0 引言

    在無線蜂窩網絡中，組播流量占總流量的很大一部分。在現有的可靠多播方案中，BS重復發送相同的數據包，直到它被所有接收者接收，導致基站(Base station，BS)承擔較大的組播業務負載和節點端大量的接收能耗。

    無線蜂窩網中的設備到設備(Device-to-Device，D2D)通信技術能有效減輕BS負載，近幾年受到了極大重視^[1-2]。在無線蜂窩網中使用D2D通信有很多的優勢^[3]，例如，利用鄰近節點之間的直接通信，可以減輕基站的網絡負載；通過中繼實現節點和基站之間的兩跳路由，能夠增強用戶在小區邊緣和惡劣蜂窩鏈路條件下的服務質量。

    目前已開展一些基于D2D通信的高效多播方案設計的研究。從多播用戶的物理位置分布角度，多播場景主要有以下兩類：(1)從BS多播數據到散布在整個蜂窩小區的用戶；(2)從BS多播數據到某個小區域（如一幢辦公樓）內多個用戶，這些用戶兩兩鄰近，組成一個D2D多播簇。在一個蜂窩小區中的多播用戶往往會形成多個D2D多播簇^[4]，因此有必要研究一種高效的面向D2D多播簇的多播方案，既可單獨用于多播數據到D2D的多播簇，也可嵌入到用戶分布在整個小區的多播方案中。

    關于從BS多播數據到某個小區域內多個用戶，ZHANG Q等人^[5]提出，當BS多播完一組數據包后，隨機挑出一定數目的節點作為轉發節點，轉發節點首先確定哪些包沒被正確接收（稱為丟失包），然后按順序輪流轉發丟失包，直到所有節點正確收到。但是，可能選中D2D鏈路質量較差的中繼節點，無法保證100%包接收率。ZHOU B等人^[6]提出了基于子簇劃分的轉發方案，最小化時間-頻率兩個維度總資源開銷方案。利用子簇劃分算法來將每一個未正確接收到包的節點（稱為NACK節點）依附到無線鏈路質量較好的可正確接收到包的節點（稱為ACK節點），然后由每個ACK節點以讓其所依附的所有NACK節點正確接收的最高的速率來在子簇內廣播數據包。但一方面，多個子簇并行轉發同一個數據包，造成較大的發送能耗；另一方面，香農公式表示的信道傳輸速率僅提供理論上的極限速率，而不具有實際可操作性，實際中反應信道真實吞吐量的指標是誤比特率（也就是丟包率）。

    本文研究BS到某個小區域內多個節點(即D2D多播簇)的基于D2D通信的高效數據多播，提出了兩種基于鏈路丟包率方案：中繼節點固定的多播(Fixed-Relay based Multicast，FR-M)方案和中繼節點動態選取的多播(Dynamic-Relay based Multicast，DR-M)方案。并以最小化所有接收節點的總能耗為目標，優化中繼節點及其發送功率的選取。

1 系統模型

2 基于D2D通信的多播方案

2.1 FR-M方案

    假設一組以M個數據包的數據，在一個多播周期內無線鏈路的通信質量近似不變，來進行多播發送。挑一個固定節點i來執行數據包的D2D中繼。具體如圖1所示，組內的每一個數據包的多播包含兩個階段：

    (1)BS先反復向多播簇內的中繼節點i發送數據包，直到節點i正確接收到數據包。

    (2)中繼節點i反復在多播簇內廣播，直到多播簇內所有其他節點都正確接收。

    在多播簇內挑選哪個節點作為中繼節點以及中繼節點發送功率的多少，決定了BS到中繼節點的鏈路質量、D2D鏈路質量及轉發的發送能耗，最終決定了整個多播簇的接收總能耗。不同的中繼節點和不同的發送功率會導致不同的總能耗。

2.2 DR-M方案

    本方案工作方式如下:對于每個數據包發送，會挑一個節點nR來執行數據包的D2D中繼。具體如圖2所示，每一個數據包的多播包含兩個階段：

    (1)BS首先重復向簇內所有節點廣播數據包，直到至少有一個節點正確接收到，稱正確接收到的節點為ACK節點，而稱其他節點為NACK節點。

    (2)從ACK節點中選出一個節點i作為D2D多播發送者，反復廣播給NACK節點，直到所有NACK節點都正確接收到。

    在第一階段結束后，中繼節點與NACK節點間的包接收成功率取決于中繼節點的選取和中繼節點的發射功率；中繼節點的發送功率越高，雖然D2D鏈路包接收成功率越高，但發送一個數據包所需要發送能耗也越高。由不同的ACK節點i來擔任中繼節點和中繼節點以不同的發送功率來廣播數據包，整個多播簇的總能耗是不相同的。

3 FR-M方案的中繼節點及發送功率選取

    定義集合I={1，2，…，K}為D2D多播簇節點序號集合。

3.1 包接收率

    節點i作為轉發節點來進行數據包發送， BS反復發送數據包直到節點i正確接收，因此對于當前這一組數據包，節點i的包平均接收次數為：

    選用平均總能耗最小的節點作為中繼，最優檔功率作為功率：

    此時i就是最好的中繼節點序號，k就是對應最好中繼下的最好發送功率檔。

4 DR-M方案中繼節點及發送功率選取

    用S表示第一階段結束(即基站發送結束)后NACK節點的序號集合，用F表示第一階段結束(即基站發送結束)后ACK節點的序號集合。顯然，S∪F={1，2，…，K}。

4.1 包接收率

4.3 多播簇內接收總能耗最小化

    當中繼節點i以k檔功率發送數據包時，NACK節點集合的平均接受總能耗為：

    此時i就是最好的中繼節點序號，k就是對應最好中繼下的最好發送功率檔。

5 性能評估

    以BS到K個用戶的包接收成功率(Packet Delivery Ratio，PDR)是在[P_BU，0.7]范圍內的隨機值來仿真，中繼節點到其余節點的包接收成功率是在[P_min，0.99]范圍內的隨機值，P_min與中繼節點的發送功率相關，節點有3檔發送功率P₁、P₂和P₃，對應的P_min分別為0.7、0.8和0.9。圖3為3種方案不同節點數目時的平均包傳遞總能耗，P₁=1.0 W，P₂=1.5 W，P₃=2.0 W，每個數據點都是1 000組數據的平均結果，每組數據包含10個數據包的發送，且每組數據包的多播所對應的鏈路PDR是隨機生成的。

    從圖3可以得到結論：隨著節點數目K增大，3個方案的平均包傳遞總能耗(Average Total Energy Consumption per Packet Delivery，ATECPD)越來越高。采用傳統的方案， ATECPD正比于K，ATECPD隨著K的增大而增大。采用DR-M方案，當K增大時，節點在第一階段接收數據包的總能耗會增加。K越大導致簇內NACK節點數目越大，第二階段中繼的平均重發次數也會增加，中繼節點的包平均轉發次數和NACK節點的包接收總次數都增大。因此K增大會使DR-M的第一階段的收能耗和第二階段的收發能耗都增加。對于FR-M方案，總能耗的增加來自于第二階段中繼的平均重發次數的增多及其他節點的包接收總次數增大，中繼的發送能耗增加及節點接收數據包的總接收能耗增加。

    其次，FR-M和DR-M都優于傳統方案。雖然這兩個方案中的中繼節點會消耗少量的發送能耗(平均包轉發次數較接近1)，但利用D2D鏈路來重傳相比于使用蜂窩鏈路來重傳具有更高的PDR、更小的包接收總次數、更低的總接收能耗。FR-M總是優于DR-M。FR-M中第一階段只有一個節點從基站那接收數據，其他所有節點都是通過D2D鏈路來接收包，具有相對較小的包接收次數。DR-M中，第一階段所有節點都接收BS發送的包，會有相對較多的節點消耗了能量卻沒正確接收到包。

    圖4給出了3種方案在不同蜂窩鏈路包接收率下限值P_BU時的ATECPD，P₁=1.0，P₂=1.5，P₃=2.0。可以看出，FR-M和DR-M都優于傳統方案。隨著PBU的不斷增大，DR-M的性能不斷變優。當PDR逐漸變大，越來越多的節點在基站發送一次數據包后正確收到數據，NACK節點越來越少。隨著NACK節點數目的減少，第二階段被選為中繼的那個節點的平均發送次數也會減少，第二階段的收發總能耗也降低。對于FR-M，隨著PDR增加，被選為中繼的那個節點的期望接收次數會有降低，但降低量很微小，蜂窩鏈路質量的提高對此方案的第二階段沒有任何影響，所以PDR的變化對此方案的影響很小。

    圖5給出了在P₁=1.0，P₂=1.0+ΔP和P₃=1.0+2ΔP下，不同相鄰發送功率差值ΔP下的ATECPD仿真，FR-M和DR-M均優于傳統方案， FR-M優于DR-M。FR-M在ΔP較小時比ΔP較大時僅具有略微好的性能，因為P₁是相同的，當ΔP=0.5時，被選出的中繼節點大多以P₃發送，增加的不多的發送能耗換來更少的平均重傳次數，使FR-M在第二階段節省了不少能耗；而當ΔP足夠大(如ΔP=1.0)時，使用P₂或P₃發送功率導致發送能耗很大卻沒顯著提高包接收率，因為大多數時候中繼節點仍會選擇功率P₁來發送從而使接收總能耗最小。至于DR-M，當ΔP=0.5時，被選出的中繼節點也大多時候以P₁發送，通常NACK節點數目不多，導致通過增大發功率（如采用P₂=1.0+ΔP）也僅僅換來D2D重傳次數降低，但下降的接收能耗抵不上增加的發送能耗。

    雖然FR-M在性能指標和ATECPD上都優于DR-M，但DR-M能更有效地降低BS的多播流量負載：使用DR-M時，對于每個數據包的多播，BS發送一次后接近100%的概率至少會有一個節點正確接收到，BS的包平均發送次數近似為1。使用FR-M時，對于每個數據包的多播，BS要反復重發直到中繼節點正確接收到，期望的包發送次數為1/p，其中p為BS到中繼節點的蜂窩鏈路PDR。

6 結論

    本文研究基站到某個小區域內多個節點的基于D2D通信的高效數據多播，提出了FR-M方案和DR-M方案，通過中繼節點和最優功率的最優選擇，最小化兩個方案中多播簇內所有節點的總能耗。相比于傳統的基站多播方案，所提的兩種方案都能有效地降低簇內總能耗。FR-M方案比DR-M方案具有更低的平均包傳遞總能耗，但DR-M方案能更有效地降低BS的多播流量負載。

參考文獻

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作者信息:

徐曉瑤1，湯澤鋒2，池凱凱2

(1.中國電子科技集團公司第三十六研究所，浙江 嘉興314033；

2.浙江工業大學 計算機科學與技術學院，浙江 杭州310023)