain E．，Niyato D．，and Han Z．，Dynamic Spectrum Access and Management in Cognitive Radio Networks［M］，1st ed．，Cambridge Univ．Press，2009:378 －384．

［4］ Dahlman E．，Parkvall S．，and Skold J．，4G:LTE/LTE－ Advanced for Mobile Broadband［M］，1st ed．，Holland:Elsevier Press，2011:15 －16．