【网安学术】5G无线网络中D2D通信的辅助路由算法

摘要：端到端（D2D）通信是一种可扩展基站覆盖范围的技术。随着5G慢慢到来，人们对端到端的通信研究越来越有兴趣。通过研究，提出了一种网络辅助路由算法——NAR，用于5G蜂窝架构中的端到端通信，目标是扩展基站的覆盖范围。NAR考虑到蜂窝网络中的D2D通信由基站管理，参考基于负载均衡的选择性点播多路径距离矢量算法，将两种算法在SimuLTE中予以实现。结果表明，提出的方案提高了35%的节能，发送数据包数量增加15%。

0 引 言

第五代移动通信系统（5G）承诺，通过提供更高密度的移动宽带用户、支持端到端通信、超可靠和大规模的机器型通信来革新蜂窝通信[1]。

端到端（D2D）通信是一种可扩展基站覆盖范围的技术。一些研究人员一直在讨论在长期演进（LTE）中应用D2D的优缺点。事实上，重新思考移动通信体系结构，似乎是减少维护成本和提供创新服务部署的基础[2]。这项工作中，提出了NAR（网络辅助路由）算法。该算法设计用于在一小组基站因不可控原因而无法工作时为该区域提供D2D通信。与其他方法不同，NAR算法在为移动设备分配资源块来定义路由时，考虑了信道质量。

作为参考，将NAR与文献[3]中提出的基于负载均衡的选择性点播多路径距离矢量算法（LBS-AOMDV）进行比较，将两种算法在SimuLTE[4]（基于OMnet++）中予以实现。结果表明，所提方案节能提高35%，发送数据包数量增加15%。

文章结构如下：第1部分介绍相关工作；第2部分介绍NAR算法；第3部分介绍仿真情况；第4部分比较两种算法；第5部分总结。

1　相关工作

当前，D2D通信吸引了越来越多的业界和学术界的关注。文献[5]中，Asadi等人描述了各种类型的D2D通信。

Sharma等人设计了一种有效算法来平衡不同层级单元之间的负载，从而允许更多用户同时访问资源[6]。

Yuan等人提出了一种干扰感知路由（IAR），用于减少基站造成的D2D干扰，而路由过程沿着基站小区的边缘[7]。同时，Ren等人也提出利用干扰感知路由来减少传递消息时的跳数[8]。

Lee等人提到，蜂窝和D2D通信实体之间的干扰可能在共享相同资源时发生[9]，因此提出了一种减少设备之间可能干扰的资源分配方案。

Melki等人在文献[10]中基于干扰避免方法，提出用于多跳D2D路由的无线资源分配。

文献[11]通过优化信道重用和功率分配，为多跳D2D系统提供了一种新的节能多跳路由算法。

最后，Tata和Kadoch[3]提出了基于负载均衡的选择性点播多路径距离矢量算法（LBS-AOMDV），用于计算两个端点之间的多路径路由。LBS-AOMDV在第3部分讨论。

本文方案与以往提案不同，通过分析信道质量选择最佳路由，提出了一种基于基站来管理和定义D2D通信中使用的路由的路由算法。

2　NAR——网络辅助路由算法

当一小部分基站由于不可控因素而面临技术故障时，NAR可为该区域提供D2D通信。但是，NAR算法需要至少一个活动基站。NAR使用贪婪的启发式方法来执行资源分配，使用参数化阈值内的最短路径和信道质量指标（CQI）定义基站和移动设备之间的多跳路由，且允许基站在小区内不同移动设备之间管理路由，寻求更好的干扰管理、更好的资源利用率和更小的功耗。

D2D通信采用以下方式进行：（1）小区的每个用户设备（UE）在接收到分组转发请求时，向基站请求一个路由，用于D2D通信以转发分组；（2）基站分配资源块（RB）并定义哪个UE将参与该路由，确保所有设备使用相同的资源块；（3）在分配资源后，向请求的UE发送消息，通知负责转发分组的设备；（4）接收到通知后，使用定义的资源块发送数据；（5）直接在UE之间交换数据；（6）发起UE关闭传输，并释放资源块。

算法1：NAR在算法

1://provided that Gis a graph

2:DATE:G=(V,E),CQImin=13

3://where N are the routes and P are the devices

4:RESULT:Gr=(N,P)

5:INPUT:v→v=RROUTE

6:while 1 do

7:  if v=RROUTE then

8:     //s=eNB,d=UE

9:     e=dijkstra(s,d)

10:   //SREQ is sent from s through e

11:    Sreq(d,(child(),CQI())

12:   //d broadcast "Hello" with TTL=1

13:     Hellomsg(d,TTL)

14:   for n do n∈G receiving Hellomsg(d,TTL)n-1

15:     //n respond to d with reply "Hello"

16:     //CQI for the channel

17:      Hellorep(n,d,CQI)

18:      children(d)=children(d)U{n}

19:   end for

20:     //d unicast SREQ to s (as a response to Rrep)

21:     Srep(d,s,(child(),CQI())

22:     //s defines a set of children

23:      Hellomsg(s,TTL)

24:   for n do n∈G receiving Hellomsg(s,TTL)n-1

25:     //n respond to s with reply "Hello"

26:     //CQI for the channel

27:       Hellorep(n,s,CQI)

28:       children(s)=children(s)U{n}

29:    end for

30:   //s builds the set of children belonging to multiple paths

31:   ch(s)={nk∈children(s)|CQI(nk)≥CQImin}

32:   ch(d)={n1∈children(d)|CQI(n1)≥CQImin}

33:   RREQ(Rreqid,ch(s),ch(d),CQImin)

34:   RreqTx(s)=off

35:   RreqRx(s)=off

36:   for nk do nk∈ch(s)nk+1

37:     RreqRx(s)=off

38:   end for

39:   allocateResources()

40:   end if

41:end while 

当eNB（基站）从UE接收到用于执行D2D通信的请求（RROUTE）时开始。运行Dijkstra算法以找到eNB和移动设备（eUE）之间的最短路径，请求分组（SREQ）从eNB发送到eUE。

在发送响应（SREP）前，UE向其所有相邻的设备广播生命期（TTL）为1的Hello消息（Hello-msg）。接收到该消息的每个设备都会返回其信道质量。子路和CQI通过SREP响应分组被发送到eNB。RREQTX和RREQRX属性用于存储开启和关闭值，以确定UE是否已收到路由消息。为了确保无循环的多个路由，每个设备发送RREQ，以将RREQTX属性设置为关闭。另外，接收数据包的每个UE必须将RREQTX属性设置为关闭状态。

对eNB而言，它不会将RREQTX设置为关闭状态，直到它将RREQ发送给其所有选定的子路。类似地，UE并未将RREQRX设置为关闭状态，因为它没有从其所有选择的子路接收到RREQ作为多路由的一员。但是，eNB必须只发送（RREQ）给它的子路。因此，每个设备必须选择RREQ路由到最佳子路。

算法2：资源分配算法

1:DATA:ch(s)and ch(d)

2:x=1,RB=25

3://Vertex=mobile device being child of s and d

4:while ch(s),ch(d) contains unallocated vertices and x≤2 do

5: if No vertices adjacent to v use the resource block i then

6:   assign the resource block i to the vertex v

7:   //where RB is the set of resource blocks

8:   withdraw i from RB

9: end if

10:x=x+1

11:end while 

算法2给出了执行资源分配的贪婪启发式算法。一旦UE收到RREQ，它就会响应RREP路由响应。RREP添加有关信道CQI的简单信息，允许选择到多个路径的路由。在定义多个路径后，执行资源分配过程。其中，UE的每个路由请求（RROUTE）被定义为具有不同资源块的两个路由，一个用于D2D通信的路由，另一个在路线发生故障时作为辅助路由。

NAR主动为D2D通信选择多条路由，并在收到路由请求（RROUTE）后选择相应路由。

3　LBS-AOMDV算法

将NAR与基于负载均衡的选择性点播多路径距离矢量算法（LBSAOMDV）进行比较[3]。简单来说，LBS-AOMDV定义了通过异构网络实现D2D通信的多路径路由。LBS-AOMDV的一个特殊性是，提供关于多路径内每条路由的可用带宽信息。此外，它通过减少接收RREQ请求的节点数量减少控制流量。这是可行的，因为RREQ 发送者选择能够接收分组的节点。

该算法转发来自源的RREQ，以查找目的地。发送者不使用泛洪，而是选择其子路中的最佳路径作为RREQ接收器。式（1）描述了最好的子路的定义：

父节点pr 的最佳子节点cb 是可以向其父节点提供最佳带宽数量（BestBW）的节点。BestBW的数量取决于pr 子路的可用带宽。

4　基准

4.1　信道质量

为了比较NAR算法与其他算法，分析以下指标：信道质量、能量消耗、发送和丢失的信息。

为了评估通信信道质量，移动设备根据蜂窝信号电平测量结果发送信息。CQI的信息很重要，因为它可以用来衡量通信的覆盖范围。图1描绘了通信信道质量与移动设备之间的距离（米）之间的关系。结果表明，距离小于80 m时，拥有良好的信道质量。较高的CQI值，表示较好的信道质量。

4.2　能量消耗和消息传递率

评估数据包传输和路由间的能耗（不考虑控制包），结果如表1所示。

此外，根据发送和丢失的消息来评估交付的性能。在考虑仿真场景时，NAR比LBS-AOMDV多发送约15%的消息（数据包）。与LBS-AOMDS相比，NAR的节能提高约35%。结果表明，NAR算法可以为D2D通信定义更好的路由，同时降低干扰风险。

5　结　语

提出了路由D2D通信中的辅助路由算法（NAR）。NAR依赖于至少一个基站，能降低相邻模块间通信产生的干扰风险，同时提高蜂窝频谱的利用率。利用SimuLTE进行实验，比较NAR与LBS-AOMDV两种算法。结果表明，辅助路由算法NAR的节能较LBS-AOMDV提高35%，发送数据包数量增加15%。

参考文献：

[1] Akhil G,Rakesh K J.A Survey of 5G Network:Architecture and Emerging Technologies[J].Access IEEE,2015(03):1206-1232.

[2] Mamta A,Abhishek R,Navrati S.Next Generation 5G Wireless Networks:A Comprehensive Survey[J].IEEE CommunicationsSurveys and Tutorials,2016,18(03):1617-1655.

[3] Chafika T,Michel K.Multipath Routing Algorithm for Device-to-Device Communications for Public Safety over LTE Heterogeneous Networks[C].2014 1st International Conference on Information and Communication Technologies for Disaster Management,2014.

[4] Antonio V, Giovanni S,Giovanni N.SimuLTE-A Modular System Level Simulator for LTE/LTE-A Networks based on OMNeT++[C].Proceedings of SimulTech,2014:28-30.

[5] Arash A,Qing W,Vincenzo M.A Survey on Device-to-Device Communication in Cellular Networks[J].IEEE Communications Surveys and Tutorials,2014,16(04):1801-1819.

[6] Trivedi A,Sharma A,Roberts N.Efficient Load Balancing Using D2D Communication and Biasing in LTE-Advance Het-Nets[C].ICCCT 15-Proceedings of the Sixth International Conference on Computer and Communication Technology,2015:456-460.

[7] Hu Y,Weisi G,Siyi W.Emergency Route Selection for D2D cellular Communications during an Urban Terrorist Attack[C].2014 IEEE International Conference on Communications Workshops,2014:237-242.

[8] Pinyi R,Qinghe D,Li S.Interference-aware Routing for Hop-count Minimization in Wireless D2D Networks[C].2013 IEEE/CIC International Conference on Communications in China-Workshops,2013:65-70.

[9] Gu J,Bae J S,Lee J,et al.A Resource Allocation Scheme for Improving User Fairness in Device-to-Device Communication Based on Cellular Networks[C].IEEE 27th Annual International Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communications(PIMRC),2016:1-5.

[11]ZHAO Jing-yi,LI Xi,XU Quan-sheng.Multi-hop Routing for Energy Efficiency Enhancement in Relay-Assisted Device-to-Device Communication[J].Journal of China Universities of Posts and Telecommunications,2015(03):45-48.

作者简介：

李　鑫，南京邮电大学硕士，主要研究方向为宽带无线通信。

（本文选自《通信技术》2018年第九期）

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