基于D2D通信模式的移动用户新型内容分发机制探究

2018-11-28魏胜利

安阳工学院学报 2018年6期

石玉，魏胜利

（安阳工学院计算机科学与信息工程学院，河南安阳 455000）

0 引言

日益增长的多媒体业务使已处于高负荷状态运行的通信网络进一步加重了负担。如何进一步提升网络容量，优化网络性能，是需要重点解决的问题之一。设备间直接通信（D2D Communication）作为5G通信中的一项关键技术，通过在基站集中式控制模式中引入分布式异构网络，实现数据分流，可以有效地进一步提升通信网络的吞吐量。所谓设备间直接通信，是指位置临近的终端设备之间直接进行数据传输而无需通过基站转发的通信方式。D2D(device to device)通信工作在有效频段上，相比WIFI等其他通信方式可靠可控[1]。

现如今，用户对于数据的消费形式逐步由网页新闻等短帧数据形式向视频、微视频等大文件数据传输方式转变。根据内容流行程度著名的幂律分布定律，流行程度排名前20%的内容拥有80%的用户，因此，用户群获取内容具有一定的重复性[2]。如果用户作为本地存储可以将某些内容存储起来，并通过D2D通信技术直传给其他用户而无需再从基站处请求下载，基站负荷则会减小。幸运的是，随着移动终端存储价格不断降低，存储容量不断扩大，使得终端自身存储内容并分享给通信范围内的其他用户成为可能。若需求用户可通过相临近的缓存数据用户直传数据，不再通过基站请求下载，既可降低基站的数据传输负荷，也可借助分布式直传进一步提升现有蜂窝网络的容量。

第三代合作伙伴计划3GPP组织已在release 13协议标准中完善了基于应用程序发起的设备间直接发现（Discovery）和设备间直接进行通信的具体过程，保证了需求用户不仅可以发现地理位置上临近的其他用户，还可以进一步发现这些用户是否存储有需求用户所需的内容[3]。Release13系列标准可以保证用户处于静止状态下实现设备间直接进行通信。然而，当用户处于移动状态时，若需求用户移动出发送数据用户的通信范围，直接内容传输中断，接收数据的需求用户大概率因为通信时间持续过短而导致数据接收不完整，无法达到数据直传获取内容的效果。

针对以上问题，本文提出了一种基于D2D通信技术的多对一进行数据直接传输的实施方案，并给出了一种在3GPP协议支持下兼容现有内容分发机制的具体实施过程。该过程可以有效降低用户处于移动状态时数据传输失败的概率，有效提升系统吞吐量的同时保证数据的完整传输。需求用户首先通过discovery发现过程找到附近的哪些用户存储有自己想要的内容。确定存储有需求内容的用户后，存储有需求内容的用户根据自身意愿帮助需求用户进行数据传输。每个存储有需求内容的用户随机选择内容传输起始点，在保持通信的时间内向需求用户传输数据。需求用户通过整合各个帮助用户传来的数据保证接收。若传输结束后数据接收仍旧不完整，未接收部分再由基站发送，从而完全保证数据的完整接收。

1 新型内容分发机制

此前已有部分工作研究了不同形式的内容分发过程。文献[4]提出了一种基于簇的内容分发方案，利用D2D多播通信缩短内容分发时间。文献[5]通过合理选择基站传输速率和用户群，优化了移动用户内容分发的系统容量。文献[6]将用户社交特性考虑到内容分发过程中，利用社会关系建立图网，实现多文件的分发。文献[7]提出了用户缓存内容实现局部分发数据的方法。以上工作分别从引入D2D通信和用户缓存数据角度提出了网络性能提升方法，然而并未考虑用户移动性。

针对用户因移动而导致大概率数据直传失败的问题，本文采取多个用户同时帮助一个用户进行数据传输。考虑到现有的标准规范中只支持单个用户对单个用户实现直接通信，本文提出的新型内容分发机制将深入具体的基站和用户间的交互机制，以及用户和用户间的交互机制，进而提出一种兼容可行的多对一新型内容分发机制，保证传输效果。

首先对多用户对单用户帮助内容分发的工作场景做简要介绍，然后分别基于多用户间发现过程，通信建立、持续过程以及关键节点的传输设计进行详细论述。

1.1 工作场景

如图1所示，中心用户MT1是需求用户，需要获取某个内容。各个用户均处于移动状态下。当前时刻用户MT2、MT3、MT4和MT6处在MT1的通信范围内，MT5处在MT1的通信范围外。因通信范围的限制，MT5无法接收MT1的信息。MT2、MT3、MT4和MT6虽然都处在需求用户MT1的通信范围内，但并非所有临近节点都存储有MT1用户所需的内容。（假设图示各用户均存储有不同的内容，但用户中只有MT2和MT3中存储有MT1用户想要的内容。）

1.2 多用户间的互相发现过程

在进行数据传输前，MT1需要知道处在其通信范围内的哪些用户存储有自己想要的内容，并且可以帮助传输。3GPP协议中已经对基于地理位置的发现过程做了详细的定义[8]，即MT1可以通过判断地理位置是否临近知道MT2、MT3、MT4和MT6四个用户的存在。然而，基于此种发现方式，MT1无法进一步知道处在自己通信范围内的哪些用户含有自己想要的内容。值得一提的是，3GPP技术文档TS 23.003中定义了一种新的发现方式——基于应用的发现。这种发现方式在发现请求信令消息中增加了ProSe Application ID域[9]，保证了MT1在请求帮助发现附近的用户时，被发现的用户既可以处在自己的通信范围内，又存储有需求用户需要的内容。

图1 多对一内容分发场景

结合图2，新型多用户间的发现机制描述如下。发现过程由MT1（需求用户）发起。MT1首先向ProSe服务器（e.g.基站）发送请求信息[10]。若ProSe服务器包含有该用户的注册信息，则直接返回用户发现应答消息；若ProSe服务器不包含该用户的注册信息，ProSe服务器则向用户归属服务器（HSS）发送身份认证查询，认证成功后将该用户认证信息保存后，再向MT1发送发现应答消息[10]。应答信息中包含着ProSe服务器为其分配的申请码（ProSe Application Code），以及该申请码的有效期。

图2 发现请求过程

以上过程完成后，MT1成功向ProSe服务器进行了发现申请，并等待发现开启。

与此同时，其他存储有各种内容的用户（MT2，MT3，MT4，MT6）根据自身意愿向ProSe服务器发送监听申请。申请过程步骤与第一用户请求发现过程类似。不同的是，存储有内容的用户申请成功后，获得的是ProSe服务器为其分配的发现过滤器（ProSe Application Filter）[11]。该发现过滤器由ProSe服务器根据该用户存储的具体内容一一对应生成。

MT1和其他帮助用户(MT2、MT3，MT4，MT6)均完成请求过程后，MT1向临近的用户广播ProSe服务器为其分配的申请码。其他用户收到该申请码后，即会与自身获得的发现过滤器进行部分或完整比对。若可以通过比对校验，则说明该设备中存储有MT1需要的内容，成功发现可以进行帮助数据直传目标。由于只有MT2和MT3用户存储有MT1用户所需要的内容，因此MT2和MT3用户所获得的发现过滤器可以匹配MT1用户的广播申请码。MT4和MT6用户因存储内容不符而匹配失败，未被发现。我们称MT2和MT3用户为直传帮助用户。

1.3 通信过程

发现过程完成后，MT1和MT2、MT3成功互相发现。MT1向MT2、MT3发送直接通信请求消息。通信双方进行授权认证后，由ProSe服务器分配用于数据传输的资源，MT2和MT3用户随机选择起始位置开始进行数据传输。

图3 通信建立、持续过程[12]

1.4 传输设计

本文中我们提出多个用户同时帮助一个用户进行数据传输。由于目前技术只支持一对一直接通信，设计需兼容多个直传帮助用户并发向需求用户传输。为保证传输完整性，传输时要求每个帮助直传的用户分别传输内容的不同部分。因此，需求用户需告知每个帮助直传用户需传输的内容的起始位置和终止位置，并给予不同帮助直传用户以不同的身份标识。在参考传输过程中RRC层及MAC层所做的处理后，本文决定在MAC层帧结构中通过使用预留标识位完成标识工作。

3GPP协议MAC层TS 36.321标准文档中记录了MAC层数据包各个控制域的详细信息。MAC层载荷部分的控制元素和MAC层头部的各个子头部一一对应。各个子头部中均有一个LCID域。LCID是一个区域设置标识符。LCID域的功能如表1所示。

可以看到，LCID控制域中01001-11000位为保留位。因此，可以启用控制域的保留位作为直传帮助用户身份标识指示，每个直传帮助用户对应一组保留位。如MT2采用01111作为身份指示，MT3采用10001作为身份指示。为方便标识直传帮助用户传输内容的起始和终止位置，将需求的内容整体看作单位“1”，则可将传输内容起止处以百分比形式表示，通过将起止位置处百分比折合成二进制形式表示，放入LCID身份指示对应的MAC数据域中进行传输，则可完成数据起止位置标识。如：MT3需完成需求内容50%处至80%处数据段的传输，则可获得发送起始位置标识符为00110010，发送终止位置（80%）标识符为01010000。