CN105791391B - 基于文件流行度的d2d融合网络最优协作距离的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于文件流行度的D2D融合网络最优协作距离的计算方法，包括以下步骤：将小区用户运动建模为空间泊松点过程随机分布，每个用户缓存一个视频文件，用户获取视频文件可以选择蜂窝模式或D2D模式，利用Zipf分布模拟了视频文件的流行度，根据D2D和蜂窝通信不同特点单小区内D2D激活的用户数N_D2D与蜂窝激活的用户数N_BS，然后由单个用户分别在D2D模式下与蜂窝模式下的平均吞吐量得到融合网网络容量，通过现有的快速迭代算法获得了具体的应用场景和业务需求下使得D2D融合网络获得最大吞吐量的最优协作距离d^*。

Description

基于文件流行度的D2D融合网络最优协作距离的计算方法

技术领域：

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于文件流行度的D2D融合网络最优协作距离的计算方法。

背景技术：

随着无线通信技术的迅猛发展，追求视频业务的用户与日俱增。视频请求交付所产生的流量很快超出其他移动网络业务，无线数据流量将增加一两个数量级。为提高消费者的满意度，必须开启新的商业模式并解决负担过重的蜂窝网络可能完全阻塞的问题。

通过智能搜索发现绝大多数用户关注的只是少量流行视频,而且用户之间通过无线网络共享的视频业务正变得越来越普遍，即地理上邻近的用户之间产生的数据流量越来越大。在一定条件下，蜂窝直通通信(Device-to-Device,D2D)很好地适应和利用这一发展趋势和相关特性，然而D2D也具有一定的局限性，如不适合远距离传输等。D2D融合网络是解决视频业务数据量快速增长和无线网络传输容量受限之间矛盾的有效途径。目前，D2D融合网络主要对已有D2D链路的情况展开研究。针对具体的应用场景和业务需求，D2D融合网络最优协作距离的研究仍具有一定的挑战性。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于文件流行度的D2D融合网络最优协作距离的计算方法，该计算方法可以获得D2D融合网络最优协作距离d^*。

为达到上述目的，本发明通过如下方法予以实现的：

基于文件流行度的D2D融合网络最优协作距离的计算方法，包括以下步骤：

1)在单小区内，考虑小区用户的运动符合泊松点过程，将小区用户建模为空间泊松点过程记为Φ，泊松系数为ρ；每个用户缓存一个视频文件，用户获取视频文件选择蜂窝模式或D2D模式；当用户节点u有视频文件需求时，用户节点u向基站发出请求，基站对该用户所在区域进行检索，如果该区域内有活跃且缓存对应用户所需文件的D2D用户时，基站选择D2D通信并建立D2D链路，反之，基站选择蜂窝模式将视频文件传给所需用户；

2)将m种视频文件按照其流行度缓存于小区用户移动设备存储区中，利用Zipf分布模拟了视频文件的流行度，用户缓存视频文件i的概率p_i为

其中，r_c为Zipf分布的倾斜因子，j为第j个流行视频文件；

3)根据小区用户运动符合泊松点过程这一特性，结合步骤2)用户缓存视频文件的概率得出单小区内D2D激活的用户数N_D2D与蜂窝激活的用户数N_BS；

4)根据小区内单个用户分别在D2D模式下与蜂窝模式下的平均吞吐量C_D2D与C_BS，结合步骤3)蜂窝与D2D激活的用户数获得基于视频文件的异构融合网络容量C。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中单小区内D2D激活的用户数N_D2D与蜂窝激活的用户数N_BS的方法如下：

参考用户节点A能够成功建立D2D链路来获取所需视频文件的概率为

其中，D为参考用户节点A到目的用户节点B的距离，S为D2D模式下的通信覆盖区域，d为D2D通信的协作距离，|S|＝πd²为区域S的面积；请求存储视频文件i的用户数n_i＝ρS'(1-p_i)q_i，其中S'为小区的覆盖面积，用户请求文件i的概率为q_i，参考用户通过D2D模式成功请求视频文件i的用户数为

在D2D模式下，成功获取目标视频文件的用户数，即D2D激活数量为

利用蜂窝模式获取视频文件的用户数为D2D通信链路建立失败的用户数，得出参考用户通过传统蜂窝模式的请求视频文件i成功的用户数为

在蜂窝模式下，成功获取目标视频文件的用户数量，即蜂窝激活数量为

本发明进一步的改进在于，步骤4)中单个用户分别在D2D模式下与蜂窝模式下的平均吞吐量C_D2D与C_BS的方法如下：

单个用户在D2D模式下的平均吞吐量C_D2D：

单个用户在蜂窝模式下的平均吞吐量C_BS：

其中，E{x}表示对x求期望，为对x的指数积分函数，a为小区半径，p_d为D2D模式下用户的发射功率，P_t基站发射功率，α为路径损耗指数，h为信道状态信息，为加性高斯白噪声的噪声功率；令D2D的协作距离d＝ra，r为协作距离分配因子，单个小区内D2D和蜂窝融合网络系统的网络视频传输容量为

为了使得融合网络系统的网络视频容量最大，对C求关于r的一阶导数，如下：

注意到，最优协作距离分配因子r^*满足通过近似化简后r^*满足一个多项式，即

通过迭代算法，获得最优的协作距离分配因子r^*，即得D2D融合网络最优协作距离d^*，其中，d^*＝r^*a。

本发明进一步的改进在于，迭代算法选用牛顿迭代法。

相对于现有技术，本发明具有如下技术效果：

本发明提出了一种在具体的应用场景和业务需求下的基于文件流行度的D2D融合网络最优协作距离的计算方法。传统的D2D融合网络局限于假定存在的D2D链路，没有考虑产生D2D需求的实际应用场景和具体的业务，单纯D2D通信链路的频谱效率和吞吐量的提高并不一定能够体现具体业务下性能的提升。由于D2D移动速度较快时，对位置信息无法建立稳定的拓扑结构，本发明将运动的用户建模为空间泊松点过程，采用Zipf分布模拟视频文件流行度，通过现有的快速迭代算法获得了具体的应用场景和业务需求下使得D2D融合网络获得最大吞吐量的最优协作距离d^*。

附图说明：

图1为本发明中D2D与蜂窝网络融合系统模型图；

图2为本发明中D2D模式通信示意图；

图3为本发明中的性能仿真图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

假设D2D融合网络中，参考用户节点A请求视频文件i，目的用户节点B缓存了视频文件i，小区半径为a，D2D通信的协作距离为d。

参见图1与图2，本发明基于文件流行度的D2D融合网络最优协作距离的计算方法，包括以下步骤：

1)在单小区内，考虑小区用户的运动符合泊松点过程，将小区用户建模为空间泊松点过程记为Φ，泊松系数为ρ；每个用户缓存一个视频文件，用户获取视频文件选择蜂窝模式或D2D模式；当用户节点u有视频文件需求时，用户节点u向基站发出请求，基站对该用户所在区域进行检索，如果该区域内有活跃且缓存对应用户所需文件的D2D用户时，基站选择D2D通信并建立D2D链路，反之，基站选择蜂窝模式将视频文件传给所需用户；

2)将m种视频文件按照其流行度缓存于小区用户移动设备存储区中，利用Zipf分布模拟了视频文件的流行度，用户缓存视频文件i的概率p_i为

其中，r_c为Zipf分布的倾斜因子，j为第j个流行视频文件；

3)根据小区用户运动符合泊松点过程这一特性，结合步骤2)用户缓存视频文件的概率得出单小区内D2D激活的用户数N_D2D与蜂窝激活的用户数N_BS；

4)根据小区内单个用户分别在D2D模式下与蜂窝模式下的平均吞吐量C_D2D与C_BS，结合步骤3)蜂窝与D2D激活的用户数获得基于视频文件的异构融合网络容量C。

其中，步骤3)中单小区内D2D激活的用户数N_D2D与蜂窝激活的用户数N_BS的方法如下：

参考用户节点能够成功建立D2D链路来获取所需视频文件(即S区域内存在缓存视频文件i的用户)的概率为

其中S为D2D模式下的通信覆盖区域，d为D2D通信的协作距离，|S|＝πd²为区域S的面积，p_i为小区中存储视频文件i的用户的概率。请求文件i的用户数n_i＝ρS'(1-p_i)q_i，其中S'为小区的覆盖面积，用户请求文件i的概率为q_i。参考用户通过D2D模式成功请求视频文件i的用户数为

在D2D模式下，成功获取目标视频文件的用户数，即D2D激活数量为

利用蜂窝模式获取视频文件的用户数为D2D通信链路建立失败的用户数。从而得出参考用户通过传统蜂窝模式的请求视频文件i成功的用户数为

通过蜂窝模式下成功获取目标视频文件的用户数量，即蜂窝激活数量为

其中，步骤4)中单个用户分别在D2D模式下与蜂窝模式下的平均吞吐量C_D2D与C_BS的方法如下：

单个用户在D2D模式下的平均吞吐量C_D2D：

单个用户在蜂窝模式下的平均吞吐量C_BS：

其中，E{x}表示对x求期望，为对x的指数积分函数，a为小区半径，p_d为D2D模式下用户的发射功率，P_t基站发射功率，α为路径损耗指数，h为信道状态信息，为加性高斯白噪声的噪声功率；令D2D的协作距离d＝ra，r为协作距离分配因子，单个小区内D2D和蜂窝融合网络系统的网络视频传输容量为

为了使得融合网络系统的网络视频容量最大，对C求关于r的一阶导数，如下：

注意到，最优协作距离分配因子r^*应该满足通过近似化简后r^*应该满足一个多项式，即

通过现有的快速迭代算法，例如牛顿迭代法，我们可以求得最优的协作距离分配因子r^*，即得D2D融合网络最优协作距离d^*(d^*＝r^*a)。

仿真实验和效果分析：

仿真模型参数：小区半径a＝1000m，泊松系数为ρ＝10^-3/m²，蜂窝基站发射功率P_c＝46W，D2D用户发射功率P_d＝33W，路径损耗指数α＝4，噪声功率服务中心的视频文件总数m＝2000，h～CN(0,1)。

仿真结果分析：通过仿真本发明提出基于文件流行度的D2D融合网络最优协作距离的计算方法，我们通过一维穷尽搜索获得最优的D2D协作距离d^*，从图中可以看出本发明D2D融合网络容量是关于协作距离分配因子r的准凸函数，存在唯一最优协作距离分配因子r^*使得D2D融合网络容量最大，即存在最优协作距离d^*。

Claims (2)

1.基于文件流行度的D2D融合网络最优协作距离的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在单小区内，考虑小区用户的运动符合泊松点过程，将小区用户建模为空间泊松点过程记为Φ，泊松系数为ρ；每个用户缓存一个视频文件，用户获取视频文件选择蜂窝模式或D2D模式；当用户节点u有视频文件需求时，用户节点u向基站发出请求，基站对该用户所在区域进行检索，如果该区域内有活跃且缓存对应用户所需文件的D2D用户时，基站选择D2D通信并建立D2D链路，反之，基站选择蜂窝模式将视频文件传给所需用户；

2)将m种视频文件按照其流行度缓存于小区用户移动设备存储区中，利用Zipf分布模拟了视频文件的流行度，用户缓存视频文件i的概率p_i为

其中，r_c为Zipf分布的倾斜因子，j为第j个流行视频文件；

3)根据小区用户运动符合泊松点过程这一特性，结合步骤2)用户缓存视频文件的概率得出单小区内D2D激活的用户数N_D2D与蜂窝激活的用户数N_BS；具体方法如下：

参考用户节点A能够成功建立D2D链路来获取所需视频文件的概率为

其中，D为参考用户节点A到目的用户节点B的距离，S为D2D模式下的通信覆盖区域，d为D2D通信的协作距离，|S|＝πd²为区域S的面积；请求存储视频文件i的用户数n_i＝ρS'(1-p_i)q_i，其中S'为小区的覆盖面积，用户请求文件i的概率为q_i，参考用户通过D2D模式成功请求视频文件i的用户数为

在D2D模式下，成功获取目标视频文件的用户数，即D2D激活数量为

利用蜂窝模式获取视频文件的用户数为D2D通信链路建立失败的用户数，得出参考用户通过传统蜂窝模式的请求视频文件i成功的用户数为

在蜂窝模式下，成功获取目标视频文件的用户数量，即蜂窝激活数量为

4)根据小区内单个用户分别在D2D模式下与蜂窝模式下的平均吞吐量C_D2D与C_BS，结合步骤3)蜂窝与D2D激活的用户数获得基于视频文件的异构融合网络容量C，具体方法如下：

单个用户在D2D模式下的平均吞吐量C_D2D：

单个用户在蜂窝模式下的平均吞吐量C_BS：

其中，E{x}表示对x求期望，为对x的指数积分函数，a为小区半径，p_d为D2D模式下用户的发射功率，P_t基站发射功率，α为路径损耗指数，h为信道状态信息，为加性高斯白噪声的噪声功率；令D2D的协作距离d＝ra，r为协作距离分配因子，单个小区内D2D和蜂窝融合网络系统的网络视频传输容量为

为了使得融合网络系统的网络视频容量最大，对C求关于r的一阶导数，如下：

注意到，最优协作距离分配因子r^*满足通过近似化简后r^*满足一个多项式，即

通过迭代算法，获得最优的协作距离分配因子r^*，即得D2D融合网络最优协作距离d^*，其中，d^*＝r^*a。

2.根据权利要求1所述的基于文件流行度的D2D融合网络最优协作距离的计算方法，其特征在于，迭代算法选用牛顿迭代法。