基于D2D与WLAN共享的分布式频谱配置方案研究

王雅青，徐斌，谭国平

（河海大学 计算机与信息学院，江苏 南京　210098）

基于D2D与WLAN共享的分布式频谱配置方案研究

王雅青，徐斌，谭国平

（河海大学 计算机与信息学院，江苏 南京210098）

为了有效地解决现有蜂窝资源紧缺问题，实现蜂窝频谱资源及ISM频谱资源的统筹调度，从而优化频谱资源配置，文中构建出LTE D2D系统与WLAN系统共存的场景模型。通过使用虚拟的扩展的CSMA/CA信道接入方法，提出一种分布式的D2D簇频谱争用及优化的信令机制，并结合单播业务场景对所提机制进行验证分析。仿真研究表明，新型分布式频谱优化机制可实现蜂窝频谱资源的节约利用，其平均吞吐量的性能增益都明显优于传统的WLAN通信模式，有效地提高了频谱资源利用率。

D2D通信；频谱优化配置；CSMA/CA；共享频谱

随着移动通信技术的快速发展，移动数据的需求呈现爆炸式的增长，现有蜂窝资源已远不能满足用户的需求。为了满足需求，近年来，LTE（Long Term Evolution）系统利用免费频段技术的发展，已引起电信行业和国际标准制定组织们的高度关注。ISM（Industrial Scientific Medical）频段是由国际电信联盟ITU（International Telecommunication Union）所定义的免费频段，无需授权许可。D2D通信是指终端到终端直连地进行通信的方式。目前，D2D通信作为蜂窝网络的补充技术，已被证明是LTE-Advanced网络中较为关键的应用技术［1-3］。D2D利用LTE的技术［4］可以称为LTE D2D。

考虑到以上这些问题，LTE系统集中控制和较好协调的优势需要被充分开发利用。蜂窝网络融合的D2D技术，可借助基站eNB的集中控制优势，实现蜂窝频谱资源及ISM频谱资源的统筹调度，从而实现高效优化频谱资源配置。文中主要研究蜂窝网络D2D通信技术的频谱优化配置，将基于基站控制的D2D簇场景，提出一种高效的分布式频谱争用及优化配置机制，并给出详细的信令设计方案，并结合单播业务场景对所提机制进行验证分析。

1　系统模型概述

D2D通信既可以受控于蜂窝网络，即利用蜂窝网络直接进行通信，也可以利用ISM网络直接通信。本章着力于提出LTE D2D通信系统与WLAN通信系统共享频谱资源的模型。

如图1所示的单蜂窝小区系统场景，在eNB的覆盖范围内有一些移动用户UEs（User Equipments），假定每个UEs都有一个临时的蜂窝网络标识号（C-RNTI），其中某些用户既可加入局域网进行蜂窝通信，也可形成D2D簇进行短距离的直接通信。我们假定有N对D2D用户，第i对用户定义为UEi1/ UEi2（1＜i＜N）。针对用户设备的假设功能如下：

1）LTE设备具有LTE和WLAN双重模式。

2）每个用户设备具有两套射频天线系统，一套用于蜂窝频段，而另一套用于ISM频段。

3）D2D用户通过蜂窝频段完成配对，他们像WLAN基站一样借用CSMA/CA机制侦听及争用ISM频段。

图1　LTE D2D系统与WLAN系统共存场景

需要注意的是，文中所提到的D2D通信系统与WLAN通信系统共享频谱资源的模型，D2D设备和WLAN设备的关系完全对等，不存在高级用户或者低级用户的概念。下面将基于所描述的系统场景，使用虚拟的扩展的CSMA/CA信道接入方法，提出频谱优化配置的方案。

2　虚拟CSMA/CA信道接入方法

我国将2.4～2.483 5 GHz的ISM频段划分为13个信道，且可同时支持3个正交信道。LTE D2D用户可以像WLAN用户一样，采用虚拟的CSMA/CA机制［5］争用这些信道资源。文献［6］中提出，在信道争用阶段，D2D用户对可采用虚拟的CSMA/ CA机制参与信道的争用。在数据传输阶段，D2D用户可使用LTE制式进行数据的传输。802.11标准中包含两种CSMA/CA机制，即传统的CSM/CA机制和扩展的CSMA/CA机制。

传统的CSMA/CA机制中，用户在传输数据前需要先侦听信道，如果信道空闲，用户仍需等待一个DIFS（Distributed Inter Frame Space）和随机的窗口退避时间，以避免多个用户同时接入信道而引起的冲突。当用户的随机退避窗口时间归为零时，方可接入信道。

扩展的CSMA/CA机制是一种虚拟的载波侦听机制，引入了RTS（Request to send）帧和CTS（Clear to send）帧，以及网络分配矢量NAV（Network allocation vector）。如图2所示，在某个节点进行通信前，首先需要侦听信道，判断信道是否可用。若信道保持DIFS空闲时间，该节点即可接入信道并开始传输RTS帧（其中包括源节点地址，目标节点地址和本次通信的持续时间）。若信道被占用，那么发送端将保持侦听，直到再次空闲且持续DIFS时间。目的节点收到RTS帧后将反馈一个CTS帧（其中包括目标节点地址和本次通信的持续时间）。交换RTS/CTS帧的目的是为该通信对预留一段时间的信道资源，即NAV，此时间矢量中包含了通信对所需的通信时长。当其他用户检测到RTS或者CTS后，即可获悉信道被占用的时长，可避免因多个用户同时通信而产生的冲突干扰。

图2　扩展的CSMA/CA机制

由于本文的研究重点为有效的解决ISM频谱上的多系统共存问题，更加高效地利用现有的蜂窝频谱和ISM频谱资源，所以采用了扩展CSMA/CA机制争用信道资源的接入方法。

3　D2D簇分布式频谱争用及优化的信令机制

3.1分布式频谱争用及优化的信令设计

为高效解决多系统共存及资源竞争等问题，有效配置优化蜂窝频谱及ISM频谱资源，提高频谱的利用率，本节将基于扩展的CSMA/CA机制，提出一种基站eNB控制D2D簇的分布式频谱争用及优化配置方案，并给出详细的信令设计。

在信令中，簇头CH是簇成员与基站eNB间的通信桥梁，簇头CH负责管理簇且了解簇成员的通信需求，以及业务类别：单播业务。此外簇头CH明确D2D成员对的RTS和CTS发送者，以及他们所需的通信持续时间。簇头CH也知道簇内相关通信成员是否已经交换过彼此的MAC地址，如果相关用户UEs首次建立通信，簇头CH将ISM_contend_prepare信令中的‘MAC地址标志’位设为0，若不是首次且知道彼此的MAC地址，‘MAC地址标志’位将设为1。

一般情况下分级分离效率理论都要严格的遵守颗粒的质量守恒定律，在简化设计了分离器流场、颗粒运动以及几何尺寸，这时就可以通过计算得出粒径范围的颗粒和不同尺寸的分离效率，可以体现出旋风分离器的性能。在不同的粒径范围内分级分离效率计算如下：

依据图1所示系统场景，下面将详细介绍所提机制信令的步骤。

第一步：eNB首先向簇头CH发送一个ISM频段争用请求信令ISM_attempt，邀请簇头及其簇内成员尝试争用ISM频段进行通信服务；

第二步：簇头CH接收到eNB的ISM_attempt信令后，开始搜索WLAN信号并决定所要争用的ISM信道。接着簇头CH按照簇内成员所需的通信服务类别，向其簇内相关D2D成员对广播ISM信道争用准备信令 ISM_contend_prepare，ISM_contend_prepare信令所包含的信息如表1所示。

表1　ISM_contend_prepare信令的信息位

第三步：簇内相关的用户接收到ISM_contend_prepare信令后。

1）如果MAC地址标志位为1，RTS的发送者UEi将检索自己所保存的CTS发送者UEj的MAC地址，然后直接进入第四步；

2）如果MAC地址标志位为0，相关D2D对用户UEs需要通过簇头CH交换彼此的MAC地址，UEs将所收到的其他用户MAC地址保存在本地。

第四步：准备争用ISM信道的相关用户UEs（单播或者多播业务中的RTS/CTS发送者）充当虚拟的WLAN用户，利用扩展的CSMA/CA机制开启争用信道机制：

1）RTS发送者UEi首先更新自己的RTS帧信息，将自己的MAC地址填充到RTS帧的TA位，而将对应CTS发送者UEj的 MAC地址填充到 RA位，在 Duration位中填入ISM_contend_prepare信令中所标示的通信业务持续时间。

2）在单播服务的信道争用中，用户UEj收到RTS帧且检测到RA位中的MAC地址为自己时，将依据WLAN争用信道流程机制，向相应用户UEj反馈CTS帧，CTS帧中的RA位填入对应RTS发送者UEi的MAC地址。

第五步：如果RTS的发送者UEi成功收到其对应的D2D用户UEj的CTS，即D2D对UEi/UEj成果抢占ISM信道，UEi将向簇头CH发送一抢占ISM信道的结果指示信令Result_contention。若抢占ISM信道失败，簇将保持初始的蜂窝通信频谱配置状态。

第六步：如果簇头CH接收到来自RTS发送者UEi的成功占用ISM信道指示后，簇头CH向基站eNB发送其簇成员成功占用ISM信道的信令，其中包含使用ISM信道的持续时间。基站eNB可以在此期间，将之前分配给簇的蜂窝资源分配给其他簇用户使用。

以上分步骤地给出了详细的分布式ISM信道争用及频谱配置机制。所提出的机制充分利用了LTE系统集中控制的优势，对于ISM频段上的多系统共存问题提供了一种有效的解决方案。下面将通过单播业务进一步证实所提机制的时效性。

3.2单播业务场景实例

如图3所示的簇内用户UE1与用户UE2之间的单播业务机制图。基站eNB邀请簇头CH发动簇内成员争用ISM信道资源，以减少对蜂窝频谱资源的使用，从而更加有效地优化配置现有的频谱资源。基站eNB控制及簇头辅助的D2D用户对UE1/UE2，争用ISM信道及资源优化配置的机制如3.1节所设计的信令步骤，其中，业务类别选择0，MAC地址标志位为0。

借助所提机制，LTD D2D系统在遵循 WLAN系统CSMA/CA机制的前提条件下，通过所设计的ISM_attempt和ISM_contend_prepar信令的协调管理，既保证了ISM频谱资源的公平争用，也缓解了蜂窝频谱资源的使用紧张。基站eNB可统筹调度蜂窝频谱及ISM频谱资源，实现了LTE D2D系统与WLAN系统争用免费频段的有效性及公平性。

图3　单播业务的信令机制

4　性能分析及系统仿真

为评估所提机制的性能，本节将给出周密的仿真方案。因所提的分布式频谱争用及优化机制是基于扩展的CSMA/ CA（RTS/CTS）机制，所有的仿真参数都将参考IEEE 802.11标准定义值，各仿真参数的设置如表2。便于突出对比所提机制与传统机制在系统平均吞吐量及冲突概率两方面的性能，所有的测试都将在饱和的条件下执行，而所选用的对比机制为无频谱优化配置的WLAN和D2D通信模式，有频谱优化配置及无频谱优化配置的方案对比。对于仿真用户的数量，我们做如下设置：WLAN用户数为N1，D2D用户数为N2且N2=2N1，即移动用户总数为N=N1+N2，N取（6，12，18，24，30，36，43，48）。

表2　仿真参数的设置

图4给出了无频谱优化配置场景下，用户争用ISM信道进行WLAN蜂窝通信和D2D通信时的性能对比。随着用户数量的逐步递增，用户间的信道争用冲突加剧，将会导致用户信道接入的延迟和信道利用率的降低，因此系统的平均吞吐量也将随着用户数量的增加而降低。然而，D2D通信模式无需基站或AP站点的中继转发，显著提升了用户间的通信效率，使得D2D信道争用的冲突概率和系统平均吞吐量的性能增益都将优于传统的WLAN通信模式.

图5给出了新型分布式频谱优化配置和传统无频谱优化配置时的性能对比，用户既可加入WLAN系统争用ISM信道进行蜂窝通信，也可参与D2D簇争用ISM信道进行直接通信。随着用户数量的递增，新型分布式频谱优化机制可实现蜂窝频谱资源的节约利用，但用户间的信道争用冲突和通信延迟都将有所增加，所以新型机制的冲突概率增速大于且将超过传统机制。然而，新型机制确保了频谱资源的高效利用，因此系统的平均吞吐量远大于传统机制。但当用户数过大时，用户间的信道争用冲突将会急剧增大，从而新型机制的吞吐量将会降低。

图4　无频谱优化配置下的WLAN与D2D通信系统的性能比较

图5　新型分布式频谱优化配置与传统无频谱优化机制的性能对比

5　结束语

为有效解决ISM频谱上的多系统共存问题，更加高效的利用现有的蜂窝频谱和ISM频谱资源。本文基于WLAN系统的CSMA/CA机制，提出了一种D2D簇分布式信道争用及频谱优化配置方案，并给出了详细信令设计步骤。通过单播业务场景分析验证了所提机制的实效性。此机制极大提升了蜂窝系统的频谱利用率，也有效减弱了D2D通信对蜂窝用户通信的干扰，增强了系统的容量性能。虽然该机制能够有效解决频谱资源的优化配置等问题，但要消耗一定的系统资源，并产生一些信道竞争和通信延时等，这些问题有待进一步的改善和优化。

［1］Janis P，Yu C H，Doppler K，et al.Device-to-Device communication underlaying cellular communications systems［J］. Int.J.Communications，Networkand System Sciences，2009，2（3）:169-178.

［2］Doppler K，Rinne M，et al.Device-to-Device comm-unication as an underlay to LTE-Advanced networks［J］.IEEE Commun. Mag.，2009，47（12）:42-49.

［3］Chiahao Y，Tirkkonen O，Doppler K，et al.On the performance of Device-to-Device underlay communication with simple power control［C］//In IEEE 69th Vehicular Technology Conference，VTC 2009，2009:1-5.

［4］Sesia，Stefania/Toufik，Issam/Barker，Matthew.The.UMTS Long Term Evolution:From Theory to Practice［M］.America:Wiley，2009.

［5］Wireless LAN Medium Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY）Specifications［S］.IEEE Std 802.11TM-2007.

［6］Zhou B，Ma S，Xu J，et al.Group-wise channel sensing and resource pre-allocation for LTE D2D on ISM band［C］//in Proc.IEEE WCNC，2013:118-122.

The research on a distributed spectrum configuration scheme for D2D sharing with WLAN

WANG Ya-qing，XU Bin，TAN Guo-ping
（College of Computer and Information，Hohai University，Nanjing 210098，China）

In order to solve the problem that the shortage of existing cellular resources effectively，and achieve the whole scheduling between cellular spectrum resources and ISM spectrum resources to optimize spectrum allocation of resources.In this paper，we present LTE D2D systems and WLAN systems coexist scene model.Based on a virtual extension of CSMA/CA channel access method，we define and describe a signaling mechanism which is a distributed D2D cluster spectrum contention and optimization，and combine with unicast scenario to analysis this mechanism.Simulation studies demonstrate that the new distributed spectrum optimization mechanism enables cellular spectrum resources to be utilized economically，the average throughput performance gain significantly better than traditional WLAN communication mode obviously，and it improves the spectrum resources efficiency.

D2D communications；spectrum optimization；CSMA/CA；spectrum sharing

TN929.53

A

1674-6236（2016）14-0087-04

2015-07-30稿件编号：201507193

王雅青（1991—），女，山西晋中人，硕士研究生。研究方向：无线资源管理与优化。