0 引言

    在無線蜂窩網(wǎng)絡中，組播流量占總流量的很大一部分。在現(xiàn)有的可靠多播方案中，BS重復發(fā)送相同的數(shù)據(jù)包，直到它被所有接收者接收，導致基站(Base station，BS)承擔較大的組播業(yè)務負載和節(jié)點端大量的接收能耗。

    無線蜂窩網(wǎng)中的設備到設備(Device-to-Device，D2D)通信技術能有效減輕BS負載，近幾年受到了極大重視^[1-2]。在無線蜂窩網(wǎng)中使用D2D通信有很多的優(yōu)勢^[3]，例如，利用鄰近節(jié)點之間的直接通信，可以減輕基站的網(wǎng)絡負載；通過中繼實現(xiàn)節(jié)點和基站之間的兩跳路由，能夠增強用戶在小區(qū)邊緣和惡劣蜂窩鏈路條件下的服務質(zhì)量。

    目前已開展一些基于D2D通信的高效多播方案設計的研究。從多播用戶的物理位置分布角度，多播場景主要有以下兩類：(1)從BS多播數(shù)據(jù)到散布在整個蜂窩小區(qū)的用戶；(2)從BS多播數(shù)據(jù)到某個小區(qū)域（如一幢辦公樓）內(nèi)多個用戶，這些用戶兩兩鄰近，組成一個D2D多播簇。在一個蜂窩小區(qū)中的多播用戶往往會形成多個D2D多播簇^[4]，因此有必要研究一種高效的面向D2D多播簇的多播方案，既可單獨用于多播數(shù)據(jù)到D2D的多播簇，也可嵌入到用戶分布在整個小區(qū)的多播方案中。

    關于從BS多播數(shù)據(jù)到某個小區(qū)域內(nèi)多個用戶，ZHANG Q等人^[5]提出，當BS多播完一組數(shù)據(jù)包后，隨機挑出一定數(shù)目的節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點首先確定哪些包沒被正確接收（稱為丟失包），然后按順序輪流轉(zhuǎn)發(fā)丟失包，直到所有節(jié)點正確收到。但是，可能選中D2D鏈路質(zhì)量較差的中繼節(jié)點，無法保證100%包接收率。ZHOU B等人^[6]提出了基于子簇劃分的轉(zhuǎn)發(fā)方案，最小化時間-頻率兩個維度總資源開銷方案。利用子簇劃分算法來將每一個未正確接收到包的節(jié)點（稱為NACK節(jié)點）依附到無線鏈路質(zhì)量較好的可正確接收到包的節(jié)點（稱為ACK節(jié)點），然后由每個ACK節(jié)點以讓其所依附的所有NACK節(jié)點正確接收的最高的速率來在子簇內(nèi)廣播數(shù)據(jù)包。但一方面，多個子簇并行轉(zhuǎn)發(fā)同一個數(shù)據(jù)包，造成較大的發(fā)送能耗；另一方面，香農(nóng)公式表示的信道傳輸速率僅提供理論上的極限速率，而不具有實際可操作性，實際中反應信道真實吞吐量的指標是誤比特率（也就是丟包率）。

    本文研究BS到某個小區(qū)域內(nèi)多個節(jié)點(即D2D多播簇)的基于D2D通信的高效數(shù)據(jù)多播，提出了兩種基于鏈路丟包率方案：中繼節(jié)點固定的多播(Fixed-Relay based Multicast，F(xiàn)R-M)方案和中繼節(jié)點動態(tài)選取的多播(Dynamic-Relay based Multicast，DR-M)方案。并以最小化所有接收節(jié)點的總能耗為目標，優(yōu)化中繼節(jié)點及其發(fā)送功率的選取。

1 系統(tǒng)模型

2 基于D2D通信的多播方案

2.1 FR-M方案

    假設一組以M個數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，在一個多播周期內(nèi)無線鏈路的通信質(zhì)量近似不變，來進行多播發(fā)送。挑一個固定節(jié)點i來執(zhí)行數(shù)據(jù)包的D2D中繼。具體如圖1所示，組內(nèi)的每一個數(shù)據(jù)包的多播包含兩個階段：

    (1)BS先反復向多播簇內(nèi)的中繼節(jié)點i發(fā)送數(shù)據(jù)包，直到節(jié)點i正確接收到數(shù)據(jù)包。

    (2)中繼節(jié)點i反復在多播簇內(nèi)廣播，直到多播簇內(nèi)所有其他節(jié)點都正確接收。

    在多播簇內(nèi)挑選哪個節(jié)點作為中繼節(jié)點以及中繼節(jié)點發(fā)送功率的多少，決定了BS到中繼節(jié)點的鏈路質(zhì)量、D2D鏈路質(zhì)量及轉(zhuǎn)發(fā)的發(fā)送能耗，最終決定了整個多播簇的接收總能耗。不同的中繼節(jié)點和不同的發(fā)送功率會導致不同的總能耗。

2.2 DR-M方案

    本方案工作方式如下:對于每個數(shù)據(jù)包發(fā)送，會挑一個節(jié)點nR來執(zhí)行數(shù)據(jù)包的D2D中繼。具體如圖2所示，每一個數(shù)據(jù)包的多播包含兩個階段：

    (1)BS首先重復向簇內(nèi)所有節(jié)點廣播數(shù)據(jù)包，直到至少有一個節(jié)點正確接收到，稱正確接收到的節(jié)點為ACK節(jié)點，而稱其他節(jié)點為NACK節(jié)點。

    (2)從ACK節(jié)點中選出一個節(jié)點i作為D2D多播發(fā)送者，反復廣播給NACK節(jié)點，直到所有NACK節(jié)點都正確接收到。

    在第一階段結(jié)束后，中繼節(jié)點與NACK節(jié)點間的包接收成功率取決于中繼節(jié)點的選取和中繼節(jié)點的發(fā)射功率；中繼節(jié)點的發(fā)送功率越高，雖然D2D鏈路包接收成功率越高，但發(fā)送一個數(shù)據(jù)包所需要發(fā)送能耗也越高。由不同的ACK節(jié)點i來擔任中繼節(jié)點和中繼節(jié)點以不同的發(fā)送功率來廣播數(shù)據(jù)包，整個多播簇的總能耗是不相同的。

3 FR-M方案的中繼節(jié)點及發(fā)送功率選取

    定義集合I={1，2，…，K}為D2D多播簇節(jié)點序號集合。

3.1 包接收率

    節(jié)點i作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點來進行數(shù)據(jù)包發(fā)送， BS反復發(fā)送數(shù)據(jù)包直到節(jié)點i正確接收，因此對于當前這一組數(shù)據(jù)包，節(jié)點i的包平均接收次數(shù)為：

    選用平均總能耗最小的節(jié)點作為中繼，最優(yōu)檔功率作為功率：

    此時i就是最好的中繼節(jié)點序號，k就是對應最好中繼下的最好發(fā)送功率檔。

4 DR-M方案中繼節(jié)點及發(fā)送功率選取

    用S表示第一階段結(jié)束(即基站發(fā)送結(jié)束)后NACK節(jié)點的序號集合，用F表示第一階段結(jié)束(即基站發(fā)送結(jié)束)后ACK節(jié)點的序號集合。顯然，S∪F={1，2，…，K}。

4.1 包接收率

4.3 多播簇內(nèi)接收總能耗最小化

    當中繼節(jié)點i以k檔功率發(fā)送數(shù)據(jù)包時，NACK節(jié)點集合的平均接受總能耗為：

    此時i就是最好的中繼節(jié)點序號，k就是對應最好中繼下的最好發(fā)送功率檔。

5 性能評估

    以BS到K個用戶的包接收成功率(Packet Delivery Ratio，PDR)是在[P_BU，0.7]范圍內(nèi)的隨機值來仿真，中繼節(jié)點到其余節(jié)點的包接收成功率是在[P_min，0.99]范圍內(nèi)的隨機值，P_min與中繼節(jié)點的發(fā)送功率相關，節(jié)點有3檔發(fā)送功率P₁、P₂和P₃，對應的P_min分別為0.7、0.8和0.9。圖3為3種方案不同節(jié)點數(shù)目時的平均包傳遞總能耗，P₁=1.0 W，P₂=1.5 W，P₃=2.0 W，每個數(shù)據(jù)點都是1 000組數(shù)據(jù)的平均結(jié)果，每組數(shù)據(jù)包含10個數(shù)據(jù)包的發(fā)送，且每組數(shù)據(jù)包的多播所對應的鏈路PDR是隨機生成的。

    從圖3可以得到結(jié)論：隨著節(jié)點數(shù)目K增大，3個方案的平均包傳遞總能耗(Average Total Energy Consumption per Packet Delivery，ATECPD)越來越高。采用傳統(tǒng)的方案， ATECPD正比于K，ATECPD隨著K的增大而增大。采用DR-M方案，當K增大時，節(jié)點在第一階段接收數(shù)據(jù)包的總能耗會增加。K越大導致簇內(nèi)NACK節(jié)點數(shù)目越大，第二階段中繼的平均重發(fā)次數(shù)也會增加，中繼節(jié)點的包平均轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)和NACK節(jié)點的包接收總次數(shù)都增大。因此K增大會使DR-M的第一階段的收能耗和第二階段的收發(fā)能耗都增加。對于FR-M方案，總能耗的增加來自于第二階段中繼的平均重發(fā)次數(shù)的增多及其他節(jié)點的包接收總次數(shù)增大，中繼的發(fā)送能耗增加及節(jié)點接收數(shù)據(jù)包的總接收能耗增加。

    其次，F(xiàn)R-M和DR-M都優(yōu)于傳統(tǒng)方案。雖然這兩個方案中的中繼節(jié)點會消耗少量的發(fā)送能耗(平均包轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)較接近1)，但利用D2D鏈路來重傳相比于使用蜂窩鏈路來重傳具有更高的PDR、更小的包接收總次數(shù)、更低的總接收能耗。FR-M總是優(yōu)于DR-M。FR-M中第一階段只有一個節(jié)點從基站那接收數(shù)據(jù)，其他所有節(jié)點都是通過D2D鏈路來接收包，具有相對較小的包接收次數(shù)。DR-M中，第一階段所有節(jié)點都接收BS發(fā)送的包，會有相對較多的節(jié)點消耗了能量卻沒正確接收到包。

    圖4給出了3種方案在不同蜂窩鏈路包接收率下限值P_BU時的ATECPD，P₁=1.0，P₂=1.5，P₃=2.0。可以看出，F(xiàn)R-M和DR-M都優(yōu)于傳統(tǒng)方案。隨著PBU的不斷增大，DR-M的性能不斷變優(yōu)。當PDR逐漸變大，越來越多的節(jié)點在基站發(fā)送一次數(shù)據(jù)包后正確收到數(shù)據(jù)，NACK節(jié)點越來越少。隨著NACK節(jié)點數(shù)目的減少，第二階段被選為中繼的那個節(jié)點的平均發(fā)送次數(shù)也會減少，第二階段的收發(fā)總能耗也降低。對于FR-M，隨著PDR增加，被選為中繼的那個節(jié)點的期望接收次數(shù)會有降低，但降低量很微小，蜂窩鏈路質(zhì)量的提高對此方案的第二階段沒有任何影響，所以PDR的變化對此方案的影響很小。

    圖5給出了在P₁=1.0，P₂=1.0+ΔP和P₃=1.0+2ΔP下，不同相鄰發(fā)送功率差值ΔP下的ATECPD仿真，F(xiàn)R-M和DR-M均優(yōu)于傳統(tǒng)方案， FR-M優(yōu)于DR-M。FR-M在ΔP較小時比ΔP較大時僅具有略微好的性能，因為P₁是相同的，當ΔP=0.5時，被選出的中繼節(jié)點大多以P₃發(fā)送，增加的不多的發(fā)送能耗換來更少的平均重傳次數(shù)，使FR-M在第二階段節(jié)省了不少能耗；而當ΔP足夠大(如ΔP=1.0)時，使用P₂或P₃發(fā)送功率導致發(fā)送能耗很大卻沒顯著提高包接收率，因為大多數(shù)時候中繼節(jié)點仍會選擇功率P₁來發(fā)送從而使接收總能耗最小。至于DR-M，當ΔP=0.5時，被選出的中繼節(jié)點也大多時候以P₁發(fā)送，通常NACK節(jié)點數(shù)目不多，導致通過增大發(fā)功率（如采用P₂=1.0+ΔP）也僅僅換來D2D重傳次數(shù)降低，但下降的接收能耗抵不上增加的發(fā)送能耗。

    雖然FR-M在性能指標和ATECPD上都優(yōu)于DR-M，但DR-M能更有效地降低BS的多播流量負載：使用DR-M時，對于每個數(shù)據(jù)包的多播，BS發(fā)送一次后接近100%的概率至少會有一個節(jié)點正確接收到，BS的包平均發(fā)送次數(shù)近似為1。使用FR-M時，對于每個數(shù)據(jù)包的多播，BS要反復重發(fā)直到中繼節(jié)點正確接收到，期望的包發(fā)送次數(shù)為1/p，其中p為BS到中繼節(jié)點的蜂窩鏈路PDR。

6 結(jié)論

    本文研究基站到某個小區(qū)域內(nèi)多個節(jié)點的基于D2D通信的高效數(shù)據(jù)多播，提出了FR-M方案和DR-M方案，通過中繼節(jié)點和最優(yōu)功率的最優(yōu)選擇，最小化兩個方案中多播簇內(nèi)所有節(jié)點的總能耗。相比于傳統(tǒng)的基站多播方案，所提的兩種方案都能有效地降低簇內(nèi)總能耗。FR-M方案比DR-M方案具有更低的平均包傳遞總能耗，但DR-M方案能更有效地降低BS的多播流量負載。

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作者信息:

徐曉瑤1，湯澤鋒2，池凱凱2

(1.中國電子科技集團公司第三十六研究所，浙江 嘉興314033；

2.浙江工業(yè)大學 計算機科學與技術學院，浙江 杭州310023)