Kablosuz hücresel ağlarda D2D çok noktaya yayın kümeleri için düşük enerjili bir çok noktaya yayın şeması
Kablosuz hücresel ağlarda, çok noktaya yayın trafiği, toplam trafiğin büyük bir bölümünü oluşturur. Mevcut güvenilir çok noktaya yayın şemasında, BS, tüm alıcılar tarafından alınana kadar aynı veri paketini tekrar tekrar göndererek baz istasyonunun (Baz istasyonu, BS) büyük bir çok noktaya yayın hizmet yükü ve düğüm ucunda büyük miktarda alıcı enerji tüketimi taşımasına neden olur. .
Kablosuz hücresel ağdaki cihazdan cihaza (D2D) iletişim teknolojisi, BS yükünü etkili bir şekilde azaltabilir ve son yıllarda büyük ilgi görmüştür. Kablosuz hücresel ağların kullanımının birçok avantajı vardır.Örneğin, komşu düğümler arasında doğrudan iletişimin kullanılması, baz istasyonunun ağ yükünü azaltabilir; düğüm ve baz istasyonu arasındaki iki atlamalı yönlendirme, kullanıcının hücrenin kenarındaki iletişimini artırabilen röle aracılığıyla gerçekleştirilebilir. Zorlu hücresel bağlantı koşullarında hizmet kalitesi.
D2D iletişimine dayalı verimli çok noktaya yayın şemalarının tasarımına ilişkin bazı araştırmalar yapılmıştır. Çok noktaya yayın kullanıcılarının fiziksel konum dağılımı açısından, çok noktaya yayın senaryoları esas olarak aşağıdaki iki kategoriye ayrılır: (1) BS'den hücreye dağılmış kullanıcılara çoklu yayın verileri; (2) BS'den küçük bir alana çok noktaya yayın verileri ( Örneğin, bir ofis binasında birden çok kullanıcı vardır Bu kullanıcılar, bir D2D çok noktaya yayın kümesi oluşturmak için birbirine bitişiktir. Bir hücredeki çok noktaya yayın kullanıcıları genellikle birden çok D2D çok noktaya yayın kümeleri oluşturur.Bu nedenle, verileri D2D'ye çok noktaya yayınlamak için tek başına kullanılabilen verimli bir D2D çok noktaya yayın küme yönelimli çok noktaya yayın çözümünü incelemek gerekir. Kümeler ayrıca, kullanıcıların hücreye dağıtıldığı bir çok noktaya yayın şemasına da yerleştirilebilir.
BS'den küçük bir alandaki birden fazla kullanıcıya çok noktaya yayın verileriyle ilgili olarak, Zhang Q ve diğerleri, BS çok noktaya bir grup veri paketinden sonra, belirli sayıda düğümün iletme düğümleri olarak rastgele seçilmesini ve iletme düğümünün ilk olarak hangi paketlerin olmadığını belirlediğini öne sürdü. Doğru bir şekilde alınır (kayıp paket olarak adlandırılır) ve ardından kayıp paketler, tüm düğümler doğru bir şekilde alana kadar sırayla iletilir. Ancak, zayıf D2D bağlantı kalitesine sahip bir röle düğümü seçilebilir ve% 100 paket alım oranı garanti edilemez. ZHOU B ve diğerleri, zaman ve frekansın iki boyutunda toplam kaynak ek yükünü en aza indirmek için alt küme bölümlemesine dayalı bir iletim şeması önerdi. Paketi doğru şekilde almayan her düğümü (NACK düğümü olarak adlandırılır), paketi doğru şekilde alabilen (ACK düğümü olarak adlandırılır) daha iyi kablosuz bağlantı kalitesine sahip düğüme ve ardından her ACK düğümüne bağlamak için alt küme bölümleme algoritmasını kullanın. Düğüm, alt kümedeki veri paketlerini, bağlı olduğu tüm NACK düğümlerinin doğru bir şekilde almasına izin veren en yüksek oranda yayınlar. Bununla birlikte, bir yandan, birden çok alt küme aynı veri paketini paralel olarak ileterek daha fazla iletim enerjisi tüketimi sağlarken, diğer yandan Shannon formülüyle ifade edilen kanal iletim hızı, gerçek işlerlik olmadan yalnızca teorik bir sınır oranı sağlar. Ortam yanıt kanalının gerçek veriminin göstergesi, bit hata oranıdır (yani, paket kaybı oranı).
Bu makale, BS'den küçük bir alandaki (yani D2D çok noktaya yayın kümesi) birden çok düğüme D2D iletişimine dayanan verimli veri çok noktaya yayınını inceler ve bağlantı paketi kaybı oranına dayalı iki şema önerir: sabit röle düğümü çok noktaya yayın (Sabit - Röle düğümlerinin dinamik seçimi için Röle tabanlı Çok Noktaya Yayın, FR-M şeması ve Dinamik Röle tabanlı Çok Noktaya Yayın (DR-M) şeması. Ve tüm alıcı düğümlerin toplam enerji tüketimini en aza indirmek amacıyla, röle düğümlerinin seçimi ve iletim güçleri optimize edilir.
1 Sistem modeli
2 D2D iletişimine dayalı çok noktaya yayın şeması
2.1 FR-M çözümü
M veri paketlerine sahip bir grup veri varsayıldığında, kablosuz bağlantının iletişim kalitesi, çok noktaya yayın döneminde yaklaşık olarak değişmez ve ardından çok noktaya yayın iletimi gerçekleştirilir. Veri paketlerinin D2D rölesini gerçekleştirmek için sabit bir i düğümü seçin. Şekil 1'de gösterildiği gibi, gruptaki her veri paketinin çoklu yayını iki aşama içerir:
(1) BS ilk olarak veri paketlerini çoklu yayın kümesindeki röle düğümüne i, düğüm i veri paketini doğru bir şekilde alana kadar tekrar tekrar gönderir.
(2) Aktarma düğümü i, çok noktaya yayın kümesindeki diğer tüm düğümler doğru şekilde alınana kadar çok noktaya yayın kümesinde tekrar tekrar yayın yapar.
Çok noktaya yayın kümesinde röle düğümü olarak hangi düğüm seçilir ve röle düğümünün iletim gücü, BS'den röle düğümüne bağlantı kalitesini, D2D bağlantısının kalitesini ve iletmenin iletim enerji tüketimini belirler ve sonuçta tüm çok noktaya yayını belirler Alıcı kümenin toplam enerji tüketimi. Farklı röle düğümleri ve farklı iletim gücü, farklı toplam enerji tüketimine neden olacaktır.
2.2 DR-M çözümü
Bu şemanın çalışma yöntemi aşağıdaki gibidir: Gönderilen her veri paketi için, veri paketinin D2D rölesini gerçekleştirmek için bir düğüm nR seçilecektir. Şekil 2'de gösterildiği gibi, her veri paketinin çoklu yayını iki aşama içerir:
(1) BS ilk olarak, en az bir düğüm onu doğru bir şekilde alana kadar veri paketlerini kümedeki tüm düğümlere tekrar tekrar yayınlar, doğru alınan düğümü ACK düğümünü ve diğer düğümleri NACK düğümünü çağırır.
(2) D2D çok noktaya yayın göndericisi olarak ACK düğümlerinden bir düğüm i seçilir ve tüm NACK düğümleri doğru bir şekilde alınana kadar NACK düğümlerine tekrar tekrar yayınlanır.
İlk aşamanın sona ermesinden sonra, röle düğümü ile NACK düğümü arasındaki paket alımının başarı oranı, röle düğümünün seçimine ve röle düğümünün iletim gücüne bağlıdır; röle düğümünün iletim gücü ne kadar yüksek olursa, D2D bağlantı paketi alımı başarılı olur Hız ne kadar yüksekse, bir veri paketi göndermek için gereken enerji tüketimi o kadar yüksek olur. Farklı ACK düğümleri, farklı iletim güçlerine sahip veri paketleri yayınlayan röle düğümleri ve röle düğümleri olarak hizmet veriyorum ve tüm çok noktaya yayın kümesinin toplam enerji tüketimi farklı.
3 Röle düğümü ve FR-M şemasının iletim gücü seçimi
I = {1, 2, ..., K} kümesini D2D çok noktaya yayın küme düğümlerinin sıra numaraları kümesi olarak tanımlayın.
3.1 Paket alım oranı
Düğüm i, veri paketlerini göndermek için bir yönlendirme düğümü görevi görür. BS, düğüm i onları doğru bir şekilde alana kadar veri paketlerini tekrar tekrar gönderir. Bu nedenle, mevcut veri paketi grubu için, düğüm i'nin ortalama paket alım sayısı:
Röle olarak en küçük ortalama toplam enerji tüketimine ve güç olarak optimum güce sahip düğümü seçin:
Şu anda i, en iyi röle düğümünün sıra numarasıdır ve k, en iyi röleye karşılık gelen en iyi iletim güç dosyasıdır.
4 DR-M şeması röle düğümü ve iletim gücü seçimi
S, birinci aşamanın (yani, gönderen baz istasyonun) sonundan sonra NACK düğümünün sıra numarası kümesini temsil etsin ve F, birinci aşamanın (yani, gönderen baz istasyonunun) sonundan sonra ACK düğümünün sıra numarası kümesini temsil etsin. Açıkça, SF = {1, 2, ..., K}.
4.1 Paket alım oranı
4.3 Çok noktaya yayın kümesinde almanın toplam enerji tüketimini en aza indirin
Röle düğümü i k gücüne sahip bir veri paketi gönderdiğinde, NACK düğüm setinin ortalama toplam enerji tüketimi:
5 Performans değerlendirmesi
BS'den K kullanıcılarına paket teslim oranı (PDR) simülasyon aralığı içinde rastgele bir değerdir ve röle düğümünden geri kalan düğümlere paket teslim başarı oranı, aralık, Pmin ve ortam dahilinde rastgele bir değerdir. Düğümün iletim gücü korelasyonunu takiben, düğümün 3 seviyeli iletim gücü P1, P2 ve P3 vardır ve karşılık gelen Pmin sırasıyla 0.7, 0.8 ve 0.9'dur. Şekil 3, üç şemadaki düğüm sayısı farklı olduğunda paket teslimatının ortalama toplam enerji tüketimini göstermektedir.P1 = 1,0 W, P2 = 1,5 W, P3 = 2,0 W, her veri noktası 1000 veri setinin ortalama sonucudur, her veri seti 10 veri paketinin iletimi dahildir ve her veri paketi grubunun çoklu yayınına karşılık gelen bağlantı PDR'si rasgele oluşturulur.
Şekil 3'ten, K düğümlerinin sayısı arttıkça, üç şemanın paket dağıtımı başına ortalama toplam enerji tüketiminin (ATECPD) gittikçe arttığı sonucuna varılabilir. Geleneksel şemayı kullanarak ATECPD, K ile orantılıdır ve ATECPD, K arttıkça artar. DR-M şeması ile K arttığında, ilk aşamada veri paketlerini alan düğümün toplam enerji tüketimi artacaktır. K ne kadar büyükse, kümedeki NACK düğümlerinin sayısı o kadar büyük olur ve ikinci aşama rölenin ortalama yeniden iletim sayısı da artacaktır ve röle düğümünün ortalama paket yönlendirme süresi sayısı ve NACK düğümünün toplam paket alma süresi sayısı artar. Dolayısıyla K'nin artması, DR-M'nin ilk aşamasında alma ve iletme enerji tüketimini, DR-M'nin ikinci aşamasında alma ve göndermenin enerji tüketimini artıracaktır. FR-M şeması için, toplam enerji tüketimindeki artış, ikinci aşama rölesinin ortalama yeniden iletim sayısındaki artış ve diğer düğümler tarafından toplam paket alım sayısındaki artış, rölenin iletim enerjisi tüketimindeki artış ve düğüm tarafından alınan toplam veri paketi sayısından kaynaklanmaktadır. Enerji tüketimini artırır.
İkinci olarak, hem FR-M hem de DR-M geleneksel çözümlerden üstündür. Bu iki şemadaki röle düğümleri az miktarda iletim enerjisi tüketmesine rağmen (ortalama paket iletme sayısı 1'e yakındır), yeniden iletim için D2D bağlantılarının kullanımı, yeniden iletim için hücresel bağlantıların kullanımından daha yüksek bir PDR'ye sahiptir. , Daha küçük toplam paket alma süreleri, daha düşük toplam alma enerji tüketimi. FR-M her zaman DR-M'den daha iyidir. FR-M'nin birinci aşamasında, baz istasyondan sadece bir düğüm veri alır ve diğer tüm düğümler, nispeten az sayıda paket alma süresine sahip olan D2D bağlantısı aracılığıyla paketleri alır. DR-M'de, ilk aşamada, tüm düğümler BS tarafından gönderilen paketleri alır ve nispeten çok sayıda düğüm enerji tüketir ancak paketleri doğru şekilde almaz.
Şekil 4, hücresel bağlantı paket alım hızının alt sınır değeri PBU, P1 = 1.0, P2 = 1.5, P3 = 2.0 olduğunda üç şemanın ATECPD'sini göstermektedir. Hem FR-M hem de DR-M'nin geleneksel çözümlerden üstün olduğu görülebilir. PBU'nun sürekli artmasıyla, DR-M'nin performansı iyileşmeye devam ediyor. PDR kademeli olarak arttığında, baz istasyonu bir veri paketi gönderdikten sonra gittikçe daha fazla sayıda düğüm verileri doğru şekilde alır ve daha az ve daha az NACK düğümü vardır. NACK düğüm sayısı azaldıkça, ikinci aşamada röle olarak seçilen düğümün ortalama iletim sayısı da azalacak, ikinci aşamada alma ve göndermenin toplam enerji tüketimi de azalacaktır. FR-M için, PDR arttıkça, röle olarak seçilen düğümün beklenen alım sayısı azalacaktır, ancak azalma çok azdır.Hücresel bağlantı kalitesinin iyileştirilmesinin, şemanın ikinci aşaması üzerinde hiçbir etkisi yoktur, bu nedenle PDR'deki değişikliğin bu program üzerinde çok az etkisi vardır.
Şekil 5, P1 = 1.0, P2 = 1.0 + P ve P3 = 1.0 + 2P ve farklı komşu iletim gücü farkı P altındaki ATECPD simülasyonunu göstermektedir.Hem FR-M hem de DR-M geleneksel şema, FR'den daha iyidir -M, DR-M'den daha iyidir. FR-M, P, P daha büyük olduğu zamankinden daha küçük olduğunda biraz daha iyi performansa sahiptir, çünkü P1 aynıdır P = 0.5 olduğunda, seçilen röle düğümlerinin çoğu P3'ü gönderir ve iletim enerjisi çok artmaz. Daha düşük ortalama yeniden iletim sayısı karşılığında, FR-M ikinci aşamada çok fazla enerji tasarrufu sağlar ve P yeterince büyük olduğunda (P = 1.0 gibi), P2 veya P3 iletim gücünün kullanılması yüksek iletim enerji tüketimiyle sonuçlanır. Büyüktür, ancak paket alım oranını önemli ölçüde iyileştirmez, çünkü çoğu zaman röle düğümü, alımın toplam enerji tüketimini en aza indirmek için yine de iletmek üzere gücü P1 seçecektir. DR-M'ye gelince, P = 0.5 olduğunda, seçilen röle düğümü de çoğu zaman P1 ile gönderilir.Genellikle, NACK düğümlerinin sayısı büyük değildir, bu nedenle iletim gücünü artırarak (örneğin, P2 = 1.0 + P kullanarak), yalnızca değişir Son zamanlarda, D2D yeniden iletimlerinin sayısı azaltıldı, ancak azalan alıcı enerji tüketimi, artan iletim enerji tüketimiyle eşleşemez.
FR-M, performans göstergelerinde ve ATECPD'de DR-M'den üstün olmasına rağmen, DR-M, BS'nin çok noktaya yayın trafik yükünü daha etkili bir şekilde azaltabilir: DR-M kullanırken, her çok noktaya yayın paketi için BS gönderir Bir defadan sonra, en az bir düğümün onu doğru şekilde alma olasılığı% 100'e yakındır ve BS tarafından gönderilen ortalama paket sayısı yaklaşık 1'dir. FR-M kullanıldığında, her veri paketinin çok noktaya yayını için, BS, röle düğümü bunu doğru bir şekilde alana kadar tekrar tekrar iletmelidir Beklenen paket iletimi sayısı 1 / p'dir, burada p, BS'den röle düğümüne hücresel bağlantıdır. PDR.
6. Sonuç
Bu makale, baz istasyonundan küçük bir alandaki çoklu düğümlere D2D iletişimine dayalı verimli veri çok noktaya yayınını inceler ve FR-M şemasını ve DR-M şemasını önerir.Optimum röle düğümleri ve optimum güç seçimi yoluyla, ikisi en aza indirilir. Şemadaki çok noktaya yayın kümesindeki tüm düğümlerin toplam enerji tüketimi. Geleneksel baz istasyonu çok noktaya yayın şemasıyla karşılaştırıldığında, önerilen iki şema kümedeki toplam enerji tüketimini etkili bir şekilde azaltabilir. FR-M şeması, DR-M şemasından daha düşük bir ortalama toplam paket teslimat enerji tüketimine sahiptir, ancak DR-M şeması, BS'nin çok noktaya yayın trafik yükünü daha etkili bir şekilde azaltabilir.
Referanslar
LIU J, KATO N, MA J, ve diğerleri. LTE-Gelişmiş ağlarda Cihazdan Cihaza iletişim: bir anket. IEEE Communications, Surveys and Tutorials, 2015, 17 (4): 1923-1940.
ASADI A, WANG Q, MANCUSO V.A Hücresel ağlarda cihazdan cihaza iletişim üzerine anket. IEEE Communications Surveys and Tutorials, 2014, 16 (4): 1801-1819.
MILITANO L, CONDOLUCI M, ARANITI G, ve diğerleri.Gelişmiş multimedya yayını ve çok noktaya yayın hizmetleri için tek frekans tabanlı Cihazdan Cihaza geliştirilmiş video teslimi.IEEE İşlemleri Yayınlama, 2015, 61 (2): 263-278.
HOU F, CAI L, X, HO P H, vd. IEEE 802.16 ağlarında multimedya hizmetleri için bir işbirliğine dayalı çok noktaya yayın planlama şeması. Kablosuz İletişimlerde IEEE İşlemleri, 2009, 8 (3): 1508-1519.
ZHANG Q, FITZEK FHP, IVERSEN V B. Hücresel kontrollü P2P ağlarında güvenilir çok noktaya yayın hizmetleri için işbirliğine dayalı yeniden iletim şemasının tasarım ve performans değerlendirmesi. IEEE Uluslararası Kişisel, İç Mekan ve Mobil Radyo İletişimi Sempozyumu (PIMRC), Atina: IEEE Press, 2007: 1-5.
ZHOU B, HU H, HUANG S Q, vd.Optimum kaynak kullanımı ile küme içi cihazdan cihaza aktarma algoritması Araç Teknolojisi IEEE İşlemleri, 2013, 62 (5): 2315-2326.
yazar bilgileri:
Xu Xiaoyao 1, Tang Zefeng 2, Chi Kaikai 2
(1. China Electronics Technology Group Corporation 36. Araştırma Enstitüsü, Jiaxing 314033, Çin;
2. Bilgisayar Bilimi ve Teknolojisi Okulu, Zhejiang Teknoloji Üniversitesi, Hangzhou, Zhejiang 310023)
