阅读Cross-Network Performance Analysis of Network Coding Aided Cooperative Outband D2D Communications

向右看齐 2022-05-20 23:56 197阅读 0赞

文章的两个背景：  
1. 多设备共存（the coexistence of multiple devices）会产生通信信道访问竞争的问题，需要一个有效的介质访问控制方案  
2. 蜂窝网络因素（调度策略和信道状态）会影响D2D通信，由于D2D链路中的信息来源于蜂窝网络，因此有跨网络的需求  
文章的三个贡献：  
1. 设计了用于D2D通信的基于网络编码的自适应协作访问控制协议（ACNC-MAC）  
2. 从吞吐量、能源效率、电量损耗方面评估了协议  
3. 设计了一个跨网络模型来捕捉蜂窝网络通信对D2D通信的影响（资源分配、传输策略）

实验表明了蜂窝网络传输的参数和中继器的参与极大影响着D2D的吞吐量，D2D网络性能随着蜂窝网络的拥塞会下降。

LTE-A网络主要挑战是如何获得高质量的信息传输服务，网络主要包含基站和用户终端

D2D优势：  
1. 缓解蜂窝网络拥塞  
2. 流量卸载  
3. 提高频谱利用率  
4. 减少蜂窝通信开销（下行流量可以使用D2D传输）

两种D2D:  
1. (inband D2D)和蜂窝网络一起在可许可的频带内  
2. (outband D2D)在无许可频谱中操作（不需要绑定，没有干扰）

用户充当中继器的动力  
1. 用户有兴趣下载其他用户终端需要传输的内容  
2. 多个相邻的用户可能希望从基站下载相同的多媒体内容并创建D2D集群。可以通过wifi合作，避免基站将相同的数据传输到每一个用户，用户获得高质量服务  
3. 作为中继器的用户可以得到运行商的犒赏，例如更低的服务费

使用网络编码的好处：  
1. 能够让D2D的中间节点合并来自相同或者不同信息流的数据  
2. 提高用户设备终端内容的可用性  
![这里写图片描述][70]  
 每一个设备有两个通信接口：LTE-A 和 wifi  
 UE pair (UE1 UE2)对彼此接收到的内容感兴趣，并愿意建立两者之间的双向联系  
 LTE-A下行资源分配采用轮询的方式（Round Robin），在一个传输时间间隙，每一个终端独立于无线信道请求，有不同通信质量要求  
 终端距离eNB的距离不同，假定从eNB有固定的传输功率。因此用户终端有不同信噪比，不同信噪比影响下行传输采用的编码和调制方案  
 UE1和UE2之间通过IEEE 802.11 WIFI来交换数据，当数据解码失败的时候，空闲UE可以接受通信的分组  
 根据NC包是否加密，以及设备是否空闲来决定是否加入集合R = \{r1, r2, … , rN \}  
 活动UE和空闲UE之间的传输相互独立，PER是包错误率

活跃的UE发送RFC（request for cooperation）帧标志着合作帧的开始，当其他相邻的UE接受到RFC帧的时候，他们决定是否作为relay。所有的relay都会接受到来自UE1和UE2的两个帧，有的relay包括（0 1 2）个帧

--------------------

协作阶段开始：RFC(request for cooperation)  
协作阶段结束：relay的ETC(eager-to-cooperate)或者UE的ACK

根据协作阶段发送包的数量将协议分为三个case：  
![这里写图片描述][70 1]  
CASE0：没有任何relay正确收到了UEPair的包：合作阶段由ETC截止，这个情况下，relay既没有收到p1也没有收到q1，relay发送ETC终止  
![这里写图片描述][70 2]  
CASE1：只有一些relay收到了一个包，另外的relay没收到任何包。被选择的relay发送ETC加上包p1，合作阶段由UE2收到P1包之后发送的ACK。UE2需要发送q1包给UE1，UE1解码失败，发送请求协助信号RFC，能够解码的relay解码之后发送，知道UE1收到包然后发送ACK  
![这里写图片描述][70 3]  
CASE2：两个UE都传送包并且至少有一个relay收到包。Relays之间有竞争，赢得竞争之间的发送ETC和NC包，NC包是两个包的XOR  
性能指标、设置参数  
 吞吐量分析：提出了一个交叉网络理论分析模型来分析吞吐量。能够同时捕获蜂窝网络和D2D的连通性。  
 由于每个通信持续时间不同，每一个结果引起的延迟使用相应的概率加权。为每一个case制定了包到达和接受概率，每一个情况下relay set的大小不同  
 包到达概率：包到达率由eNB下行传输决定，而下行传输收到LTE-A蜂窝网络参数和无线信道情况的影响

--------------------

第五章评估了模型和协议在不同的数据包下行调度策略（different downlink packet scheduling polices）、不同的编码调度策略（modulation and coding schemes）和不同数量的UE情况下的性能。并且展示了在视频传输这个实例下面性能，研究了不同ralay调度的影响  
![这里写图片描述][70 4]  
评估方法：C++继承模拟器  
模型设定：在网络中有K个UE，设定一个信噪比阈值SNRthres。根据这个信噪比阈值将网络中的UE分为两类，信噪比高于阈值的为mhigh，信噪比低于阈值的为mlow。根据类别的不同，采用不同的编码调制方案。Mhigh采用64-QAM方式，Mlow采用QPSK或者16-QAM方式。  
吞吐量计算：单位：bits/s。分子是平均正确受到的有用bit，分母是总传输时间  
能源效率：单位bits/Joule。分子是D2Dpair接收到的有用bits总量，分母是D2Dpair和relay能耗总量。（使用电池能耗来确定能耗总量）  
![这里写图片描述][70 5]  
Fig4固定了relay数量等于5，评估了提出的协议和另外一种协议NCCARQ在UE数目不同的情况下吞吐量。分析了两种pairs，证明了他的协议要比比较的协议吞吐量大。两种pairs的吞吐量不同说明了不同编码调制方案对吞吐量有不同影响  
![这里写图片描述][70 6]  
Fig5比较了不同K值情况下两种协议的能耗效率图，提出的协议要比比较协议能耗效率高。  
![这里写图片描述][70 7]  
Fig6比较了在三种下行传输过程中包packet scheduling情况下，吞吐量。High-high时候MT最高，而low-high的时候PF最高，PF为了找到吞吐量最大值和设备公平的一个平均。  
![这里写图片描述][70 8]  
Fig7比较三种不同下行传输调度的能耗效率  
![这里写图片描述][70 9]  
Fig8比较了不同的K和不同的q（relay占比）情况下（high-high和low-low）对的吞吐量和能耗效率。  
![这里写图片描述][70 10]  
Fig9比较了不同K和不同q情况下UEpair的\_C和relay的\_C,\_C越大，耗能越高。q越大，UEpair耗能越低，而relay耗能越高。

**两点总结**

1.  不同信道质量需要用不同调度策略来达到最高吞吐量
2.  D2D网络吞吐量随着更多relay使用而增加，但是能耗效率降低。

[70]: /images/20220521/dd1e9a64956946189dae36e6a55b367a.png
[70 1]: /images/20220521/9327e14606fd48f59f24f2c15dc336f9.png
[70 2]: /images/20220521/29f5abfb41584e10840257ef14f0dba5.png
[70 3]: /images/20220521/4ec34e525012465b8e4c26ec7d87072f.png
[70 4]: /images/20220521/343bd4a6aaff4c9a8afb6bdf19beb4a0.png
[70 5]: /images/20220521/53ca69927e8744298ac65beaaacf639a.png
[70 6]: /images/20220521/50c6fc5837b54fa29d492f6d3b24b2d6.png
[70 7]: /images/20220521/364188b80c89428c8608afb7cb625783.png
[70 8]: /images/20220521/f6bb5ef6bfa047e997312767fc0a4674.png
[70 9]: /images/20220521/1dddd81f724544d7bb3920bd2982f7f7.png
[70 10]: /images/20220521/9aa70bbdb06e42c7a4190f490339e216.png