缓存辅助的D2D能量收集中继选择策略*

陈光祖, 黄鑫陈, 谭 冲, 陈 平, 卜智勇

(1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海 200050; 2.中国科学院大学,北京 100049; 3.中国科学院无线传感网与通信重点实验室,上海 200050; 4．国动物联网有限公司,上海 200050)

0 引 言

D2D中继通信叠加在蜂窝通信中能够提高频谱效率,中继选择算法受到广泛研究。现有研究中的中继节点通常都被假定配备电源或电池[1]。但能量收集(energy harvest,EH)技术已经引起了学者研究兴趣[2]。

在中继选择策略方面,大部分研究都使用相同的中继进行接收和传输,无法同时利用最佳可用的源—中继信道和中继—目的节点信道,如果中继具有缓存,则接收中继可以与发送中继不同,因此能够利用两跳最优信道。文献[3,4]考虑了带缓存的中继以提高简单三节点网络的吞吐量。

本文研究了同时具备能量收集能力和缓存的中继通信,提出一种缓存辅助的D2D能量收集中继选择策略(buffer-assisted and energy-harvesting relay selection strategy,BERSS),综合考虑中继用户的缓存状态、能量收集能力、传输速率和中断概率。仿真表明:BERSS获得了更高的成功概率和更低的传输时延。

1 系统模型

图1所示为一个由蜂窝基站BS,蜂窝用户CUs，中继用户RUs和D2D用户DUs组成的通信网络,假设蜂窝通信网络满负载运行,D2D通信以Underlay的方式叠加到蜂窝通信。假设一对DU以协作中继通信的方式建立链接,用户对S表示源节点,D表示目的节点；N个中继用户RU表示为R1,R2,…,RN。中继用户均安装有无线能量收集装置,可以收集周围干扰信号携带的能量存储在电容中,作为唯一能源提供给中继工作时使用。S和D具有固定电源,本模型中不考虑电量短缺问题。假设所有RU都配有内存大小为L的缓存,用于存储接收到的数据。当RU的缓存不满时认为S—R链路是“Open”的,当RU的缓存不为空时认为R—D链路是“Open”的,“Open”表示链路可用且可被选择[5]。源节点S以固定大小的数据包向中继传输数据。此外,假设基站已知每条通信链路的信道状态信息CSI(channel state information)。S—R和R—D之间的瑞利衰落信道系数由hSR和hRD表示。

图1 系统模型

2 基于能量收集与缓存辅助的中继选择策略

2.1 中继能量收集

由于电容容量和无线能量收集功率的限制,设备的能量储备应当作为中继选择的重要指标之一。假设所有设备的电容容量均为EC。设t时刻的RUs的能量分别时E1(t),E2(t),…,EN(t),则可以预估下一时刻第i个中继的能量为[6]

Ei(t+1)=Ei(t)+τ(∑c∈CDPBhx‖x-y‖-α+

(1)

式中ti为中继设备Ri能够正常工作的时间,Ei为Ri能够使用的能量储备,中继设备Ri的发射功率为PRi,工作电压为Vi,α为Peukert常量。由于电容容量的限制,设备的能量储备表示为Ei=min(Ei,EC)。

2.2 信道状态分析

Rr和Rt分别表示接收中继和转发中继,用hSRr,hRtD和hRrRt表示S-Rr,Rt-D和Rr-Rt的信道系数。同时D2D通信复用蜂窝通信资源,彼此之间受到同频干扰。除干扰外所有设备都将受到均值为0,方差为σ2的加性高斯白噪声N0。根据香农公式,在信道带宽为B的情况下,S-Rr和Rt-D的传输速率可以表示如下

定义Rr处SINR阈值γth1,如果中继接收到的SINR高于γth1,则意味着该信号在Rr可以解码存储,同时定义D处阈值γth2,低于该阈值信号将无法解码[5]。则中断概率可以表示为

Pout=PDF·Pr(SINRS-Rr>γth1)+Pr(SINRS-Rr≤γth1)

(5)

PDF可表示为[5]

PDF=Pr(SINRRt-D≤γth2|SINRS-Rr>γth1)

=(1-eγth2/SINRRt-D)CRD

(6)

可得

Pout=(1-e-γth2/SINRRt-D)CRD×{1-[(1-e-γth1/SINRS-Rr)CSR]}+

(1-e-γth1/SINRS-Rr)CSR

(7)

式中CSR和CRD分别为SR链路和R-D链路是“Open”的数量。

2.4 中继选择策略

由于接收中继和转发中继承担任务不同,因此选择接收中继Rr时考虑S—Rr链路的要求,剩余空间较大、传输速度较快、EH功率较大的节点更适宜；选择转发中继Rt时考虑Rt-D链路的要求,已经存有数据且能够转发数据量越大、信道条件越好的节点更适宜。除此之外,还应保证D2D通信对蜂窝通信的干扰在可控范围。

根据上述要求,算法分别给接收中继Rr和转发中继Rt一个能力值权重[8],表示如下

ΨRr=(L-Q(t))·RS-Rr·(1-Pout)·U[SINRCiB>γB]

(8)

式中U[x]为指示函数,在x为真或假时,函数取值为1或0。SINRCiB和SINRCjB表示第i个和第j个CU到BS的信干噪比,γB表示阈值。同时遵循优先送达原则,即中继用户Ri被同时选择时,Ri应被优先选定为转发中继Rt,以保证中继中已经缓存的文件能够优先送达目的节点D。此时接收中继Rr转向选择次优解。根据能力值权重选择激活相应的S—Rr和Rt—D链路,因此将选择策略表示为

(Rr,Rt)=(Rargmax(i≠argmaxΦRi)ΨRi,RargmaxΦRi),

i=1,2…N

(10)

算法过程描述如下：1)算法开始时,节点S和节点D的D2D通信需求上传给基站,基站通知中继用户；2)中继用户(R1,R2,…,RN)检查自身状态并分别计算能量收集功率、能够转发的数据量、链路信干噪比和信号传输速率；3)中继用户将计算结果和自身缓存状态发送给基站；4)基站检查中继用户的S—R或R—D是否为“Open”状态,筛选掉不可用节点；5)基站计算中继节点中断概率后分别计算中继用户担任接收中继Rr或转发中继Rt的能力值权重并排序；6)遵循排序结果和优先送达原则,基站根据式(10)选择接收中继Rr和转发中继Rt。

3 仿真分析

本文基于MATLAB平台对提出的BERSS与随机中继选择算法(random relay selection algorithm,RRSA)及基于缓存的最大—最大中继选择(max-max relay selection for relays with buffers,MMRS)[9]算法进行对比仿真验证,仿真环境设置小区半径500 m,基站BS位于中心。其他主要参数设置:基站传输功率为46 dBm,蜂窝用户传输功率为23 dBm,D2D用户传输功率为20 dBm,中继用户传输功率为20 dBm,路径损耗系数α为2,高斯白噪声为-174 dBm/Hz,能量收集效率τ为0.8,单位时隙为1 T/ms,数据包大小为1 kbits,中继初始能量范围为[0,1 000]mAh,中继电容容量为1 000 mAh,蜂窝通信SINR阈值γB为10 dB。

图2表示BERSS,MMSA和RRSA三种选择策略下的整个通信过程的成功概率与源节点到目的节点之间距离的关系。仿真设置γth1和γth2均为10 dB。在一个时隙算法成功选择出接收中继Rr或转发中继Rt定义为本次通信成功,反之则定义为通信失败,据此得到成功概率。

图2 D2D通信成功概率随S—D距离的变化

可以看出RRSA随机选择中继,没有对中继进行筛选,因而成功率是最低的。MMSA算法选择最优的源到中继信道和最优的中继到目的节点的信道进行通信,因此成功率高于RRSA,但是MMSA没有考虑中继设备的能量问题,极易选择到能量较低的终极用户,性能差于本文所提BERSS。

图3考察了中断概率与DF解码信干噪比门限之间的关系。可以看出随着γth1的增大,对所选链路的要求也逐渐提高,能够达到要求的节点愈少,因而中断概率不断增大。在同等γth1条件下,γth2越大链路的中断概率就越大。由于RRSA的随机性,中继节点的信道状态不能保证,因此在阈值很高的情况下很难建立通信链路。BERSS能够使一些低电量但信道状态较好的中继用户在收集了能量以后也有机会被选中。因此,同等γth1和γth2条件下BERSS的中断概率低于MMSA。

图3 中断概率随信噪比门限的变化

图4表示中继节点的存储空间对从源节点S传输定量数据到目的节点D所需时间的影响。可以看出,随着中继用户内存空间增大,通信链路的成功率不断提升,系统传输定量数据所需时间在不断减少。但随着内存空间的不断增大,内存对延时的影响不断减弱,对系统的提升趋势放缓。RRSA由于在能量、信道状态等参数上的劣势,传输用时依然最大。BERSS相比于MMSA在能量参数方面的中继选择优势也在本仿真中体现,因而用时最短。

图4 传输时间随中继节点存储空间变化

4 结 论

本文在D2D中继选择中综合考虑中继的能量、缓存和信道状态,提出一种基于能量收集和缓存辅助的中继选择策略。给出中继综合评价指标,在每个通信时隙选择评价最高的接收中继Rr或转发中继Rt。仿真分析表明:本文所提策略比对比策略获得了更高的成功概率、更低的传输时延。