基于D2D通信系统中的一种跨层中继选择算法

郝　斌,王瑞山,徐鹏飞

(兰州交通大学 电子与信息工程学院,甘肃 兰州　730070)



基于D2D通信系统中的一种跨层中继选择算法

郝斌,王瑞山,徐鹏飞

(兰州交通大学 电子与信息工程学院,甘肃 兰州730070)

摘要在D2D通信系统与蜂窝网络共存的场景下,引入中继节点可有效提高D2D链路的吞吐量和D2D用户对蜂窝用户的干扰。文中基于译码转发模式,结合跨层协作通信的思想,提出了一种基于物理层和数据链路层的跨层中继选择算法。该算法结合物理层的信道状态信息和数据链路层的队列状态信息,两个参数进行最优中继节点的选择。并最终通过仿真验证表明,基于跨层中继选择算法可提高通信系统的吞吐量,同时降低了通信系统的平均时延和数据包错误率。

关键词D2D通信;跨层;中继选择;信道状态信息;队列状态信息

近年来,蜂窝网络控制下的D2D(Device-to-Device)通信作为一种新型近距离终端直接通信的技术,以其高频谱效率、高吞吐量、低延时、高能量效率等特点,受到业界的广泛关注[1-3]。而在D2D通信中,由于D2D用户通过复用蜂窝用户的资源来进行通信,因此D2D通信链路与蜂窝用户通信之间的干扰控制成了不可避免的问题。目前关于这方面的研究,已有诸多文章通过提出不同的资源管理和分配方案来控制干扰。如文献[4]的作者主要研究了在蜂窝小区系统模式下,D2D 用户通信和蜂窝用户通信的资源共享问题,最终提出一种基于信噪比均衡的资源分配算法[4]。文献[5]的作者通过分析D2D用户和蜂窝用户复用资源而产生的干扰问题,依据图论中的KM最优匹配算法而提出一种资源分配算法[5]。

而通过在D2D用户通信中引入中继节点进行协作通信,可以有效的减小D2D通信用户发射功率,因此引入中继协作成为了解决D2D通信与蜂窝用户通信干扰问题的另一种有效方法[6]。而在协作通信中,中继节点是其关键的一部分,中继节点的选择是否最优直接影响整个通信系统的传输性能。因此关于D2D通信中中继选择的算法,目前有许多文章提出了多样的中继选择协议[7-10]。文献[7]的作者通过提出一种双向中继协助的D2D通信方案,并提出了相对应的最优中继选择及功率分配算法,该算法能在满足蜂窝用户通信的前提下,使D2D链路的吞吐量最大化[7]。文献[8]的作者提出了一种分布式的中继选择算法[8]。文献[9]的作者提出了一种基于MAC层和物理层的跨层中继选择的实现方案,该方案可获得更优的系统中断概率性能[9]。

本文主要研究了中继节点辅助的D2D通信系统中的中继节点选择问题,提出了一种跨层中继选择算法。算法主要通过联合考虑物理层的CSI和数据链路层的QSI而选择出最优中继节点。仿真实验结果表明,本文提出的跨层中继选择算法,不仅可有效满足D2D 用户的多样化QoS需求,且还提高了系统的吞吐量,降低了系统通信链路的平均传输时延和数据包错误率,能获得较为理想的系统性能增益。

1系统模型与问题描述

首先,考虑一个如图1所示的单个蜂窝小区干扰场景,其中包括基站BS,位于小区中心,其小区半径为R,M个蜂窝用户CUE(即c1,c2,…,cM),n个空闲的用户设备作为可选中继R(即R1,R2,…,Rn),和一对D2D用户(即D2D用户的源节点s,D2D用户的目的节点D)。文中假设这M个蜂窝用户分别通过M个不同的蜂窝信道与基站进行通信,且其每个信道可被一对D2D用户所复用。因此,只有在这种资源的复用所产生的干扰不会导致蜂窝用户通信链路的中断前提下,D2D用户之间才能建立通信。

图1　基于蜂窝网络的D2D通信系统模型图

如图2所示,假设D2D用户复用蜂窝用户c1的信道,而关于中继选择最优中继节点RI,I=1,2,…,n,则在第一阶段,D2D用户的源节点s广播信息到中继节点RI和D2D目的节点D,假设yRI和yD分别表示中继节点和目的节点的接收信号,则

(1)

(2)

在第二阶段,中继节点Ri将会转发信息给目的节点D,而yRiD则表示目的节点D所接收到信号

(3)

其中,Ps和PRi分别是D2D用户源节点S和中继节点Ri的发射功率;xs和xRi分别是D2D用户源节点S和中继节点Ri发送的信息符号;IRi和ID分别是中继节点Ri和D2D用户目的节点D和受到蜂窝用户的干扰噪声;ηRi和ηD为加性高斯白噪声;hxy和dxy分别为链路x-y的信道系数和节点x到节点y的距离;α为路径损耗系数。由于中继节点采用解码转发(DF)协议,则最终D2D用户的目的节点D接收信号y为

(4)

假设γSRi和γRiD分别是中继节点Ri和D2D用户目的节点D的信噪比(SINR),则

(5)

(6)

为简化分析,令通信系统中的信道系数为固定值1,则式(5)和式(6)可简化为

(7)

(8)

因此,在中继节点Ri和D2D用户目的节点D所获得信息速率为

CSRi=log2(1+γSRi)

(9)

CRiD=log2(1+γRiD)

(10)

2跨层中继选择算法

本文通过结合物理层的CSI和数据链路层的QSI提出一种跨层中继选择算法。这个算法可满足D2D用户针对不同应用而产生的多样性服务质量(QoS)的要求。若文中仅通过物理层的CSI选择最优中继节点,即可通过上述第一部分的推导可得出,选择其最大传输数据速率的中继节点即作为最优中继节点;而在选择中继节点时要考虑用户的多样化QoS要求,所以数据链路层的队列状态信息在选择最优中继节点时成为另一重要参数。本文假设所有中继节点的数据处理能力相同,则数据包的传输时延主要决定于在中继节点的缓冲区中等待时间。因此,当数据包到达一个缓冲区已满的中继时,此数据包将被丢弃,即出现丢包现象。

在中继辅助的D2D通信系统中,源节点s到目的节点D的传输路径上的所有数据包可以用数组L表示,即L={LSR1,LSR2,…,LSRn,LR1D,LR2D…LRnD};同样其传输速率可用数组c表示,即c={cSR1,cSR2,…,cSRn,cR1D,cR2D…cRnD}。在数组c中,假设数据包以最大传输速率cSRI到达中继节点RI,此时中继节点RI内缓冲队列已达到最大缓冲长度,则在下一时隙,若选择作为中继节点,由于缓冲区队列溢出,其源节点s发送的数据包将被遗失,即出现丢包。同样,若中继节点的缓冲区内数据队列为空,而此时中继节点继续以最大传输速率cRID向目的节点D发送数据,则此时隙的资源将被浪费。

针对上述缺点,本文结合物理层的CSI和数据链路层的QSI提出一种跨层中继选择算法。通过物理层的CSI可以选择出最大可获得的传输速率。根据数据链路层的QSI,可以通过数据链路层的缓冲区满足个人QoS需求。在算法中提出两个基本原则:(1)即当中继节点RI内缓冲队列已达到最大缓冲长度时,源节点s不再向中继节点发送数据信息。(2)即中继节点RI的缓冲区内数据队列为空时,中继节点RI停止向目的节点D发送数据信息。

对于每个中继节点RI,为满足上述两个原则,定义变量qI作为QoS参数,用来表示中继节点的队列状态信息,则

(11)

式(11)中,Qi是中继节点Ri的缓冲区的总容量;li指当前缓冲区内数据大小,近似等于等待处理的数据包个数;T是每个数据包处理所需的时间;α(li)的数值定义如下

(12)

(13)

(1)首先判断D2D通信时是否需要中继节点,即源节点S向所有中继节点R和目的节点D发送RTS的数据信息,中继节点和目的节点收到RTS后,会发送反馈信号给源节点S,由于信道对称,源节点S通过反馈信息获得每个链路的CSI。若获得的s-D链路的CSI优于在满足蜂窝用户与基站通信的干扰门限,则源节点S与目的节点D可直接建立D2D通信,无需通过中继节点。如果不满足,则需选择中继节点进行协作通信;

(3)源节点S和中继节点的发送优先级的定义,若中继节点Ri的最大传输速率是CSRi,则在下一个时隙,源节点S发送新的数据包到中继节点。否则,选择的中继节点Ri发送其缓冲区内的数据包到目的节点。

3仿真与分析

仿真验证和分析本文所提出的跨层中继选择算法的性能,主要通过系统的吞吐量、平均传输时延和丢包率3个参数,对比分析3种中继选择算法的性能。算法1,随机中继选择算法(RRS),即最简单的中继选择,不受SINR的约束,随机选择任意中继节点作为最优中继进行传输;算法2,基于CSI中继选择算法,即仅通过信道状态信息(CSI)选择传输速率最大的中继节点作为最优中继进行传输;算法3,即本文提出的算法。仿真系统模型如图1所示,采用QPSK调制方式,并且假设3种算法仿真环境中的信道条件相同,详细仿真参数如表1所示。

表1　仿真参数

如图2所示,根据仿真模型,分别对3种算法基于不同SINR下的系统吞吐量进行对比,可看出,随机中继选择算法的吞吐量性能表现最差,而本文提出的中继选择算法对于系统吞吐量的提升最明显。

图2　3种中继选择算法下的系统吞吐量对比

如图3所示,对于3种中继选择算法下的系统平均传输时延的对比,可从图中看出当信道质量较差时,其本文提出的中继选择算法与基于CSI中继选择算法的系统平均传输时延比较接近,随着信道质量提升,随机中继选择算法的系统平均传输时延急剧下降,而本文提出的中继选择算法也获得更小的传输时延。

如图4所示,对于3种中继选择算法下的D2D通信链路数据包错误率进行对比,从图中看出,本文提出的中继选择算法相比其他两种中继选择算法的通信链路数据包错误率更低。

图3　3种中继选择算法下的系统平均传输时延对比

图4　3种中继选择算法下的系统数据包错误率对比

4结束语

基于D2D通信系统中,本文提出了一种跨层中继选择算法,算法中同时考虑物理层的CSI和数据链路层的QSI两个参数,结合两个参数比较选择最优的中继节点进行中继转发。理论分析讨论了本文算法的可行性,通过实验仿真证明,所提出的中继选择算法不仅可有效满足D2D 用户的多样化QoS需求,而且还提高了系统的吞吐量,降低了系统通信链路的平均传输时延和数据包错误率,能够获得较为理想的系统性能增益。但本文算法中没有考虑系统功率分配因素,因此在日后的研究工作中,将研究如何通过功率分配提高D2D通信的系统性能。

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A Cross-Layer Relay Selection Algorithm for D2D Communication System

HAO Bin,WANG Ruishan,XU Pengfei

(School of Electronic & Information Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

AbstractThe introduction of relay nodes can effectively improve the D2D link throughput and D2D user interference where the D2D communication system and the cellular network coexist.We present a cross layer relay selection algorithm which combines the physical layer and data link layer,and a program of relay selection by cross-layer based on Decode and Forward model is proposed.The algorithm selects the optimal relay node through analysis of the channel state information at the physical layer and queue state information at the data link layer.Simulation results show that the proposed cross-layer relay selection algorithm improves the throughput of the communication system and reduces the average transmission delay and packet error probability.

KeywordsD2D communication;cross-layer;relay selection;channel state information;queue state information

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.031

收稿日期:2015-08-31

作者简介:郝斌(1990—),男,硕士研究生。研究方向:无线通信。

中图分类号TN929.5

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)05-117-04