CN105933945A - D2d网络中支持p2p分享机制的数据下载路线设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明D2D网络中支持P2P分享机制的数据下载路线设计方法。目的在于通过路由设计配合P2P数据分享来提升下载用户的平均下载速率。本发明通过全局考虑所有下载用户的位置分布，通过合理的设计路线使其尽可能多地通过其它下载用户附近，这样利用无线信道的广播特性，其它下载用户就可以接收到该条路线上传输的数据，从而增强自身的数据下载速率，同时控制跳数增加对目的下载用户造成的损害在可容忍水平内。仿真结果表明，本发明通过考虑全局下载用户的位置情况下，通过修改传输路径可以显著提高网络性能。综上所述，本发明在存在于多个下载用户/服务器情况下，可以有效提升系统下载用户的平均下载速率。

Description

D2D网络中支持P2P分享机制的数据下载路线设计方法

技术领域：

本发明属于5G网络中的D2D通信技术领域，具体涉及D2D网络中支持P2P分享机制的数据下载路线设计方法，用于处理无线用户远距离下载数据问题，通过引入P2P分享机制并根据不同节点用户的位置对传输路径进行合理设计，可以有效提高用户的下载数据速率。

背景技术：

D2D通信作为未来5G网络中极具前途的通信技术能够有效提升网络性能。然而D2D通信距离往往受到限制，但在实际中存在着D2D用户试图和距离较远的D2D服务器进行通信并下载数据的情况，此时单跳D2D通信可能无法满足数据传输的质量要求，因此多跳D2D通信的路由设计变得十分必要。如何满足多跳传输中的链路速率要求，同时控制D2D网络与蜂窝网络的互干扰，且避免繁冗的路由开销等都是在路由设计中需要考虑的问题。于此同时，将源于计算机网络中分布式下载的P2P分享机制引入D2D通信，即每个设备不仅可以作为数据接收者，也可以同时作为数据的贡献者，在网络中用户可以通过多种途径来源来下载所需数据，这样系统用户的下载速率就可以得到有效的提升。但是这进一步的增加了路由设计的复杂度，尤其当网络中数据下载用户和服务器的数目增大时。如何合理规划服务器到下载用户的路由来最大化用户的平均下载速率成为一个开放的问题。

发明内容：

本发明的目的是针对D2D网络中支持P2P分享机制的多跳路由设计问题。考虑单小区场景中存在多个D2D下载用户和D2D服务器，以及蜂窝用户和其它的自由D2D节点用户。下载用户试图通过D2D通信方式远程下载服务器上的数据。本发明提出了一种D2D网络中支持P2P分享机制的数据下载路线设计方法，即在设计某服务器到对应下载用户的路由时，通过设计该路线使的尽可能多的通过其它下载用户附近，这样经过利用无线信道的广播特性，其它下载用户就可以接收到该条路线上传输的数据，从而提升其下载数据速率。该方法为一种启发算法，在保证低复杂度的同时保证性能的可观提升。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方法予以实现的：

D2D网络中支持P2P分享机制的数据下载路线设计方法，该方法涉及的网络中包括D2D网络的多个D2D下载用户，多个服务器，若干个自由D2D节点和蜂窝网络的多个蜂窝用户和一个中心基站，包括以下步骤：

1)根据节点位置分布确定每条路由的起点和终点，每条路由的起点均是服务器，终点均是D2D下载用户；

2)根据节点的位置分布确定每条路由分配的蜂窝频谱资源；

3)在确定分配频率资源基础上确定每条路由从起点到终点的具体线路。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，路由的起始终点确定准则如下：每个D2D下载用户分别作为某一条路由的终点来选择对应的起点；选择的方法为，首先计算所有D2D下载用户到所有服务器的距离，确定最远距离对应的D2D下载用户作为第一条路由的终点，以此D2D下载用户选择距离最近的服务器作为所在路由的起点；每一个D2D下载用户和服务器分别只能作为一条路由的起点和终点。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，路由分配蜂窝频谱资源的方法如下：首先计算每条路由的起点服务器和终点D2D下载用户到基站和所有蜂窝用户的距离平方和，确定该值最小者对应的路由作为第一分配对象，该路由分配的蜂窝资源对应的蜂窝用户为所有蜂窝用户中与该路由的起点服务器和终点D2D下载用户的距离平方和最小者。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，每条路由的具体设计由两阶段构成；其中在第一阶段，设计一条由路由起点服务器到路由终点D2D下载用户的最短路径；在第二阶段，根据其它下载用户的位置对该路线进行修改。

本发明进一步的改进在于，对于路由设计第一阶段，初始化设计由路由起点服务器到路由终点D2D下载用户的最短路径的准则，采用的是Dijkstra最短路径算法。

本发明进一步的改进在于，对于路由设计第二阶段，修改初始化路径建立的目标函数为：

$R=\frac{1}{N_{sub}}\underset{m=1}{\overset{N_{ser}}{\Σ}}\underset{n=1}{\overset{N_{sub}}{\Σ}}\frac{R_{th}}{H(f_m\→s_n)}---\left(7\right)$

式中：H(f_m→s_n)表示从服务器f_m到下载用户s_n的总跳数，R_th表示在多跳传输中每一条必须满足的速率要求，表示下载用户s_n从服务器f_m的下载速率，N_ser和N_sub分别表示服务器和下载用户的数目。

本发明进一步的改进在于，具体步骤如下：

301)找出其它下载用户s_v'的邻居结点集合Ω(s_v')，并统计出所有候选集合中的节点s_c(s_c∈∪Ω(s_v'))的度D(s_c)，s_c(s_c∈∪Ω(s_v'))；

302)初始化固定节点集C，C＝{f_u,s_v}，该固定节点集合为修改路径时，所选择修改路由中间节点对象；

303)检查其它下载用户的邻居节点集，是否有某些节点在中，如若有则选择该集合中度最大的节点，将其按照在出现的顺序插入到固定节点集C中，并设定该邻居节点集为空；

304)根据更新后的邻居节点集合重新计算将所有邻居结点的度，并从大到小进行排序，如果度相同，则按照该节点到规划路线的距离L(t,C(m^*),C(n^*))由小到大进行排序；

305)选择排序后的邻居节点的第一个节点作为规划节点T并确定修改节点C(M)和C(N)，利用Dijsktra算法设计从节点C(M)到节点T的路径和从节点T到节点C(N)的路径，将C(M)→T→C(N)的路线取代原来在中C(M)→C(N)的路线得到新的路线设定包含节点T的所有邻居节点集设定为空集；

306)根据新的路由重新计算所有的下载用户从该路线下载的速率总和，即：

$R^{\′}\left(f_v\right)=\underset{u=1}{\overset{N_{sub}}{\Σ}}\frac{R_{th}}{H(f_v\→s_u)}$

比较修改路线前后的速率总和，如若修改路线后的整体系统下载速率增加，且对于目的下载用户而言，增加的跳数使其下载速率R(f_u→s_v)下降，但依然在可容忍范围内，即则用新的路线取代原来路线，即跳转至步骤303)，终止条件：所有的Ω(s_v')均为空。

本发明进一步的改进在于，步骤301)中，邻居节点的定义为：

$\mathrm{\Ω}\left(s_{v^{\′}}\right)=\left\{n\right|R_{(n,s_{v^{\′}})}\≥R_{th},n\≠f_u,\∀n,u\}---\left(8\right)$

节点的度定义为：

$D\left(s_c\right)=\underset{i=1}{\overset{v-1}{\Σ}}{D}_{\mathrm{\Ω}\left(s_i\right)}\left(s_c\right)+\underset{i=v+1}{\overset{N_{sub}}{\Σ}}{D}_{\mathrm{\Ω}\left(s_i\right)}\left(s_c\right)---\left(9\right)$

$D_{\mathrm{\Ω}\left(s_i\right)}\left(s_c\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& if{s}_c\∈\mathrm{\Ω}\left(s_i\right)\\ 0& if{s}_c\∉\mathrm{\Ω}\left(s_i\right)\end{array}\right.---\left(10\right)$

度即该结点在所有集合中出现次数，表明该点为几个下载用户所共有，结点度越大则表明假若该线路经过此点的话，则会给更多的用户带来接收增益。

本发明进一步的改进在于，步骤304)中，节点到规划路线的距离L(t,C(m^*),C(n^*))的定义为：

$L(t,C(m^{*}),C(n^{*}\left)\right)=d_{C\left(m^{*}\right),t}^2+d_{C\left(n^{*}\right),t}^2---\left(11\right)$

$(m^{*},n^{*})=\arg \underset{m,n}{min}\{d_{C\left(m\right),t}^2+d_{C\left(n\right),t}^2|1<m<\mathrm{\&kappa;}\left(C\right)-1,n=m+1\}---\left(12\right)$

式(6)中κ(·)表示集合的基数；式(5)和式(6)表明如果自由节点t被选为规划到路径中的节点，则节点C(m^*)和C(n^*)之间的路径成为作为被修改的对象。

本发明所提出的D2D网络中支持P2P分享机制的数据下载路线设计方法具有如下优点：

首先，本发明的主要思想是利用无线信道的广播特性，可以有效达到使用较少的跳数，减少系统功率消耗；在相同的最大跳数限制下，系统的数据下载速率提升更大。

其实，该策略的主要依据为用户的位置分布，从资源分配到路线设计，网络中的节点位置分布是唯一的参考，这对于基于基站控制的D2D链路通信实现具有较低实现复杂度，从而非常适合应用于D2D通信系统。

附图说明：

图1是系统模型图。

图2是不同多跳路由设计对比图。

图3是不同下载用户/服务器数目下的不同方法平均下载速率对比图。

图4是不同自由D2D节点数目下的不同方法平均下载速率对比图。

图5是不同下载用户/服务器数目以及不同自由D2D节点数目下本发明平均下载速率的三维曲面图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

本发明的核心思想是针对支持P2P分享机制的多跳D2D路由设计问题，根据不同下载用户、服务器和蜂窝用户位置分布确定下载用户和服务器的配对以及所有配对路由的频谱资源分配，在此基础上，利用Dijkstra最短路径算法规划的规划初始路线，然后根据所提算法进行路径修改，使得路由尽可能多的经过其它下载用户附近，这样其它用户就可以利用无线就信道的广播特性接收到该路线上的传输数据，以此增强其下载数据的速率。

图1所示为系统模型图，具体的描述如下：

1、网络场景描述

考虑一个单小区的网络场景，该场景中包含一个基站，M个蜂窝用户(CUE)，N_sub个下载用户，N_ser个服务器，此外网络中随机分布N个自由D2D节点用户(DUE)。假定每个蜂窝用户占用不同的频谱，则蜂窝用户间无干扰。每条D2D通信链路在每次传输过程中最多占用一个蜂窝用户的频率资源。不失一般性，设定N_sub＝N_ser＝M。在此网络中下载用户试图从服务器中下载相同内容数据。考虑D2D通信复用蜂窝网络上行频谱资源，因此基站端受到D2D链路发射端的干扰，D2D链路接收端收到蜂窝用户的干扰。基站端需满足一定通信质量要求，因此在基站端信号干扰比(SIR)须大于一定门限：

${\mathrm{SIR}}_{bs,m}=\frac{P_{cell}{\mathrm{\&alpha;d}}_m^{-\mathrm{\&eta;}}}{P_n{\mathrm{\&alpha;\&Delta;}}_n^{-\mathrm{\&eta;}}}=\frac{P_{cell}{d}_m^{-\mathrm{\&eta;}}}{P_n{\mathrm{\&Delta;}}_n^{-\mathrm{\&eta;}}}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&rho;}}_{th}---\left(13\right)$

这里信道大尺度增益G＝αd^-η，α为固定系数因子，η为路损指数。P_cell为蜂窝用户的发射功率，P_n为第n个D2D用户的发射功率。d_m表示第m个蜂窝用户距离基站的距离，Δ_n表示第n个D2D用户距离基站的距离，ρ_th为SIR门限。蜂窝用户的发射功率固定，D2D用户发射功率可调整，则根据(1)可得到D2D用户发射功率的上界：

$P_n\&le;\frac{P_{cell}}{P_n}{\left(\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_n}{d_m}\right)}^{\mathrm{\&eta;}}---\left(14\right)$

由(2)可得到D2D链路的最大传输速率，从第n个D2D用户到第k个D2D用户的最大传输速率为：

$R_{n,k}=Blog\left(1+\frac{{\mathrm{\&alpha;P}}_n{d}_{n,k}^{-\mathrm{\&eta;}}}{N_0+{\mathrm{\&alpha;P}}_n{\mathrm{\&Delta;}}_{k,m}^{-\mathrm{\&eta;}}}\right)---\left(15\right)$

这里B表示每个蜂窝用户占用频谱的带宽，d_n,k表示第n个D2D用户和第k个D2D用户之间的距离，Δ_k,m表示第k个D2D用户和第m个蜂窝用户之间的距离，N₀为噪声功率。

2、求解优化问题描述

在设计多跳路由时，目标是最大化所有下载用户的平均下载速率R，定义为：

$R=\frac{1}{N_{sub}}\underset{m=1}{\overset{N_{ser}}{\&Sigma;}}\underset{n=1}{\overset{N_{sub}}{\&Sigma;}}\frac{R_{th}}{H(f_m\&RightArrow;s_n)}---\left(1\right)$

这里H(f_m→s_n)表示从第m个服务器到第n个下载用户的总跳数，R_th表示在多跳传输中每一条必须满足的速率要求，则表示第n个下载用户从从第m个服务器的下载速率。所有的从服务器到下载用户的路径表示为：

表示从第i个服务器对应的路径。在设计路由之前需要确定不同的服务器-下载用户配对及所复用的蜂窝用户频谱，所有路线的服务器-下载用户配对及频谱分配用Λ表示：

$\mathrm{\&Lambda;}\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}\left\{A_1,A_2,...,A_{N_{ser}}\right\}---\left(17\right)$

这里表示第i个服务器为起点，以第j个下载用户为终点规划路线，该路线上每一跳复用第m个蜂窝用户的频谱资源。以(π_i(k),π_i(k+1))表示的第k跳，则根据每一跳传输须满足门限及根据(4)-(6)可将多跳路由设计问题表述为：

$s.t.:\&ForAll;i\&Element;\{1,2,...,N_{ser}\},R_{{\mathrm{\&pi;}}_i\left(k\right),{\mathrm{\&pi;}}_i(k+1)}\&GreaterEqual;R_{th}---\left(19\right)$

3、优化算法描述

1)确定每个D2D下载用户的源服务器。

每个D2D下载用户选择对应的源服务器的准则在于避免最坏情况的发生，即避免离选择服务器太远。选择的方法为，首先计算所有下载用户到所有服务器的距离，确定最远距离对应的下载用户并以此下载用户选择距离最近的服务器作为源服务器。将此次选择的下载用户和服务器剔除后继续确定下一组服务器-下载用户配对。

2)确定每条路由所分配的频谱资源。

在1)基础上，确定每个服务器到对应配对下载用户的路由所复用的蜂窝频谱时，考虑以该条路由与蜂窝链路的互干扰作为衡量指标，一般而言，D2D链路与蜂窝链路之间距离越远，则其之间的互干扰越小。因此互干扰计算用下载用户和服务器到蜂窝用户和基站之间的距离平方和来表示。首先计算出所有路径和所有蜂窝链路之间的互干扰，确定互干扰最大即距离平方和最小对应的路径并以此路径选择互干扰最小的蜂窝链路的频谱作为复用的频谱资源进行数据传输。剔除该条路径和对应的蜂窝链路后继续确定下一条路径所复用的蜂窝频谱资源。

3)确定每条路由的具体线路。

在1)和2)基础上确定了(6)式的，根据(7)式，为最大化平均下载速率，一个有效方法是规划每条线路时使得尽量多的下载用户可以接收到数据。利用无线信道的广播特性，如果设计路线时经过这些下载用户附近，则下载用户可以通过无线信道合法窃听到路由上的传输数据增强自身的下载速率。通过定义下载用户的邻居节点：

$\mathrm{\&Omega;}\left(s_v\right)=\left\{n\right|R_{(n,s_v)}\&GreaterEqual;R_{th},n\&NotEqual;f_u,\&ForAll;n,u\}---\left(2\right)$

可以进行路由设计时传输中继的筛选。

在设计路由时，一方面希望花尽量少的跳数经过尽量多的下载用户周围。另一方面路由跳数的增加，会对该路由的目的下载用户的下载速率造成损失。因此对于路由的最大跳数做出限制。

这个路线设计的优化的问题和旅行商问题类似但是更为复杂，因为某个下载用户的邻居节点可能有多个，而路线可以经过其中的任意一个。当网络中的结点数增加时，用穷尽搜索的方法去尝试所有可能路径的复杂度过高。因此综合考虑所有下载用户的位置分布进行合理的路由设计是本发明的核心思想，即首先根据Dijkstra最短路由算法生成从服务器到对应下载用户的路由，然后尝试修改该路由，使的该路由经过某一个D2D自由用户节点，该节点处于某一个或某一些其它下载用户周围，如此当该节点转发该条路径上的数据时，这些附近的下载用户均可以接收。

确定服务器f_u到下载用户s_v的路线时，可根据以下步骤确定最终路由：

Step 1：根据Dijkstra最短路由算法生成最短路径固定节点集C初始化为C＝{f_u,s_v}。

Step 2：找出其它下载用户s_v'(v'≠v)的候选结点集合Ω(s_v')，并统计出所有候选集合中的节点s_c(s_c∈∪Ω(s_v'))的度，有：

$D\left(s_c\right)=\underset{i=1}{\overset{v-1}{\&Sigma;}}{D}_{\mathrm{\&Omega;}\left(s_i\right)}\left(s_c\right)+\underset{i=v+1}{\overset{N_{sub}}{\&Sigma;}}{D}_{\mathrm{\&Omega;}\left(s_i\right)}\left(s_c\right)---\left(3\right)$

$D_{\mathrm{\&Omega;}\left(s_i\right)}\left(s_c\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& if{s}_c\&Element;\mathrm{\&Omega;}\left(s_i\right)\\ 0& if{s}_c\&NotElement;\mathrm{\&Omega;}\left(s_i\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

度即该结点在所有集合中出现次数，也表明该点为几个下载用户所共有，结点度越大则表明假若该线路经过此点的话，则会给更多的用户带来接收增益，因为更多的下载用户可以通过无线信道的广播特性可以接收到该条路线上的数据信息。

Step 3：检查其它下载用户的邻居节点集，是否有某些节点在中，如若有则选择该集合中度最大的节点(存在多个时选择第一顺序出现在中的节点)将其按照在出现的顺序插入到C中，并设定该邻居节点集为空。

Step 4：根据更新后的邻居节点集合重新计算将所有邻居结点的度，并从大到小进行排序，如果度相同，则按照该结点到规划路线的距离L(t,C(m^*),C(n^*))由小到大进行排序。L(t,C(m^*),C(n^*))c(i)的定义为：

$L(t,C(m^{*}),C(n^{*}\left)\right)=d_{C\left(m^{*}\right),t}^2+d_{C\left(n^{*}\right),t}^2---\left(5\right)$

$(m^{*},n^{*})=\arg \underset{m,n}{min}\{d_{C\left(m\right),t}^2+d_{C\left(n\right),t}^2|1<m<\mathrm{\&kappa;}\left(C\right)-1,n=m+1\}---\left(6\right)$

这里κ(·)表示集合的基数。(12)式和(13)式表明如果自由节点t被选为规划到路径中的节点，则节点C(m^*)和C(n^*)之间的路径成为作为被修改的对象。

Step 5：选择排序后的邻居节点的第一个节点作为规划节点T并根据(12)和(13)式确定修改节点C(M)和C(N)，利用Dijsktra算法设计从节点C(M)到节点T的路径和从节点T到节点C(N)的路径，将C(M)→T→C(N)的路线取代原来在中C(M)→C(N)的路线得到新的路线设定包含节点T的所有邻居节点集设定为空集。

Step 6：根据新的路由重新计算所有的下载用户从该路线下载的速率总和，即：

$R^{\&prime;}\left(f_v\right)=\underset{u=1}{\overset{N_{sub}}{\&Sigma;}}\frac{R_{th}}{H(f_v\&RightArrow;s_u)}---\left(20\right)$

比较修改路线前后的速率总和，如若修改路线后的整体系统下载速率增加，且对于目的下载用户而言，增加的跳数使其下载速率R(f_u→s_v)下降，但依然在可容忍范围内，即则可用新的路线取代原来路线，即

Step 7：终止条件：所有的Ω(s_v')均为空。

图2是不同多跳路由设计对比图。仿真在一个半径为500m的小区中，设定路由中的每一跳的数据传输速率门限为2Mb/s，每条链路复用的频谱带宽为2MHz。蜂窝用户的传输功率为23dBm，基站端SIR门限设为8dB。设置路由的总跳数最大为20。仿真结果与另外两种方法进行对比，即无P2P分享机制的路由设计算法和直向P2P分享的路由设计。直向P2P分享的路由设计是在无P2P分享机制的路由设计上扩展设计由该条路径的下载用户到另一下载用户的路由进行数据的分享。从图中可看出，直向P2P分享路由只需重新设计从一个下载用户到另一个下载用户之间的分享路线而未充分考虑所付出的跳数代价，图中显示需要增加4跳来进行数据的分享。而本发明所提出的路由设计方法充分考虑下载用户的位置分布，通过修改原来无P2P分享机制的路由使其经过其它下载用户附近，则可以只需一跳很小的跳数代价，增加系统较大的下载速率增益。

图3是不同下载用户/服务器数目下的不同方法平均下载速率对比图。固定网络中的自由D2D节点个数为80，随着网络中的下载用户/服务器数量增加，对于本发明所提算法下的系统平均下载速率也随之增加；而对于无P2P分享机制的路由设计和直向D2D分享路由算法而言，系统平均下载速率保持不变。这是因为当下载用户/服务器数目增大时，这些新增下载用户的邻居节点集有更大的可能有相互重叠，即有更大概率有共同的邻居节点，根据本发明算法原理，可以使的跳数不用增加也可以使得服务更多的下载用户受益。

图4显示了下载用户/服务器数目固定下，不同自由D2D节点数目下的不同方法平均下载速率对比。当网络中自由D2D节点数目增大时，系统的平均下载速率也随之增大，这是因为如果自由节点数目增多，则在无论对于哪一种路由算法，找到更好的路径的可能性也随之增加。

从图3和图4中可以看出，对比三种方法，本发明所提出的路由设计算法一直优于直向D2D分享路由设计算法，而直向D2D分享路由设计算法一直优于无P2P分享机制的路由设计算法。这是因为前两者均引入了P2P分享的机制，使得一条线路上不仅仅只有一个下载用户受益。然而，本算法充分考虑了所有其它下载用户的位置分布，通过合理的修改路线，利用无线信道的广播特性使得其它所有用户的下载增益最大化，而对比直向D2D分享路由设计算法，该算法只考虑两个下载用户之间的局部分享而没有充分考虑整体。

图5显示了不同下载用户/服务器数目以及不同自由D2D节点数目下本发明方法的平均下载速率的曲面图。从图中可看出，随着下载用户/服务器数目和自由D2D节点数目的增加，系统的平均下载速率也随之增加。

Claims (9)

1.D2D网络中支持P2P分享机制的数据下载路线设计方法，其特征在于，该方法涉及的网络中包括D2D网络的多个D2D下载用户，多个服务器，若干个自由D2D节点和蜂窝网络的多个蜂窝用户和一个中心基站，包括以下步骤：

1)根据节点位置分布确定每条路由的起点和终点，每条路由的起点均是服务器，终点均是D2D下载用户；

2)根据节点的位置分布确定每条路由分配的蜂窝频谱资源；

3)在确定分配频率资源基础上确定每条路由从起点到终点的具体线路。

2.根据权利要求1所述的D2D网络中支持P2P分享机制的数据下载路线设计方法，其特征在于，步骤1)中，路由的起始终点确定准则如下：每个D2D下载用户分别作为某一条路由的终点来选择对应的起点；选择的方法为，首先计算所有D2D下载用户到所有服务器的距离，确定最远距离对应的D2D下载用户作为第一条路由的终点，以此D2D下载用户选择距离最近的服务器作为所在路由的起点；每一个D2D下载用户和服务器分别只能作为一条路由的起点和终点。

3.根据权利要求1所述的D2D网络中支持P2P分享机制的数据下载路线设计方法，其特征在于，步骤2)中，路由分配蜂窝频谱资源的方法如下：首先计算每条路由的起点服务器和终点D2D下载用户到基站和所有蜂窝用户的距离平方和，确定该值最小者对应的路由作为第一分配对象，该路由分配的蜂窝资源对应的蜂窝用户为所有蜂窝用户中与该路由的起点服务器和终点D2D下载用户的距离平方和最小者。

4.根据权利要求1所述的D2D网络中支持P2P分享机制的数据下载路线设计方法，其特征在于，步骤3)中，每条路由的具体设计由两阶段构成；其中在第一阶段，设计一条由路由起点服务器到路由终点D2D下载用户的最短路径；在第二阶段，根据其它下载用户的位置对该路线进行修改。

5.根据权利要求4所述的D2D网络中支持P2P分享机制的数据下载路线设计方法，其特征在于，对于路由设计第一阶段，初始化设计由路由起点服务器到路由终点D2D下载用户的最短路径的准则，采用的是Dijkstra最短路径算法。

6.根据权利要求4所述的D2D网络中支持P2P分享机制的数据下载路线设计方法，其特征在于，对于路由设计第二阶段，修改初始化路径建立的目标函数为：

$R=\frac{1}{N_{sub}}\underset{m=1}{\overset{N_{ser}}{\&Sigma;}}\underset{n=1}{\overset{N_{sub}}{\&Sigma;}}\frac{R_{th}}{H\left(f_m\&RightArrow;s_n\right)}---\left(1\right)$

式中：H(f_m→s_n)表示从服务器f_m到下载用户s_n的总跳数，R_th表示在多跳传输中每一条必须满足的速率要求，表示下载用户s_n从服务器f_m的下载速率，N_ser和N_sub分别表示服务器和下载用户的数目。

7.根据权利要求6所述的D2D网络中支持P2P分享机制的数据下载路线设计方法，其特征在于，具体步骤如下：

301)找出其它下载用户s_v'的邻居结点集合Ω(s_v')，并统计出所有候选集合中的节点s_c(s_c∈∪Ω(s_v'))的度D(s_c)，s_c(s_c∈∪Ω(s_v'))；

302)初始化固定节点集C，C＝{f_u,s_v}，该固定节点集合为修改路径时，所选择修改路由中间节点对象；

303)检查其它下载用户的邻居节点集，是否有某些节点在中，如若有则选择该集合中度最大的节点，将其按照在出现的顺序插入到固定节点集C中，并设定该邻居节点集为空；

304)根据更新后的邻居节点集合重新计算将所有邻居结点的度，并从大到小进行排序，如果度相同，则按照该节点到规划路线的距离L(t,C(m^*),C(n^*))由小到大进行排序；

305)选择排序后的邻居节点的第一个节点作为规划节点T并确定修改节点C(M)和C(N)，利用Dijsktra算法设计从节点C(M)到节点T的路径和从节点T到节点C(N)的路径，将C(M)→T→C(N)的路线取代原来在中C(M)→C(N)的路线得到新的路线设定包含节点T的所有邻居节点集设定为空集；

306)根据新的路由重新计算所有的下载用户从该路线下载的速率总和，即：

$R^{\&prime;}\left(f_v\right)=\underset{u=1}{\overset{N_{sub}}{\&Sigma;}}\frac{R_{th}}{H(f_v\&RightArrow;s_u)}$

比较修改路线前后的速率总和，如若修改路线后的整体系统下载速率增加，且对于目的下载用户而言，增加的跳数使其下载速率R(f_u→s_v)下降，但依然在可容忍范围内，即则用新的路线取代原来路线，即跳转至步骤303)，终止条件：所有的Ω(s_v')均为空。

8.根据权利要求7所述的D2D网络中支持P2P分享机制的数据下载路线设计方法，其特征在于，步骤301)中，邻居节点的定义为：

$\mathrm{\&Omega;}\left(s_{v^{\&prime;}}\right)=\left\{n\right|R_{(n,s_{v^{\&prime;}})}\&GreaterEqual;R_{th},n\&NotEqual;f_u,\&ForAll;n,u\}---\left(2\right)$

节点的度定义为：

$D\left(s_c\right)=\underset{i=1}{\overset{v-1}{\&Sigma;}}{D}_{\mathrm{\&Omega;}\left(s_i\right)}\left(s_c\right)+\underset{i=v+1}{\overset{N_{sub}}{\&Sigma;}}{D}_{\mathrm{\&Omega;}\left(s_i\right)}\left(s_c\right)---\left(3\right)$

$D_{\mathrm{\&Omega;}\left(s_i\right)}\left(s_c\right)=\left\{\begin{array}{ccc}1& if& s_c\&Element;\mathrm{\&Omega;}\left(s_i\right)\\ 0& if& s_c\&NotElement;\mathrm{\&Omega;}\left(s_i\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

度即该结点在所有集合中出现次数，表明该点为几个下载用户所共有，结点度越大则表明假若该线路经过此点的话，则会给更多的用户带来接收增益。

9.根据权利要求7所述的D2D网络中支持P2P分享机制的数据下载路线设计方法，其特征在于，步骤304)中，节点到规划路线的距离L(t,C(m^*),C(n^*))的定义为：

$L(t,C(m^{*}),C(n^{*}\left)\right)=d_{C\left(m^{*}\right),t}^2+d_{C\left(n^{*}\right),t}^2---\left(5\right)$

$(m^{*},n^{*})=\arg \underset{m,n}{min}\{d_{C\left(m\right),t}^2+d_{C\left(n\right),t}^2|1<m<\mathrm{\&kappa;}\left(C\right)-1,n=m+1\}---\left(6\right)$

式(6)中κ(·)表示集合的基数；式(5)和式(6)表明如果自由节点t被选为规划到路径中的节点，则节点C(m^*)和C(n^*)之间的路径成为作为被修改的对象。