毫米波多跳D2D網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)探測路由的研究

馬 越，陳 萍

(1 信陽廣播電視大學(xué)培訓(xùn)處，河南信陽 464000；2 黃淮學(xué)院信息工程學(xué)院，鄭州 451150)

0 引言

毫米波依靠超高的頻率、速度和容量為5G應(yīng)用提供超強(qiáng)動力，吸引了學(xué)術(shù)和工業(yè)界的關(guān)注。但是，毫米波存在高的衰減問題[1-2]。由于高頻波段信號的快速衰減，天線波束被廣泛應(yīng)用于毫米波通信，既可利用模擬波束形成器，也可利用數(shù)字波束形成器[3]實(shí)現(xiàn)大型的天線陣列。因此，波束訓(xùn)練(beamforming training,BT)技術(shù)廣泛應(yīng)用于毫米波發(fā)射端和接收端的光束對。

設(shè)備間D2D通信是另一個(gè)5G的重要技術(shù)。設(shè)備間通過D2D技術(shù)直接通信，而無需大型基站(marco-base station, BS)轉(zhuǎn)發(fā)[4]。這就解決了在密集網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通信對BS依賴，使D2D技術(shù)在5G廣泛使用。為此，文獻(xiàn)[5]研究了帶入(in-band)和帶外(out-band)的D2D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。相比于in-band，out-band的D2D網(wǎng)絡(luò)內(nèi)鏈路間干擾更少。

將毫米波傳輸與D2D結(jié)合可實(shí)現(xiàn)雙贏[6-9]。一方面，由于高的定向短距離傳輸特點(diǎn)，使毫米波能夠構(gòu)建低干擾、高密度的D2D網(wǎng)絡(luò)；另一方面，由于高傳播損耗、易受到路徑擁塞影響，短距離D2D模式更適應(yīng)于毫米波。文獻(xiàn)[10]研究表明，毫米波信號隨發(fā)/收兩端距離的增加呈指數(shù)減少。因此，短程D2D傳輸更適應(yīng)毫米波。此外，將轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)應(yīng)用于毫米波傳輸可有效克服其有限的覆蓋范圍。毫米波 D2D 轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)能有效解決擁塞區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸問題，擴(kuò)展了毫米波鏈路性能[11-12]?；谵D(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的毫米波網(wǎng)絡(luò)性能受到廣泛研究，研究人員也提出不同的轉(zhuǎn)發(fā)策略[13]。

BT的使用拓展了轉(zhuǎn)發(fā)探測包(relay probing, RP)的應(yīng)用，通過RP，可有效選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，克服毫米波轉(zhuǎn)發(fā)的關(guān)鍵問題。為此，針對毫米波D2D網(wǎng)絡(luò)，提出可靠的多跳轉(zhuǎn)發(fā)探測包策略RMRP?；鞠仁占D(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的μW信號強(qiáng)度，再利用此值估計(jì)鏈路毫米波信噪比大于閾值的概率，最終通過概率選擇最優(yōu)的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而構(gòu)建毫米波D2D路由。仿真結(jié)果表明，提出的RMRP策略有效提升了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

1 系統(tǒng)模型

1.1 多跳D2D網(wǎng)絡(luò)

考慮如圖1所示out-band的毫米波多跳D2D轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其包含了三頻段的設(shè)備，包括LTE,μW和毫米波設(shè)備。這些設(shè)備分布于LTE BS的覆蓋區(qū)域。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

LTE帶寬對源設(shè)備至目的設(shè)備間的多跳傳輸進(jìn)行總體管理，包括D2D資源調(diào)度、多跳路由的構(gòu)建。由于存在擁塞，兩個(gè)毫米波設(shè)備間存在視距(line of sight, LOS)和非視距(non-line of sight, NLOS)路徑。

1.2 鏈路模型

PμW(r)=PμW(t)-47.2-23.2log10(d)-εμW

(1)

式中：PμW(r)為接收端所發(fā)射的功率(dBm);PμW(t)為發(fā)射端所接收到的功率;d為發(fā)射端與接收端間距離;εμW為噪聲變量，其方差為δμW。

對于毫米波鏈路模型，RMRP算法參照文獻(xiàn)[15], 通過貝努里隨機(jī)變量表述LOS擁塞的影響：

(2)

式中：Pg(r),Pg(t)分別表示接收端、發(fā)射端所接收、發(fā)射的毫米波功率;ΛTX(θ)、ΛRX(φ)分別表示發(fā)射端、接收端的波束增益，其中θ、φ分別表示發(fā)射角、到達(dá)角。依據(jù)文獻(xiàn)[15]可得：

(3)

再回到式(2)，式中ηPLOS(d)和χPNLOS(d)是關(guān)于參數(shù)PLOS(d)和PNLOS(d)的兩個(gè)貝努里隨機(jī)變量;PLOS(d),PNLOS(d)分別表示在毫米波路徑出現(xiàn)LOS,NLOS路徑的概率，其定義如式(4)所示。

PLOS(d)=1-PNLOS(D)=e-λd

(4)

而式(2)中的LLOS(d),LNLOS(d)分別表示LOS、NLOS路徑損耗，其定義如式(5)所示[16]。

10log10(Li(d))=βi+10αilog10(d)+εi

(5)

式中：i∈{LOS,NLOS},即表示LOS和NLOS兩種情況；βi為在參考距離d0=5 m處的路徑衰耗;αi為路徑衰耗指數(shù);εi為噪聲變量，其服從零均值和標(biāo)準(zhǔn)方差為δi的分布。

2 問題描述

圖2 毫米波多跳 D2D路由

(6)

依據(jù)文獻(xiàn)[16]，可計(jì)算ψT0→rm→Tk：

(7)

(8)

3 RMRP路由

RMRP路由旨在建立從源節(jié)點(diǎn)至目的節(jié)點(diǎn)的多跳D2D路由。首先，BS觸發(fā)周圍設(shè)備打開μW模塊，使源節(jié)點(diǎn)至目的節(jié)點(diǎn)間交互μW接收信號強(qiáng)度(received signal strength,RSS)測量請求包(RSS-Req)和測量回應(yīng)包(RSS-Res)。然后，再利用這些測量包，估計(jì)路由性能，進(jìn)而選擇最優(yōu)路由，最后，利用所選的路由傳輸毫米波數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 RMRP策略框圖

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

式中：φs表示保留下來的路由空間。

4 性能分析

4.1 仿真環(huán)境

在200 m×200 m范圍內(nèi)均勻地分布20個(gè)用戶。具體的仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

為了更好分析RMRP路由性能，選擇文獻(xiàn)[17]所提出的最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)探測包(optimal relay probing,ORP)策略作為參照，并分析吞吐量、平均探測路由數(shù)和平均能耗，其中平均探測路由數(shù)表示構(gòu)建路由所產(chǎn)生探測路由數(shù)。平均探測路由數(shù)越低，路由性能越差。

4.2 吞吐量

首先，分析擁塞密度λ對吞吐量的影響，其中λ為0,0.002,0.004,0.006,0.008和0.01。并且考慮K=5,6兩種情況。圖4給出RMRP和ORP路由的吞吐量隨λ的變化情況。從圖可知，在K=5,6兩種情況下，RMRP的吞吐量優(yōu)于ORP路由。主要原因在于：RMRP路由最大化了源節(jié)點(diǎn)至目的節(jié)點(diǎn)的頻譜效率,而ORP路由是采用固定路由數(shù)。

圖4 吞吐量

當(dāng)λ=0時(shí)，RMRP路由在K=5,6時(shí)的吞吐量比ORP路由分別提高了49%,62%。而當(dāng)λ=0.01，相比于ORP路由，RMRP路由的吞吐量提高了近300%。

4.3 平均探測路由數(shù)

圖5給出RMRP路由的平均探測路由數(shù)隨擁塞密度的變化情況。相比于ORP，RMRP路由在K=5,6情況下的平均探測路由數(shù)得到有效控制。當(dāng)λ=0.01,K=5時(shí)，RMRP路由的平均探測路由數(shù)約為12，而ORP路由的平均探測路由數(shù)為23.5。此外，當(dāng)λ=0時(shí)，ORP路由與RMRP路由的平均探測路由數(shù)相同。但是當(dāng)λ=0時(shí)，RMRP路由的吞吐量優(yōu)于ORP路由。這主要因?yàn)椋篟MRP路由動態(tài)地選擇路由，而ORP路由采用固定的路由。

圖5 平均探測包數(shù)

4.4 平均能耗

最后，分析ORP和RMRP路由的平均能耗，如圖6所示，路由的平均能耗隨λ的增加而上升。但是，RMRP路由的能耗少于ORP路由，并且隨著λ的增加，能耗下降得越多。當(dāng)K=5，λ=0時(shí)，RMRP路由的能耗比ORP路由下降了約16%，而當(dāng)λ增加至0.01，RMRP路由的能耗比ORP路由的能耗下降了約40%。這歸功于：λ的增加下降了平均探測路由數(shù)。

圖6 平均能耗

5 總結(jié)

針對毫米波多跳路由中的轉(zhuǎn)發(fā)探測包問題進(jìn)行研究，并提出可靠的多跳轉(zhuǎn)發(fā)探測包策略RMRP。RMRP策略先利用節(jié)點(diǎn)間的μW信號強(qiáng)度值，估計(jì)鏈路上出現(xiàn)毫米波信號強(qiáng)度值大于閾值概率，再利用此概率擇優(yōu)選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而構(gòu)建最優(yōu)的多跳路由。仿真結(jié)果表明，提出的RMRP策略提升D2D網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，并控制了節(jié)點(diǎn)的能耗。