基于D2D混合网络中继选择算法的研究

基于D2D混合网络中继选择算法的研究基于D2D混合网络中继选择算法的研究x摘要】D2D通信是指距离相距很近的终端直接进行数据通信，不需要经过基站转发，且具有链路质量好、发送功率低，通讯时延短等特点。在蜂窝网络中引入D2D通信可减少基站的负载、扩大小区的覆盖，提高资源利用率。D2D通信的网络结构接近于自组织网络，因此中继选择是影响系统性能的关键因素。本文论述的中继选择算法考虑了系统的能耗、距离、链路质量等因素。【关键词】D2D中继算法蜂窝网1引言随着大规模集成电路和互联网技术突飞猛进的发展，传统蜂窝网络单一的以基站为中心的通信方式存在资源利用率低，不能满足人们的需求。将通过本地进行直接通信的D2D通信运用到蜂窝网中，形成D2D混合网络。该混合网络可提高频谱的利用率，提高系统的整体容量。D2D通信具有链路质量好、发送功率低，通讯时延短等特点，并且与蜂窝网络共同使用授权频带资源，形成统一的D2D与蜂窝网混合网络。而传统的短距离通信技术，如蓝牙、WIFI、Zigbee等技术使用的是非授权频带进行数据传输，其干扰环境是不可控的。D2D混合网络非常适合与本地通信业务，如在一个演唱会场内，主办方需要向观众提供视频等多媒体服务，如果采用基站的方式提供，可能会导致基站负载过重，以至于影响其他业务。如果采用D2D通信，则观众可直接下载各种资料，基站只负责D2D链路的控制及无线资源的分配等工作。同时基站还可为蜂窝用户提供良好的语音和数据服务。D2D网络作为自组网络的一个发展分支，良好有效的中继选择算法对混合系统链路质量的保障和频谱利用都起着至关重要的作用。在不引入中继的D2D混合网络中，想要充分发挥D2D通信的优势，必须限制通信终端间的距离和发射的功率。这样任意两个终端间能通过D2D通信的接通概率将大大降低，无法起到复用频率和提高频谱利用率的效果。中继技术的基本思想是中继节点将源节点的信号处理后再发送出去，从而实现新的覆盖区域，从而达到延伸网络的覆盖范围的目的。根据中继选择个数，可将中继可分为MIMO中继和机会中继。MIMO中继是通过网络编码或DSTC的协作分集[1]实现的。机会中继是基于即时信道状态（CSI）选择策略的中继选择算法，最早由A.Bletsas[2]等人提出，基本思想是每次只选择一个最佳中继参与协作，而不需要知道拓扑信息，从而减少了物理层的设计。本文在机会中继算法的基础上，把节点的能耗和节点间的距离作为选择中继节点的筛选条件，在保证通信质量的前提下，降低了能耗、达到了延长网络生存时间的效果。2场景描述D2D混合网络中继应用场景如图1所示。其中，U1-U2、U3-U4、U5-U6为D2D通信对，U7、U8工作在蜂窝模式。当通信信道发生变化时，基站会根据相应的规则，切换节点的通信方式。如U1请求与U2通信时，U1、U2直连通道的通信质量不能达到要求，则基站会选取U9作为U1、U2通信间的中继节点进行通信。若没有搜索到合适的节点作为中继节点，即通过基站进行通信，如U3、U4之间的通信。若存在多个节点都满足中继节点的要求，则会选择最优的一个节点作为中继节点，如U5、U6之间的通信。本文重点研究如何选择最优的中继节点，既能提高节点间的通信质量，又能降低节点的能耗。图1：D2D混合网络中继选择应用场景3D2D混合网络的中继选择算法3.1D2D中继触发条件3.1.1发射功率限制当D2D节点间的链路质量下降时，发送节点会提高发射功率，来提高链路质量。但发射功率越高，对其他通信链路的形成干扰，因此，发射功率需控制在Pmax以下。3.1.2能量限制当D2D节点的能量小于某个临界值的时候，该节点不能作为中继节点；当中继节点的能量低于该值的时候，应向基站发送信息请求重新选取中继节点。3.1.3距离限制在不引入中继的情况下，节点间进行D2D通信的充分条件就是，距离必须小于某值。在引入中继记住的D2D混合网络中，为了保证通信的质量，在选取中继节点的时候，也必须在一定的范围内。3.1.4链路可靠性限制D2D节点间的通过中继通信时，其路劲损耗必须小于某个门限值。否则接收端收到的信号是不能满足通信要求的。3.2D2D中继选择流程D2D混合网络中继通信的建立，是在基站的协助下，为了改善节点的通信质量而建立的。基站通过节点上报的CQI掌握各个节点的信道质量[3]，当某信道质量不满足要求时，基站根据空闲节点的距离、能量等因素启动D2D中继。具体流程如图2所示。图2：D2D混合网络中继选择流程图仿真结果表明，加入中继机制后的，链路质量明显提高，蜂窝模式的用户减少，D2D模式的用户增加，从而减少了基站的负荷，提高了系统容量。4结语随着多媒体业务需求的急剧增长，频谱资源短缺现象日趋明显。因此，D2D混合网络的应用将是未来的发展趋势，而高效的中继选择算法对混合网络中频谱资源的利用和链路质量的保证起着重要作用。参考文献：[1]LanemanJN，WornellGW.Distributedspace-time-codedprotocolsforexploitingcooperativediversityinwirelessnetworks[J].IEEETransactionsonInformationTheory2021，49（10）：2415-2425.[2]BletsasA，KhistiA，ReedDP，etal.Asimplecooperativediversitymethodbasedonnetworkpathselection[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications.2021，24（3）：659-672.[3]顾闻基于D2D的中继选择算法研究[D].南京：南京邮电大学，2021.