CN102547590A - 一种蜂窝网络下基于业务内容相关度的直连通信用户对配对方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蜂窝网络下直连通信用户对的配对方法，涉及通信领域，能够根据用户的业务需求和网络中各用户所含有的业务内容选择适合建立直连通信的用户对，传递或获取有用的信息。这可以在很大程度上减轻基站端负载，有效提高系统资源利用率。本发明的方法包括：在用户有业务需求时，优先通过本地搜索发现可以为自己提供业务的用户来建立直连通信；在本地搜索失效时，有业务需求的用户向基站发出业务请求，由基站按照业务流之间相关度大于所设门限且最大的原则为请求用户选择出可以为该用户提供业务的用户建立直连通信。所述业务流之间的相关度是衡量业务流之间相似程度的物理量。本发明实施例主要用于蜂窝网络下直连通信的连接建立过程。

Description

一种蜂窝网络下基于业务内容相关度的直连通信用户对配对方法

技术领域

本发明涉及通讯领域，尤其涉及一种蜂窝网络基于业务内容相关度的直连通信用户对配对方法。

背景技术

为了提高蜂窝网络中资源利用率，缓解网络中某些区域负载过重等问题，蜂窝网络中的直连通信(也称为：D2D/P2P/M2M，Device-to-Device，Peer-to-Peer，Machine-to-Machine)成为发展热点。采用直连通信方式的用户直接与网络中的其他终端设备进行通信，传递或者获取有用的信息，而不通过基站转接。这可以在很大程度上减轻基站端的负载，并提高系统资源利用率。但如何寻找可以进行D2D通信的D2D用户对就成为一个问题。

在现有的有关蜂窝网络下D2D的研究中，大都假设系统中已经存在连接好的D2D用户对，而研究方向主要是在假设已存在D2D用户对的场景下进行干扰管理和资源优化，很少关注如何选择可以建立D2D连接的用户对，即进行D2D配对，而这个其实是D2D性能研究的一个前提。为了更好地解决D2D连接建立问题，本发明提出了一种基于业务内容相关度的D2D用户对选择方法，从上层研究建立D2D连接的条件。通过综合考虑上层的业务内容、用户之间的物理信道条件，如用户之间的距离等，来更好地解决如何建立D2D连接这一关键问题。

发明内容

本发明的实施例提供一种蜂窝网络下基于业务内容相关度的D2D用户配对方法，解决建立D2D连接的充分条件，即存在业务上的供求关系。具体步骤包括：

步骤一：用户进行本地搜索。有业务需求的用户设备(请求用户)优先以系统设定的探测功率向周围用户广播业务请求索引信息或者单独向已知的包含所需业务的用户设备发送连接请求(类似蓝牙)。如果在限定的时间内存在用户设备对该广播信号正确响应(响应用户)，则本地搜索成功，该请求用户可以选择最优的响应用户拟建立D2D连接，并向基站发送D2D连接信息，并等待基站分配资源，D2D连接建立过程结束。

其中，业务请求索引信息是能表征用户业务请求的关键信息元素，类似于关键字。为了减小干扰，设定的探测功率一般较小。D2D连接信息包括建立D2D连接的用户ID、信道质量等。用户对广播信息进行响应的条件是该用户含有请求用户所需的业务，并且有能力(未处于繁忙状态)作为业务提供者，而正确响应的情况是响应用户正确解调出请求用户发送的业务请求。请求用户选择最优的响应用户的原则可以是响应速度最快的用户等。本地搜索成功包含以下两种情况：

第一种情况是请求用户未知哪些用户包含它所需信息，即通过广播信道广播其业务请求索引信息。如果广播域内存在其他用户包含请求用户的所需信息并同意建立D2D连接，则由响应用户向请求用户发送响应信号。请求用户会选择最先到达的响应信号所对应的响应用户作为D2D连接建立对象；

第二种情况是请求用户已知哪些(个)用户包含它所需信息，则请求用户直接向对应的用户发送连接建立请求。如果这些用户中存在愿与请求用户建立D2D连接的响应用户，则D2D连接建立成功。

步骤二：用户报告业务请求。所有未能通过本地搜索建立D2D连接的用户，在特定的时隙或者频带上向服务基站发送业务请求索引信息。基站根据每个请求用户的索引信息从本地业务流存储器中正确还原出各请求用户实际需要的业务流。

其中，基站侧的本地业务流存储器中备份着网络中所有用户存储的业务流信息，以及部分没有在用户端存储的业务流信息。这些没有在用户端存储的信息在需要的时候只能由基站直接向用户提供。

步骤三：基站为请求用户选择响应用户。对于某特定的请求用户，基站将步骤二中还原出的对应业务流与网络中所有用户备份在基站端的业务流之间的相关度，按系统设定的原则选择可以为请求用户提供业务的响应用户集合。如果存在这样的响应用户，则D2D配对成功，由基站向D2D用户对发送D2D链路信息，并分配资源；如果不存在这样的响应用户，则D2D配对失败，由基站直接向请求用户发送资源(蜂窝用户模式)。

其中，业务流之间的相关度是对业务流之间相似度的一种度量，衡量响应用户中存储的业务流能够为请求用户提供多少所需的信息量。计算方法如下：

上式中，I代表互信息，H代表熵。分子表示响应用户的业务流可以为请求用户提供的信息总量，分母表示请求用户对信息总量的要求，整个式子代表按照请求用户所需的信息总量进行归一化的、响应用户的业务流可以为请求用户提供的信息量。系统设定的选择可以为请求用户提供业务的用户集合的原则是相关度最大用户或者相关度在某个门限之上的用户集合。由基站直接向请求用户发送资源的情况下，如果基站存储了用户所需的业务流，则业务传递可直接进行；如果基站没有存储用户所需的业务流，则由基站向网络侧的其他基站请求业务，之后再传递给请求用户。

步骤四：在D2D用户对之间的业务传递完毕之后，由请求用户向基站报告业务完成消息。基站根据该消息删除已存的业务请求记录并更新基站本地存储器中的业务信息以及对应的用户信息。

步骤五：用户可以每隔一定周期向基站发送业务请求。如果没有业务请求，则保持静默。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中提供的D2D用户对配对方法的流程图；

图2是本发明实施例中提供的用户侧本地搜索流程图；

图3是本发明实施例中提供的用户侧本地搜索区域示意图；

图4是本发明实施例中提供的用户侧本地搜索成功的第一种情况示意图；

图5是本发明实施例中提供的用户侧本地搜索成功的第二种情况示意图；

图6是本发明实施例中提供的基站侧通过索引信息还原业务流示意图；

图7是本发明实施例中提供的基站侧响应用户选择示意图；

图8是本发明实施例中提供的基站侧计算相关度的示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施例提供了一种蜂窝网络下基于业务内容相关度的D2D用户配对方法。具体流程如图1所示，包括：

步骤s101：有业务请求的用户首先进行本地搜索。若搜索成功，则D2D配对成功；否则，向基站发送业务请求。

步骤s102：在用户上报完业务请求索引信息之后，由基站将其还原成请求用户所需的业务流。

步骤s103：由基站计算请求用户所需业务流与其他用户存储的业务流之间的相关度。

步骤s104：将计算得到的相关度与预设的门限值比较，依此选择可为请求用户提供业务的响应用户。若选择成功，则D2D配对成功；否则，由基站向用户提供业务。

以下结合具体的应用场景，对本发明中根据业务内容相关度进行D2D配对的具体实施方式进行说明。

以下说明用户首先通过本地搜索方式进行D2D配对，其流程如图2所示，本地搜索区域如图3所示。在本地搜索情况下，主要分成两种场景：

(1)请求用户未知周围用户的业务分布情况，只能通过广播发送自己的业务请求，并被动等待其他用户的响应，如图4所示；

(2)请求用户已知周围用户中哪个(些)用户含自己所需的信息，可以通过单(多)播的形式有针对地主动进行业务请求，配对成功率更高，如图5所示；

(一)未知周围业务分布的广播场景

请求用户将索引信息通过探测功率P向周围广播，并启动定时器T。

广播域中的用户在不同的时刻接收到请求用户的业务请求信号。处于空闲状态(无正在进行的其他业务或尚有余力为其他用户提供业务)的其他用户，接收到该广播信号后解调其中包含的业务请求，如果本地存在对应业务，则向请求用户发送响应信号。

请求用户在接收到第一个响应信号之后，将该用户选定为业务提供者，并向选定用户发送确认信号。其他尚未发送响应信号的用户在接收到该确认信号之后不再发送响应信号。确定完D2D对之后，由请求用户向基站发送D2D配对信息(两用户ID，信道状态等)，并等待基站为其分配资源。如果请求用户在限定的时间内没有接收到任何响应信号，则本地搜索失败。

(二)已知周围业务分布的单(多)播场景

请求用户已知周围哪个(些)用户包含其所需的业务流，例如用户A已知用户B含有业务流“盗梦空间”，想通过B获得该业务流。请求用户在特定的信道上向该用户(用户集合)发送业务请求。被请求用户在接收到请求信号之后，在限定的时间内将响应信号发送到请求用户，D2D配对成功，同样由请求用户向基站发送D2D配对信息并等待资源分配，而无需再向响应用户发送确认信号；否则，本地搜索失败。

广播和单(多)播场景无本质区别，只是一些操作细节上有部分差异。这里将两种模式分开，是为强调请求用户两种不同的信息状态。广播模式是一种盲请求，而单(多)播模式是一种有针对性的主动请求，只要前向请求信号和反向响应信号的传输链路不出问题，一般都能配对成功。

以下说明用户没有通过本地搜索完成D2D配对时向基站发送业务请求的过程。

如果用户没有通过本地搜索找到合适的用户为其提供业务资源，则向基站发送业务请求，其中包含请求用户ID和业务请求索引信息，如图6中左表所示。为了给下一步计算业务流相关度做准备，基站端将根据本地业务流存储器，将索引映射成用户实际需要的业务流。该本地业务流存储器中备份着基站覆盖范围内所有用户所含的业务流以及一些只在基站中存在的业务流。此时，可能出现两种情况：

(1)基站的本地业务流存储器中包含了用户所需的业务流。此时，可由在本地业务流存储器中通过索引信息直接映射出相应的业务流。

a)如果映射出的业务流只存储在基站中，则D2D配对失败，并由基站为请求用户传递业务；

b)如果映射出的业务流也包含在其他用户中，则基站优先选择网络中的其他用户为请求用户传递业务，即采用D2D通信方式来提高系统资源复用效率、增加网络容量。

(2)基站的本地业务流存储器中不包含用户所需的业务流。此时，可由基站向网络中其他基站请求该业务流。此时如(1)中a)类似，D2D配对失败，只能由基站为请求用户传递业务。

以下说明对于可通过D2D方式进行业务传递的请求用户来说，选择可以为其提供业务的用户的方法，如图7所示。

对于可由网络中其他用户提供业务的请求用户来说，基站首先计算请求用户所需的业务流与网络中其他用户所含的业务流之间的相关度。该相关度是衡量两个业务流之间的相似度的参数，表征某用户所含的业务流可以为请求用户提供多大的信息量。在计算出相关度之后，由基站根据设定的原则选择出可以为请求用户提供业务的用户或用户集合。所提的选择原则可以是相关度最大原则或者相关度在某个设定的门限之上。相关度的计算方法如下：

以下通过实例说明该计算公式的意义。

例如，用户1所需业务流为“孙燕姿的天黑黑”，用户i(i为用户编号，取不同于1的自然数)包含的资源为包含“天黑黑”的孙燕姿的一个专辑，此时按上述相关度计算公式可以得到用户i包含的业务流与用户1所需的业务流之间的相关度为1，即用户i可完全提供用户1所需的业务流。虽然用户i所含的业务流并不与请求用户请求的业务流完全一致，用户i也可作为用户1的业务提供者；对应的，如果用户j(j为用户编号，取不同于1和i的自然数)所含的业务流为“天黑黑”的一个片段，则按上述相关度计算公式可以得到用户j包含的业务流与用户1所需的业务流之间的相关度小于1，即用户j所含的业务流并不能提供用户1所需的全部信息量。这种情况下，优先选择用户i作为用户1的业务提供者。

以下介绍如何根据上述相关度计算公式计算两个业务流之间的相关度，如图8所示。所有业务流在系统中都可以抽象成离散的随机变量序列。离散随机变量以及各变量之间的相关关系组成了业务流的信息量，也是用户想要获得的信息。这里，最关键的部分就是业务流的解析模型，即如何将一个业务流抽象成一个离散随机变量序列。在抽象出来之后，随机变量之间的互信息以及随机变量的熵是不难计算的。

以下通过实例介绍一个简单的解析模型。

例如，对于图像业务，可以对图像进行灰度采样，即将图像的灰度作为解析的标准，将图像抽象成一个随机变量序列。在这个灰度值序列上计算两幅图像之间的互信息可以得到两幅图像之间的相关关系，即其中一幅图像中表达的关于另一幅图像的信息。这里仅以图像业务作为一个例子，实际中可以根据不同的业务进行不同方式的解析。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

Claims (10)

1.一种蜂窝网络下基于业务内容相关度的直连通信用户对配对方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)有业务需求的用户优先进行本地搜索；请求用户，即有业务需求的用户设备，优先以系统设定的探测功率向周围用户广播业务请求索引信息或单独向已知的包含所需业务的用户设备发送连接建立请求；如果存在用户设备对请求用户的广播信号进行响应，则本地搜索成功；响应的用户和请求用户尽力直连通信链路并等待基站分配资源；

2)用户报告业务请求；所有未能通过本地搜索建立直连通信的用户可以在特定的时隙或频带上向主服务基站发送业务请求索引信息；基站根据业务请求的索引信息从本地业务流存储器中还原出用户实际需要的业务流；如果本地业务存储器中不存在所需的业务流，则由主服务基站向网络中其他基站发送业务请求；所提的本地业务流存储器是该基站以及该基站服务的用户中包含的所有业务流的备份；

3)基站为请求用户选择响应用户；如果恢复的业务流不在本地业务流存储器中，则由基站为用户提供业务；如果恢复的业务流在本地业务流存储器中，则为了减轻负载，基站优先从网络中选择可以为请求用户提供业务的其他用户设备建立直连通信；选择的方法是计算2)中还原出的业务流与网络中所有用户备份的业务流之间的相关度，并按照相关度大于系统所设门限且最大的原则找到可以为请求用户提供业务的响应用户；所提相关度计算方法如下：

I代表互信息，H代表熵；分子表示响应用户的业务流可以为请求用户提供的信息总量，分母表示请求用户对信息总量的要求，整个式子表示按照请求用户所需的信息总量进行归一化的、响应用户的业务流可以为请求用户提供的信息量；选定之后，由基站向用户发送直连通信信息，包括用户身份和无线参数；

4)在直接通信的用户对之间的业务传递完毕之后，由请求用户向基站报告业务完成消息；基站根据该消息删除已存的业务请求记录并更新基站本地存储器中的业务信息以及对应的用户信息；

5)用户每个一定周期向基站发送业务请求；如果没有，则保持静默。

2.如权利要求1所述的一种蜂窝网络下基于业务内容相关度的直连通信用户对配对方法，其特征在于，用户在有业务请求时并不是第一时间向基站发起请求，而是先通过自身的本地搜索试图找到可以为自己提供业务的响应用户，这在一定程度上减轻了基站的负载。

3.如权利要求2中所述的一种蜂窝网络下基于业务内容相关度的直连通信用户对配对方法，其特征在于，用户在进行本地搜索时可以根据自身的不同信息状态，采用不同的本地搜索方法来提供本地搜索成功率；如果对周围用户的业务状态完全未知，则采用本地广播的方式；如果已知含有所需业务的用户信息，则采用单播或者多播的方式。

4.如权利要求1所述的一种蜂窝网络下基于业务内容相关度的直连通信用户对配对方法，其特征在于，在本地搜索失效之后，用户才尝试向基站报告业务需求，并由基站恢复出用户所需的实际业务流。

5.如权利要求4所述的一种蜂窝网络下基于业务内容相关度的直连通信用户对配对方法，其特征在于，基站在恢复用户所需的实际业务流时，首先尝试从本地业务流存储器中恢复出用户所需的实际业务流；如果本地业务流存储器中不存在，则向网络中其他基站进行业务请求。

6.如权利要求1所述的一种蜂窝网络下基于业务内容相关度的直连通信用户对配对方法，其特征在于，基站根据不同的业务流恢复情况选择不同的传输模式；如果恢复的业务流不在本地业务流存储器中，则由基站为用户提供业务；如果恢复的业务流在本地业务流存储器中，基站优先选择网络中的其他用户为请求用户提供业务。

7.如权利要求6所述的一种蜂窝网络下基于业务内容相关度的直连通信用户对配对方法，其特征在于，基站优先选择网络中其他用户为请求用户提供业务，选择的方法是计算由基站恢复出的业务流与网络中用户备份的业务流之间的相关度；计算方法如下：

8.如权利要求7所述的一种蜂窝网络下基于业务内容相关度的直连通信用户对配对方法，其特征在于，I代表互信息，H代表熵；分子表示响应用户的业务流可以为请求用户提供的信息总量，分母表示请求用户对信息总量的要求，整个式子表示按照请求用户所需的信息总量进行归一化的、响应用户的业务流可以为请求用户提供的信息量。

9.如权利要求1所述的一种蜂窝网络下基于业务内容相关度的直连通信用户对配对方法，其特征在于，按相关度大于系统所设门限且最大的原则为请求用户选择可为其提供业务的用户。

10.如权利要求1所述的一种蜂窝网络下基于业务内容相关度的直连通信用户对配对方法，其特征在于，在直连通信的用户对之间业务传递完毕之后，由请求用户向基站报告业务完成消息；基站根据用户的报告信息删除已存的业务请求记录并更新基站本地存储器中的业务信息以及对应的用户信息。

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