毫米波多跳D2D网络中转发探测路由的研究

马 越，陈 萍

(1 信阳广播电视大学培训处，河南信阳 464000；2 黄淮学院信息工程学院，郑州 451150)

0 引言

毫米波依靠超高的频率、速度和容量为5G应用提供超强动力，吸引了学术和工业界的关注。但是，毫米波存在高的衰减问题[1-2]。由于高频波段信号的快速衰减，天线波束被广泛应用于毫米波通信，既可利用模拟波束形成器，也可利用数字波束形成器[3]实现大型的天线阵列。因此，波束训练(beamforming training,BT)技术广泛应用于毫米波发射端和接收端的光束对。

设备间D2D通信是另一个5G的重要技术。设备间通过D2D技术直接通信，而无需大型基站(marco-base station, BS)转发[4]。这就解决了在密集网络内通信对BS依赖，使D2D技术在5G广泛使用。为此，文献[5]研究了带入(in-band)和带外(out-band)的D2D网络结构。相比于in-band，out-band的D2D网络内链路间干扰更少。

将毫米波传输与D2D结合可实现双赢[6-9]。一方面，由于高的定向短距离传输特点，使毫米波能够构建低干扰、高密度的D2D网络；另一方面，由于高传播损耗、易受到路径拥塞影响，短距离D2D模式更适应于毫米波。文献[10]研究表明，毫米波信号随发/收两端距离的增加呈指数减少。因此，短程D2D传输更适应毫米波。此外，将转发技术应用于毫米波传输可有效克服其有限的覆盖范围。毫米波 D2D 转发技术能有效解决拥塞区域内的数据传输问题，扩展了毫米波链路性能[11-12]。基于转发技术的毫米波网络性能受到广泛研究，研究人员也提出不同的转发策略[13]。

BT的使用拓展了转发探测包(relay probing, RP)的应用，通过RP，可有效选择转发节点，克服毫米波转发的关键问题。为此，针对毫米波D2D网络，提出可靠的多跳转发探测包策略RMRP。基站先收集转发节点的μW信号强度，再利用此值估计链路毫米波信噪比大于阈值的概率，最终通过概率选择最优的转发节点，进而构建毫米波D2D路由。仿真结果表明，提出的RMRP策略有效提升了网络吞吐量。

1 系统模型

1.1 多跳D2D网络

考虑如图1所示out-band的毫米波多跳D2D转发网络结构，其包含了三频段的设备，包括LTE,μW和毫米波设备。这些设备分布于LTE BS的覆盖区域。

图1 网络结构

LTE带宽对源设备至目的设备间的多跳传输进行总体管理，包括D2D资源调度、多跳路由的构建。由于存在拥塞，两个毫米波设备间存在视距(line of sight, LOS)和非视距(non-line of sight, NLOS)路径。

1.2 链路模型

PμW(r)=PμW(t)-47.2-23.2log10(d)-εμW

(1)

式中：PμW(r)为接收端所发射的功率(dBm);PμW(t)为发射端所接收到的功率;d为发射端与接收端间距离;εμW为噪声变量，其方差为δμW。

对于毫米波链路模型，RMRP算法参照文献[15], 通过贝努里随机变量表述LOS拥塞的影响：

(2)

式中：Pg(r),Pg(t)分别表示接收端、发射端所接收、发射的毫米波功率;ΛTX(θ)、ΛRX(φ)分别表示发射端、接收端的波束增益，其中θ、φ分别表示发射角、到达角。依据文献[15]可得：

(3)

再回到式(2)，式中ηPLOS(d)和χPNLOS(d)是关于参数PLOS(d)和PNLOS(d)的两个贝努里随机变量;PLOS(d),PNLOS(d)分别表示在毫米波路径出现LOS,NLOS路径的概率，其定义如式(4)所示。

PLOS(d)=1-PNLOS(D)=e-λd

(4)

而式(2)中的LLOS(d),LNLOS(d)分别表示LOS、NLOS路径损耗，其定义如式(5)所示[16]。

10log10(Li(d))=βi+10αilog10(d)+εi

(5)

式中：i∈{LOS,NLOS},即表示LOS和NLOS两种情况；βi为在参考距离d0=5 m处的路径衰耗;αi为路径衰耗指数;εi为噪声变量，其服从零均值和标准方差为δi的分布。

2 问题描述

图2 毫米波多跳 D2D路由

(6)

依据文献[16]，可计算ψT0→rm→Tk：

(7)

(8)

3 RMRP路由

RMRP路由旨在建立从源节点至目的节点的多跳D2D路由。首先，BS触发周围设备打开μW模块，使源节点至目的节点间交互μW接收信号强度(received signal strength,RSS)测量请求包(RSS-Req)和测量回应包(RSS-Res)。然后，再利用这些测量包，估计路由性能，进而选择最优路由，最后，利用所选的路由传输毫米波数据，如图3所示。

图3 RMRP策略框图

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

式中：φs表示保留下来的路由空间。

4 性能分析

4.1 仿真环境

在200 m×200 m范围内均匀地分布20个用户。具体的仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数

为了更好分析RMRP路由性能，选择文献[17]所提出的最优转发探测包(optimal relay probing,ORP)策略作为参照，并分析吞吐量、平均探测路由数和平均能耗，其中平均探测路由数表示构建路由所产生探测路由数。平均探测路由数越低，路由性能越差。

4.2 吞吐量

首先，分析拥塞密度λ对吞吐量的影响，其中λ为0,0.002,0.004,0.006,0.008和0.01。并且考虑K=5,6两种情况。图4给出RMRP和ORP路由的吞吐量随λ的变化情况。从图可知，在K=5,6两种情况下，RMRP的吞吐量优于ORP路由。主要原因在于：RMRP路由最大化了源节点至目的节点的频谱效率,而ORP路由是采用固定路由数。

图4 吞吐量

当λ=0时，RMRP路由在K=5,6时的吞吐量比ORP路由分别提高了49%,62%。而当λ=0.01，相比于ORP路由，RMRP路由的吞吐量提高了近300%。

4.3 平均探测路由数

图5给出RMRP路由的平均探测路由数随拥塞密度的变化情况。相比于ORP，RMRP路由在K=5,6情况下的平均探测路由数得到有效控制。当λ=0.01,K=5时，RMRP路由的平均探测路由数约为12，而ORP路由的平均探测路由数为23.5。此外，当λ=0时，ORP路由与RMRP路由的平均探测路由数相同。但是当λ=0时，RMRP路由的吞吐量优于ORP路由。这主要因为：RMRP路由动态地选择路由，而ORP路由采用固定的路由。

图5 平均探测包数

4.4 平均能耗

最后，分析ORP和RMRP路由的平均能耗，如图6所示，路由的平均能耗随λ的增加而上升。但是，RMRP路由的能耗少于ORP路由，并且随着λ的增加，能耗下降得越多。当K=5，λ=0时，RMRP路由的能耗比ORP路由下降了约16%，而当λ增加至0.01，RMRP路由的能耗比ORP路由的能耗下降了约40%。这归功于：λ的增加下降了平均探测路由数。

图6 平均能耗

5 总结

针对毫米波多跳路由中的转发探测包问题进行研究，并提出可靠的多跳转发探测包策略RMRP。RMRP策略先利用节点间的μW信号强度值，估计链路上出现毫米波信号强度值大于阈值概率，再利用此概率择优选择转发节点，进而构建最优的多跳路由。仿真结果表明，提出的RMRP策略提升D2D网络的吞吐量，并控制了节点的能耗。