無(wú)線網(wǎng)絡(luò)終端協(xié)作多播技術(shù)研究

謝 飛

(重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶400065)

0 引言

金融時(shí)報(bào)曾報(bào)道:在倫敦奧運(yùn)會(huì)期間，利用移動(dòng)終端來(lái)收看NBS與BBC在線比賽視頻的用戶分別占其線上用戶的45%與41%。除了收看電視直播節(jié)目外，多媒體廣播多播還可用于設(shè)備的固件或者操作系統(tǒng)升級(jí)、應(yīng)用升級(jí)、網(wǎng)站高點(diǎn)擊率視頻的推送、動(dòng)態(tài)交通信息提醒、群組會(huì)話等多種用途。

多媒體廣播多播業(yè)務(wù)的高需求對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量提出了挑戰(zhàn)，這就要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者們不斷研究各種新的技術(shù)來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的容量需求。在眾多提高容量的技術(shù)途徑中，協(xié)作通信技術(shù)因其能使系統(tǒng)獲得可觀的性能增益、提供均衡的服務(wù)質(zhì)量的特性，獲得了研究者的廣泛關(guān)注，將協(xié)作通信技術(shù)應(yīng)用于多播傳輸中，成為了一個(gè)新的研究方向。

1 終端協(xié)作多播技術(shù)

1．1 協(xié)作通信

協(xié)作通信利用網(wǎng)絡(luò)中的終端幫助轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息來(lái)擴(kuò)展覆蓋范圍或者實(shí)現(xiàn)分集，提高網(wǎng)絡(luò)性能。為了完成協(xié)作通信，需要解決3個(gè)問(wèn)題:選擇合適的協(xié)作節(jié)點(diǎn)、確定協(xié)作時(shí)機(jī)和選擇協(xié)作方式。協(xié)作節(jié)點(diǎn)即為參與協(xié)作的中繼節(jié)點(diǎn)或稱為伙伴節(jié)點(diǎn);協(xié)作時(shí)機(jī)指協(xié)作節(jié)點(diǎn)在什么時(shí)候參與協(xié)作，分為3類:固定協(xié)作、動(dòng)態(tài)選擇協(xié)作和增量協(xié)作;協(xié)作方式指中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)從源節(jié)點(diǎn)處接收到的信息的處理方式，可分為放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify and Forward，AF)、解碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode and Forward，DF)和編碼協(xié)作(Code Cooperation，CC)。協(xié)作通信系統(tǒng)如圖1所示，在系統(tǒng)為源節(jié)點(diǎn)S選擇協(xié)作伙伴R后，源節(jié)點(diǎn)S向目的節(jié)點(diǎn)D與協(xié)作伙伴R發(fā)送信息，此為協(xié)作通信第一階段;第二階段，協(xié)作伙伴R將接收到的源節(jié)點(diǎn)信號(hào)經(jīng)過(guò)一定處理發(fā)送至目的節(jié)點(diǎn)D，目的節(jié)點(diǎn)將兩次接收到的信號(hào)以特定方式合并后解調(diào)解碼獲得源信息。

圖1 協(xié)作通信示意圖

選擇適當(dāng)?shù)膮f(xié)作節(jié)點(diǎn)、協(xié)作時(shí)機(jī)與協(xié)作方式能使系統(tǒng)得到較高的性能增益，包括分集增益、復(fù)用增益以及路損增益，這些增益可以轉(zhuǎn)化為傳輸功率的降低、系統(tǒng)容量的提高以及小區(qū)覆蓋范圍的擴(kuò)大。其次，通過(guò)協(xié)作還能使系統(tǒng)獲得均衡的服務(wù)質(zhì)量，在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，處于小區(qū)邊緣和陰影衰落的用戶會(huì)遇到容量或覆蓋問(wèn)題，而中繼可以平衡小區(qū)邊緣和小區(qū)中心的差異，從而為所有用戶提供一致的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。當(dāng)然協(xié)作通信也有缺點(diǎn)，首先是調(diào)度復(fù)雜，雖然調(diào)度具有單個(gè)協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的鏈路容易，但隨著系統(tǒng)中用戶和中繼節(jié)點(diǎn)的增多，這將很快變?yōu)橐豁?xiàng)極其復(fù)雜的工作。其次，協(xié)作需要嚴(yán)格同步、保障安全性，因此開(kāi)銷增加。再次，確定最優(yōu)的中繼傳輸和協(xié)作對(duì)象是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。此外，協(xié)作還帶來(lái)了端到端延遲增加、更多的信道估計(jì)等。

1．2 協(xié)作多播

多播的首要特征是多個(gè)用戶在同一信道上接收相同的業(yè)務(wù)，這多個(gè)用戶成為一個(gè)多播組，例如正在收看同一移動(dòng)電視頻道的用戶便屬于同一個(gè)多播組，多播組的數(shù)量便等于這個(gè)電視業(yè)務(wù)的頻道數(shù)量。由于用戶分布在不同的位置，并且因?yàn)闊o(wú)線信道的時(shí)變特性，不同用戶經(jīng)歷著不同的路徑損耗與衰落，因此為同一個(gè)多播組內(nèi)的所有用戶提供一致的業(yè)務(wù)質(zhì)量是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。在3GPP(The Third Generation Partnership Project)的增強(qiáng)型多媒體廣播多播業(yè)務(wù)eMBMS(Enhanced Multimedia Broadcast Multicast Service)標(biāo)準(zhǔn)中，基于LTE中自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)(AMC)，通過(guò)提供多播組內(nèi)所有用戶能滿足的最低速率來(lái)完成多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)送。因此，多播組內(nèi)信道條件最差的用戶成了吞吐量的瓶頸，尤其是在大部分用戶均有較好信道條件，而小部分用戶遠(yuǎn)離基站或者處于深衰落情況時(shí)，基站將以低速率發(fā)送業(yè)務(wù)來(lái)滿足信道用戶的QoS需求，資源利用率將嚴(yán)重降低。

所謂協(xié)作多播便是利用多播組內(nèi)成功解碼多播信息的用戶，作為中繼轉(zhuǎn)發(fā)多播業(yè)務(wù)至其他組內(nèi)用戶。與點(diǎn)到點(diǎn)的協(xié)作通信技術(shù)將信息發(fā)送分為兩跳一樣，協(xié)作多播傳輸也將多播分為2個(gè)階段:第一階段(Phase I)源節(jié)點(diǎn)(如基站)發(fā)送多播信息，第二階段(Phase II)被選擇出的中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)多播信息。以蜂窩網(wǎng)為例，如圖2所示，協(xié)作多播簡(jiǎn)要流程如下:

①測(cè)量多播組內(nèi)所有用戶的信道質(zhì)量CSI，即信道估計(jì)過(guò)程;

②基站確定覆蓋率C，即根據(jù)所有用戶的CSI選擇適當(dāng)?shù)陌l(fā)送速率R1和功率P1，使得多播組內(nèi)的C×100%用戶在第一階段能成功解碼接收到業(yè)務(wù);

③通過(guò)某種協(xié)作中繼選擇策略，在所有第一階段成功收到業(yè)務(wù)的用戶(稱為成功用戶Us，圖2中的淺色終端)中選擇出一個(gè)或多個(gè)用戶作為協(xié)作中繼Ur;

④多播第二階段，協(xié)作中繼Ur以特定的速率R2和功率P2發(fā)送多播業(yè)務(wù);

⑤第一階段未成功解碼接收多播業(yè)務(wù)的用戶(稱為失敗用戶Uf，圖2中的深色終端)將2個(gè)階段接收到的信息以特定方式合并，解碼解調(diào)獲得源信息。

其中發(fā)送速率需滿足:R1·T1=R2·T2，協(xié)作多播消耗總功率為PbsT1+E(m)PueT2，其中T1、T2為分配給多播2個(gè)階段的時(shí)間，Pbs與Pue為基站與協(xié)作中繼的發(fā)射功率，E(m)為協(xié)作中繼數(shù)量，各值的物理意義如圖3所示。

圖2 蜂窩網(wǎng)協(xié)作多播示意圖一

圖3 蜂窩網(wǎng)協(xié)作多播示意圖二

通過(guò)協(xié)作，可以很好地解決多播吞吐量的瓶頸問(wèn)題。它將原來(lái)的單跳通信轉(zhuǎn)化為兩跳，單跳通信時(shí)與基站間鏈路質(zhì)量差的用戶通過(guò)協(xié)作可以獲得較好的鏈路質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)吞吐量的提升。

2 協(xié)作多播技術(shù)研究現(xiàn)狀

通常，評(píng)估某個(gè)多播業(yè)務(wù)的性能指標(biāo)包括:公平性、吞吐量和可靠性。協(xié)作多播的研究目的是在不增加頻譜資源消耗且保證公平性的前提下，提高系統(tǒng)吞吐量;或者在不增加頻譜資源消耗與不降低系統(tǒng)吞吐量的前提下，減少系統(tǒng)的消耗功率。基于這兩種目的，研究者們從以下幾個(gè)方面對(duì)協(xié)作多播展開(kāi)研究。

2.1 協(xié)作方式

由于在協(xié)作多播傳輸中，只考慮多播組內(nèi)的用戶間相互協(xié)作，因此在協(xié)作方式的選擇上只考慮解碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)與編碼協(xié)作(CC)2種方式。

2．1．1 編碼協(xié)作

2006年，Aitor del Coso和 Osvaldo Simeone首次提出了空時(shí)編碼協(xié)作多播協(xié)議(Space-Time coded cooperative multicasting Protocol)，即將協(xié)作通信中的空時(shí)編碼協(xié)作擴(kuò)展至多播傳輸中［1］。根據(jù)協(xié)議，第一階段源節(jié)點(diǎn)將信息發(fā)送至信道條件較好的多個(gè)用戶;第二階段這多個(gè)用戶以分布式空時(shí)編碼(DSTC)的方式將已接收的信息重新編碼，聯(lián)合發(fā)送至其他用戶。Aitor和Osvaldo詳細(xì)分析了在有限覆蓋范圍網(wǎng)絡(luò)下，這種二階段空時(shí)編碼協(xié)作多播協(xié)議的性能，并將其與非協(xié)作多播進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，隨著用戶數(shù)量的增加，空時(shí)編碼協(xié)作多播協(xié)議的系統(tǒng)中斷容量(Outage Capacity)逐漸上升，而非協(xié)作多播系統(tǒng)中斷容量逐漸下降;隨著發(fā)送信噪比的提高，不論是否協(xié)作，其系統(tǒng)中斷容量均提升;協(xié)作多播系統(tǒng)中斷容量只在低發(fā)送信噪比區(qū)(＜15 dB)優(yōu)于非協(xié)作系統(tǒng)，這是由于空時(shí)編碼協(xié)作是基于解碼轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的，而解碼轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制在高信噪比時(shí)效率較低。

2．1．2 解碼轉(zhuǎn)發(fā)

2009年，F(xiàn)en Hou和 Lin X．Cai中提出 IEEE 802.16網(wǎng)絡(luò)下多媒體業(yè)務(wù)的協(xié)作多播調(diào)度機(jī)制［2］，該機(jī)制利用多播組間的多信道分集與多播組內(nèi)的用戶協(xié)作，使得系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)非協(xié)作802.16網(wǎng)絡(luò)獲得了更高的吞吐量;其次，通過(guò)考慮多播組間的歸一化相對(duì)信道條件并以此來(lái)調(diào)度多播組，獲得了較好的公平性。

文獻(xiàn)［2］首次提出了商用蜂窩網(wǎng)絡(luò)下的多媒體業(yè)務(wù)協(xié)作多播策略，給出對(duì)所研究協(xié)作多播機(jī)制的分析模型，并研究了為使網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大化該如何設(shè)置協(xié)議關(guān)鍵參數(shù)。結(jié)果表明，通過(guò)協(xié)作，不論是多播組的吞吐量，還是用戶吞吐量都較傳統(tǒng)多播機(jī)制有多于一倍的提升，且通過(guò)考慮多播組間的歸一化相對(duì)信道條件的組間調(diào)度，不僅能提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量，還能保證組間的公平性。

除了吞吐量與公平性，功率消耗也是一個(gè)非常重要的性能關(guān)注點(diǎn)。文獻(xiàn)［2］仿真結(jié)果表明當(dāng)多播組內(nèi)用戶小于15時(shí)，協(xié)作多播的功率消耗要小于非協(xié)作情況;隨著多播組成員的增加，第二階段參與協(xié)作的用戶增多，這導(dǎo)致了功率消耗逐漸增加，而非協(xié)作多播由于始終只有基站在發(fā)射信號(hào)，功率消耗不變。當(dāng)多播組成員達(dá)40個(gè)時(shí)，功率消耗是非協(xié)作的1.7倍，而吞吐量的提升達(dá)到了10倍。

2．2 低功耗協(xié)作多播與協(xié)作中繼選擇

如果不限制在多播第二階段參與協(xié)作的用戶數(shù)，或者不對(duì)其進(jìn)行功率控制，那么系統(tǒng)的功率消耗相較于傳統(tǒng)非協(xié)作情況會(huì)有一定的提升。雖然增加的功耗能帶來(lái)吞吐量的提高，但是研究者們?nèi)韵朐诒ＷC吞吐量的前提下盡量減少不必要的功率消耗，于是提出了多種低功耗協(xié)作多播(Energy Efficient Cooperative Multicast，EECM)策略，這些策略里均包含了對(duì)協(xié)作中繼的選擇，并在此基礎(chǔ)上對(duì)每個(gè)協(xié)作用戶進(jìn)行功率控制。

文獻(xiàn)［3］在文獻(xiàn)［2］的基礎(chǔ)上提出了3種協(xié)作中繼選擇策略，以減少協(xié)作多播的功率消耗:

① 最近鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)協(xié)議(Nearest-Neighbor Discovery Protocol，NNP)。該協(xié)議假設(shè)基站知道所有用戶的地理位置，在Phase I結(jié)束后，選擇距離失敗用戶最近的成功用戶作為協(xié)作中繼。系統(tǒng)根據(jù)用戶的移動(dòng)頻率周期性地執(zhí)行NNP協(xié)議。該協(xié)議相較于文獻(xiàn)［2］的所有成功用戶參與協(xié)作策略，減少了協(xié)作中繼的數(shù)量，降低系統(tǒng)功耗。

②傳輸半徑協(xié)作中繼選擇算法(Transmission Radius RA Selection Algorithm)。該算法選擇傳輸半徑內(nèi)具有最多失敗用戶的成功用戶作為協(xié)作中繼。相較于NNP協(xié)議，進(jìn)一步減少了協(xié)作中繼的數(shù)量，避免了每一個(gè)失敗用戶均有一個(gè)協(xié)作中繼的極端情況。

③基于用戶間鏈路CSI的協(xié)作中繼選擇算法(SS-SS Inter-link CSI RA Selection Algorithm)。該算法統(tǒng)計(jì)所有成功用戶與失敗用戶之間的實(shí)時(shí)信道狀態(tài)信息并將其反饋給基站，基站根據(jù)這些信道狀態(tài)信息選擇傳輸范圍內(nèi)有最多失敗用戶的成功用戶作為協(xié)作中繼。

仿真結(jié)果表明，所提出的3種協(xié)作中繼選擇策略相較于文獻(xiàn)［2］能有效地減少系統(tǒng)的功率消耗，但可靠性有所下降，隨著多播組內(nèi)用戶數(shù)增加，可靠性逐漸趨于一致。

文獻(xiàn)［4］提出了一種功率受限的低功耗協(xié)作多播策略，該策略含3個(gè)步驟:① 根據(jù)用戶的長(zhǎng)期信道條件確定協(xié)作多播兩階段的發(fā)送速率;②根據(jù)受限的功率消耗確定第二階段的協(xié)作中繼數(shù)量;③根據(jù)最小信噪比(Minimum-SNR)準(zhǔn)則從成功用戶中選擇中繼。功率受限:PbsT1+E(m)PueT2=?PT，其中?P表示可分配給協(xié)作多播的總功率，?為功率控制因子;最小信噪比準(zhǔn)則:在成功用戶中選擇SNR最小的用戶作為協(xié)作中繼。該準(zhǔn)則基于這樣一個(gè)事實(shí)，即SNR越小的成功用戶距離失敗用戶越近，在第二階段可以較低的功率實(shí)現(xiàn)中繼。

文獻(xiàn)［5］提出了一種分布式協(xié)作多播機(jī)制，它與文獻(xiàn)［4］采用了一樣的功率限制方式，不同的是沒(méi)有對(duì)協(xié)作中繼進(jìn)行選擇，而是所有成功用戶參與協(xié)作。文獻(xiàn)［5］對(duì)分布式協(xié)作多播做了透徹的性能分析，給出了平均中斷率的閉式解與估計(jì)值，同時(shí)還分析了最優(yōu)的功率分配，分析得將總功率的一般分配給源節(jié)點(diǎn)可最小化平均中斷率;通過(guò)分析與仿真，結(jié)果表明協(xié)作多播可達(dá)到的分集階數(shù)為2，用戶分集可減小中斷率，尤其是在高信噪比區(qū)。

文獻(xiàn)［6］提出了一種最優(yōu)中繼解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作多播機(jī)制，第一次分析了在選擇出最優(yōu)中繼情況下協(xié)作多播系統(tǒng)的精確中斷率，單端對(duì)端目標(biāo)速率為R時(shí)，中斷率的表達(dá)式為:

式中，z=22R－1，K為候選中繼數(shù)量，N為目的節(jié)點(diǎn)數(shù)，βSD、βSR和 βRD分別為源 － 目的、源 － 中繼、中繼－目的三信道的信道系數(shù)。由于多播容量取決于系統(tǒng)中最弱的那條鏈路，因此最優(yōu)中繼選擇策略為選擇能使端到端最小容量取得最大值的中繼。最后分析還得出，最優(yōu)中繼選擇策略可達(dá)到的分集階數(shù)為K+1。

文獻(xiàn)［7］提出一種基于選擇性中繼的低功耗協(xié)作多播機(jī)制，該機(jī)制通過(guò)在多播第一與第二階段間插入標(biāo)記幀(Beacon Frame)的方法來(lái)選擇中繼。標(biāo)記幀又被分為2階段，Stage I與Stage II，基站在Stage I廣播標(biāo)記幀來(lái)搜索失敗用戶;Stage II失敗用戶廣播標(biāo)記幀。在多播第二階段，接收到失敗用戶廣播的標(biāo)記幀的成功用戶參與協(xié)作。仿真結(jié)果表明該協(xié)作多播機(jī)制能在保證系統(tǒng)吞吐量的前提下節(jié)省不必要的功率消耗。

2．3 多階段協(xié)作多播

文獻(xiàn)［8］提出了一種多階段協(xié)作多播機(jī)制，所謂多階段是指在協(xié)作中繼階段各中繼輪流發(fā)送信號(hào)，假設(shè)有m個(gè)用戶參與協(xié)作，則協(xié)作多播傳輸過(guò)程被分為了m+1個(gè)階段，第一階段發(fā)送時(shí)間為(1 －?)T，后m個(gè)階段每階段發(fā)送時(shí)間為?T/m。文獻(xiàn)［7］研究了這種多階段協(xié)作多播機(jī)制下的中繼數(shù)量選擇與最優(yōu)時(shí)間分配問(wèn)題，并提出了一種快速時(shí)間分配算法。研究發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)(最大化吞吐量)的中繼數(shù)量m是一個(gè)單純的門限值，網(wǎng)絡(luò)從成功用戶中隨機(jī)選擇出m個(gè)用戶作為協(xié)作中繼。多階段協(xié)作多播機(jī)制同樣能提升多播系統(tǒng)性能。

2．4 其他協(xié)作多播策略

文獻(xiàn)［9］提出了一種基于終端電量感知的協(xié)作多播機(jī)制，其在選擇協(xié)作中繼時(shí)將終端電量作為優(yōu)先考慮的因素。其主要步驟為:①多播第一階段結(jié)束后收集所有成功用戶的電量信息，計(jì)算平均值;②提出電量低于平均值的用戶，不作為候選中繼;③在剩余的成功用戶里應(yīng)用文獻(xiàn)［3］提出的3種中繼選擇策略。基于終端電量感知的機(jī)制可有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，避免了終端作為協(xié)作中繼而電量過(guò)快耗盡的情況，利于多媒體業(yè)務(wù)的可靠傳輸。

3 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)多媒體廣播多播技術(shù)的應(yīng)用逐漸增多，3GPP也正著力于擴(kuò)展eMBMS的應(yīng)用，基于eMBMS的TD-LTE公網(wǎng)集群通信系統(tǒng)正處于R12的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程中［10］。雖然國(guó)內(nèi)外研究者們的廣泛研究都證明了協(xié)作多播可有效地提升系統(tǒng)性能，解決傳統(tǒng)多播吞吐量的瓶頸問(wèn)題，但協(xié)作多播技術(shù)的不完善使得其目前無(wú)法走向商用。

當(dāng)前協(xié)作多播技術(shù)的研究不足之處有許多，例如基于用戶位置的中繼選擇策略精確度差，距離相近的用戶間信道條件不一定就好，這降低了傳輸?shù)目煽啃?而文獻(xiàn)［6］的最優(yōu)中繼選擇策略雖然是基于容量最大化準(zhǔn)則，但其并未考慮一個(gè)中繼為分散的兩個(gè)區(qū)域同時(shí)協(xié)作的場(chǎng)景。在協(xié)作多播傳輸中，降低系統(tǒng)總功耗與提高吞吐量是永恒的追求，此外保證數(shù)據(jù)的安全性也是協(xié)作多播技術(shù)需要解決的重要問(wèn)題。

［1］ DEL C A，SIMEONE O，BAR-NESS Y，et al．Outage Capacity of Two-phase Space-time Coded Cooperative Multicasting［C］∥Signals，Systems and Computers，2006：666 －670．

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