无线网络终端协作多播技术研究

谢 飞

(重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆400065)

0 引言

金融时报曾报道:在伦敦奥运会期间，利用移动终端来收看NBS与BBC在线比赛视频的用户分别占其线上用户的45%与41%。除了收看电视直播节目外，多媒体广播多播还可用于设备的固件或者操作系统升级、应用升级、网站高点击率视频的推送、动态交通信息提醒、群组会话等多种用途。

多媒体广播多播业务的高需求对网络容量提出了挑战，这就要求网络设计者们不断研究各种新的技术来满足日益增长的容量需求。在众多提高容量的技术途径中，协作通信技术因其能使系统获得可观的性能增益、提供均衡的服务质量的特性，获得了研究者的广泛关注，将协作通信技术应用于多播传输中，成为了一个新的研究方向。

1 终端协作多播技术

1．1 协作通信

协作通信利用网络中的终端帮助转发源节点发送的信息来扩展覆盖范围或者实现分集，提高网络性能。为了完成协作通信，需要解决3个问题:选择合适的协作节点、确定协作时机和选择协作方式。协作节点即为参与协作的中继节点或称为伙伴节点;协作时机指协作节点在什么时候参与协作，分为3类:固定协作、动态选择协作和增量协作;协作方式指中继节点对从源节点处接收到的信息的处理方式，可分为放大转发(Amplify and Forward，AF)、解码转发(Decode and Forward，DF)和编码协作(Code Cooperation，CC)。协作通信系统如图1所示，在系统为源节点S选择协作伙伴R后，源节点S向目的节点D与协作伙伴R发送信息，此为协作通信第一阶段;第二阶段，协作伙伴R将接收到的源节点信号经过一定处理发送至目的节点D，目的节点将两次接收到的信号以特定方式合并后解调解码获得源信息。

图1 协作通信示意图

选择适当的协作节点、协作时机与协作方式能使系统得到较高的性能增益，包括分集增益、复用增益以及路损增益，这些增益可以转化为传输功率的降低、系统容量的提高以及小区覆盖范围的扩大。其次，通过协作还能使系统获得均衡的服务质量，在传统系统中，处于小区边缘和阴影衰落的用户会遇到容量或覆盖问题，而中继可以平衡小区边缘和小区中心的差异，从而为所有用户提供一致的服务质量(QoS)。当然协作通信也有缺点，首先是调度复杂，虽然调度具有单个协作中继节点的链路容易，但随着系统中用户和中继节点的增多，这将很快变为一项极其复杂的工作。其次，协作需要严格同步、保障安全性，因此开销增加。再次，确定最优的中继传输和协作对象是一项复杂的工作。此外，协作还带来了端到端延迟增加、更多的信道估计等。

1．2 协作多播

多播的首要特征是多个用户在同一信道上接收相同的业务，这多个用户成为一个多播组，例如正在收看同一移动电视频道的用户便属于同一个多播组，多播组的数量便等于这个电视业务的频道数量。由于用户分布在不同的位置，并且因为无线信道的时变特性，不同用户经历着不同的路径损耗与衰落，因此为同一个多播组内的所有用户提供一致的业务质量是一项挑战。在3GPP(The Third Generation Partnership Project)的增强型多媒体广播多播业务eMBMS(Enhanced Multimedia Broadcast Multicast Service)标准中，基于LTE中自适应调制编码技术(AMC)，通过提供多播组内所有用户能满足的最低速率来完成多媒体业务的发送。因此，多播组内信道条件最差的用户成了吞吐量的瓶颈，尤其是在大部分用户均有较好信道条件，而小部分用户远离基站或者处于深衰落情况时，基站将以低速率发送业务来满足信道用户的QoS需求，资源利用率将严重降低。

所谓协作多播便是利用多播组内成功解码多播信息的用户，作为中继转发多播业务至其他组内用户。与点到点的协作通信技术将信息发送分为两跳一样，协作多播传输也将多播分为2个阶段:第一阶段(Phase I)源节点(如基站)发送多播信息，第二阶段(Phase II)被选择出的中继节点转发多播信息。以蜂窝网为例，如图2所示，协作多播简要流程如下:

①测量多播组内所有用户的信道质量CSI，即信道估计过程;

②基站确定覆盖率C，即根据所有用户的CSI选择适当的发送速率R1和功率P1，使得多播组内的C×100%用户在第一阶段能成功解码接收到业务;

③通过某种协作中继选择策略，在所有第一阶段成功收到业务的用户(称为成功用户Us，图2中的浅色终端)中选择出一个或多个用户作为协作中继Ur;

④多播第二阶段，协作中继Ur以特定的速率R2和功率P2发送多播业务;

⑤第一阶段未成功解码接收多播业务的用户(称为失败用户Uf，图2中的深色终端)将2个阶段接收到的信息以特定方式合并，解码解调获得源信息。

其中发送速率需满足:R1·T1=R2·T2，协作多播消耗总功率为PbsT1+E(m)PueT2，其中T1、T2为分配给多播2个阶段的时间，Pbs与Pue为基站与协作中继的发射功率，E(m)为协作中继数量，各值的物理意义如图3所示。

图2 蜂窝网协作多播示意图一

图3 蜂窝网协作多播示意图二

通过协作，可以很好地解决多播吞吐量的瓶颈问题。它将原来的单跳通信转化为两跳，单跳通信时与基站间链路质量差的用户通过协作可以获得较好的链路质量，从而实现吞吐量的提升。

2 协作多播技术研究现状

通常，评估某个多播业务的性能指标包括:公平性、吞吐量和可靠性。协作多播的研究目的是在不增加频谱资源消耗且保证公平性的前提下，提高系统吞吐量;或者在不增加频谱资源消耗与不降低系统吞吐量的前提下，减少系统的消耗功率。基于这两种目的，研究者们从以下几个方面对协作多播展开研究。

2.1 协作方式

由于在协作多播传输中，只考虑多播组内的用户间相互协作，因此在协作方式的选择上只考虑解码转发(DF)与编码协作(CC)2种方式。

2．1．1 编码协作

2006年，Aitor del Coso和 Osvaldo Simeone首次提出了空时编码协作多播协议(Space-Time coded cooperative multicasting Protocol)，即将协作通信中的空时编码协作扩展至多播传输中［1］。根据协议，第一阶段源节点将信息发送至信道条件较好的多个用户;第二阶段这多个用户以分布式空时编码(DSTC)的方式将已接收的信息重新编码，联合发送至其他用户。Aitor和Osvaldo详细分析了在有限覆盖范围网络下，这种二阶段空时编码协作多播协议的性能，并将其与非协作多播进行了对比。结果表明，随着用户数量的增加，空时编码协作多播协议的系统中断容量(Outage Capacity)逐渐上升，而非协作多播系统中断容量逐渐下降;随着发送信噪比的提高，不论是否协作，其系统中断容量均提升;协作多播系统中断容量只在低发送信噪比区(＜15 dB)优于非协作系统，这是由于空时编码协作是基于解码转发机制的，而解码转发机制在高信噪比时效率较低。

2．1．2 解码转发

2009年，Fen Hou和 Lin X．Cai中提出 IEEE 802.16网络下多媒体业务的协作多播调度机制［2］，该机制利用多播组间的多信道分集与多播组内的用户协作，使得系统相较于传统非协作802.16网络获得了更高的吞吐量;其次，通过考虑多播组间的归一化相对信道条件并以此来调度多播组，获得了较好的公平性。

文献［2］首次提出了商用蜂窝网络下的多媒体业务协作多播策略，给出对所研究协作多播机制的分析模型，并研究了为使网络吞吐量最大化该如何设置协议关键参数。结果表明，通过协作，不论是多播组的吞吐量，还是用户吞吐量都较传统多播机制有多于一倍的提升，且通过考虑多播组间的归一化相对信道条件的组间调度，不仅能提升网络吞吐量，还能保证组间的公平性。

除了吞吐量与公平性，功率消耗也是一个非常重要的性能关注点。文献［2］仿真结果表明当多播组内用户小于15时，协作多播的功率消耗要小于非协作情况;随着多播组成员的增加，第二阶段参与协作的用户增多，这导致了功率消耗逐渐增加，而非协作多播由于始终只有基站在发射信号，功率消耗不变。当多播组成员达40个时，功率消耗是非协作的1.7倍，而吞吐量的提升达到了10倍。

2．2 低功耗协作多播与协作中继选择

如果不限制在多播第二阶段参与协作的用户数，或者不对其进行功率控制，那么系统的功率消耗相较于传统非协作情况会有一定的提升。虽然增加的功耗能带来吞吐量的提高，但是研究者们仍想在保证吞吐量的前提下尽量减少不必要的功率消耗，于是提出了多种低功耗协作多播(Energy Efficient Cooperative Multicast，EECM)策略，这些策略里均包含了对协作中继的选择，并在此基础上对每个协作用户进行功率控制。

文献［3］在文献［2］的基础上提出了3种协作中继选择策略，以减少协作多播的功率消耗:

① 最近邻居节点发现协议(Nearest-Neighbor Discovery Protocol，NNP)。该协议假设基站知道所有用户的地理位置，在Phase I结束后，选择距离失败用户最近的成功用户作为协作中继。系统根据用户的移动频率周期性地执行NNP协议。该协议相较于文献［2］的所有成功用户参与协作策略，减少了协作中继的数量，降低系统功耗。

②传输半径协作中继选择算法(Transmission Radius RA Selection Algorithm)。该算法选择传输半径内具有最多失败用户的成功用户作为协作中继。相较于NNP协议，进一步减少了协作中继的数量，避免了每一个失败用户均有一个协作中继的极端情况。

③基于用户间链路CSI的协作中继选择算法(SS-SS Inter-link CSI RA Selection Algorithm)。该算法统计所有成功用户与失败用户之间的实时信道状态信息并将其反馈给基站，基站根据这些信道状态信息选择传输范围内有最多失败用户的成功用户作为协作中继。

仿真结果表明，所提出的3种协作中继选择策略相较于文献［2］能有效地减少系统的功率消耗，但可靠性有所下降，随着多播组内用户数增加，可靠性逐渐趋于一致。

文献［4］提出了一种功率受限的低功耗协作多播策略，该策略含3个步骤:① 根据用户的长期信道条件确定协作多播两阶段的发送速率;②根据受限的功率消耗确定第二阶段的协作中继数量;③根据最小信噪比(Minimum-SNR)准则从成功用户中选择中继。功率受限:PbsT1+E(m)PueT2=∂PT，其中∂P表示可分配给协作多播的总功率，∂为功率控制因子;最小信噪比准则:在成功用户中选择SNR最小的用户作为协作中继。该准则基于这样一个事实，即SNR越小的成功用户距离失败用户越近，在第二阶段可以较低的功率实现中继。

文献［5］提出了一种分布式协作多播机制，它与文献［4］采用了一样的功率限制方式，不同的是没有对协作中继进行选择，而是所有成功用户参与协作。文献［5］对分布式协作多播做了透彻的性能分析，给出了平均中断率的闭式解与估计值，同时还分析了最优的功率分配，分析得将总功率的一般分配给源节点可最小化平均中断率;通过分析与仿真，结果表明协作多播可达到的分集阶数为2，用户分集可减小中断率，尤其是在高信噪比区。

文献［6］提出了一种最优中继解码转发协作多播机制，第一次分析了在选择出最优中继情况下协作多播系统的精确中断率，单端对端目标速率为R时，中断率的表达式为:

式中，z=22R－1，K为候选中继数量，N为目的节点数，βSD、βSR和 βRD分别为源 － 目的、源 － 中继、中继－目的三信道的信道系数。由于多播容量取决于系统中最弱的那条链路，因此最优中继选择策略为选择能使端到端最小容量取得最大值的中继。最后分析还得出，最优中继选择策略可达到的分集阶数为K+1。

文献［7］提出一种基于选择性中继的低功耗协作多播机制，该机制通过在多播第一与第二阶段间插入标记帧(Beacon Frame)的方法来选择中继。标记帧又被分为2阶段，Stage I与Stage II，基站在Stage I广播标记帧来搜索失败用户;Stage II失败用户广播标记帧。在多播第二阶段，接收到失败用户广播的标记帧的成功用户参与协作。仿真结果表明该协作多播机制能在保证系统吞吐量的前提下节省不必要的功率消耗。

2．3 多阶段协作多播

文献［8］提出了一种多阶段协作多播机制，所谓多阶段是指在协作中继阶段各中继轮流发送信号，假设有m个用户参与协作，则协作多播传输过程被分为了m+1个阶段，第一阶段发送时间为(1 －∂)T，后m个阶段每阶段发送时间为∂T/m。文献［7］研究了这种多阶段协作多播机制下的中继数量选择与最优时间分配问题，并提出了一种快速时间分配算法。研究发现，最优(最大化吞吐量)的中继数量m是一个单纯的门限值，网络从成功用户中随机选择出m个用户作为协作中继。多阶段协作多播机制同样能提升多播系统性能。

2．4 其他协作多播策略

文献［9］提出了一种基于终端电量感知的协作多播机制，其在选择协作中继时将终端电量作为优先考虑的因素。其主要步骤为:①多播第一阶段结束后收集所有成功用户的电量信息，计算平均值;②提出电量低于平均值的用户，不作为候选中继;③在剩余的成功用户里应用文献［3］提出的3种中继选择策略。基于终端电量感知的机制可有效延长网络寿命，避免了终端作为协作中继而电量过快耗尽的情况，利于多媒体业务的可靠传输。

3 结束语

近年来多媒体广播多播技术的应用逐渐增多，3GPP也正着力于扩展eMBMS的应用，基于eMBMS的TD-LTE公网集群通信系统正处于R12的标准化进程中［10］。虽然国内外研究者们的广泛研究都证明了协作多播可有效地提升系统性能，解决传统多播吞吐量的瓶颈问题，但协作多播技术的不完善使得其目前无法走向商用。

当前协作多播技术的研究不足之处有许多，例如基于用户位置的中继选择策略精确度差，距离相近的用户间信道条件不一定就好，这降低了传输的可靠性;而文献［6］的最优中继选择策略虽然是基于容量最大化准则，但其并未考虑一个中继为分散的两个区域同时协作的场景。在协作多播传输中，降低系统总功耗与提高吞吐量是永恒的追求，此外保证数据的安全性也是协作多播技术需要解决的重要问题。

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