面向蜂窝网络的D2D多播通信的分簇和中继选择方法_李旭杰.pdf

面向蜂窝网络的D2D多播通信的分簇和中继选择方法李旭杰*刘春燕孙颖(河海大学计算机与信息学院南京210098)(中国科学院上海微系统与信息技术研究所无线传感网与通信重点实验室上海200050)(南通河海大学海洋与近海工程研究院南通226300)(江苏开放大学信息工程学院南京210017)摘要：传统蜂窝网络中，信道衰减的随机性和不确定性导致小区边缘用户的接收性能很差，尤其是面向视频传输等速率要求较高时其弊端更加凸显。D2D通信因其配置灵活性可作为传统蜂窝网络架构的有利补充，能有效改善边缘用户的性能。该文针对D2D通信的多播传输，分析了系统最小时延成本下的中继数量和分簇算法，提出一种基于分簇和中继选择的低时延D2D多播方案。该方案可以自适应选择多播重传中的中继的数量和中继节点到基站的距离，同时给出最优的带宽资源分配机制。仿真结果表明，与其他方案相比，所提方法能有效减少系统时延，提高边缘用户体验和系统性能。关键词：D2D通信；多播；分簇中图分类号：TN929.5文献标识码：A文章编号：1009-5896(2023)02-0488-09DOI:10.11999/JEIT211565Clustering and Relay Selection Method for Cellular Network-orientedD2D Multicast CommunicationLIXujieLIUChunyanSUNYing(College of Computer and Information,Hohai University,Nanjing 210098,China)(Key Laboratory for Wireless Sensor Network and Communication,Shanghai Institute of Microsystem andInformation Technology,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050,China)(Institute of Ocean and Offshore Engineering,Hohai University(Nantong),Nantong 226300,China)(School of Information Engineering,Jiangsu Open University,Nanjing 210017,China)Abstract:Intraditionalcellularnetworks,therandomnessanduncertaintyofchannelattenuationleadtopoorreceptionperformanceforcell-edgeusers,especiallyforvideotransmissionandotherhigh-speedrequirements,itsdrawbacksaremoreprominent.D2D(Device-to-Device)communicationcanbeusedasabeneficialsupplementtothetraditionalcellularnetworkarchitecturebecauseofitsconfigurationflexibility,andtheperformanceofedgeuserscanbeimprovedeffectively.AimingatthemulticasttransmissionofD2Dcommunication,thenumberofrelaysandtheclusteringalgorithmareanalyzedundertheminimumdelaycostofthesystem,andalow-latencyD2Dmulticastschemeisproposedbasedonclusteringandrelayselection.Thisschemecanadaptivelyselectthenumberofrelaysinthemulticastretransmissionandthedistancefromtheclustercentertothebasestation,andatthesametime,itprovidesanoptimalbandwidthresourceallocationmechanism.Thesimulationresultsshowthatcomparedwithotherschemes,theproposedstrategycaneffectivelyreducethesystemdelayandimprovetheedgeuserexperienceandsystemperformance.Key words:Device-to-Device(D2D);Multicastcommunication;Clustering收稿日期：2021-12-27；改回日期：2022-02-11；网络出版：2022-03-17*通信作者：李旭杰基金项目：江苏省教育厅未来网络科研基金(FNSRFP-2021-YB-7)，中国科学院无线传感网与通信重点实验室开放课题(20190914)，江苏省水利科技项目(2020028)，南通市科技项目(MS22021042)FoundationItems:TheFutureNetworkScientificResearchFoundationProject(FNSRFP-2021-YB-7),TheOpenResearchFoundationKeyLaboratoryofWirelessSensorNetworkandCommunicationofChineseAcademyofSciences(20190914),TheWaterScienceandTechno-logyProgramofJiangsu(2020028),TheSocialandPeoplesLivelihoodTechnologyinNantongCity(MS22021042)第45卷第2期电子与信息学报Vol.45No.22023年2月JournalofElectronics&InformationTechnologyFeb.20231 引言在传统蜂窝网络中，移动设备之间不允许直接通信，即使发射终端和接收终端距离很近，控制信令和数据也需要通过核心网转接1。D2D(Device-to-Device)通信技术因其灵活性可有效减轻基站的负担、避免拥塞，降低终端设备的发射功率、减小传输时延2。D2D通信技术作为中继时，能大幅增加蜂窝网络的覆盖范围，有效提高系统容量。多播传输可将相同的内容同时发送给多个接收终端，特别适合在校园、应急通信、演出、办公室等场所的数据分发以及车载网和社交网络信息共享3。然而，由于用户间信道状态的差异，用户的传输速率存在很大的差异，这使得多播发送终端，例如基站(BaseStation,BS)等难以适合所有接收终端的速率进行传输数据。大多数情况下，基站会根据最差信道条件的用户来选择多播传输速率，以保证每个接收终端都能够成功接收。因此，当大多数(而不是全部)接收终端处于良好的信道条件下能够进行高速率传输时，一个或极少数信道条件差的接收终端可能成为多播通信的吞吐量等性能的瓶颈4,5。因此，D2D多播技术将传统蜂窝网多播技术与D2D通信相结合，通过D2D链路将信道条件好的接收终端正确接收的多播数据转发送给信道条件相对较差的接收终端，这样，即使少数接收终端可能有非常糟糕的信道条件，BS仍然能以高数据速率进行多播。目前，D2D多播的研究重点在于如何高效地形成特定的多播簇以及如何给每个多播簇选择最佳簇首用户。文献6提出了一种基于改进K-means算法的用户聚类算法，将目标用户之间多个特征的相似度进行量化，定义聚类有效性指数来表示聚类性能，将用户聚类问题建模为求该指数的最大值问题。文献7提出一种基于在线机器学习的方法以最大化系统吞吐量为目标，该方法包括基于无监督学习的快速D2D聚类模块和基于强化学习的智能选择模块。文献8提出基于距离的启发式配对算法，第1步利用拉格朗日松弛法得到用户配对问题的上界解，第2步从第1步的初始结果推导出一个可行的解，并通过搜索剩余未配对的设备不断更新此解，第3步采用交换算法对配对结果进行细化，直到双边能够稳定匹配。文献9提出一种改进的分簇机制，定义了与距离和剩余能量有关的优先级函数，推导出选举门限，从而对簇首的选择方法进行改进。文献10提出一种深度K-means算法，由于K-means的均值不适合高维输入，将其它模型与K-means相结合，主要用于解决深度图像聚类问题。文献11提出一种超密集小区下的无监督学习方法，将用户间干扰映射成用户间的亲和力，利用仿射传播聚类算法(AffinityPropagation,AP)来进行分簇。文献12提出了一种降低干扰增量的用户分簇算法，最小化簇内的干扰和，从而最大化系统和速率，但该算法只能解决将用户分为2的指数倍个簇的情形。文献13通过修改K-means算法，根据点与计算的质心的距离进行迭代聚类，直到得到一个稳定的质心，并选取最接近质心的D2D用户作为该组的D2D的发射终端。综上所述，已有D2D多播方案中，大多未详细考虑D2D转发时分簇、中继节点选择以及带宽资源分配的耦合问题。目前D2D多播的研究重点主要在于如何高效地形成多播簇以及如何给每个多播簇选择最佳簇首用户，虽然已有不少文献提出不同的分簇算法，然而不同的分簇准则对系统的性能、能耗以及小区覆盖范围都有较大的影响。基于此，本文重点研究了蜂窝网络下D2D多播通信时分簇、中继节点选择以及带宽资源分配问题。本文的主要贡献如下：(1)研究了D2D多播的分簇算法，利用圆具有旋转不变形的平面几何图形特征，提出了等角度分簇算法，分析了时延约束条件下小区半径与簇数的关系。(2)提出了簇内传输中自适应带宽的D2D多播方法，其根据簇内节点的状态自适应分配传输带宽，有效提升了传输速率，降低了传输时延。本文的其余部分的结构如下：第2节详细陈述了D2D多播通信的系统模型。第3节提出了基于等角度和自适应带宽分配的D2D通信多播方法。第4节给出了仿真结果和分析。最后，第5节总结本文。2 系统模型和问题规划2.1 系统模型N在蜂窝网下的D2D多播通信系统中，基站向小区内用户发送广播数据包，由于基站到用户节点的信道状况各异，其中具有良好信道条件的节点能够及时并正确地接收到该数据包，其他信道条件差的用户则需要通过D2D通信方式进行转发，链路质量较低的多播接收端集合将由链路质量较高的多播接收端通过D2D模式提供服务，每对D2D包括一个发射终端DUE_T和一个接收终端DUE_R，如图1所示。多播分为两个传输阶段，第1阶段为基站到中继节点的多播传输，第2阶段为中继节点到其它节点的转发。假设小区内用户服从均匀分布，用户总数为，从而可形成多个D2D多播组(D2DMs)，每一个D2DM由一个D2D转发端和多个D2D接收端组第2期李旭杰等：面向蜂窝网络的D2D多播通信的分簇和中继选择方法489SGS+G=NA=R1,R2,.,RSZ=Z1,Z2,.,ZG成。D2D发射用户数记为，D2D接收端用户数记为，有，因此中继节点和D2D接收端用户集合可分别记为：，。D2D通信传输时，各簇采用正交频分复用方式，寻求最佳分簇和中继选择方法以尽可能低的时延来完成多播任务。2.2 问题建模sCBS,Rs在D2D多播通信的第1阶段，基站下行传输阶段的传输速率受限于选取的信道质量最差的中继节点的速率，基站到第 个中继节点的传输速率用可表示为CBS,Rs=Blog2(1+PBSdBS,Rsn0B)(1)PBSdBS,RssRsn0B其中，为基站发射功率，是路径损耗指数，是基站到第 个中继节点的距离，噪声功率谱密度，为信道带宽。S因此，所有 个中继节点完成接收任务的时延可表示为TBS,S