CN104581868A - 一种等数据块传输速率下利用d2d协作通信的带有公平性和节能效果的数据分发方法 - Google Patents

Abstract

一种等数据块传输速率下利用D2D协作通信的带有公平性和节能效果的数据分发方法，包括以下步骤：(1)基于D2D协作通信，在等数据块传输速率下兼顾用户间公平性的同时完成对数据块的分发，同时相较于每个用户都各自从基站下载数据块的方式达到节能的效果。针对该问题，设计方法根据等数据块传输速率确定数据块的传输时间。(2)规定在数据分发过程中需要考虑的限制条件，针对限制条件设计在给定数据块传输时间和传输速率下的协作式数据分发方法，最终完成对数据块的发送。本发明提供一种基于D2D协作通信在规定数据块传输速率前提下兼顾公平原则的同时通过对数据块传输时间控制和对应的用户中继选择及中继时间控制的带有节能效果的数据分发方法。

Description

一种等数据块传输速率下利用D2D协作通信的带有公平性和节能效果的数据分发方法

技术领域

本发明涉及D2D通信领域中，尤其是一种等数据块传输速率下利用D2D协作通信的带有公平性和节能效果的数据分发方法。

背景技术

随着移动端设备的快速普及，人们对网络数据信息的需求也越来越大，正是在这样的背景下，有限的通信资源也面临着越来越大的压力，由此当用户终端之间足够近时基于D2D通信的通信模式有着越来越广阔的发展背景，尤其在提高资源利用率方面更加值得期待。利用D2D协作通信的方式实现对人们有共同需求数据块的分发，是一种十分有效并且高效的通信模式，这种模式更加符合当前所面临的通信资源紧缺困境的解决需求。但是如何基于这种通信模式设计一套行之有效的解决方案，是我们需要解决的问题。因此，本发明研究如何兼顾用户公平性原则实现在等数据块传输速率下利用D2D协作通信实现对用户需求数据块的分发，并相较于用户各自从基站下载所需数据块的方式达到节能效果，是十分有意义的。

发明内容

为了克服传统通信模式缺乏对资源的高效利用以及能耗较大的不足，本发明提供一种资源利用高效、能耗较小的等数据块传输速率下利用D2D协作通信的带有公平性和节能效果的数据分发方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种等数据块传输速率下利用D2D协作通信的带有公平性和节能效果的数据分发方法：所述数据分发方法包括：

(1)在系统内有个用户，N为总用户数，个数据块，K为总数据块个数，其中，数据块k的需求用户群为Ω^k，数据块k的传输时间为x^k，数据块k的大小为L^k，用户i所需要的数据块集合为U_i，基于D2D的协作通信方式完成对需求用户的数据传输，基站需要在单个时间片T内完成对K个数据块的发送，在数据分发之前将数据块k的传输时间x^k均分为S份每份传输时间为v^k，满足有节能效果条件的中继用户按顺序判断是否满足传输v^k的时间，直至用户可用能量耗尽或者不满足发送条件，最终确定被选为中继的用户对数据块k的中继时间为基站开始数据发送之后，被选为中继的用户在时间内接收来自基站数据块k的同时立即广播给与该中继用户处于同一用户群Ω^k的其他用户，最后，若数据块的传输时间x^k在经过所有可选用户中继之后仍有剩余，即则的传输时间由基站直接对用户广播发送数据完成；针对该问题，所述数据块传输时间x^k具体由以下步骤获得：

步骤1.1：基站在单个时间片T内对K个数据块的传输速率R^k都相等，因此，对于数据块k的传输速率R^k有，其中，k表示数据块集合中的第k个数据块，R^k表示数据块k的传输速率，L^k表示数据块k的大小，T表示单个时间片长度；

步骤1.2：对于数据块k，根据步骤1.1所获得的传输速率R^k，其传输时间x^k有，其中，x^k表示数据块k的传输时间；

(2)根据(1)所述的方法，针对所述被选为中继的用户在时间中接收来自基站数据块k的同时立即广播给与该中继用户处于同一用户群Ω^k内他用户的过程，考虑基于D2D协作通信实现该过程的限制条件，所述限制条件包括以下内容：

用户i作为数据块k的中继用户时间不能超过数据块k的传输时间x^k，即：

$\underset{i\∈{\mathrm{\Ω}}^k}{\mathrm{\Σ}}{z}_i^k\≤x^k\∀k$

用户i在完成对数据块k的中继转发和接收所需数据过程中的能量不能超过其可用能量其中用户i为其所需要的数据块k进行转发所需功率为 $\frac{n}{{\min }_{i\∈{\mathrm{\Ω}}^k}\left\{g_{\mathrm{ij}}\right\}}(2^{R^k}-1)+q_i,$ 对应能耗为 $(\frac{n}{{\min }_{i\∈{\mathrm{\Ω}}^k}\left\{g_{\mathrm{ij}}\right\}}(2^{R^k}-1)+q_i)z_i^k;$ 用户i为接收数据块k所需接收功率为对应能耗为因此即：

$\underset{k\∈U_i}{\mathrm{\Σ}}(\frac{n}{\underset{i\∈{\mathrm{\Ω}}^k}{\min }\left\{g_{\mathrm{ij}}\right\}}(2^{R^k}-1)+q_i)z_i^k+\underset{k\∈U_i}{\mathrm{\Σ}}{h}_i^k{x}^k\≤E_i^{\max }\∀i$

用户i在作为数据块k的中继用户时发送功率不能超过其最大发送功率否则用户i不能被选作中继，即：

$z_i^k\≤x^k\·I(\frac{n}{\underset{i\∈{\mathrm{\Ω}}^k}{\min }\left\{g_{\mathrm{ij}}\right\}}(2^{R^k}-1)+q_i\≤P_i^{\max })\∀i,k$

其中，函数

在上述限制条件中，各参数定义如下：

i：用户i；

q_i：用户i正在发送数据块时的电路功耗；

R^k：数据块k的传输速率；

x^k：数据块k的传输时间；

n：信道背景噪声；

g_ij：用户i与用户j之间的信道增益；

用户i接收数据块k过程中的接收功率；

用户i被选为中继后对于数据块k的发送时间；

用户i最大可用能量；

用户i最大发送功率；

Ω^k：对于数据块k有需求的用户集合；

U_i：用户i需求的数据块集合；

根据所述限制条件，在(1)中所述方法给定数据块传输时间下，选择用户作为中继的同时还要兼顾到对数据块k需求的用户群中的每个用户的公平性，使得能耗尽可能的均分到满足中继条件的用户中去，即在达到节能效果的前提下，尽可能多的选择用户作为中继对属于集合Ω^k的其他用户进行数据块k的分发，步骤包括：

步骤2.1：令tR^k＝x^k， ${\mathrm{ER}}_i=E_i^{\max }-{\mathrm{\Σ}}_{k\∈U_i}{h}_i^k{x}^k,z_i^k=0,$ w＝0，其中，tR^k表示完成数据块k完成传输的剩余传输时间，ER_i表示用户i的剩余可用能量，w表示θ个中的i,k对应ER_i＝0、tR^k＝0或用户i不满足发送功率的个数；

步骤2.2：在考虑数据块传输速率以及包括基站到用户、用户到用户在内信道环境因素下，定义变量计算对于所有数据块k对应属于集合Ω^k内所有用户下的

步骤2.3：将步骤2.2中计算的所有从小到大进行排序，具体如下：

其中，表示从小到大排列第个，其中，θ表示的个数；

步骤2.4：将数据块k传输时间x^k均分成S份，即令其中，v^k表示数据块k的单位传输时间片，S表示数据块传输时间x^k的均分份数；

步骤2.5：若θ＝0，则跳至步骤2.8；否则令l＝1，其中，l表示当前序号；

步骤2.6：对于步骤2.3得到的根据 中的i,k得到对应的ERi和tRk，判断若ERi＝0，tRk＝0，则w＝w+1跳至步骤2.7；否则判断 $P_i^{\max }-\frac{n}{{\min }_{i\∈{\mathrm{\Ω}}^k}\left\{g_{\mathrm{ij}}\right\}}(2^{R^k}-1)+q_i\≥0$ 同时 ${\mathrm{ER}}_i-$ $(\frac{n}{{\min }_{i\∈{\mathrm{\Ω}}^k}\left\{g_{\mathrm{ij}}\right\}}(2^{R^k}-1)+q_i)v^k\≥0,$ 若是，则 $z_i^k=z_i^k+v^k,{\mathrm{ER}}_i={\mathrm{ER}}_i-$ $(\frac{n}{{\min }_{i\∈{\mathrm{\Ω}}^k}\left\{g_{\mathrm{ij}}\right\}}(2^{R^k}-1)+q_i)v^k,$ tR^k＝tR^k-v^k，若否，则w＝w+1跳至步骤2.7；

步骤2.7：若w＝θ，则跳至步骤2.8，否则令l＝l+1，若l>θ，则令l＝1,w＝0并跳至步骤2.6，否则直接跳至步骤2.6；

步骤2.8：对于数据块k，若仍有的传输时间剩余，则剩余传输时间由基站直接进行广播；

步骤2.9：输出：用户i对数据块k的传输时间

本发明的技术构思为：首先，基于D2D协作通信，在等数据块传输速率下兼顾用户间公平性的同时完成对数据块的分发，同时相较于每个用户都各自从基站下载数据块的方式达到节能的效果。针对该问题，设计方法根据等数据块传输速率确定数据块的传输时间。其次，规定在数据分发过程中需要考虑的限制条件，针对限制条件设计在给定数据块传输时间和传输速率下的协作式数据分发方法。即实现在D2D协作通信下兼顾公平性原则的同时通过数据块传输时间控制和对应的用户中继选择及中继时间控制实现的数据分发，同时相较于用户各自从基站下载数据块方式达到节能的效果。

本发明的有益效果主要表现在：1、对于基站而言，通过利用D2D通信的优势，实现对传统网络资源的复用，能够很好地降低基站的通信负载；2、对于用户而言，通过以基于D2D的用户间协作的通信方式，在获得数据资源的同时也达到节省流量资费的效益，又由于基于公平性原则，对于被选为中继的用户来说其中继过程所付出的能耗代价也尽可能地被减小；3、对于整个系统而言，以合理的用户协作方式，有效达到控制整个数据块分发过程的能耗目的，实现数据资源的高效利用。

附图说明

图1是基于D2D协作通信的数据分发系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

参照图1，一种等数据块传输速率下利用D2D协作通信的带有公平性和节能效果的数据分发方法，实行该方法能在满足各用户对数据块的需求下兼顾中继用户间公平性原则的同时，基于D2D协作通信完成数据块的分发，同时相较于每个用户都各自从基站下载数据块的方式达到节能的效果。本发明基于D2D协作通信的数据分发系统(如图1所示)。在基于D2D协作通信的数据分发系统中，通过D2D方式进行协作通信，设计了兼顾公平性原则并带有节能效果的数据分方法，有效提高了资源的利用率，降低了基站的负载。针对基于D2D协作通信的数据分发系统，提出考虑公平性原则基础上以通过数据块传输时间控制和选择用户作为数据分发中继及其作为中继时间的方式，完成对所需求用户的数据块分发，并带有节能效果，其特征在于：所述数据分发方法包括：

(1)在系统内有个用户，N为总用户数，个数据块，K为总数据块个数，其中，数据块k的需求用户群为Ω^k，数据块k的传输时间为x^k，数据块k的大小为L^k，用户i所需要的数据块集合为U_i，基于D2D的协作通信方式完成对需求用户的数据传输，基站需要在单个时间片T内完成对K个数据块的发送，在数据分发之前将数据块k的传输时间x^k均分为S份每份传输时间为v^k，满足有节能效果条件的中继用户按顺序判断是否满足传输v^k的时间，直至用户可用能量耗尽或者不满足发送条件，最终确定被选为中继的用户对数据块k的中继时间为基站开始数据发送之后，被选为中继的用户在时间内接收来自基站数据块k的同时立即广播给与该中继用户处于同一用户群Ω^k的其他用户，最后，若数据块的传输时间x^k在经过所有可选用户中继之后仍有剩余，即则的传输时间由基站直接对用户广播发送数据完成；针对该问题，所述数据块传输时间x^k具体由以下步骤获得：

步骤1.1：基站在单个时间片T内对K个数据块的传输速率R^k都相等，因此，对于数据块k的传输速率R^k有，其中，k表示数据块集合中的第k个数据块，R^k表示数据块k的传输速率，L^k表示数据块k的大小，T表示单个时间片长度；

步骤1.2：对于数据块k，根据步骤1.1所获得的传输速率R^k，其传输时间x^k有，其中，x^k表示数据块k的传输时间；

(2)根据(1)所述的方法，针对所述被选为中继的用户在时间中接收来自基站数据块k的同时立即广播给与该中继用户处于同一用户群Ω^k内他用户的过程，考虑基于D2D协作通信实现该过程的限制条件，所述限制条件包括以下内容：

用户i作为数据块k的中继用户时间不能超过数据块k的传输时间x^k，即：

$\underset{i\∈{\mathrm{\Ω}}^k}{\mathrm{\Σ}}{z}_i^k\≤x^k\∀k$

用户i在完成对数据块k的中继转发和接收所需数据过程中的能量不能超过其可用能量其中用户i为其所需要的数据块k进行转发所需功率为 $\frac{n}{{\min }_{i\∈{\mathrm{\Ω}}^k}\left\{g_{\mathrm{ij}}\right\}}(2^{R^k}-1)+q_i,$ 对应能耗为 $(\frac{n}{{\min }_{i\∈{\mathrm{\Ω}}^k}\left\{g_{\mathrm{ij}}\right\}}(2^{R^k}-1)+q_i)z_i^k;$ 用户i为接收数据块k所需接收功率为对应能耗为因此即：

$\underset{k\∈U_i}{\mathrm{\Σ}}(\frac{n}{\underset{i\∈{\mathrm{\Ω}}^k}{\min }\left\{g_{\mathrm{ij}}\right\}}(2^{R^k}-1)+q_i)z_i^k+\underset{k\∈U_i}{\mathrm{\Σ}}{h}_i^k{x}^k\≤E_i^{\max }\∀i$

用户i在作为数据块k的中继用户时发送功率不能超过其最大发送功率否则用户i不能被选作中继，即：

$z_i^k\≤x^k\·I(\frac{n}{\underset{i\∈{\mathrm{\Ω}}^k}{\min }\left\{g_{\mathrm{ij}}\right\}}(2^{R^k}-1)+q_i\≤P_i^{\max })\∀i,k$

其中，函数

在上述限制条件中，各参数定义如下：

i：用户i；

q_i：用户i正在发送数据块时的电路功耗；

R^k：数据块k的传输速率；

x^k：数据块k的传输时间；

n：信道背景噪声；

g_ij：用户i与用户j之间的信道增益；

用户i接收数据块k过程中的接收功率；

用户i被选为中继后对于数据块k的发送时间；

用户i最大可用能量；

用户i最大发送功率；

Ω^k：对于数据块k有需求的用户集合；

U_i：用户i需求的数据块集合；

根据所述限制条件，在(1)中所述方法给定数据块传输时间下，选择用户作为中继的同时还要兼顾到对数据块k需求的用户群中的每个用户的公平性，使得能耗尽可能的均分到满足中继条件的用户中去，即在达到节能效果的前提下，尽可能多的选择用户作为中继对属于集合Ω^k的其他用户进行数据块k的分发，步骤包括：

步骤2.1：令tR^k＝x^k， ${\mathrm{ER}}_i=E_i^{\max }-{\mathrm{\Σ}}_{k\∈U_i}{h}_i^k{x}^k,z_i^k=0,$ w＝0，其中，tR^k表示完成数据块k完成传输的剩余传输时间，ER_i表示用户i的剩余可用能量，w表示θ个中的i,k对应ER_i＝0、tR^k＝0或用户i不满足发送功率的个数；

步骤2.2：在考虑数据块传输速率以及包括基站到用户、用户到用户在内信道环境因素下，定义变量计算对于所有数据块k对应属于集合Ω^k内所有用户下的

步骤2.3：将步骤2.2中计算的所有从小到大进行排序，具体如下：

其中，表示从小到大排列第个，其中，θ表示的个数；

步骤2.4：将数据块k传输时间x^k均分成S份，即令其中，v^k表示数据块k的单位传输时间片，S表示数据块传输时间x^k的均分份数；

步骤2.5：若θ＝0，则跳至步骤2.8；否则令l＝1，其中，l表示当前序号；

步骤2.6：对于步骤2.3得到的根据 中的i,k得到对应的ERi和tRk，判断若ERi＝0，tRk＝0，则w＝w+1跳至步骤2.7；否则判断 $P_i^{\max }-\frac{n}{{\min }_{i\∈{\mathrm{\Ω}}^k}\left\{g_{\mathrm{ij}}\right\}}(2^{R^k}-1)+q_i\≥0$ 同时 ${\mathrm{ER}}_i-$ $(\frac{n}{{\min }_{i\∈{\mathrm{\Ω}}^k}\left\{g_{\mathrm{ij}}\right\}}(2^{R^k}-1)+q_i)v^k\≥0,$ 若是，则 $z_i^k=z_i^k+v^k,{\mathrm{ER}}_i={\mathrm{ER}}_i-$ $(\frac{n}{{\min }_{i\∈{\mathrm{\Ω}}^k}\left\{g_{\mathrm{ij}}\right\}}(2^{R^k}-1)+q_i)v^k,$ tR^k＝tR^k-v^k，若否，则w＝w+1跳至步骤2.7；

步骤2.7：若w＝θ，则跳至步骤2.8，否则令l＝l+1，若l>θ，则令l＝1,w＝0并跳至步骤2.6，否则直接跳至步骤2.6；

步骤2.8：对于数据块k，若仍有的传输时间剩余，则剩余传输时间由基站直接进行广播；

步骤2.9：输出：用户i对数据块k的传输时间

本实施例着眼于社会热点问题，基于D2D协作通信模式的优势，兼顾中继用户间公平性原则的同时，通过数据块传输时间控制和对应的用户中继选择及中继时间控制的方式实现数据分发，最终相较于每个用户都各自从基站下载数据块的方式达到节能的效果。我们的工作可以使整个数据分发系统在完成数据传输的同时更加节省能量，提高了数据资源的利用率，同时可以使网络运营商服务更多的用户，也使得用户达到获得数据资源的同时节省流量资费的效果。

Claims (1)

1.一种等数据块传输速率下利用D2D协作通信的带有公平性和节能效果的数据分发方法：所述数据分发方法包括：

(1)在系统内有个用户，N为总用户数，个数据块，K为总数据块个数，其中，数据块k的需求用户群为Ω^k，数据块k的传输时间为x^k，数据块k的大小为L^k，用户i所需要的数据块集合为U_i，基于D2D的协作通信方式完成对需求用户的数据传输，基站需要在单个时间片T内完成对K个数据块的发送，在数据分发之前将数据块k的传输时间x^k均分为S份每份传输时间为v^k，满足有节能效果条件的中继用户按顺序判断是否满足传输v^k的时间，直至用户可用能量耗尽或者不满足发送条件，最终确定被选为中继的用户对数据块k的中继时间为基站开始数据发送之后，被选为中继的用户在时间内接收来自基站数据块k的同时立即广播给与该中继用户处于同一用户群Ω^k的其他用户，最后，若数据块的传输时间x^k在经过所有可选用户中继之后仍有剩余，即则的传输时间由基站直接对用户广播发送数据完成；针对该问题，所述数据块传输时间x^k具体由以下步骤获得：

步骤1.1：基站在单个时间片T内对K个数据块的传输速率R^k都相等，因此，对于数据块k的传输速率R^k有，其中，k表示数据块集合中的第k个数据块，R^k表示数据块k的传输速率，L^k表示数据块k的大小，T表示单个时间片长度；

步骤1.2：对于数据块k，根据步骤1.1所获得的传输速率R^k，其传输时间x^k有，其中，x^k表示数据块k的传输时间；

(2)根据(1)所述的方法，针对所述被选为中继的用户在时间中接收来自基站数据块k的同时立即广播给与该中继用户处于同一用户群Ω^k内他用户的过程，考虑基于D2D协作通信实现该过程的限制条件，所述限制条件包括以下内容：

用户i作为数据块k的中继用户时间不能超过数据块k的传输时间x^k，即：

$\underset{{i\∈\mathrm{\Ω}}^k}{\mathrm{\Σ}}{z}_i^k\≤x^k\∀k$

用户i在完成对数据块k的中继转发和接收所需数据过程中的能量不能超过其可用能量其中用户i为其所需要的数据块k进行转发所需功率为 $\frac{n}{{\min }_{{i\∈\mathrm{\Ω}}^k}\left\{g_{\mathrm{ij}}\right\}}(2^{R^k}-1)+q_i,$ 对应能耗为 $(\frac{n}{{\min }_{{i\∈\mathrm{\Ω}}^k}\left\{g_{\mathrm{ij}}\right\}}(2^{R^k}-1)+q_i)z_i^k;$ 用户i为接收数据块k所需接收功率为对应能耗为因此即：

$\underset{{k\∈U}_i}{\mathrm{\Σ}}(\frac{n}{\underset{{i\∈\mathrm{\Ω}}^k}{\min }\left\{g_{\mathrm{ij}}\right\}}(2^{R^k}-1)+q_i)z_i^k+\underset{{k\∈U}_i}{\mathrm{\Σ}}{h}_i^k{x}^k\≤E_i^{\max },\∀i$

用户i在作为数据块k的中继用户时发送功率不能超过其最大发送功率否则用户i不能被选作中继，即：

$z_i^k\≤x^k\·I(\frac{n}{\underset{{i\∈\mathrm{\Ω}}^k}{\min }\left\{g_{\mathrm{ij}}\right\}}(2^{R_k}-1)+q_i\≤P_i^{\max }),\∀i,k$

其中，函数

在上述限制条件中，各参数定义如下：

i：用户i；

q_i：用户i正在发送数据块时的电路功耗；

R^k：数据块k的传输速率；

x^k：数据块k的传输时间；

n：信道背景噪声；

g_ij：用户i与用户j之间的信道增益；

用户i接收数据块k过程中的接收功率；

用户i被选为中继后对于数据块k的发送时间；

用户i最大可用能量；

用户i最大发送功率；

Ω^k：对于数据块k有需求的用户集合；

U_i：用户i需求的数据块集合；

根据所述限制条件，在(1)中所述方法给定数据块传输时间下，选择用户作为中继的同时还要兼顾到对数据块k需求的用户群中的每个用户的公平性，使得能耗尽可能的均分到满足中继条件的用户中去，即在达到节能效果的前提下，尽可能多的选择用户作为中继对属于集合Ω^k的其他用户进行数据块k的分发，步骤包括：

步骤2.1：令tR^k＝x^k， w＝0，其中，tR^k表示完成数据块k完成传输的剩余传输时间，ER_i表示用户i的剩余可用能量，w表示θ个中的i，k对应ER_i＝0、tR^k＝0或用户i不满足发送功率的个数；

步骤2.2：在考虑数据块传输速率以及包括基站到用户、用户到用户在内信道环境因素下，定义变量计算对于所有数据块k对应属于集合Ω^k内所有用户下的

步骤2.3：将步骤2.2中计算的所有从小到大进行排序，具体如下：

其中，表示从小到大排列第个，其中，θ表示的个数；

步骤2.4：将数据块k传输时间x^k均分成S份，即令其中，v^k表示数据块k的单位传输时间片，S表示数据块传输时间x^k的均分份数；

步骤2.5：若θ＝0，则跳至步骤2.8；否则令l＝1，其中，l表示当前序号；

步骤2.6：对于步骤2.3得到的根据 中的i，k得到对应的ER_i和tR^k，判断若ER_i＝0，tR^k＝0，则w＝w+1跳至步骤2.7；否则判断同时 ${\mathrm{ER}}_i-(\frac{n}{{\min }_{{i\∈\mathrm{\Ω}}^k}\left\{g_{\mathrm{ij}}\right\}}(2^{R^k}-1)+q_i)v^k\≥0,$ 若是，则 $z_i^k=z_i^k+v^k,$ ${\mathrm{ER}}_i={\mathrm{ER}}_i-$ $(\frac{n}{{\min }_{{i\∈\mathrm{\Ω}}^k}\left\{g_{\mathrm{ij}}\right\}}(2^{R^k}-1)+q_i)v^k,$ tR^k＝tR^k-v^k，若否，则w＝w+1跳至步骤2.7；

步骤2.7：若w＝θ，则跳至步骤2.8，否则令l＝l+1，若l>θ，则令l＝1，w＝0并跳至步骤2.6，否则直接跳至步骤2.6；

步骤2.8：对于数据块k，若仍有的传输时间剩余，则剩余传输时间由基站直接进行广播；

步骤2.9：输出：用户i对数据块k的传输时间