CN104023373A - D2d通信系统的联合呼叫允许接入控制和功率控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种D2D通信系统的联合呼叫允许接入控制和功率控制方法,D2D通信系统中的终端包括蜂窝网络移动终端CUE和D2D移动终端,所述方法包括以下步骤:当新D2D移动终端对欲接入到网络,对当前小区中的CUE和其它D2D移动终端的发射功率进行调整,若有移动终端超过其最大额定功率则禁止该新D2D终端对接入网络;当没有新D2D终端对接入网络时,随着移动终端位置的移动及时间的变化,对终端的发射功率进行调整,若有终端超过其额定功率则选取最大发射功率的D2D移动终端踢出网络;当D2D移动终端对离开网络,对小区中的CUE和其它D2D移动终端的发射功率进行调整。本发明的方法能有效提高融合网络容量,其性能优越,且易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及异构融合网络领域,具体涉及一种Device-to-Device(D2D)通信系统的联合呼叫允许接入控制和功率控制方法。
背景技术
D2D通信是一种在系统的控制下,允许终端之间通过复用小区资源直接进行通信的新型技术。D2D能显著提高蜂窝通信系统频谱效率,降低终端发射功率,在一定程度上缓解了无线通信系统频谱资源匮乏的问题。目前,随着社交网络的迅速发展,朋友间近距离数据共享等应用的流行使得人们对了解附近感兴趣的事物并与之通信的需求逐渐增加。同时,在智能家居、安全监控等应用中,网关和传感器之间需要一种能够使距离较近的设备之间直接进行通信的技术手段。此外,在某些网络覆盖较差的地方,利用附近的手机终端进行协作中继保持与基站的通信,也是一种基于位置的通信手段。
D2D通信系统指D2D技术应用于蜂窝网系统,以提高资源利用率和网络容量。其中,每一个D2D通信链路占用与一个蜂窝网系统通信链路相等的资源。D2D通信将在基站的控制下获得通信所需的频谱资源和传输功率。但是,在与蜂窝网络共享无线资源的同时,也会产生复用小区频谱资源所带来的干扰问题,D2D通信复用上行链路资源时,基站受到D2D通信的干扰,D2D通信复用下行链路资源时,下行链路的用户受到D2D通信的干扰。
呼叫允许接入控制和功率控制是无线通信系统中的一种重要的资源管理功能,也是D2D通信系统中的重要功能和关键特性。呼叫允许接入控制和功率控制可以认为是无线通信中最复杂和最重要的过程之一。
D2D通信系统的呼叫接入控制在资源管理中扮演着一个非常重要的角色。呼叫接入控制方法要充分考虑无线网络的资源情况。呼叫接入控制会按照一定的准则,对意图接入网络的移动终端进行判断,如果满足条件则允许接入到网络,不满足条件则禁止接入到网络中。对于D2D通信系统的呼叫接入控制来说,接入准则需要考虑更多的因素,包括不同网络所能提供的最大的容量、移动终端的位置和用户所需的业务类型等。
功率控制是无线通信系统中的关键技术之一。为使小区内所有移动终端到达基站时的信号电平基本维持在相当水平、通信质量维持在一个可接收水平,对移动终端的发射功率进行控制,从而保证基站端从每个移动终端接收到的接收功率保持最小,既能符合每个移动终端的通信要求,同时又避免对其它移动终端产生不必要的干扰,从而使系统容量最大化。当移动终端在小区内移动时,它的发射功率需要不断变化:当它靠近基站时,需要降低发射功率,减少对其它移动终端的干扰,当它远离基站时,则需要增加发射功率,克服增加的路径衰耗。
对于异构融合网络D2D通信系统来说,资源分配更加复杂,涉及多个网络之间的竞争与合作。同时,从全局资源优化的角度也需要多种资源管理方法之间紧密联系。
因此,对于D2D通信系统来说,需要一种联合呼叫允许接入控制和功率控制方法以提高其系统性能。
发明内容
发明目的:本发明的目的是针对D2D通信系统的呼叫允许控制和功率控制问题,提供一种D2D通信系统的联合呼叫允许接入控制和功率控制方法提高D2D通信系统性能。
技术方案:为实现上述发明目的,本发明D2D通信系统中的联合呼叫允许接入控制和功率控制方法可采用如下技术方案:
一种D2D通信系统的联合呼叫允许接入控制和功率控制方法,D2D通信系统的终端包括蜂窝网络移动终端和D2D移动终端,其中D2D移动终端都以成对形式存在,包括以下符号与参数:
CUE:蜂窝网络移动终端;
DUE:D2D移动终端;
DTUE:D2D移动终端对中的发射移动终端;
DRUE:D2D移动终端对中的接收移动终端;
QoS:服务质量;
SINR:信号干扰噪声比;
M:小区内D2D移动终端对的数量;
β0:满足一定QoS下CUE所需的最小SINR;
βi(i=1…M):满足一定QoS下DRUE i所需的最小SINR;
Pt0:CUE的发射功率;
Pti(i=1…M):DTUE i的发射功率;
g0:CUE与基站之间的路径损耗;
gi:DTUE i与基站之间的路径损耗;
g0,i:CUE与DRUE i之间的路径损耗;
gk,i(k=1…M):DTUE k与DRUE i之间的路径损耗;
li:DTUE i与DRUE i之间的路径损耗;
N0:噪声功率;
当新D2D移动终端对接入网络时,CUE发射功率的增量;
当新D2D移动终端对接入网络时,DTUE i发射功率的增量;
Ptnew:当新D2D移动终端对接入网络时,新D2D移动终端对的DTUE的发射功率;
gnew:当新D2D移动终端对接入网络时,新D2D移动终端对的DTUE与基站之间的路径损耗;
gnew,i:当新D2D移动终端对接入网络时,新D2D移动终端对的DTUE与DRUE i(i=1…M)之间的路径损耗;
lnew:当新D2D移动终端对接入网络时,新D2D移动终端对中的DTUE和DRUE之间的路径损耗;
g0,new:当新D2D移动终端对接入网络时,CUE与新D2D移动终端对的DRUE之间的路径损耗;
gk,new:当新D2D移动终端对接入网络时,DTUE k(k=1…M)与新D2D移动终端对的DRUE之间的路径损耗;
βnew:当新D2D移动终端对接入网络时,满足一定QoS下新D2D移动终端对的DRUE所需的最小SINR;
Δ0:无新的D2D移动终端对接入网络时,CUE发射功率的增量;
Δi:无新的D2D移动终端对接入网络时,DTUE i发射功率的增量;
一对D2D移动终端离开网络时,CUE发射功率的增量;
一对D2D移动终端离开网络时,DTUE i发射功率的增量;
所述方法包括以下步骤:
(1)当新D2D移动终端对欲接入到网络时,为保证通信质量,CUE和所有的DTUE必须增加它们的发射功率来克服因为新D2D移动终端对接入网络而引入的额外干扰。首先假设该新D2D移动终端对成功接入网络,计算出当前小区中的蜂窝网络移动终端和其它D2D移动终端的发射功率的增量,对当前小区中的蜂窝网络移动终端和其它D2D移动终端的发射功率进行调整,并计算出该新D2D移动终端的发射功率,然后判断当前小区中的移动终端和新D2D移动终端中是否有移动终端的发射功率超过其额定功率,若有则禁止该新D2D移动终端对接入网络,否则允许该新D2D移动终端对接入网络。
其中,CUE的发射功率增量的计算公式为:
DTUE i的发射功率增量的计算公式为:
新D2D移动终端对的DTUE的发射功率的计算公式为:
(2)当没有新的D2D终端对接入网络时,随着移动终端位置的移动及时间的变化,移动终端的发射功率也会发生变化。移动终端每隔一段时间测量一次网络信号并报告给基站,基站端收到这些测量报告,然后计算出当前小区中的蜂窝网络移动终端和D2D移动终端的发射功率的增量,对移动终端的发射功率进行调整,若有移动终端的发射功率超过其额定功率则选取最大发射功率的D2D移动终端对踢出网络,踢出网络后其它移动终端功率的调整过程见步骤(3)。
其中,CUE的发射功率增量的计算公式为:
DTUE i发射功率的增量的计算公式为:
(3)当一对D2D移动终端对离开网络时,计算出当前小区中的蜂窝网络移动终端和其它D2D移动终端的发射功率的增量,对当前小区中的蜂窝网络移动终端和其它D2D移动终端的发射功率进行调整。
其中,CUE的发射功率增量的计算公式为:
DTUE i发射功率的增量的计算公式为:
其中,j为离开的D2D移动终端对的序号。
此时,功率增量都为负数,即所有移动终端仍然工作在其额定功率之下,因此不会出现其它移动终端被踢出网络的情况。
有益效果:与现有技术相比,本发明的D2D通信系统的联合呼叫允许接入控制和功率控制方法能够提高异构融合网络的性能,提高网络容量,其性能优越,且易于实现。
附图说明
图1是本发明实施例的流程图;
图2是D2D通信系统的场景图;
图3是D2D通信系统在不同r0和L下容纳的D2D终端对的数量比较;
图4是D2D通信系统在不同r0和L下的发射功率比较;
其中,r0和L为仿真参数,r0是CUE与基站之间的距离,L是DRUE与对应的DTUE之间的距离。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,进一步阐明本发明,应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
场景的选择直接影响了联合呼叫允许接入控制和功率控制方法的性能,下面详细分析一下场景的设定与参数的设置。
1.移动终端的分类与数量
在D2D通信系统中,终端分为两类:传统蜂窝网移动终端CUE和D2D移动终端DUE。D2D移动终端是以成对形式存在的,一对D2D移动终端包括D2D发射移动终端DTUE和D2D接收移动终端DRUE。在FDD-LTE网络中,一个子信道最多容纳一个CUE,而多个D2D终端对可以同时共享CUE终端所使用的信道资源。因此,不失一般性,我们假设一个子信道下存在1个CUE和M对DUE。
2.干扰分析
在D2D通信系统中,D2D网络使用了蜂窝网络的频谱资源,因此使用D2D网络的终端和使用蜂窝网络的移动终端之间会产生相互干扰,主要包括:蜂窝网络上行链路对D2D通信的干扰、蜂窝网络下行链路对D2D通信的干扰、D2D通信对蜂窝网络上行链路的干扰、D2D通信对蜂窝网络下行链路的干扰、D2D通信对D2D通信的干扰、蜂窝网络的上下行干扰等。一方面,D2D通信的引入提高了网络容量,另一方面,D2D通信引入带来的额外干扰则又降低了网络容量。同时,这些额外干扰与使用D2D通信移动终端的数量、发射功率和位置有密切关系。
3.服务质量要求
在D2D通信系统中,为满足一定服务质量的通信,每个移动终端需要满足一定的信号干扰噪声比SINR。在D2D通信系统中,我们假设存在1个CUE和M对DUE,其对应的最低SINR分别为β0和βi(i=1…M)。
4.问题公式化
CUE的SINR可以表示为:
其中,Pt0为CUE的发射功率;g0为CUE与基站之间的路径损耗;
Pti(i=1…M)为DTUE i的发射功率;M为DUE终端对的数量;gi为DTUEi与基站之间的路径损耗;N0为噪声功率;β0为满足一定QoS下CUE所需的最小SINR。
DRUE i的SINR可以表示为:
其中,
li为DTUE i与DRUE i之间的路径损耗;g0,i为CUE与DRUE i之间的路径损耗;gk,i(k=1…M)为DTUE k与DRUE i之间的路径损耗;βi(i=1…M)为满足一定QoS下DRUE i终端所需的最小SINR;其它参数同上。
基于上述公式,移动终端的发射功率可以表示为:PH+B=0。其中,P=(Pt0,Pt1,...,PtM),B=(β0N0/g0,β1N0/l1,...,βMN0/lM),0是1×(M+1)阶零向量,
5.性能指标
(1)DUE移动终端对的最大数量
对于传统蜂窝网来说,因为CUE在本小区不会受到其它移动终端的干扰,所以在额定功率限定下容易满足一定的通信服务质量。但在D2D通信系统中,CUE和DUE终端对之间相互存在干扰,而我们必须满足CUE和其它DUE终端对正常通信情况下所需要达到的信号干扰噪声比,因此需要增加移动终端的发射功率来克服这些额外干扰。同时,因为移动终端发射功率的增加势必影响网络所能容纳的移动网终端的数量。所以在额定功率条件下,D2D通信系统能够容纳的DUE移动终端对的最大数量是一个重要的性能指标。
(2)平均发射功率
在D2D通信系统中,移动终端分为CUE和DUE移动终端对。对于所有移动终端来说,其平均发射功率可以表示为:
其中:P=(Pt0,Pt1,...,PtM).
同样地,对于所有DUE移动终端对来说,其平均发射功率可以表示为:
基于上述理论基础,对本发明的联合呼叫允许接入控制和功率控制方法进行设计。
如图1和图2所示,本发明提供的一种D2D通信系统的联合呼叫允许接入控制和功率控制方法,包括以下符号与参数:
CUE:传统蜂窝网移动终端;
DUE:D2D移动终端;
DTUE:D2D移动终端对中的发射移动终端;
DRUE:D2D移动终端对中的接收移动终端;
QoS:服务质量;
SINR:信号干扰噪声比;
M:小区内D2D移动终端对的数量;
β0:满足一定QoS下CUE所需的最小SINR;
βi(i=1…M):满足一定QoS下DRUE i所需的最小SINR;
Pt0:CUE的发射功率;
Pti(i=1…M):DTUE i的发射功率;
g0:CUE与基站之间的路径损耗;
gi:DTUE i与基站之间的路径损耗;
g0,i:CUE与DRUE i之间的路径损耗;
gk,i(k=1…M):DTUE k与DRUE i之间的路径损耗;
li:DTUE i与DRUE i之间的路径损耗;
N0:噪声功率;
当新D2D移动终端对接入网络时,CUE发射功率的增量;
当新D2D移动终端对接入网络时,DTUE i发射功率的增量;
Ptnew:当新D2D移动终端对接入网络时,新D2D移动终端对的DTUE的发射功率;
gnew:当新D2D移动终端对接入网络时,新D2D移动终端对的DTUE与基站之间的路径损耗;
gnew,i:当新D2D移动终端对接入网络时,新D2D移动终端对的DTUE与DRUE i(i=1…M)之间的路径损耗;
lnew:当新D2D移动终端对接入网络时,新D2D移动终端对中的DTUE和DRUE之间的路径损耗;
g0,new:当新D2D移动终端对接入网络时,CUE与新D2D移动终端对的DTUE之间的路径损耗;
gk,new:当新D2D移动终端对接入网络时,DTUE k(k=1…M)与新D2D移动终端对的DRUE之间的路径损耗;
βnew:当新D2D移动终端对接入网络时,满足一定QoS下新D2D移动终端对的DRUE所需的最小SINR;
Δ0:无新的D2D移动终端对接入网络时,CUE发射功率的增量;
Δi:无新的D2D移动终端对接入网络时,DTUE i发射功率的增量;
一对D2D移动终端离开网络时,CUE发射功率的增量;
一对D2D移动终端离开网络时,DTUE i发射功率的增量;
图2描述了D2D通信系统的场景图,基于此场景我们提出联合呼叫允许接入控制和功率控制方法。首先,我们提出一个呼叫允许控制方案:当有新的D2D移动终端对接入网络,我们需要计算出如果该新D2D移动终端对成功接入网络后其它各个移动终端新的发射功率,如果所有移动终端的发射功率都是在其额定功率条件下,则该新的D2D移动终端对成功接入到网络中。
如图1所示,本发明所述方法包括以下步骤:
(1)当新D2D移动终端对欲接入到网络时,为保证通信质量,CUE和所有的DTUE必须增加它们的发射功率来克服因为新D2D移动终端对接入网络而引入的额外干扰。首先假设该新D2D移动终端对成功接入网络,计算出当前小区中的蜂窝网络移动终端和其它D2D移动终端的发射功率的增量,对当前小区中的蜂窝网络移动终端和其它D2D移动终端的发射功率进行调整,并计算出该新D2D移动终端的发射功率,然后判断是否存在任一移动终端的发射功率超过其额定功率,若存在则禁止该新D2D移动终端对接入网络,否则允许该新D2D移动终端对接入网络。
其中,CUE的发射功率增量的计算公式为:
DTUE i的发射功率增量的计算公式为:
对于新的D2D移动终端对,为满足一定QoS条件下新D2D移动终端对的DTUE的发射功率的计算公式为:
(2)当没有新的D2D终端对接入网络时,随着移动终端位置的移动及时间的变化,移动终端的发射功率也会发生变化。移动终端每隔5ms测量一次网络信号并报告给基站,基站端收到这些测量报告,然后计算出当前小区中的蜂窝网络移动终端和D2D移动终端的发射功率的增量,对移动终端的发射功率进行调整,若有移动终端的发射功率超过其额定功率则选取最大发射功率的D2D移动终端对踢出网络,踢出网络后其它移动终端功率的调整过程见步骤(3)。
其中,CUE的发射功率增量的计算公式为:
DTUE i发射功率的增量的计算公式为:
(3)当一对D2D移动终端对离开网络时,计算出当前小区中的蜂窝网络移动终端和其它D2D移动终端的发射功率的增量,对当前小区中的蜂窝网络移动终端和其它D2D移动终端的发射功率进行调整。
其中,CUE的发射功率增量的计算公式为:
DTUE i发射功率的增量的计算公式为:
其中,j为离开的D2D移动终端对的序号。
此时,功率增量都为负数,即所有移动终端仍然工作在其额定功率之下,因此不会出现其它移动终端被踢出网络的情况。
图3选用了MATLAB仿真软件对D2D通信系统在不同r0和L下所能容纳的D2D移动终端对的数量进行了仿真分析,并对其中的仿真参数进行了相关配置。假设小区半径为500米,移动终端的额定发射功率为24dBm,噪声功率为-105dBm,路径损耗因子为4;同时假设所有DTUE均匀分布在小区内,DRUE均匀分布在以其对应的DTUE为圆心、半径为L的圆内。其中r0是CUE与基站之间的距离。该图表明L越大,容纳的D2D移动终端对的数量越少,这是因为更大的L需要移动终端具有更大的发射功率来克服其它移动终端产生的干扰。同时可以看出,对于不同的r0条件下网络所能容纳的D2D终端对的数量相对稳定,证明CUE的位置对网络所能容纳的D2D终端对的数量影响很小。
图4详细比较了D2D通信系统在不同r0和L条件下的发射功率。首先,对于CUE的发射功率来说,r0越大则路径损耗越大,因此移动终端需要更大的发射功率来维持一定的通信服务质量。同时可以看出CUE的发射功率受L的影响不大,这是因为CUE的发射功率一般要远远大于DTUE的发射功率。其次,对于DTUE的发射功率来说,L越大说明DUE移动终端对中的DTUE和DRUE之间的距离越大,因此DTUE需要更大的发射功率。最后,相比较CUE和DTUE的发射功率,因为r0在大部分情况下都比L的距离大很多,因此CUE的发射功率往往比DTUE的发射功率大。
如上所述,本发明的D2D通信系统的联合呼叫允许接入控制和功率控制方法,能够有效提高融合网络容量,性能优越,且易于实现。
Claims (4)
1.一种D2D通信系统的联合呼叫允许接入控制和功率控制方法,所述D2D通信系统中的终端包括蜂窝网络移动终端CUE和D2D移动终端DUE,其中D2D移动终端都以成对形式存在,包括发射移动终端DTUE和接收移动终端DRUE,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
(1)当新D2D移动终端对欲接入到网络时,首先假设该新D2D移动终端对成功接入网络,计算出当前小区中的蜂窝网络移动终端和其它D2D移动终端的发射功率的增量,对当前小区中的蜂窝网络移动终端和其它D2D移动终端的发射功率进行调整,并计算出该新D2D移动终端的发射功率,然后判断当前小区中的移动终端和新D2D移动终端中是否有移动终端的发射功率超过其额定功率,若有则禁止该新D2D移动终端对接入网络,否则允许该新D2D移动终端对接入网络;
(2)当没有新的D2D终端对接入网络时,随着移动终端位置的移动及时间的变化,计算出当前小区中的蜂窝网络移动终端和D2D移动终端的发射功率的增量,对移动终端的发射功率进行调整,若有移动终端的发射功率超过其额定功率则选取最大发射功率的D2D移动终端对踢出网络,踢出网络后其它移动终端功率的调整过程见步骤(3);
(3)当一对D2D移动终端对离开网络时,计算当前小区中的蜂窝网络移动终端和其它D2D移动终端的发射功率的增量,对当前小区中的蜂窝网络移动终端和其它D2D移动终端的发射功率进行调整。
2.根据权利要求1所述的D2D通信系统的联合呼叫允许接入控制和功率控制方法,其特征在于:
所述步骤(1)中的蜂窝网络移动终端的发射功率的增量的计算公式为:
其它D2D移动终端对的DTUE的发射功率的增量的计算公式为:
新D2D移动终端对的DTUE的发射功率的计算公式为:
上述公式中,
M:小区内D2D移动终端对的数量;
i、k:小区内D2D移动终端对的序号,i=1…M,k=1…M;
β0:满足一定服务质量下CUE所需的最小信号干扰噪声比;
βi:满足一定服务质量下DRUE i所需的最小信号干扰噪声比;
Pt0:CUE的发射功率;
Ptk:DTUE k的发射功率;
g0:CUE与基站之间的路径损耗;
li:DTUE i与DRUE i之间的路径损耗;
N0:噪声功率;
当新D2D移动终端对接入网络时,CUE发射功率的增量;
当新D2D移动终端对接入网络时,DTUE i的发射功率的增量;
Ptnew:当新D2D移动终端对接入网络时,新D2D移动终端对的DTUE的发射功率;
gnew:新D2D移动终端对中的DTUE与基站之间的路径损耗;
gnew,i:新D2D移动终端对中的DTUE与DRUE i之间的路径损耗;
lnew:新D2D移动终端对中的DTUE和DRUE之间的路径损耗;
g0,new:CUE与新D2D移动终端对中的DRUE之间的路径损耗;
gk,new:DTUE k与新D2D移动终端对中的DRUE之间的路径损耗;
βnew:满足一定服务质量下新D2D移动终端对中的DRUE所需的最小信号干扰噪声比;
βk:满足一定服务质量下DRUE k所需的最小信号干扰噪声比;
gnew,k:新D2D移动终端对中的DTUE与DRUE k之间的路径损耗;
lk:DTUE k与DRUE k之间的路径损耗。
3.根据权利要求1所述的D2D通信系统的联合呼叫允许接入控制和功率控制方法,其特征在于,
所述步骤(2)中的蜂窝网络移动终端的发射功率的增量的计算公式为:
D2D移动终端对的DTUE的发射功率的增量的计算公式为:
上述公式中,
M:小区内D2D移动终端对的数量;
i、k:小区内D2D移动终端对的序号,i=1…M,k=1…M;
Δ0:无新的D2D移动终端对接入网络时,CUE发射功率的增量;
Δi:无新的D2D移动终端对接入网络时,DTUE i的发射功率的增量;
Δk:无新的D2D移动终端对接入网络时,DTUE k的发射功率的增量;
β0:满足一定服务质量下CUE所需的最小信号干扰噪声比;
βi:满足一定服务质量下DRUE i所需的最小信号干扰噪声比;
g0:CUE与基站之间的路径损耗;
gk:DTUE k与基站之间的路径损耗;
gk,i:DTUE k与DRUE i之间的路径损耗,其中k≠i;
li:DTUE i与DRUE i之间的路径损耗。
4.根据权利要求1所述的D2D通信系统的联合呼叫允许接入控制和功率控制方法,其特征在于:
所述步骤(3)中的蜂窝网络移动终端的发射功率的增量的计算公式为:
其它D2D移动终端对的DTUE发射功率的增量的计算公式为:
上述公式中,
i:小区内D2D移动终端对的序号;
j:离开D2D移动终端对的序号;
当一对D2D移动终端离开网络时,CUE发射功率的增量;
当一对D2D移动终端离开网络时,DTUE i发射功率的增量;
β0:满足一定服务质量下CUE所需的最小信号干扰噪声比;
βi:满足一定服务质量下DRUE i所需的最小信号干扰噪声比;
Ptj:离开的D2D移动终端对中的DTUE的发射功率;
g0:CUE与基站之间的路径损耗;
gj:离开的D2D移动终端对中的DTUE与基站之间的路径损耗;
gj,i:离开的D2D移动终端对中的DTUE与DRUE i之间的路径损耗,其中j≠i;
li:DTUE i与DRUE i之间的路径损耗。
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