LTE通信系統(tǒng)中D2D多播傳輸方案設(shè)計

王 靜,劉向陽,楊 洋,王新梅

(1.長安大學(xué)信息工程學(xué)院,陜西西安 710064;2.西安通信學(xué)院,陜西西安 710106;3.西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點實驗室,陜西西安 710071)

LTE通信系統(tǒng)中D2D多播傳輸方案設(shè)計

王 靜1,劉向陽2,楊 洋1,王新梅3

(1.長安大學(xué)信息工程學(xué)院,陜西西安 710064;2.西安通信學(xué)院,陜西西安 710106;3.西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點實驗室,陜西西安 710071)

為了提高長期演進通信系統(tǒng)中的頻譜效率以及傳輸可靠性,將長期演進通信網(wǎng)絡(luò)的終端用戶劃分成終端直通通信簇,通過基站多播數(shù)據(jù)包給所有簇頭以及各簇頭在終端直通通信簇內(nèi)廣播數(shù)據(jù)包這兩跳傳輸,實現(xiàn)長期演進通信系統(tǒng)中數(shù)據(jù)包的多播傳輸.鑒于終端直通通信簇內(nèi)用戶鏈路不可靠,考慮采用基于網(wǎng)絡(luò)編碼的自動重傳請求重傳算法,利用建立的丟失數(shù)據(jù)包列表,簇頭對需要重傳的數(shù)據(jù)包進行網(wǎng)絡(luò)編碼,廣播編碼數(shù)據(jù)包,減少重傳次數(shù).性能分析和仿真結(jié)果表明,該方案可以獲得與已有基于時間的網(wǎng)絡(luò)編碼重傳方案相同的傳輸效率,具有較低的計算復(fù)雜度.相對于傳統(tǒng)蜂窩通信模式下基于網(wǎng)絡(luò)編碼的多播重傳方案,只在終端直通簇內(nèi)進行數(shù)據(jù)包重傳,高丟包率時有效減少基站發(fā)送數(shù)據(jù)包的次數(shù),降低了蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜資源的消耗.

終端直通;多播傳輸;網(wǎng)絡(luò)編碼;自動重傳請求

目前,長期演進(Long Term Evolution,LTE)通信系統(tǒng)已經(jīng)投入商用,但蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜資源有限,可分配的帶寬資源已無法滿足通信需求[1],且以基站為中心的通信方式造成系統(tǒng)覆蓋不足、邊緣用戶通信質(zhì)量不高等問題.為了提高蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用率以及邊緣用戶的通信質(zhì)量,文獻[2-3]提出了終端直通(Deviceto-Device,D2D)技術(shù),在蜂窩基站控制下與小區(qū)用戶共享網(wǎng)絡(luò)資源.在LTE通信系統(tǒng)中融合D2D技術(shù),將有效地提高蜂窩網(wǎng)絡(luò)容量、增強網(wǎng)絡(luò)覆蓋、節(jié)省頻譜資源[4-6].進一步地,文獻[7]將隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼引入到D2D通信,通過在蜂窩用戶和D2D通信對之間進行聯(lián)合的資源分配和中繼選擇,確保D2D通信傳輸速率的同時,提高蜂窩網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸速率.文獻[8]研究在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中聯(lián)合應(yīng)用D2D技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù),與只采用D2D或者網(wǎng)絡(luò)編碼相比,可以獲得更高的頻譜和能量效率.文獻[9]在D2D發(fā)送端與接收端之間引入中繼節(jié)點,在中繼節(jié)點采用物理層網(wǎng)絡(luò)編碼,提高D2D通信對之間的傳輸速率.

在傳統(tǒng)的蜂窩通信模式中,由于無線信道衰落等因素的影響,可能有部分終端用戶沒有正確接收到數(shù)據(jù)包.目前,在LTE通信系統(tǒng)中仍采用自動重傳請求(Automatic Repeat-reQuest,ARQ)技術(shù)重傳丟失的數(shù)據(jù)包,來確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃訹10].考慮到在無線網(wǎng)絡(luò)中采用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)[11-12],能有效減少傳輸次數(shù).進一步地,文獻[13]提出了基于網(wǎng)絡(luò)編碼的多數(shù)據(jù)流聯(lián)合ARQ算法,提高未成功譯碼數(shù)據(jù)流的檢測性能.文獻[14]提出了基于時間的網(wǎng)絡(luò)編碼重傳算法,采用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)組合并重傳不同接收節(jié)點丟失的數(shù)據(jù)包,降低了重傳次數(shù),提高了傳輸效率.但在LTE通信系統(tǒng)中直接采用基于時間的網(wǎng)絡(luò)編碼重傳算法,在基站向終端用戶多播數(shù)據(jù)包的過程中,其傳輸速率仍然取決于基站與終端用戶之間質(zhì)量最差的多播鏈路,將受到低速鏈路傳輸速率的限制,難以充分利用頻譜資源.

為了提高蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率,使距離基站較遠(yuǎn)的終端用戶可以可靠地接收到數(shù)據(jù),筆者提出一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的D2D多播傳輸方案.首先對終端用戶進行分簇,在基站可靠傳輸范圍內(nèi)選擇簇頭,確?；镜酱仡^的鏈路可靠且基站能以較高的速率向簇頭傳輸數(shù)據(jù)包.簇頭與其各自廣播范圍內(nèi)的所有終端構(gòu)成D2D通信簇.基站以蜂窩通信模式向各簇頭多播數(shù)據(jù)包,各簇頭接收到數(shù)據(jù)包之后,在各自的D2D通信簇內(nèi)切換到D2D通信模式廣播數(shù)據(jù)包,有效提高基站的傳輸速率,增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量.

不可避免地,無線鏈路具有較高的出錯概率.由于基站到各簇頭的鏈路可靠,假定簇頭能正確接收到基站發(fā)送的數(shù)據(jù)包.但在D2D通信模式下,在簇頭廣播數(shù)據(jù)包的過程中,有部分終端用戶沒有正確接收到數(shù)據(jù)包,出現(xiàn)傳輸錯誤.為此,各簇頭利用否定應(yīng)答(Negative ACKnowledge,NACK)反饋信息建立丟失數(shù)據(jù)包列表,對需要重傳的數(shù)據(jù)包進行網(wǎng)絡(luò)編碼,廣播編碼數(shù)據(jù)包,減少重傳次數(shù).該方案相對于傳統(tǒng)蜂窩通信模式下基于網(wǎng)絡(luò)編碼的多播重傳方案,只在D2D簇內(nèi)進行數(shù)據(jù)包重傳,高丟包率時有效減少基站發(fā)送數(shù)據(jù)包的次數(shù),減少了用戶與基站節(jié)點的連接時間,進一步降低了網(wǎng)絡(luò)頻譜資源消耗.性能分析和仿真結(jié)果表明,該方案可以獲得與已有基于時間的網(wǎng)絡(luò)編碼重傳方案相同的傳輸效率,具有較低的計算復(fù)雜度.

1　LTE系統(tǒng)中D2D通信模型

在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中,D2D終端用戶可以根據(jù)實際需求切換通信模式,終端通過基站進行通信的蜂窩通信模式以及使用D2D鏈路直接通信的D2D通信模式.當(dāng)終端用戶距離基站較遠(yuǎn),且終端用戶之間距離較近時,可以直接采用D2D通信模式;當(dāng)終端用戶距離較遠(yuǎn),且終端用戶與小區(qū)基站鏈路可靠,則選擇蜂窩通信模式.一對終端用戶可以建立D2D通信連接,此外,多對終端用戶還可以建立D2D通信簇,在簇內(nèi)多個終端通過D2D鏈路進行通信.

圖1給出了蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的D2D通信模型.在基站e NB可靠傳輸范圍內(nèi)選擇簇頭UER1,UER2,UER3,確保eNB到UER1,UER2,UER3的鏈路可靠且基站能以較高的速率向UER1,UER2,UER3傳輸數(shù)據(jù)包.各簇頭與其各自廣播范圍內(nèi)的所有終端用戶構(gòu)成D2D通信簇.在該網(wǎng)絡(luò)中,簇頭UER1與終端用戶UE11,UE12,…,UE1n組建成D2D簇1,簇頭UER2與終端用戶UE21,UE22,…,UE2n組建成D2D簇2,簇頭UER3與終端用戶UE31,UE32,…,UE3n組建成D2D簇3.基站eNB采用蜂窩通信模式向簇頭UER1,UER2,UER3發(fā)送數(shù)據(jù)包. UER1,UER2,UER3接收到基站發(fā)送的數(shù)據(jù)包后,切換到D2D通信模式,向各自D2D簇內(nèi)的用戶廣播該數(shù)據(jù)包.通過選擇簇頭并建立D2D通信簇,確保基站能以較高的鏈路速率可靠地向簇頭多播數(shù)據(jù)包.D2D通信簇使用的時頻資源由基站分配.為了避免D2D終端與其他終端的干擾,基站給D2D通信簇分配獨立的時頻資源,簇頭采用正交復(fù)用蜂窩小區(qū)資源的方式廣播數(shù)據(jù)包,有效避免了蜂窩通信與D2D通信之間的干擾,提高了網(wǎng)絡(luò)容量和頻譜利用率.

圖1　蜂窩網(wǎng)絡(luò)中D2D通信模型示意圖

2　LTE通信系統(tǒng)中的D2D多播傳輸方案

由于無線鏈路具有較高的出錯概率,不可避免地,上述D2D通信鏈路存在數(shù)據(jù)包丟失的情況.考慮到在各D2D通信簇簇頭的選取過程中,已確?；镜礁鞔仡^的鏈路可靠且基站能以較高的速率向簇頭傳輸數(shù)據(jù)包,故只需考慮D2D通信模式下,D2D簇內(nèi)傳輸鏈路不可靠的情況.為此,本節(jié)給出一種LTE通信系統(tǒng)中的D2D多播傳輸方案.具體地,將基站向終端用戶多播數(shù)據(jù)包的過程分解為基站多播數(shù)據(jù)包給所有簇頭以及簇頭在各自D2D簇內(nèi)以D2D通信模式廣播數(shù)據(jù)包這兩個過程.鑒于D2D通信簇內(nèi)用戶鏈路不可靠,考慮采用基于網(wǎng)絡(luò)編碼的ARQ重傳算法,各簇頭利用NACK反饋信息建立丟失數(shù)據(jù)包列表,對需要重傳的數(shù)據(jù)包進行網(wǎng)絡(luò)編碼,廣播編碼數(shù)據(jù)包,減少數(shù)據(jù)包的重傳次數(shù).

2.1基于網(wǎng)絡(luò)編碼的ARQ重傳算法

在D2D通信簇中,簇頭向簇內(nèi)所有終端用戶廣播數(shù)據(jù)包,但D2D通信簇內(nèi)用戶鏈路不可靠,有部分用戶沒有正確接收到數(shù)據(jù)包.圖2給出了簇頭利用NACK反饋信息建立的丟失數(shù)據(jù)包列表,其中“○”表示數(shù)據(jù)包被正確接收,“×”表示數(shù)據(jù)包沒有被正確接收.

圖2　簇頭中存儲的丟失數(shù)據(jù)包列表

圖3　數(shù)據(jù)包丟失矩陣

以D2D簇內(nèi)終端用戶的數(shù)目作為行數(shù),數(shù)據(jù)包的數(shù)目作為列數(shù),可以將丟失數(shù)據(jù)包列表用數(shù)據(jù)包丟失矩陣表示.根據(jù)圖2簇頭中存儲的丟失數(shù)據(jù)包列表,很容易得到對應(yīng)的數(shù)據(jù)包丟失矩陣,如圖3所示.基于得到的數(shù)據(jù)包丟失矩陣,簇頭對來自不同終端用戶的丟失數(shù)據(jù)包進行網(wǎng)絡(luò)編碼,在D2D簇內(nèi)廣播編碼數(shù)據(jù)包.假定D2D通信簇內(nèi)有N個終端用戶,簇頭廣播發(fā)送M個數(shù)據(jù)包.下面給出基于網(wǎng)絡(luò)編碼的ARQ重傳算法的具體實施步驟:

步驟1 根據(jù)簇頭存儲的丟失數(shù)據(jù)包列表,得到對應(yīng)的數(shù)據(jù)包丟失矩陣.

步驟2 在數(shù)據(jù)包丟失矩陣中的第i行(1≤i≤N),尋找第1個“1”數(shù)據(jù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)包Pm(1≤m≤M),令P′i=Pm,對于所有終端用戶,保證數(shù)據(jù)包P′1,P′2,…,P′i對應(yīng)的數(shù)據(jù)之和不大于1,并將該矩陣中數(shù)據(jù)包Pm所在的列變?yōu)槿?”列.如果第1個“1”對應(yīng)的數(shù)據(jù)包沒有滿足上述條件,則從第2個“1”數(shù)據(jù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)包開始,直到找到滿足上述條件的數(shù)據(jù)包;如果沒有滿足上述條件的數(shù)據(jù)包,則跳過第i行.

步驟3 同樣在數(shù)據(jù)包丟失矩陣的第i+1行,尋找第1個“1”數(shù)據(jù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)包Pn(1≤n≤M),記P′i+1=Pn,對于所有終端用戶,保證數(shù)據(jù)包P′1,P′2,…,P′i,P′i+1對應(yīng)的數(shù)據(jù)之和不大于1,并將該矩陣中數(shù)據(jù)包Pn所在的列變?yōu)槿?”列.如果第1個“1”對應(yīng)的數(shù)據(jù)包沒有滿足上述條件,則從第2個“1”數(shù)據(jù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)包開始,直到找到滿足上述條件的數(shù)據(jù)包;如果沒有滿足上述條件的數(shù)據(jù)包,則跳過第i+1行.

步驟4 重復(fù)上述操作,直到第N行.

步驟5 簇頭對步驟2到步驟4得到的所有數(shù)據(jù)包進行網(wǎng)絡(luò)編碼操作,得到編碼數(shù)據(jù)包,在D2D簇內(nèi)廣播該編碼數(shù)據(jù)包.

步驟6 重復(fù)上述操作,直到數(shù)據(jù)包丟失矩陣為全“0”矩陣.

對于圖3中的數(shù)據(jù)包丟失矩陣,采用上述基于網(wǎng)絡(luò)編碼的ARQ重傳算法,得到編碼數(shù)據(jù)包P1⊕P4、P2⊕P5、P3⊕P6以及P7.簇頭只需4次重傳,就能使終端用戶恢復(fù)出所有丟失的數(shù)據(jù)包,相對于傳統(tǒng)的ARQ重傳方案需要分別重傳數(shù)據(jù)包P1,P2,…,P7,減少了3次重傳.

2.2LTE通信系統(tǒng)中D2D多播傳輸

在傳統(tǒng)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中,基站向終端用戶多播數(shù)據(jù)包的過程中,其傳輸速率仍然取決于基站與終端用戶之間質(zhì)量最差的多播鏈路,多播傳輸受到低速鏈路速率的限制,難以充分利用頻譜資源.為此,在上述基于網(wǎng)絡(luò)編碼的ARQ重傳算法的基礎(chǔ)上討論LTE通信系統(tǒng)中D2D多播傳輸,具體算法如下:

步驟1 進行D2D終端簇的劃分,在基站可靠傳輸范圍內(nèi)選擇簇頭.基站計算可靠傳輸范圍內(nèi)各用戶連接其他終端用戶的連接度,選取連接度較大且基站到其傳輸速率較高的用戶作為簇頭,該簇頭與其廣播范圍內(nèi)的所有終端用戶構(gòu)成一個D2D通信簇.該D2D通信簇內(nèi)的所有終端以及簇頭將不再參與后續(xù)分簇操作.

步驟2 重復(fù)步驟1中的操作,直到基站中所有終端用戶都成為D2D簇頭或者簇內(nèi)終端,至此D2D通信簇建立過程完成.

步驟3 基站以蜂窩通信模式向各簇頭多播數(shù)據(jù)包,各簇頭接收到數(shù)據(jù)包之后,切換到D2D通信模式在各自D2D簇內(nèi)廣播數(shù)據(jù)包.

步驟4 D2D通信簇內(nèi)的簇頭根據(jù)簇內(nèi)用戶的NACK反饋信息,建立并存儲丟失數(shù)據(jù)包列表.

步驟5 各簇頭采用2.1節(jié)中基于網(wǎng)絡(luò)編碼的ARQ重傳算法,生成編碼數(shù)據(jù)包,完成丟失數(shù)據(jù)包的重傳.

在LTE通信系統(tǒng)中,為了提高頻譜效率,使距離基站較遠(yuǎn)的用戶能可靠地接收到數(shù)據(jù)包,首先在基站可靠傳輸范圍內(nèi)選擇簇頭,并在此基礎(chǔ)上建立D2D通信簇.通過劃分D2D通信簇,使LTE通信網(wǎng)絡(luò)具有分層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),通過基站多播數(shù)據(jù)包給所有簇頭以及簇頭在各自D2D通信簇內(nèi)廣播數(shù)據(jù)包這兩跳傳輸,實現(xiàn)LTE通信系統(tǒng)中數(shù)據(jù)包可靠高效的多播傳輸.

3　性能分析與仿真

首先從提高頻譜資源利用率的角度,理論分析LTE通信系統(tǒng)中采用D2D多播傳輸方案,基站處數(shù)據(jù)包的平均傳輸次數(shù),并與傳統(tǒng)蜂窩通信模式進行對比說明;然后討論在D2D通信簇內(nèi)采用基于網(wǎng)絡(luò)編碼的ARQ重傳算法的傳輸帶寬消耗,與基于時間的網(wǎng)絡(luò)編碼重傳算法[14]以及傳統(tǒng)的ARQ重傳算法進行對比分析;最后對算法的復(fù)雜度進行分析說明.

3.1基站的傳輸次數(shù)

數(shù)學(xué)分析LTE通信系統(tǒng)分別采用D2D多播傳輸方案以及傳統(tǒng)蜂窩通信模式,基站處數(shù)據(jù)包的平均傳輸次數(shù).在文中提出的D2D多播傳輸方案中,基站要傳輸M個數(shù)據(jù)包給所有終端用戶,可以由基站向D2D簇頭多播M個數(shù)據(jù)包以及D2D簇頭廣播數(shù)據(jù)包給各自D2D簇內(nèi)的終端用戶這兩跳傳輸完成.由于該D2D多播傳輸方案在基站可靠傳輸范圍內(nèi)選擇簇頭,確保基站到D2D簇頭鏈路可靠,不會發(fā)生數(shù)據(jù)包丟失,且采用基于網(wǎng)絡(luò)編碼的ARQ重傳算法,來保證D2D簇內(nèi)傳輸可靠性.因此,基站只需要M次傳輸,就可以把M個數(shù)據(jù)包發(fā)送給所有簇頭.

如果LTE通信系統(tǒng)采用傳統(tǒng)蜂窩通信模式,則基站以一跳方式向所有終端用戶多播數(shù)據(jù)包,部分終端用戶沒有正確接收到數(shù)據(jù)包.此時,基站直接采用基于網(wǎng)絡(luò)編碼的ARQ重傳算法,對丟失數(shù)據(jù)包進行網(wǎng)絡(luò)編碼操作,多播編碼數(shù)據(jù)包給終端用戶,減少數(shù)據(jù)包的傳輸次數(shù).假定存在兩個終端用戶,用戶1的丟失概率p1小于用戶2的丟失概率p2,且不存在編碼數(shù)據(jù)包丟失的情況,則基站的傳輸次數(shù)由成功發(fā)送數(shù)據(jù)包給具有最大丟失概率的接收節(jié)點所需要的傳輸數(shù)目確定,那么基站要成功發(fā)送M個數(shù)據(jù)包給兩個終端用戶,基站需要次傳輸.不失一般性,將該結(jié)果推廣到N個終端用戶,基站需要次傳輸,才能將M個數(shù)據(jù)包發(fā)送給所有終端用戶.

下面討論在低丟包率(pi=0.136 8)以及高丟包率(pi=0.368 1)情況下,文中提出的D2D多播傳輸方案和傳統(tǒng)蜂窩通信模式下基站需要的傳輸次數(shù).無論低丟包率還是高丟包率,當(dāng)需要傳輸M=1 000個數(shù)據(jù)包時,采用D2D多播傳輸方案,基站的傳輸次數(shù)都為M=1 000次.不同地,在低丟包率(pi=0.136 8)時,傳統(tǒng)蜂窩通信中采用基于網(wǎng)絡(luò)編碼的ARQ重傳算法,基站需要傳輸M(1-0.136 8)=1 158次;在高丟包率(pi=0.368 1)時,基站需要傳輸M(1-0.368 1)=1 583次.可見,當(dāng)高丟包率時,采用傳統(tǒng)蜂窩通信模式,基站需要傳輸?shù)拇螖?shù)將明顯大于D2D多播傳輸方案中的傳輸次數(shù).

3.2傳輸帶寬消耗

考慮D2D通信簇內(nèi)采用基于網(wǎng)絡(luò)編碼的ARQ重傳算法時的傳輸帶寬消耗,假定在D2D通信簇內(nèi)存在N個終端用戶,簇頭到第i個終端用戶的鏈路丟包率為pi,且將數(shù)據(jù)包傳輸錯誤與超時傳輸統(tǒng)一定義為鏈路丟包.采用C++語言進行仿真實驗,在仿真實驗過程中,終端用戶數(shù)目在2到14之間取值,D2D簇頭連續(xù)發(fā)送M=1 000個數(shù)據(jù)包.這里傳輸帶寬定義為每個數(shù)據(jù)包的平均傳輸數(shù)目,即總的傳輸數(shù)目與M之比,N個終端用戶的鏈路丟包率p1,p2,…,pN相互獨立且分別服從Bernoulli分布,仿真實驗分別得到低丟包率和高丟包率情況下的傳輸帶寬消耗并進行比較.

圖4給出了低丟包率(pi=0.1368,1≤i≤N)以及高丟包率(pi=0.3681,1≤i≤N)環(huán)境下,終端用戶數(shù)目N在2至14之間取值時的傳輸帶寬消耗.由仿真結(jié)果可知,當(dāng)終端用戶數(shù)目N增加時,傳統(tǒng)的ARQ重傳算法、基于網(wǎng)絡(luò)編碼的ARQ重傳算法以及基于時間的網(wǎng)絡(luò)編碼重傳算法[14]的傳輸帶寬消耗都相應(yīng)增加,基于網(wǎng)絡(luò)編碼的ARQ重傳算法與基于時間的網(wǎng)絡(luò)編碼重傳算法具有幾乎相同的傳輸帶寬性能,且都優(yōu)于傳統(tǒng)的ARQ重傳算法.例如,在圖4(a)情況下,當(dāng)終端用戶數(shù)目N=8時,基于網(wǎng)絡(luò)編碼的ARQ重傳算法與基于時間的網(wǎng)絡(luò)編碼重傳算法具有幾乎相同的帶寬消耗,與傳統(tǒng)的ARQ重傳算法相比,傳輸帶寬消耗可以減少23.8%.

圖4　低丟包率和高丟包率情況下的傳輸帶寬消耗

分別對低丟包率和高丟包率情況下,傳統(tǒng)的ARQ重傳算法、基于網(wǎng)絡(luò)編碼的ARQ重傳算法以及基于時間的網(wǎng)絡(luò)編碼重傳算法的傳輸帶寬消耗進行對比分析.在高丟包率情況下,D2D通信簇內(nèi)多個終端用戶沒有接收到同一數(shù)據(jù)包的概率較大,根據(jù)數(shù)據(jù)包丟失矩陣,采用基于網(wǎng)絡(luò)編碼的ARQ重傳算法,簇頭將獲得較多的編碼數(shù)據(jù)包,需要重傳編碼數(shù)據(jù)包的數(shù)目明顯高于低丟包率情況,故其帶寬消耗也將相應(yīng)增加.對圖4(a)和圖4(b)進行對比分析發(fā)現(xiàn),低丟包率時基于網(wǎng)絡(luò)編碼的ARQ重傳算法與基于時間的網(wǎng)絡(luò)編碼重傳算法的傳輸帶寬消耗明顯小于高丟包率情況下的帶寬消耗,仿真實驗結(jié)果與上述理論分析完全吻合.

3.3算法復(fù)雜度

現(xiàn)在分析基于網(wǎng)絡(luò)編碼的ARQ重傳算法的復(fù)雜度,并與現(xiàn)有的基于時間的網(wǎng)絡(luò)編碼重傳算法進行對比.D2D通信簇內(nèi)有N個終端用戶,簇頭連續(xù)廣播M個數(shù)據(jù)包,需要O(MN)次計算獲得數(shù)據(jù)包丟失矩陣.接下來,在數(shù)據(jù)包丟失矩陣的每一行中尋找可以進行網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)包,確保對于所有終端用戶,所找到的數(shù)據(jù)包對應(yīng)的數(shù)據(jù)之和不大于1,該過程需要O(MN)次操作.上述步驟操作O(M)次,直到數(shù)據(jù)包丟失矩陣為全“0”矩陣,則簇頭需要O(M2N)次計算獲得用于網(wǎng)絡(luò)編碼的丟失數(shù)據(jù)包的最大集合.因此,基于網(wǎng)絡(luò)編碼的ARQ重傳算法的復(fù)雜度為O(M2N+MN).

文獻[15]已經(jīng)證明,在基于時間的網(wǎng)絡(luò)編碼重傳算法中,尋找參與網(wǎng)絡(luò)編碼的丟失數(shù)據(jù)包的最佳集合是一個復(fù)雜的NP難題.因此,該算法不具有多項式時間復(fù)雜度,容易得到基于時間的網(wǎng)絡(luò)編碼重傳算法具有指數(shù)計算復(fù)雜度.因此,基于網(wǎng)絡(luò)編碼的ARQ重傳算法的算法復(fù)雜度明顯低于基于時間的網(wǎng)絡(luò)編碼重傳算法的.在實際蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)中,終端用戶數(shù)目很大,采用基于時間的網(wǎng)絡(luò)編碼重傳算法復(fù)雜度很高,不具有可實現(xiàn)性.另外,蜂窩節(jié)點(更具體地,D2D簇頭)的計算能力有限,這樣即使在終端用戶數(shù)目不是很大的情況下,基于時間的網(wǎng)絡(luò)編碼重傳算法的計算復(fù)雜度也是不可接受的.

4　結(jié)束語

為了提高LTE通信系統(tǒng)的頻譜效率以及傳輸可靠性,文中提出一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的D2D多播傳輸方案.將LTE通信網(wǎng)絡(luò)中的終端用戶劃分成D2D通信簇,通過基站以蜂窩通信模式多播數(shù)據(jù)包給所有簇頭以及各簇頭以D2D通信模式廣播數(shù)據(jù)包這兩跳傳輸,有效提高基站的傳輸速率,增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量.

不可避免地,無線鏈路具有較高的出錯概率.由于在基站可靠傳輸范圍內(nèi)選擇簇頭,基站到各簇頭的鏈路可靠,因此,簇頭能正確接收到基站發(fā)送的數(shù)據(jù)包.但在D2D通信模式下,在簇頭廣播數(shù)據(jù)包的過程中,有部分終端用戶沒有正確接收到數(shù)據(jù)包,出現(xiàn)傳輸錯誤.為此,各簇頭采用基于網(wǎng)絡(luò)編碼的ARQ重傳算法,利用NACK反饋信息建立丟失數(shù)據(jù)包列表,對需要重傳的數(shù)據(jù)包進行網(wǎng)絡(luò)編碼,廣播編碼數(shù)據(jù)包,減少重傳次數(shù).該方案相對于傳統(tǒng)蜂窩通信模式,高丟包率時有效減少基站需要傳輸數(shù)據(jù)包的次數(shù),降低蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜資源消耗;在D2D通信簇內(nèi)采用基于網(wǎng)絡(luò)編碼的ARQ重傳算法,減少D2D簇內(nèi)的帶寬資源消耗,且算法復(fù)雜度明顯低于現(xiàn)有基于時間的網(wǎng)絡(luò)編碼重傳算法.

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(編輯:李恩科)

Design of the D2D multicast transmission scheme in the LTE communication system

WANG Jing1,LIU Xiangyang2,YANG Yang1,WANG Xinmei3
(1.School of Information Engineering,Chang’an Univ.,Xi’an 710064,China;2.Xi’an Communication College,Xi’an 710106,China;3.State Key Lab.of Integrated Service Networks,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China)

In order to improve spectrum efficiency and transmission reliability of the LTE communication system,its terminal users can be divided into the D2D communication cluster.Specially,the multicast transmission of data packets in the LTE system can be realized through two hop transmissions,namely,the base station multicasts data packets to all cluster-heads and each cluster-head in the D2D communication cluster broadcasts the received packets.Considering that the links may be unreliable in the D2D communication cluster,the ARQ retransmission algorithm based on network coding is adopted.By establishing the lost-packet list,the cluster-head operates the lost-packets by network coding,and broadcasts the encoded packets to reduce the number of retransmission.Performance analysis and simulation results show that the proposed scheme can achieve almost the same transmission efficiency as the existing scheme,but has a lower computational complexity.Compared with the traditional multicast retransmission scheme based on network coding in the cellular communication mode,the scheme only retransmits the lost-packets in D2D cluster,to reduce the pachets transmission number of base stations and decrease the spectrum resource consumption of the cellular network effectively at a high packet loss rate.

device-to-device(D2D);multicast transmission;network coding;automatic repeat-request

TP911.2

A

1001-2400(2016)03-0101-06

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.03.018

2015-03-19

時間:2015-07-27

國家自然科學(xué)基金資助項目(61040005,61001126,61271262);陜西省自然科學(xué)基金資助項目(2014JQ8300,2015JM6307);大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助項目(201510710131);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2013G1241117)

王 靜(1982-),女,副教授,博士,E-mail:jingwang@chd.edu.cn.

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20150727.1952.018.html