0 引言

    在无线蜂窝网络中，组播流量占总流量的很大一部分。在现有的可靠多播方案中，BS重复发送相同的数据包，直到它被所有接收者接收，导致基站(Base station，BS)承担较大的组播业务负载和节点端大量的接收能耗。

    无线蜂窝网中的设备到设备(Device-to-Device，D2D)通信技术能有效减轻BS负载，近几年受到了极大重视^[1-2]。在无线蜂窝网中使用D2D通信有很多的优势^[3]，例如，利用邻近节点之间的直接通信，可以减轻基站的网络负载；通过中继实现节点和基站之间的两跳路由，能够增强用户在小区边缘和恶劣蜂窝链路条件下的服务质量。

    目前已开展一些基于D2D通信的高效多播方案设计的研究。从多播用户的物理位置分布角度，多播场景主要有以下两类：(1)从BS多播数据到散布在整个蜂窝小区的用户；(2)从BS多播数据到某个小区域（如一幢办公楼）内多个用户，这些用户两两邻近，组成一个D2D多播簇。在一个蜂窝小区中的多播用户往往会形成多个D2D多播簇^[4]，因此有必要研究一种高效的面向D2D多播簇的多播方案，既可单独用于多播数据到D2D的多播簇，也可嵌入到用户分布在整个小区的多播方案中。

    关于从BS多播数据到某个小区域内多个用户，ZHANG Q等人^[5]提出，当BS多播完一组数据包后，随机挑出一定数目的节点作为转发节点，转发节点首先确定哪些包没被正确接收（称为丢失包），然后按顺序轮流转发丢失包，直到所有节点正确收到。但是，可能选中D2D链路质量较差的中继节点，无法保证100%包接收率。ZHOU B等人^[6]提出了基于子簇划分的转发方案，最小化时间-频率两个维度总资源开销方案。利用子簇划分算法来将每一个未正确接收到包的节点（称为NACK节点）依附到无线链路质量较好的可正确接收到包的节点（称为ACK节点），然后由每个ACK节点以让其所依附的所有NACK节点正确接收的最高的速率来在子簇内广播数据包。但一方面，多个子簇并行转发同一个数据包，造成较大的发送能耗；另一方面，香农公式表示的信道传输速率仅提供理论上的极限速率，而不具有实际可操作性，实际中反应信道真实吞吐量的指标是误比特率（也就是丢包率）。

    本文研究BS到某个小区域内多个节点(即D2D多播簇)的基于D2D通信的高效数据多播，提出了两种基于链路丢包率方案：中继节点固定的多播(Fixed-Relay based Multicast，FR-M)方案和中继节点动态选取的多播(Dynamic-Relay based Multicast，DR-M)方案。并以最小化所有接收节点的总能耗为目标，优化中继节点及其发送功率的选取。

1 系统模型

2 基于D2D通信的多播方案

2.1 FR-M方案

    假设一组以M个数据包的数据，在一个多播周期内无线链路的通信质量近似不变，来进行多播发送。挑一个固定节点i来执行数据包的D2D中继。具体如图1所示，组内的每一个数据包的多播包含两个阶段：

    (1)BS先反复向多播簇内的中继节点i发送数据包，直到节点i正确接收到数据包。

    (2)中继节点i反复在多播簇内广播，直到多播簇内所有其他节点都正确接收。

    在多播簇内挑选哪个节点作为中继节点以及中继节点发送功率的多少，决定了BS到中继节点的链路质量、D2D链路质量及转发的发送能耗，最终决定了整个多播簇的接收总能耗。不同的中继节点和不同的发送功率会导致不同的总能耗。

2.2 DR-M方案

    本方案工作方式如下:对于每个数据包发送，会挑一个节点nR来执行数据包的D2D中继。具体如图2所示，每一个数据包的多播包含两个阶段：

    (1)BS首先重复向簇内所有节点广播数据包，直到至少有一个节点正确接收到，称正确接收到的节点为ACK节点，而称其他节点为NACK节点。

    (2)从ACK节点中选出一个节点i作为D2D多播发送者，反复广播给NACK节点，直到所有NACK节点都正确接收到。

    在第一阶段结束后，中继节点与NACK节点间的包接收成功率取决于中继节点的选取和中继节点的发射功率；中继节点的发送功率越高，虽然D2D链路包接收成功率越高，但发送一个数据包所需要发送能耗也越高。由不同的ACK节点i来担任中继节点和中继节点以不同的发送功率来广播数据包，整个多播簇的总能耗是不相同的。

3 FR-M方案的中继节点及发送功率选取

    定义集合I={1，2，…，K}为D2D多播簇节点序号集合。

3.1 包接收率

    节点i作为转发节点来进行数据包发送， BS反复发送数据包直到节点i正确接收，因此对于当前这一组数据包，节点i的包平均接收次数为：

    选用平均总能耗最小的节点作为中继，最优档功率作为功率：

    此时i就是最好的中继节点序号，k就是对应最好中继下的最好发送功率档。

4 DR-M方案中继节点及发送功率选取

    用S表示第一阶段结束(即基站发送结束)后NACK节点的序号集合，用F表示第一阶段结束(即基站发送结束)后ACK节点的序号集合。显然，S∪F={1，2，…，K}。

4.1 包接收率

4.3 多播簇内接收总能耗最小化

    当中继节点i以k档功率发送数据包时，NACK节点集合的平均接受总能耗为：

    此时i就是最好的中继节点序号，k就是对应最好中继下的最好发送功率档。

5 性能评估

    以BS到K个用户的包接收成功率(Packet Delivery Ratio，PDR)是在[P_BU，0.7]范围内的随机值来仿真，中继节点到其余节点的包接收成功率是在[P_min，0.99]范围内的随机值，P_min与中继节点的发送功率相关，节点有3档发送功率P₁、P₂和P₃，对应的P_min分别为0.7、0.8和0.9。图3为3种方案不同节点数目时的平均包传递总能耗，P₁=1.0 W，P₂=1.5 W，P₃=2.0 W，每个数据点都是1 000组数据的平均结果，每组数据包含10个数据包的发送，且每组数据包的多播所对应的链路PDR是随机生成的。

    从图3可以得到结论：随着节点数目K增大，3个方案的平均包传递总能耗(Average Total Energy Consumption per Packet Delivery，ATECPD)越来越高。采用传统的方案， ATECPD正比于K，ATECPD随着K的增大而增大。采用DR-M方案，当K增大时，节点在第一阶段接收数据包的总能耗会增加。K越大导致簇内NACK节点数目越大，第二阶段中继的平均重发次数也会增加，中继节点的包平均转发次数和NACK节点的包接收总次数都增大。因此K增大会使DR-M的第一阶段的收能耗和第二阶段的收发能耗都增加。对于FR-M方案，总能耗的增加来自于第二阶段中继的平均重发次数的增多及其他节点的包接收总次数增大，中继的发送能耗增加及节点接收数据包的总接收能耗增加。

    其次，FR-M和DR-M都优于传统方案。虽然这两个方案中的中继节点会消耗少量的发送能耗(平均包转发次数较接近1)，但利用D2D链路来重传相比于使用蜂窝链路来重传具有更高的PDR、更小的包接收总次数、更低的总接收能耗。FR-M总是优于DR-M。FR-M中第一阶段只有一个节点从基站那接收数据，其他所有节点都是通过D2D链路来接收包，具有相对较小的包接收次数。DR-M中，第一阶段所有节点都接收BS发送的包，会有相对较多的节点消耗了能量却没正确接收到包。

    图4给出了3种方案在不同蜂窝链路包接收率下限值P_BU时的ATECPD，P₁=1.0，P₂=1.5，P₃=2.0。可以看出，FR-M和DR-M都优于传统方案。随着PBU的不断增大，DR-M的性能不断变优。当PDR逐渐变大，越来越多的节点在基站发送一次数据包后正确收到数据，NACK节点越来越少。随着NACK节点数目的减少，第二阶段被选为中继的那个节点的平均发送次数也会减少，第二阶段的收发总能耗也降低。对于FR-M，随着PDR增加，被选为中继的那个节点的期望接收次数会有降低，但降低量很微小，蜂窝链路质量的提高对此方案的第二阶段没有任何影响，所以PDR的变化对此方案的影响很小。

    图5给出了在P₁=1.0，P₂=1.0+ΔP和P₃=1.0+2ΔP下，不同相邻发送功率差值ΔP下的ATECPD仿真，FR-M和DR-M均优于传统方案， FR-M优于DR-M。FR-M在ΔP较小时比ΔP较大时仅具有略微好的性能，因为P₁是相同的，当ΔP=0.5时，被选出的中继节点大多以P₃发送，增加的不多的发送能耗换来更少的平均重传次数，使FR-M在第二阶段节省了不少能耗；而当ΔP足够大(如ΔP=1.0)时，使用P₂或P₃发送功率导致发送能耗很大却没显著提高包接收率，因为大多数时候中继节点仍会选择功率P₁来发送从而使接收总能耗最小。至于DR-M，当ΔP=0.5时，被选出的中继节点也大多时候以P₁发送，通常NACK节点数目不多，导致通过增大发功率（如采用P₂=1.0+ΔP）也仅仅换来D2D重传次数降低，但下降的接收能耗抵不上增加的发送能耗。

    虽然FR-M在性能指标和ATECPD上都优于DR-M，但DR-M能更有效地降低BS的多播流量负载：使用DR-M时，对于每个数据包的多播，BS发送一次后接近100%的概率至少会有一个节点正确接收到，BS的包平均发送次数近似为1。使用FR-M时，对于每个数据包的多播，BS要反复重发直到中继节点正确接收到，期望的包发送次数为1/p，其中p为BS到中继节点的蜂窝链路PDR。

6 结论

    本文研究基站到某个小区域内多个节点的基于D2D通信的高效数据多播，提出了FR-M方案和DR-M方案，通过中继节点和最优功率的最优选择，最小化两个方案中多播簇内所有节点的总能耗。相比于传统的基站多播方案，所提的两种方案都能有效地降低簇内总能耗。FR-M方案比DR-M方案具有更低的平均包传递总能耗，但DR-M方案能更有效地降低BS的多播流量负载。

参考文献

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[6] ZHOU B，HU H，HUANG S Q，et al.Intracluster device-to-device relay algorithm with optimal resource utilization[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2013，62(5)：2315-2326.

作者信息:

徐晓瑶1，汤泽锋2，池凯凯2

(1.中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江 嘉兴314033；

2.浙江工业大学 计算机科学与技术学院，浙江 杭州310023)