基于D2D通信模式的移動用戶新型內(nèi)容分發(fā)機(jī)制探究

石 玉，魏勝利

（安陽工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，河南 安陽 455000）

0 引言

日益增長的多媒體業(yè)務(wù)使已處于高負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步加重了負(fù)擔(dān)。如何進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)容量，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，是需要重點(diǎn)解決的問題之一。設(shè)備間直接通信（D2D Communication）作為5G通信中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，通過在基站集中式控制模式中引入分布式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分流，可以有效地進(jìn)一步提升通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。所謂設(shè)備間直接通信，是指位置臨近的終端設(shè)備之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸而無需通過基站轉(zhuǎn)發(fā)的通信方式。D2D(device to device)通信工作在有效頻段上，相比WIFI等其他通信方式可靠可控[1]。

現(xiàn)如今，用戶對于數(shù)據(jù)的消費(fèi)形式逐步由網(wǎng)頁新聞等短幀數(shù)據(jù)形式向視頻、微視頻等大文件數(shù)據(jù)傳輸方式轉(zhuǎn)變。根據(jù)內(nèi)容流行程度著名的冪律分布定律，流行程度排名前20%的內(nèi)容擁有80%的用戶，因此，用戶群獲取內(nèi)容具有一定的重復(fù)性[2]。如果用戶作為本地存儲可以將某些內(nèi)容存儲起來，并通過D2D通信技術(shù)直傳給其他用戶而無需再從基站處請求下載，基站負(fù)荷則會減小。幸運(yùn)的是，隨著移動終端存儲價(jià)格不斷降低，存儲容量不斷擴(kuò)大，使得終端自身存儲內(nèi)容并分享給通信范圍內(nèi)的其他用戶成為可能。若需求用戶可通過相臨近的緩存數(shù)據(jù)用戶直傳數(shù)據(jù)，不再通過基站請求下載，既可降低基站的數(shù)據(jù)傳輸負(fù)荷，也可借助分布式直傳進(jìn)一步提升現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)的容量。

第三代合作伙伴計(jì)劃3GPP組織已在release 13協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中完善了基于應(yīng)用程序發(fā)起的設(shè)備間直接發(fā)現(xiàn)（Discovery）和設(shè)備間直接進(jìn)行通信的具體過程，保證了需求用戶不僅可以發(fā)現(xiàn)地理位置上臨近的其他用戶，還可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)這些用戶是否存儲有需求用戶所需的內(nèi)容[3]。Release13系列標(biāo)準(zhǔn)可以保證用戶處于靜止?fàn)顟B(tài)下實(shí)現(xiàn)設(shè)備間直接進(jìn)行通信。然而，當(dāng)用戶處于移動狀態(tài)時(shí)，若需求用戶移動出發(fā)送數(shù)據(jù)用戶的通信范圍，直接內(nèi)容傳輸中斷，接收數(shù)據(jù)的需求用戶大概率因?yàn)橥ㄐ艜r(shí)間持續(xù)過短而導(dǎo)致數(shù)據(jù)接收不完整，無法達(dá)到數(shù)據(jù)直傳獲取內(nèi)容的效果。

針對以上問題，本文提出了一種基于D2D通信技術(shù)的多對一進(jìn)行數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)膶?shí)施方案，并給出了一種在3GPP協(xié)議支持下兼容現(xiàn)有內(nèi)容分發(fā)機(jī)制的具體實(shí)施過程。該過程可以有效降低用戶處于移動狀態(tài)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸失敗的概率，有效提升系統(tǒng)吞吐量的同時(shí)保證數(shù)據(jù)的完整傳輸。需求用戶首先通過discovery發(fā)現(xiàn)過程找到附近的哪些用戶存儲有自己想要的內(nèi)容。確定存儲有需求內(nèi)容的用戶后，存儲有需求內(nèi)容的用戶根據(jù)自身意愿幫助需求用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。每個存儲有需求內(nèi)容的用戶隨機(jī)選擇內(nèi)容傳輸起始點(diǎn)，在保持通信的時(shí)間內(nèi)向需求用戶傳輸數(shù)據(jù)。需求用戶通過整合各個幫助用戶傳來的數(shù)據(jù)保證接收。若傳輸結(jié)束后數(shù)據(jù)接收仍舊不完整，未接收部分再由基站發(fā)送，從而完全保證數(shù)據(jù)的完整接收。

1 新型內(nèi)容分發(fā)機(jī)制

此前已有部分工作研究了不同形式的內(nèi)容分發(fā)過程。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于簇的內(nèi)容分發(fā)方案，利用D2D多播通信縮短內(nèi)容分發(fā)時(shí)間。文獻(xiàn)[5]通過合理選擇基站傳輸速率和用戶群，優(yōu)化了移動用戶內(nèi)容分發(fā)的系統(tǒng)容量。文獻(xiàn)[6]將用戶社交特性考慮到內(nèi)容分發(fā)過程中，利用社會關(guān)系建立圖網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多文件的分發(fā)。文獻(xiàn)[7]提出了用戶緩存內(nèi)容實(shí)現(xiàn)局部分發(fā)數(shù)據(jù)的方法。以上工作分別從引入D2D通信和用戶緩存數(shù)據(jù)角度提出了網(wǎng)絡(luò)性能提升方法，然而并未考慮用戶移動性。

針對用戶因移動而導(dǎo)致大概率數(shù)據(jù)直傳失敗的問題，本文采取多個用戶同時(shí)幫助一個用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。考慮到現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中只支持單個用戶對單個用戶實(shí)現(xiàn)直接通信，本文提出的新型內(nèi)容分發(fā)機(jī)制將深入具體的基站和用戶間的交互機(jī)制，以及用戶和用戶間的交互機(jī)制，進(jìn)而提出一種兼容可行的多對一新型內(nèi)容分發(fā)機(jī)制，保證傳輸效果。

首先對多用戶對單用戶幫助內(nèi)容分發(fā)的工作場景做簡要介紹，然后分別基于多用戶間發(fā)現(xiàn)過程，通信建立、持續(xù)過程以及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的傳輸設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)論述。

1.1 工作場景

如圖1所示，中心用戶MT1是需求用戶，需要獲取某個內(nèi)容。各個用戶均處于移動狀態(tài)下。當(dāng)前時(shí)刻用戶MT2、MT3、MT4和MT6處在MT1的通信范圍內(nèi)，MT5處在MT1的通信范圍外。因通信范圍的限制，MT5無法接收MT1的信息。MT2、MT3、MT4和MT6雖然都處在需求用戶MT1的通信范圍內(nèi)，但并非所有臨近節(jié)點(diǎn)都存儲有MT1用戶所需的內(nèi)容。（假設(shè)圖示各用戶均存儲有不同的內(nèi)容，但用戶中只有MT2和MT3中存儲有MT1用戶想要的內(nèi)容。）

1.2 多用戶間的互相發(fā)現(xiàn)過程

在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸前，MT1需要知道處在其通信范圍內(nèi)的哪些用戶存儲有自己想要的內(nèi)容，并且可以幫助傳輸。3GPP協(xié)議中已經(jīng)對基于地理位置的發(fā)現(xiàn)過程做了詳細(xì)的定義[8]，即MT1可以通過判斷地理位置是否臨近知道MT2、MT3、MT4和MT6四個用戶的存在。然而，基于此種發(fā)現(xiàn)方式，MT1無法進(jìn)一步知道處在自己通信范圍內(nèi)的哪些用戶含有自己想要的內(nèi)容。值得一提的是，3GPP技術(shù)文檔TS 23.003中定義了一種新的發(fā)現(xiàn)方式——基于應(yīng)用的發(fā)現(xiàn)。這種發(fā)現(xiàn)方式在發(fā)現(xiàn)請求信令消息中增加了ProSe Application ID域[9]，保證了MT1在請求幫助發(fā)現(xiàn)附近的用戶時(shí)，被發(fā)現(xiàn)的用戶既可以處在自己的通信范圍內(nèi)，又存儲有需求用戶需要的內(nèi)容。

圖1 多對一內(nèi)容分發(fā)場景

結(jié)合圖2，新型多用戶間的發(fā)現(xiàn)機(jī)制描述如下。發(fā)現(xiàn)過程由MT1（需求用戶）發(fā)起。MT1首先向ProSe服務(wù)器（e.g.基站）發(fā)送請求信息[10]。若ProSe服務(wù)器包含有該用戶的注冊信息，則直接返回用戶發(fā)現(xiàn)應(yīng)答消息；若ProSe服務(wù)器不包含該用戶的注冊信息，ProSe服務(wù)器則向用戶歸屬服務(wù)器（HSS）發(fā)送身份認(rèn)證查詢，認(rèn)證成功后將該用戶認(rèn)證信息保存后，再向MT1發(fā)送發(fā)現(xiàn)應(yīng)答消息[10]。應(yīng)答信息中包含著ProSe服務(wù)器為其分配的申請碼（ProSe Application Code），以及該申請碼的有效期。

圖2 發(fā)現(xiàn)請求過程

以上過程完成后，MT1成功向ProSe服務(wù)器進(jìn)行了發(fā)現(xiàn)申請，并等待發(fā)現(xiàn)開啟。

與此同時(shí)，其他存儲有各種內(nèi)容的用戶（MT2，MT3，MT4，MT6）根據(jù)自身意愿向ProSe服務(wù)器發(fā)送監(jiān)聽申請。申請過程步驟與第一用戶請求發(fā)現(xiàn)過程類似。不同的是，存儲有內(nèi)容的用戶申請成功后，獲得的是ProSe服務(wù)器為其分配的發(fā)現(xiàn)過濾器（ProSe Application Filter）[11]。該發(fā)現(xiàn)過濾器由ProSe服務(wù)器根據(jù)該用戶存儲的具體內(nèi)容一一對應(yīng)生成。

MT1和其他幫助用戶(MT2、MT3，MT4，MT6)均完成請求過程后，MT1向臨近的用戶廣播ProSe服務(wù)器為其分配的申請碼。其他用戶收到該申請碼后，即會與自身獲得的發(fā)現(xiàn)過濾器進(jìn)行部分或完整比對。若可以通過比對校驗(yàn)，則說明該設(shè)備中存儲有MT1需要的內(nèi)容，成功發(fā)現(xiàn)可以進(jìn)行幫助數(shù)據(jù)直傳目標(biāo)。由于只有MT2和MT3用戶存儲有MT1用戶所需要的內(nèi)容，因此MT2和MT3用戶所獲得的發(fā)現(xiàn)過濾器可以匹配MT1用戶的廣播申請碼。MT4和MT6用戶因存儲內(nèi)容不符而匹配失敗，未被發(fā)現(xiàn)。我們稱MT2和MT3用戶為直傳幫助用戶。

1.3 通信過程

發(fā)現(xiàn)過程完成后，MT1和MT2、MT3成功互相發(fā)現(xiàn)。MT1向MT2、MT3發(fā)送直接通信請求消息。通信雙方進(jìn)行授權(quán)認(rèn)證后，由ProSe服務(wù)器分配用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁Y源，MT2和MT3用戶隨機(jī)選擇起始位置開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 通信建立、持續(xù)過程[12]

1.4 傳輸設(shè)計(jì)

本文中我們提出多個用戶同時(shí)幫助一個用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由于目前技術(shù)只支持一對一直接通信，設(shè)計(jì)需兼容多個直傳幫助用戶并發(fā)向需求用戶傳輸。為保證傳輸完整性，傳輸時(shí)要求每個幫助直傳的用戶分別傳輸內(nèi)容的不同部分。因此，需求用戶需告知每個幫助直傳用戶需傳輸?shù)膬?nèi)容的起始位置和終止位置，并給予不同幫助直傳用戶以不同的身份標(biāo)識。在參考傳輸過程中RRC層及MAC層所做的處理后，本文決定在MAC層幀結(jié)構(gòu)中通過使用預(yù)留標(biāo)識位完成標(biāo)識工作。

3GPP協(xié)議MAC層TS 36.321標(biāo)準(zhǔn)文檔中記錄了MAC層數(shù)據(jù)包各個控制域的詳細(xì)信息。MAC層載荷部分的控制元素和MAC層頭部的各個子頭部一一對應(yīng)。各個子頭部中均有一個LCID域。LCID是一個區(qū)域設(shè)置標(biāo)識符。LCID域的功能如表1所示。

可以看到，LCID控制域中01001-11000位為保留位。因此，可以啟用控制域的保留位作為直傳幫助用戶身份標(biāo)識指示，每個直傳幫助用戶對應(yīng)一組保留位。如MT2采用01111作為身份指示，MT3采用10001作為身份指示。為方便標(biāo)識直傳幫助用戶傳輸內(nèi)容的起始和終止位置，將需求的內(nèi)容整體看作單位“1”，則可將傳輸內(nèi)容起止處以百分比形式表示，通過將起止位置處百分比折合成二進(jìn)制形式表示，放入LCID身份指示對應(yīng)的MAC數(shù)據(jù)域中進(jìn)行傳輸，則可完成數(shù)據(jù)起止位置標(biāo)識。如：MT3需完成需求內(nèi)容50%處至80%處數(shù)據(jù)段的傳輸，則可獲得發(fā)送起始位置標(biāo)識符為00110010，發(fā)送終止位置（80%）標(biāo)識符為01010000。

表1 LCID位指示[13]

數(shù)據(jù)傳輸過程結(jié)束后，MT1發(fā)起通信鏈接拆除請求，鏈接拆除后，通信資源釋放，內(nèi)容分發(fā)過程結(jié)束。

2 結(jié)束語

本文介紹了基于3GPP協(xié)議的多個用戶同時(shí)幫助一個用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?nèi)容分發(fā)方案。該方案解決了處于移動狀態(tài)下的用戶通過D2D通信滿足用戶內(nèi)容需求的問題，有效地降低了蜂窩網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的同時(shí)，保證了需求用戶數(shù)據(jù)接收的完整性。