CN102340829B - 蜂窝环境下d2d簇内数据共享方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蜂窝环境下D2D簇内数据共享方法，该方法包括以下步骤：步骤一，在D2D簇内重传开始之前，D2D簇内的每个移动设备首先获取属于自己的PEM矩阵；步骤二，计算D2D簇内的每个移动设备的重传增益因子；步骤三，将具有最高的重传增益因子的移动设备设定为D2D簇内重传的发射者；步骤四，发射者在簇内重传需要重传的数据包，并更新每个移动设备的PEM矩阵；步骤五，若更新后的PEM矩阵仍然包含“0”元素，重复步骤一至四，直到D2D簇内所有移动设备的PEM矩阵均为全“1”矩阵。本发明所述方法通过有效的降低D2D簇内重传次数，大大的节省了蜂窝环境下D2D通信的相关信令开销，同时也缩短了系统时延，特别有利于实时多媒体业务的实现。

Description

蜂窝环境下D2D簇内数据共享方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及一种蜂窝环境下D2D簇内数据共享方法。

背景技术

在当前基于基础设施的蜂窝移动通信网络中，基站(BS)作为中心控制节点，是移动设备获得网络服务的唯一接入点。所有的移动设备都只能通过蜂窝系统的上行或下行信道与网络中某个特定的基站进行通信。然而，当多个移动设备彼此接近时，支持移动设备间的直接通信(D2D：device-to-device，设备到设备)会给传统的蜂窝通信带来很多的好处。这些好处包括：更长的设备电池使用时间、更高效的无线资源使用、更大的信号覆盖范围以及更低的系统干扰水平等。近年来，运用D2D通信技术来增强传统的蜂窝网络成了一个极具前景的新概念，受到广泛的重视。在这种运用D2D技术增强的蜂窝网络中，一方面，移动设备间的直接通信可以受益于蜂窝网络的集中式控制结构；另一方面，通过利用高质量D2D链路(从设备到设备的直接链路)，传统蜂窝网络的传输效率可以被大大提高。

D2D直接通信在移动蜂窝环境下有着很多的应用。例如：通过D2D簇内的数据共享，诸如电影文件下载、实时数据流和软件发布等，可以使多媒体业务的数据分发(datadissemination)效率大大提高。类似的思路也被应用于将若干个蜂窝连接合并起来以满足一些特殊的带宽需求的场景中。

上述通过D2D直接通信(即：D2D簇内数据共享)来增强的蜂窝系统中的文件下载方案可以如图1所示。多个已经接入蜂窝网络并且地理位置彼此接近的移动设备构成了一个D2D簇。同一个D2D簇内的多个移动设备可以通过D2D链路进行设备间的直接通信。假设同一个D2D簇内的所有的移动设备都希望从基站下载同一个数据文件(例如：同一首歌或者同一部电影)。在传统的方案中，每个移动设备都需要通过各自的蜂窝下行链路从基站接收完整的该数据文件(假设文件大小为C比特)，如图1所示。而在上述通过D2D簇内数据共享来增强的蜂窝系统中，基站侧的完整数据文件被切分为若干个数据块(假设切分为三个数据块，每块的大小分别为C1，C2和C3；并且C1+C2+C3＝C)，D2D簇内的每个移动设备分别通过各自的蜂窝下行链路接收其中的一个数据块；然后，为了在移动设备侧重新产生完整的数据文件，D2D簇内的每一个移动设备将自己已经成功接收到的数据块转发给簇内其他所有的移动设备，该过程被称为D2D簇内数据共享程序。经过上述一轮D2D簇内数据共享和交换后，完整的数据文件就成功的从蜂窝系统的基站侧被传送到D2D簇内的每一个移动设备侧。很显然，上述的数据传输同时利用了蜂窝链路和D2D直接链路。

D2D直接通信，作为蜂窝通信的补充和增强，与蜂窝通信共存。D2D直接通信和蜂窝通信采用相同的空中接口技术并且都工作在TDD模式下。D2D直接通信占用蜂窝系统运营的频率资源。为了降低干扰，D2D直接通信和蜂窝通信最好分别占据正交的频率资源。

所有的D2D通信都是在蜂窝系统的基站的控制下进行的，基站采用集中式调度。基站的下行单播(unicast)传输和D2D簇内数据共享可以通过时分复用的方式复用在TDD帧中，其中D2D簇内数据共享占据部分上行时隙。蜂窝系统需要通过额外的信令开销来通知移动设备进行发射/接收状态转换。

由于D2D簇内的各个移动设备之间距离较近，因此D2D链路通常质量较高，D2D簇内数据共享通常在基站发射了多个蜂窝下行单播帧后才会进行一次。多个在蜂窝下行链路上成功接收到的数据包会级联成一个更大的D2D数据包，用在D2D簇内数据共享传输。基站根据蜂窝链路质量、D2D链路质量、QoS、设备缓存大小等因素调度D2D簇内数据共享相关的所有行为。由于距离较近，D2D簇内数据共享的传输功率通常认为远远低于蜂窝上行的传输功率。

为了提高传输效率，D2D簇内数据共享采用多播(multicast)和广播(broadcast)协议。

通过D2D簇内数据共享来增强的蜂窝系统中的文件下载方案的信令流程如图2所示。D2D簇内数据共享包括三个阶段。阶段一，D2D簇的建立。该阶段包括D2D伙伴寻找、D2D信道探测等所有D2D簇建立所需的信令交互。阶段二，D2D链路测量和汇报。在该阶段，D2D簇内的移动设备广播导频信号，并在蜂窝系统的控制下向基站汇报D2D链路质量。阶段三，蜂窝下行的数据传输以及D2D簇内数据共享。该阶段为所述方案的核心步骤。在阶段三，D2D簇内移动设备(例如：D1，D2和D3)先在蜂窝下行链路上分别接收不同的切分后数据块(即：C1，C2和C3)，然后在D2D簇内转发。当某一个移动设备具有D2D数据包需要在簇内共享时，蜂窝基站需要为其在D2D簇内的数据多播调度资源。相关的下行信令包括：D2D调度信令许可(D2Dschedulinggrant)和D2D调度信息(D2Dschedulinginformation)。前者用于向簇内的发射者指示资源调度结果和多播的编码调制格式，后者用于向簇内的多个接收者通知调度信息。只有当D2D簇内的所有设备都接收到了上述信令，一次有效的可控的D2D簇内多播以及相应的ACK/NACK反馈过程才能被执行。经过一轮(多次)完整的D2D簇内多播(如图2所示的三次D2D簇内多播)后，一些D2D的数据包在设备间成功的进行了交换，同时，另一些D2D数据包的簇内交换失败了。此时，D2D簇内重传的请求需要上报给基站，然后在基站的调度下，再一轮的D2D的簇内数据多播被执行，直到所有的簇内移动设备都拥有了的完整的数据文件。值得注意的是，每一次的D2D簇内多播和重传都需要基站的调度和蜂窝系统的下行信令。多次的D2D簇内多播或重传会导致太多的信令开销和过长的系统时延。

综上所述，D2D簇内数据共享所需的信令开销与簇内多播或重传的次数成正比。为了有效地降低信令开销，必须采取适当的措施来降低D2D簇内多播或重传的次数。

为了达到D2D簇内数据共享的目的，一轮完整的D2D簇内多播和重传可描述如下(以图3为例)。假设D2D簇包括A、B、C、D四个移动设备，它们依次将各自所拥有的D2D数据包a、b、c、d多播给其余的设备。由于无线信道衰落的影响，在每一次的D2D多播中，只有一部分的设备能够正确接收并反馈ACK信号，其余未能正确接收的设备反馈了NACK信号。假设D2D簇内的设备总数为N(图3中N＝4)，对于每个簇内多播的发射者，从N-1个簇内多播接收者反馈回来的ACK/NACK信号可以构成一个N-1维的矢量(该矢量被定义为PEV：packeterrorvector)，PEV矢量中的“1”表示ACK信号、“0”表示NACK信号。由于每个簇内设备都要依次成为多播的发射者，因此，所有的PEV矢量在一起可以构成一个矩阵(该矩阵被定义为PEM：packeterrormatrix)，PEM矩阵包含当前D2D簇内数据共享的正确接收状态。假如PEM矩阵中没有“0”元素了，这表明对于当前这轮D2D簇内多播所有的数据包都被成功的共享了，不需要进行重传了。否则就需要启动若干次D2D簇内重传，直至PEM矩阵中的所有“0”元素都被“1”元素取代。

在现有的技术方案中，D2D重传可以如图4所示。对于每一次的D2D簇内多播，只要PEV矩阵中包含“0”元素，多播的发射者就必须将相同的数据包在簇内重新多播一次。例如，设备A多播D2D数据包a给设备B、C和D，只有设备C没有能够正确接收并反馈了NACK信号。此时，设备A所得到的PEV矢量则为[1、1、0、1]。由于这次多播没有使所有的接收者都成功接收，因此设备A需要向基站发出D2D簇内重传请求。经过基站的资源调度和通知后，设备A向设备B、C和D重传D2D数据包a，PEM矩阵的第一列随即得到更新。相同的过程依次发生在设备B、C、D的簇内多播中，从而确保了PEM矩阵中的所有含“0”列都依次被更新，直至没有“0”元素。在上述的重传方案中，对于图3给出的PEM矩阵，至少需要4次D2D簇内重传才能保证PEM矩阵中不含“0”元素；这是因为在现有的方案中，每次重传只能更新PEM矩阵的一列。显然，现有方案中的重传次数直接取决于D2D簇的大小。随着D2D簇内设备个数的增多，现有方案的信令开销和系统时延将大大增加，这将会是基站无法承受的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种蜂窝环境下D2D簇内数据共享方法，该方法可以降低簇内重传次数。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种蜂窝环境下D2D簇内数据共享方法包括以下步骤：

步骤一，在D2D簇内重传开始之前，D2D簇内的每个移动设备首先获取属于自己的PEM矩阵；

步骤二，计算D2D簇内的每个移动设备的重传增益因子；

步骤三，将具有最高的重传增益因子的移动设备设定为D2D簇内重传的发射者；

步骤四，发射者在簇内重传需要重传的数据包，并更新每个移动设备的PEM矩阵；

步骤五，若更新后的PEM矩阵仍然包含“0”元素，重复步骤一至四，直到D2D簇内所有移动设备的PEM矩阵均为全“1”矩阵，其中“0”表示发射者接收到的反馈信号为NACK，“1”表示发射者接收到的反馈信号为ACK。

作为本发明的一种优选方案，步骤一中，所述PEM矩阵的获取方式为集中式，详细获取方法为：

1)在每一次D2D簇内多播后，基站监听从多个接收者反馈而来的D2DACK/NACK信号；或者D2D簇内多播的发射者监听从多个接收者反馈而来的D2DACK/NACK信号，然后再转发给基站；

2)经过一轮D2D簇内多播后，基站获得D2D簇内所有移动设备的完整的PEM矩阵。

作为本发明的另一种优选方案，步骤一中，所述PEM矩阵的获取方式为分布式，详细获取方法为：

1)在每一次的D2D簇内多播后，各个接收者在簇内广播自己的D2DACK/NACK信号，然后切换到接收状态，监听除自身之外的其余接收者的D2DACK/NACK信号；

2)经过一轮D2D簇内多播后，每个簇内移动设备均获得一个属于自己的完整的PEM矩阵。

作为本发明的再一种优选方案，步骤二中，所述移动设备的重传增益因子为D2D簇内该移动设备已经成功获得并且至少有一个簇内其他移动设备没有成功获得的D2D数据包的个数。

作为本发明的再一种优选方案，步骤四中，所述需要重传的数据包为同时满足以下2个条件的数据包：

1)发射者已经成功获得的数据包；

2)至少有一个簇内移动设备没有成功获得的数据包。

本发明的有益效果在于：本发明所述方法通过有效的降低D2D簇内重传次数，大大的节省了蜂窝环境下D2D通信的相关信令开销，同时也缩短了系统时延，特别有利于实时多媒体业务的实现。

附图说明

图1为传统方案与D2D增强方案的对比示意图；

图2为通过D2D簇内数据共享来增强的蜂窝系统中的文件下载信令流程图；

图3为传统的D2D簇内PEM矩阵的形成示意图；

图4为传统的D2D簇内多播和重传示意图；

图5为本发明所述的D2D簇内多播和重传示意图；

图6为本发明所述的蜂窝环境下D2D簇内数据共享方法的仿真结果示意图。

具体实施方式

本发明的动机可以归纳如下：如果能够在D2D簇内找到一个最合适的候选者，让它来尽可能多的重传所有需要在簇内重传的D2D数据包，那么D2D簇内数据共享所需要的重传次数就可以被明显的降低。

以图3中的PEM矩阵为例，如果设备B被选为簇内第一次重传的发射者，在重传时多播D2D数据包a、b和d，这样PEM矩阵就可以在一次重传中被更新3列包含“0”元素的列；如果设备C被选为簇内第二次重传的发射者，在重传时多播D2D数据包c，这样PEM矩阵的最后一列包含“0”元素的列也可以被更新了(详见图5)。上述重传方案仅仅通过两次D2D簇内多播就实现了完全的簇内数据共享，而在现有重传方案中，至少需要4次D2D簇内多播才能达到同样的效果。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

实施例一

本实施例提供一种蜂窝环境下D2D簇内数据共享方法，该方法包含以下4个步骤：

1、获取PEM矩阵

在D2D簇内重传开始之前，首先需要产生PEM矩阵。有两种获得PEM矩阵的方式：集中式和分布式。对于集中式，完整的PEM矩阵产生在基站侧；对于分布式，完整的PEM矩阵产生在每个D2D簇内的移动设备侧。获取PEM矩阵的流程描述如下(在这里，D2DACK/NACK特指从D2D簇内多播的多个接收者处反馈而来的ACK/NACK信号)：

集中式：

1)在每一次的D2D簇内多播后，基站监听从多个接收者反馈而来的D2DACK/NACK，或者D2D簇内多播的发射者监听D2DACK/NACK，然后再转发给基站。

2)经过一轮D2D簇内多播后，基站可以获得完整的PEM矩阵。一旦基站决定好了D2D簇内重传的发射者，基站需要通过蜂窝下行信令通知该移动设备。

分布式：

1)在每一次的D2D簇内多播后，各个接收者需要在簇内广播自己的D2DACK/NACK，然后切换到接收状态，监听其他接收者的D2DACK/NACK。

2)经过一轮D2D簇内多播后，每个簇内移动设备都可以拥有完整的PEM矩阵。

2、计算重传增益因子

为了能够找到最合适的簇内重传发射者，需要为D2D簇内的每个移动设备计算“重传增益因子”。在本实施例中，某个移动设备的“重传增益因子”定义为--该移动设备已经成功获得并且至少有一个簇内其他设备没有成功获得的D2D数据包的个数。表1和表2显示出了“重传增益因子”计算的两个例子，该例中D2D簇包含5个移动设备A、B、C、D、E。

表1

表2

3、寻找最合适的重传发射者

拥有最高的“重传增益因子”的移动设备被选为D2D簇内重传的发射者。如果簇内存在多个移动设备都拥有相同的最大的“重传增益因子”，根据预先定义好的“优先级”在这多个设备中进行选择，例如“优先级”可以是D2D簇建立时为每个移动设备分配的临时编号。若PEM矩阵的获取是集中式，重传发射者的选择程序由基站执行。若PEM矩阵的获取是分布式，重传发射者的选择程序由簇内每个设备执行。由于PEM矩阵和“重传增益因子”的计算方法是相同的，所以每个移动设备的分别运行的重传发射者的选择程序会得到完全相同的结果。

D2D簇内重传的数据包为所有的同时满足以下两个条件的数据包：

1)发射者已经成功获得的数据包；

2)至少有一个簇内其他设备没有成功获得的数据包。

为了提高重传效率，簇内重传的发射者可以将所有满足条件的数据包聚合在一起，产生一个更大的D2D数据包一次性在簇内多播。

4、簇内重传并更新PEM矩阵

D2D簇内重传后，如果更新后的PEM矩阵仍然包含“0”元素，返回步骤1，直至PEM矩阵为全“1”矩阵。

为了验证本发明所述的蜂窝环境下D2D簇内数据共享方法的性能，对该方法在不同条件下平均重传次数进行仿真，结果如表3和图6所示。表3比较了三种不同的重传方案在不同的D2D簇大小和D2D链路目标误块率的情况下的平均簇内重传次数。这三种重传方案分别为：传统重传方案，本发明公开的重传方案和最优化的重传方案。其中，最优化重传方案中的重传次数是通过如下表述的穷尽搜索法获得的：如果PEM矩阵中任意一行不包含“0”元素，则重传次数设为1，程序结束；如果PEM矩阵中存在任意两行，它们逐元素相加后得到的“和向量”中不包含“0”元素，则重传次数设为2，程序结束；如果PEM矩阵中存在任意三行，它们逐元素相加后得到的“和向量”中不包含“0”元素，则重传次数设为3，程序结束；...以此类推。该最优重传方案虽然可以得到最少的簇内重传次数，但是计算量太大，无法在实际系统中实现。

表3：平均簇内重传次数的比较

从上述性能仿真结果中，可以得出如下4个结论：

1、本发明公开的方法使以数据共享为目的的D2D簇内重传的次数大大降低。

2、本发明所公开的方法使D2D簇内重传次数降低到与理论最小值非常接近的水平。理论最小值由穷尽搜索法获得。

3、随着D2D簇内移动设备个数的不断增加，传统方案的性能不断恶化，重传次数与簇内设备个数基本为线性关系；而本发明所公开的方法性能稳定，重传次数随着簇内设备个数的增加增长得非常缓慢。

4、相比现有技术，本发明所公开的方法能够更好的支持大D2D簇，而大D2D簇能够提供更多的合作增益和更高的效率。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。

Claims (4)

1.一种蜂窝环境下D2D簇内数据共享方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤一，在D2D簇内重传开始之前，D2D簇内的每个移动设备首先获取属于自己的PEM矩阵；所述每个移动设备作为所述D2D簇内的多播发射者，从所述D2D簇内的多播接收者反馈回来的ACK/NACK信号构成一个PEV矢量；所述D2D簇内的所有移动设备的PEV矢量构成所述PEM矩阵；

步骤二，计算D2D簇内的每个移动设备的重传增益因子；所述移动设备的重传增益因子为D2D簇内该移动设备已经成功获得并且至少有一个簇内其他移动设备没有成功获得的D2D数据包的个数；

步骤三，将具有最高的重传增益因子的移动设备设定为D2D簇内重传的发射者；

步骤四，发射者在簇内重传需要重传的数据包，并更新每个移动设备的PEM矩阵；

步骤五，若更新后的PEM矩阵仍然包含“0”元素，重复步骤一至四，直到D2D簇内所有移动设备的PEM矩阵均为全“1”矩阵，其中“0”表示发射者接收到的反馈信号为NACK，“1”表示发射者接收到的反馈信号为ACK。

2.根据权利要求1所述的蜂窝环境下D2D簇内数据共享方法，其特征在于：步骤一中，所述PEM矩阵的获取方式为集中式，详细获取方法为：

1)在每一次D2D簇内多播后，基站监听从多个接收者反馈而来的D2DACK/NACK信号；

或者D2D簇内多播的发射者监听从多个接收者反馈而来的D2DACK/NACK信号，然后再转发给基站；

2)经过一轮D2D簇内多播后，基站获得D2D簇内所有移动设备的完整的PEM矩阵。

3.根据权利要求1所述的蜂窝环境下D2D簇内数据共享方法，其特征在于：步骤一中，所述PEM矩阵的获取方式为分布式，详细获取方法为：

1)在每一次的D2D簇内多播后，各个接收者在簇内广播自己的D2DACK/NACK信号，然后切换到接收状态，监听除自身之外的其余接收者的D2DACK/NACK信号；

2)经过一轮D2D簇内多播后，每个簇内移动设备均获得一个属于自己的完整的PEM矩阵。

4.根据权利要求1所述的蜂窝环境下D2D簇内数据共享方法，其特征在于：步骤四中，所述需要重传的数据包为同时满足以下2个条件的数据包：

1)发射者已经成功获得的数据包；

2)至少有一个簇内移动设备没有成功获得的数据包。