CN106658646A - 无线d2d中继网络中基于社会性‑信道信息的联合中继重选方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线D2D中继网络中基于社会性‑信道信息的联合中继重选方法，属于无线通信技术领域。所构建的系统综合考虑了当前中继的突发移动以及各个备选中继参差的社会稳定性这两个方面的因素，通过调控目的用户结束备选中继探测过程的时间，从统计意义上实现最稳定最高效的D2D中继通信；同时，引入其他三种D2D中继通信中继重选基准策略，只考虑备选中继信道状况信息的最优停止策略；基于备选中继社会性信息的最优停止策略；依次探测所有备选中继后作出抉择的中继全探测策略。通过与原策略进行比较，得出原策略在实现D2D中继通信稳定性及高效性上的优势。

Description

无线D2D中继网络中基于社会性-信道信息的联合中继重选 方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种无线D2D中继网络中基于社会性-信道信息的联合中继重选方法。

背景技术

随着无线D2D中继网络在下一代移动通信系统中越来越广泛的应用，实现D2D中继通信中更加稳定的数据传输成为最重要的研究问题之一。在D2D中继网络中，中继多为用户手持设备，由于用户的社会属性，在进行D2D中继通信的过程中，中继用户产生移动是不可避免，为了避免移动性而产生的中继中断问题，科学有效的中继重选方案十分必要；然而另一方面，备选中继同样存在移动的可能性，因而从长远看来，在设计中继重选方案时，需要考虑备选中继的稳定性，从而从长远的角度提升D2D中继通信的稳定性。

综合以上因素，目的用户一方面要尽可能早的选择新的中继从而避免因当前中继的移动产生D2D中继通信的断开；另一方面要探测足够多的中继，从而提升选择到更加稳定备选中继的概率。进一步的，由于D2D中继网络的不稳定性是由D2D中继用户的社会性决定的，因此，合理的分析中继用户的社会性信息对设计稳定的D2D中继重选方法具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无线D2D中继网络中基于社会性-信道信息的联合中继重选方法，该方法能够在中继移动的场景下实现更加稳定的D2D中继通信。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种无线D2D中继网络中基于社会性-信道信息的联合中继重选方法，包括以下步骤：

1)构建无线D2D中继网络中的中继移动场景下的D2D中继通信系统模型，描述当前中继移动模式及备选中继分布状态，并基于当前中继移动模式及备选中继分布状态建立无线D2D中继网络数据传输模型，作为中继重选过程的信道信息参考依据；

2)基于通信时长的概念，建立备选中继平均重选通信时长模型，用以描述备选中继建立D2D连接的社会稳定性，作为中继重选过程的社会性信息参考依据；

3)基于无线D2D中继网络数据传输模型及备选中继平均重选通信时长模型，引入最优停止理论，建立无线D2D中继网络中基于社会性-信道信息的联合中继重选方法，将其命名为基于社会性-信道信息的联合最优停止策略。

步骤1)的具体操作，包括：

1-1)构建当前中继匀速直线移动模式

定义d_sD为目的用户距热点源距离，d_sr(0)为初始时刻当前中继距热点源距离，d_rD(0)为初始时刻当前中继距目的用户距离；

从初始时刻开始，当前中继以速度V做匀速直线运动，当前中继移动方向与初始时刻当前中继到热点源的夹角为α；目的用户检测到当前中继的移动后，进行备选中继的探测，每次探测的时间为τ，并将该时间设定为单位时间；经过i个单位时间后，热点源到当前中继的距离为d_sr(i)，当前中继到目的用户的距离为d_rD(i)；

1-2)构建备选中继分布模式

在目的用户进行中继重选的过程中，有M个备选中继可供选择，将其编号为1、2、3…M；备选中继i距热点源为备选中继距目的用户的距离为备选中继距目的用户的距离服从均匀分布：

1-3)构建无线D2D中继网络数据传输模型，作为中继重选过程的信道状况信息

当前中继支持下的无线D2D中继网络数据传输速率为：

其中，热点源发射功率为P_s，中继发射功率P_r，传输带宽为W；经过i个单位时间后，当前中继的传输速率为X_r(i)，由于当前中继正处于匀速直线运动状态，则在不同的时间i，当前中继下的无线D2D中继网络数据传输速率会不同；

备选中继支持下的无线D2D中继网络数据传输速率：

其中，P_r为备选中继的发射功率，假设所有备选中继的发射功率相同，目的用户进行中继重选关注备选中继能够稳定进行D2D中继通信的时间，在研究的时间范围内，认为X_i为恒定值；

基于以上信道状况的表达式，可以得到D2D中继通信达到最大传输速率时中继所处的位置信息，即通过求解：

得到当D2D中继通信达到最大传输速度时，中继到目的用户之间的距离为d_min，此时的D2D中继通信最大传输速度为：

以该位置为分界线，当中继更靠近源时，中继到目的用户的信道状况限制了通信速率，当中继更靠近目的用户时，中继到源的信道状况限制了通信速率。

步骤2)的具体操作，包括：

2-1)构建两用户通信时长模型

当两个用户i、j进入能够通信的范围内，并维持固定的位置后，网络开始记录用户i与用户j每次接触所持续的时间{CT_i}作为通信时长，直至两用户有其中任何一方开始持续移动；与此同时，网络记录两用户的接触次数N_i，j，根据获得的通信时长的历史数据，能够评估两用户通信时长的统计平均值M_i，j，如下所示：

进一步，能够评估两用户通信时长的方差I_i，j，将其定义为两用户D2D通信不稳定性因子，具体描述如下：

基于以上通信时长的均值和方差，得到两用户通信时长服从的统计分布为：

得到通信时长分布的概率密度函数如下：

式中，

2-2)建立备选中继平均重选通信时长模型，作为中继重选过程中的社会信息：

备选中继i与用户j的平均通信时长设为M_i，j，方差设为I_i，j，则该备选中继与所有N个用户的通信时长平均值可表述为如下形式：

备选中继与所有N个用户的通信时长方差可表述为如下形式：

由于无法直接获得备选中继与目的用户之间的通信时长统计信息，因此，将根据备选中继与网络中用户的平均通信时长统计信息预测备选中继与目的用户通信时长的统计特性，即：基于备选中继的M_i、I_i，获得备选中继与目的用户通信时长的统计分布：

设目的用户与备选中继i的重选通信时长为随机变量T，通信时长为X，若的用户在X时间段内任意时刻C开始进行中继重选，则有：

T＝X-C；

备选中继i与目的用户通信时长X的概率密度函数f_i(x；k_i，θ_i)，中继重选时刻C服从均匀分布C～U(0，X)，概率密度函数为：

则可推导得到重选通信时长T满足：

其中，f_X，C(x，c)＝g_C|X(c|x)f_i(x；k_i，θ_i)；

进而得到，备选中继i与目的用户的重选通信时长的概率密度函数得到用户i平均重选通信时长为T_i；网络通过记录所有备选中继的重选通信时长的统计信息，获得M个备选中继平均重选通信时长的分布情况，针对不同的具体场景，该分部的均值和方差不同。

步骤3)的具体操作，包括：

3-1)设定中继重选具体规则

规定目的用户进行中继重选的触发条件：定义ΔX＝|X_r(i)-X_r(0)|，随着中继的移动，ΔX的值逐渐变大，当ΔX≥ΔX_th时，目的用户开始进行中继重选；

3-2)基于获得的备选中继的社会性信息以及信道状况信息，建立无线D2D中继网络中继重选优化目标

目的用户在进行j次中继探测后，选择该次探测的备选中继能够获得的决策收益为：

式中，τ为目的用户进行一次中继探测所需时间；X_r(i)为经过第i次中继探测后，当前中继可支持的D2D中继通信速率；X_j为目的用户在第j次中继探测时，探测到的备选中继可提供的D2D中继通信速率，各备选中继到目的用户距离服从独立同分布均匀分布；T_j为的用户在第j次中继探测时，探测到的备选中继可提供的平均重选通信时长；

基于上述决策收益，提出的中继重选方案的优化目标即为选择合适的j^*，使得：

3-3)基于无线D2D中继网络中继重选优化目标，设计基于社会性-信道信息的联合中继重选策略

当目的用户探测到第j个中继后，决定停止中继重选并通过该中继建立新的D2D中继通信时，采取该决策可获得的即时收益为：

根据有限最优停止理论的逆向归纳法，得到在结束第j步中继探测后最优等式：

V_j(X_j，T_j)＝max{R_j(X_j，T_j)，E{V_j+1(X_j+1，T_j+1)}}；

式中，E{·}表示关于随机变量X_j+1T_j+1的数学期望；

当停止中继重选获得的即时收益R_j(X_j，T_j)大于或等于继续进行中继重选的最优期望收益E{V_j+1(X_j+1，T_j+1)}时，目的用户将停止进行中继重选，连接至备选中继进行新的D2D通信；否则，目的用户将继续进行中继探测；

E{V_j+1(X_j+1，T_j+1)}为第j次中继探测时，决策的阀值，即时收益大于阀值，目的用户可停止探测，建立D2D通信连接，小于阀值则继续探测；

因此，定义第j次中继探测的决策阀值如下：

具体求解目的用户进行中继探测每一步探测的决策阀值为：

基于求得的中继重选的决策阀值，得到基于社会性-信道信息的联合中继重选策略：中继探测过程中，当以下情况发生时，目的用户停止探测，与本次探测到的中继建立D2D中继通信，从统计意义上获得最优的收益：

步骤3-1)中所述设定中继重选具体规则，包括如下步骤：

(1)在整个中继重选过程中，共有M个备选中继供目的用户选择，目的用户已知备选中继的个数；

(2)目的用户逐次检测备选中继，检测顺序随机，在第i次检测过程中，目的用户向第i次检测的备选中继发送检测信号，备选中继将目的用户到备选中继的信道质量信息反馈给目的用户，同时备选中继向源发送检测信号，源将备选中继到源的信道质量信息反馈给备选中继，备选中继进一步将其反馈给目的用户，同时，源也会将备选中继的平均重选通信时长信息通过中继反馈给目的用户；

(3)每次探测到一个备选中继的信息，目的用户采取以下两个决策：

放弃中继重选，选择该中继作为新的中继进行D2D中继通信；

或者，放弃该中继，继续探测新的中继；

(4)选择或者放弃第i次探测到的备选用户的策略只依据目的用户前i-1次的中继探测信息，未检测到的中继其具体信道状况信息及社会属性信息不可知；

(5)放弃的中继无法进行回选；

(6)目的用户第一次探测备选中继时，能够从网络获得备选的信道状况及平均重选通信时长的统计分布；

(7)目的用户通过CSI反馈或者GPS定位手段，能够获得当前中继的匀速直线移动模式。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的无线D2D中继网络中基于社会性-信道信息的联合中继重选方法，所构建的系统综合考虑了当前中继的突发移动以及各个备选中继参差的社会稳定性这两个方面的因素，通过调控目的用户结束备选中继探测过程的时间，从统计意义上实现最稳定最高效的D2D中继通信；同时，引入其他三种D2D中继通信中继重选基准策略，只考虑备选中继信道状况信息的最优停止策略；基于备选中继社会性信息的最优停止策略；依次探测所有备选中继后作出抉择的中继全探测策略。通过与原策略进行比较，得出原策略在实现D2D中继通信稳定性及高效性上的优势。

进一步地，在分析备选中继的社会属性与备选中继可实现的D2D中继通信稳定性之间关系时，创造性的建立了平均重选通信时长这一社会属性模型，通过收集备选中继与其他用户建立通信的时长历史数据，建立统计模型，从而在统计意义上评估该备选中继与目的用户建立D2D中继通信可实现的通信时长，进而作为判断该备选中继稳定性的标志，为目的用户进行中继重选决策提供依据。

进一步地，引入最优停止理论指导目的用户进行中继重选，利用最优停止理论，目的用户在进行中继探测的过程中可以迅速的采取决策选择新的备选中继，从而实现了中继重选时间成本与选择较优备选中继获得的收益之间的折中。

附图说明

图1为本发明的系统模型图；

图2为中继重选探测过程示意图；

图3为本发明的基于社会性-信道信息的联合中继重选方法的决策结构分析图；其中：

(a)为中继重选方案-联合最优停止策略-决策阀值随目的用户中继探测步数的变化情况；

(b)为当前中继移动速度对联合最优停止策略决策阀值的影响；

(c)为仿真角度体现当前中继移动速度的变化对联合最优停止策略停止时间的影响；

(d)为T_avg对联合最优停止策略阀值变化趋势的影响；

(e)为从系统仿真的角度，反映了备选中继序列平均重选通信时长均值的变化对信道-社会性联合最优停止策略停止时间的影响；

图4为本发明的基于社会性-信道信息的联合中继重选策略与三个基本策略可实现的最优吞吐量性能比较；其中：

(a)为各方案平均最优吞吐量随备选中继数量的变化情况；

(b)为当前中继移动速度对各方案平均最优吞吐量性能的影响；

(c)为备选中继序列社会属性的变化对各方案平均最优吞吐量的影响；

图5为本发明的基于社会性-信道信息的联合中继重选策略与三个基本策略可实现的稳定性能比较；其中：

(a)为各方案的重新建立连接延迟时间随备选中继个数的变化情况；

(b)为在不同的移动速度下，信道-社会性联合最优停止策略的重连时延均会随备选中继个数的变化趋势；

(c)为随着备选中继个数的增大，不同方案选择的新中继可持续平均通信时长的变化。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明考察一个动态变化的D2D中继通信场景，如图1所示。在目的用户利用当前中继进行D2D中继通信的过程中，当前中继产生突发移动，目的用户需进行中继重选避免D2D中继通信的断开，各个备选中继由于其社会属性不同，具有不同的通信稳定性；网络记录每一个备选中继通信时长的历史数据进而分析备选中继的平均重选通信时长，将其作为每个备选中继的社会性信息；目的用户发送探测信号进中继探测，每次探测可获得该备选中继的社会性信息以及该备选中继所处环境的信道状况信行息，作为进行中继重选的依据；当当前中继移动到一定程度使得信道状况无法维持D2D通信，且目的用户未能找到新中继时，D2D中继通信断开，等待新中继建立新的连接。

针对以上系统模型，本发明的主要步骤包括：

针对以上系统模型，本发明的主要步骤包括：

1)构建无线D2D中继网络中中继移动场景下的D2D中继通信系统模型，描述当前中继移动模式以及备选中继分布状态，并基于当前中继移动模式以及备选中继分布状态建立无线D2D中继网络数据传输模型，作为中继重选过程的信道信息参考依据；

2)基于通信时长的概念建立备选中继平均重选通信时长模型，用以描述备选中继建立D2D连接的社会稳定性，作为中继重选过程的社会性信息参考依据；

3)基于无线D2D中继网络数据传输模型以及备选中继平均重选通信时长模型，引入最优停止理论，建立无线D2D中继网络中基于社会性-信道信息的联合中继重选策略，将其命名为基于社会性-信道信息的联合最优停止策略。

步骤1)的具体操作，包括：

1-1)构建当前中继匀速直线移动模式

d_sD为目的用户距热点源距离，d_sr(0)为初始时刻当前中继距热点源距离，d_rD(0)为初始时刻当前中继距目的用户距离，从初始时刻开始，当前中继以速度V做匀速直线运动，当前中继移动方向与初始时刻当前中继到热点源的夹角为α；目的用户检测到当前中继的移动后，进行备选中继的探测，每次探测的时间为τ，并将该时间设定为单位时间；经过i个单位时间后，热点源到当前中继的距离为d_sr(i)，当前中继到目的用户的距离为d_rD(i)。

1-2)构建备选中继分布模式

在目的用户进行中继重选的过程中，有M个备选中继可供选择，将其编号为1、2、3…M；备选中继i距热点源为备选中继距目的用户的距离为备选中继距目的用户的距离服从均匀分布：

1-3)构建无线D2D中继网络数据传输模型，作为中继重选过程的信道状况信息

当前中继支持下的无线D2D中继网络数据传输速率：

其中，热点源发射功率为P_s，中继发射功率P_r，传输带宽为W；经过i个单位时间后，当前中继的传输速率为X_r(i)，由于当前中继正处于匀速直线运动状态，则在不同的时间i，当前中继下的无线D2D中继网络数据传输速率会不同；

备选中继支持下的无线D2D中继网络数据传输速率：

其中，P_r为备选中继的发射功率，假设所有备选中继的发射功率相同。由之前的分析可知，目的用户进行中继重选关注备选中继能够稳定进行D2D中继通信的时间，因此，在研究的时间范围内，认为X_i为恒定值；

进一步的，基于以上信道状况的表达式，可以得到D2D中继通信达到最大传输速率时中继所处的位置信息，即：

通过求解该等式，得到当D2D中继通信达到最大传输速度时，中继到目的用户之间的距离为d_min，此时的D2D中继通信最大传输速度为：

以该位置为分界线，当中继更靠近源时，中继到目的用户的信道状况限制了通信速率，当中继更靠近目的用户时，中继到源的信道状况限制了通信速率。由于这两种情况是可以等价的，本发明只研究中继到目的用户的信道状况限制通信速率的情形。

步骤2)的具体操作，包括以下步骤：

2-1)构建两用户通信时长模型

当两个用户i、j进入可通信范围内，并维持固定的位置后，网络开始记录用户i与用户j每次接触所持续的时间{CT_i}作为通信时长，直至两用户有其中任何一方开始持续移动；与此同时，网络记录两用户的接触次数N_i，j，根据获得的通信时长的历史数据，可评估两用户通信时长的统计平均值M_i，j，如下所示：

进一步，可评估两用户通信时长的方差I_i，j，将其定义为两用户D2D通信不稳定性因子，具体描述如下：

基于以上通信时长的均值和方差，得到两用户通信时长服从的统计分布为：

进一步，可得到通信时长分布的概率密度函数如下：

式中，

2-2)建立备选中继平均重选通信时长模型，作为中继重选过程中的社会信息：

备选中继i与用户j的平均通信时长设为M_i，j，方差设为I_i，j，则该备选中继与所有N个用户的通信时长平均值可表述为如下形式：

备选中继与所有N个用户的通信时长方差可表述为如下形式：

由于无法直接获得备选中继与目的用户之间的通信时长统计信息，本发明将根据备选中继与网络中用户的平均通信时长统计信息预测备选中继与目的用户通信时长的统计特性。即：基于备选中继的M_i、I_i，获得备选中继与目的用户通信时长的统计分布：

概率密度函数仍表述为以下形式：

另一方面，由于本发明主要研究的时间范围为目的用户开始进行中继重选直至新中继因不稳定而产生离开，考虑到目的用户开始进行中继重选可能位于目的用户与备选中继可通信时间的任意一个时间点，因而要对通信时间的概念做一定的变化：设目的用户与备选中继i的重选通信时长为随机变量T，通信时长为X，若的用户在X时间段内任意时刻C开始进行中继重选，则有：

T＝X-C；

由上文已知备选中继i与目的用户通信时长X的概率密度函数f_i(x；k_i，θ_i)，中继重选时刻C服从均匀分布C～U(0，X)，概率密度函数为：

则可推导得到重选通信时长T满足：

其中，f_X，C(x，c)＝g_C|X(c|x)f_i(x；k_i，θ_i)；

进而得到备选中继i与目的用户的重选通信时长的概率密度函数进而得到用户i平均重选通信时长为T_i；进一步的，网络通过记录所有备选中继的重选通信时长的统计信息，可以获得M个备选中继平均重选通信时长的分布情况，针对不同的具体场景，该分部的均值和方差不同。

所述步骤3)的具体步骤包括：

3-1)设定中继重选具体规则

规定目的用户进行中继重选的触发条件：定义ΔX＝|X_r(i)-X_r(0)|，随着中继的移动，ΔX的值逐渐变大，当ΔX≥ΔX_th时，目的用户开始进行中继重选。

依据如图2所示的中继重选探测过程，目的用户进行中继重选的具体规则如下：

1)在整个中继重选过程中，共有M个备选中继供目的用户选择，目的用户已知备选中继的个数；

2)目的用户逐次检测备选中继，检测顺序随机，在第i次检测过程中，目的用户向第i次检测的备选中继发送检测信号，备选中继将目的用户到备选中继的信道质量信息反馈给目的用户，同时备选中继向源发送检测信号，源将备选中继到源的信道质量信息反馈给备选中继，备选中继进一步将其反馈给目的用户，同时，源也会将备选中继的平均重选通信时长信息通过中继反馈给目的用户；

3)每次探测到一个备选中继的信息，目的用户可以采取以下两各决策：放弃中继重选，选择该中继作为新的中继进行D2D中继通信；放弃该中继，继续探测新的中继；

4)选择或者放弃第i次探测到的备选用户的策略只依据目的用户前i-1次的中继探测信息，未检测到的中继其具体信道状况信息及社会属性信息不可知；

5)放弃的中继无法进行回选；

6)目的用户第一次探测备选中继时，即可从网络获得备选的信道状况及平均重选通信时长的统计分布；

7)目的用户通过CSI反馈或者GPS定位等手段，可以获得当前中继的匀速直线移动模式。

3-2)基于获得的备选中继的社会性信息以及信道状况信息，建立无线D2D中继网络中继重选优化目标：

目的用户在进行j次中继探测后，选择该次探测的备选中继能够获得的决策收益为：

式中，τ为目的用户进行一次中继探测所需时间；X_r(i)为经过第i次中继探测后，当前中继可支持的D2D中继通信速率；X_j为目的用户在第j次中继探测时，探测到的备选中继可提供的D2D中继通信速率，各备选中继到目的用户距离服从独立同分布均匀分布；T_j为的用户在第j次中继探测时，探测到的备选中继可提供的平均重选通信时长；

基于上述决策收益，提出的中继重选方案的优化目标即为选择合适的j^*，使得：

3-3)基于无线D2D中继网络中继重选优化目标，设计基于社会性-信道信息的联合中继重选策略

当目的用户探测到第j个中继后，决定停止中继重选并通过该中继建立新的D2D中继通信时，采取该决策可获得的即时收益为：

根据有限最优停止理论的逆向归纳法，得到在结束第j步中继探测后最优等式：

V_j(X_j，T_j)＝max{R_j(X_j，T_j)，E{V_j+1(X_j+1，T_j+1)}}；

式中，E{·}表示关于随机变量X_j+1T_j+1的数学期望；

当停止中继重选获得的即时收益R_j(X_j，T_j)大于或等于继续进行中继重选的最优期望收益E{V_j+1(X_j+1，T_j+1)}时，目的用户将停止进行中继重选，连接至备选中继进行新的D2D通信；否则，目的用户将继续进行中继探测；

E{V_j+1(X_j+1，T_j+1)}为第j次中继探测时，决策的阀值，即时收益大于阀值，目的用户可停止探测，建立D2D通信连接，小于阀值则继续探测；

因此，定义第j次中继探测的决策阀值如下：

具体求解目的用户进行中继探测每一步探测的决策阀值为：

综上所述，本发明提出的中继重选方案：信道-社会性联合最优停止策略具体描述如下：在D2D中继通信过程中，当当前中继发生移动后，目的用户通过CSI信道反馈以及GPS定位等技术获得当前中继的匀速直线运动模式，因此目的用户可预测当前中继的移动性；当D2D中继通信速率下降到阀值ΔX后，目的用户开始进行中继重选，在进行中继探测之前，目的用户会根据从网络获取的备选中继信道状况以及重选通信时长的统计信息，以及其对当前中继移动性的预测，计算出每一步探测的阀值序列当目的用户开始进行中继探测后，在探测到第j步后得到在该步停止的即时收益R_j(X_j，T_j)，比较该即时收益与阀值的大小，若即时收益大于阀值，则目的用户停止中继探测，选择该次探测到的备选中继进行新的D2D中继传输；若即时收益小于阀值，则目的用户继续进行中继探测。当当前中继移动至中继通信速率小于目的用户与网络直连速率时，无论目的用户是否找到了合适的中继，D2D中继通信都将断开。

最后，设计D2D中继重选的基准策略，与本发明提出的信道-社会性联合中继重选策略进行比较，得出本发明提出的中继重选策略的优越性。

基准策略一：中继全探测策略

目的用户依次探测所有备选中继，并记录所有备选中继可提供的通信速率序列{X_j}与平均通信时长序列{T_j}，在所有中继探测完成后，在不考虑由当前中继移动而产生的时间成本的情况下，按照如下原则选择最优中继：

然而，该方案获得实际收益仍要考虑当前中继移动及其带来的时间成本的影响，因此，该方案的实际收益如下：

基准策略二：基于信道状况最优停止策略

该策略一方面考虑当前中继的移动及其带来的时间成本，另一方面考虑备选中继的信道状况信息，但不考虑备选中继的平均通信时长这一社会信息，仍然采用最优停止策略解决时间成本的问题，目的用户根据如下探测停止所获得的即时收益进行决策判断：

式中，T_avg为各备选中继平均重选通信时长的平均值。

采取最优停止策略求解得到最优解j^*，该决策方案获得的实际收益为：

基准策略三：基于社会信息最优停止策略

该策略一方面考虑当前中继的移动及其带来的时间成本，另一方面考虑备选中继的平均通信时长这一社会信息，但不考虑备选中继的信道状况信息，仍然采用最优停止策略解决时间成本的问题，目的用户根据如下探测停止所获得的即时收益进行决策判断：

式中，X_avg为备选中继可提供的平均中继通信速率。

采取最优停止策略求解得到最优解j^*，该决策方案的实际收益为：

通过系统仿真，比较社会性-信道信息的联合中继重选策略：社会性-洗脑联合最优停止策略，与三个基准策略性能，得出本发明提出的信道-社会性联合中继重选策略的优越性。

图3给出了社会性-信道信息的联合中继重选方法的决策结构分析。

其中，图3(a)反映了目的用户在进行中继探测过程中，阀值序列的变化情况。可以看出，随着目的用户进行中继探测的步数越来越大，进行策略判断的阀值将会越来越小。该变化趋势的原因如下：

决策阀值反映了目的用户跳过第j次检测到的中继，在第j+1次到第M次中继探测寻找更好的中继所能得到的期望最优收益；在任何情况下，第j+1次中继探测相比于第j次中继探测，备选中继的数量都会减少，当中继数量更少时，从统计意义上来讲，存在提供更好性能的备选中继出现的可能性将会更低；另一方面，随着中继探测的进行，目的用户仍连接至当前移动中继，所耗费的中继探测时间越长，当前中继由于不断变差的信道质量，能够提供的通信速率将不断下降，与此同时，时间成本的增大使得备选中继实际平均通信时长变小。因此，随着目的用户中继探测步数的增多，备选中继越来越少，当前中继信道质量越来越差，时间成本越来越高，基于这三方面因素，目的用户更趋向于停止进行中继探测，选择当下中继进行新的D2D中继传输。

图3(b)反映了当前中继移动速度对联合最优停止策略阀值变化趋势的影响，该图反映出，随着当前中继移动速度的增加，决策阀值将会出现整体的下降，阀值出现整体下降的原因如下：由前文分析可知，当前中继移动速度与时间成本存在紧密联系，随着当前中继移动速度的增加，由于现有D2D中继通信速率下降速度增大，急需的到新的中继建立新的通信连接，因而继续进行中继探测的成本将会增加，进而决策阀值整体下降，使得目的用户能够更早的选择新的中继，从而降低时间成本的影响。

图3(c)通过系统仿真的角度，体现了当前中继移动速度的变化对联合最优停止策略停止时间的影响，印证了图3(b)阀值趋势变化的合理性。由该系统仿真结果图可以直观的看出，随着当前中继移动速度的增大，目的用户倾向于更早的停止中继探测，选择新的中继建立新的D2D通信。该变化趋势从系统实际仿真的角度，对图3(b)的决策阀值理论变化趋势做了证明。说明了当中继移动速度增加时，时间成本增大，更早的停止中继探测有利于降低时间成本对收益的影响。

图3(d)反映了T_avg对联合最优停止策略阀值变化趋势的影响。有图可看出，随着通信时长的均值不断变大，最优停止策略阀值整体变大，产生这种变化的原因在于：当T_avg增大时，从统计意义上讲，各备选中继的平均重选通信时长也会变大，这使得目的用户停止中继探测而建立新的D2D中继连接所获得的即时收益增大，由信道-社会性联合最优停止策略决策阀值的推导过程可知，阀值会随着即时收益的增加而增大，因此，当备选中继序列平均重选通信时长的均值T_avg变大时，联合最优停止策略的阀值将会整体增大。

图3(e)从系统仿真的角度，反映了备选中继序列平均重选通信时长均值的变化对信道-社会性联合最优停止策略停止时间的影响，与图3(c)反映的情况不同，在图3(e)中，虽然决策阀值整体上升，但这并没有导致目的用户最优停止策略的停止时间产生明显的变化，该现象的出现是合理的：虽然网络中备选中继的平均重选通信时长发生了整体的变化，但本质上，这并没有导致中继探测时间成本的增大。收益与阀值产生了相同的变化趋势，因而并没有对决策产生本质的影响。

图4为本发明的基于社会性-信道信息的联合中继重选策略与三个基本策略可实现的最优吞吐量性能比较。其中，图4(a)反映了各方案平均最优吞吐量随备选中继数量的变化情况，由该图可以看出：

(1)当备选中继数量较小时，随着中继数量的增加，各方案平均最优吞吐量持续上升，直至当备选中继个数达到7个左右时，吞吐量性能接近饱和。出现这种变化趋势的原因在于，从统计意义上讲，当中继数量较小时，出现最优备选中继的可能性相对较小，随着中继数量的增加，出现可实现更加优秀性能的备选中继的可能性不断上升，从而使各个决策方案在最开始吞吐量逐渐上升，在第7个中继达到饱和说明当网络中有7个备选中继时，基本可以包括了可以实现最优性能的中继；

(2)当备选中继数量较小时，中继全探测策略与毕业设计中提出的信道-社会性联合最优停止策略性能相近，这是由于中继数量较小时，进行中继全探测的时间成本较小。当备选中继数量增大时，中继全探测时间成本增大，因此中继全探测策略可实现的平均最优吞吐量会随着备选中继数量的增加而急剧下降；

(3)由于信道-社会性联合最优停止策略、基于信道最优停止策略、基于社会性最优停止都采取了最优停止策略理论，因此这三个方案都有效的解决了时间成本的问题，因此，随着备选中继个数增多，这三个方案均能保持稳定的平均最优吞吐量。

图4(b)反映了当前中继移动速度对各方案平均最优吞吐量性能的影响，有该图可以看出：

(1)信道-社会性联合最优停止方案可以实现最优异的性能；

(2)由于三个最优停止策略方案均有效解决了由于当前中继的移动而产生的时间成本问题，随着中继速度的增大目的用户提前停止探测，因此，随着中继移动速度的增大，这三个最优停止策略方案均能保持比较稳定的平均最优吞吐量性能。

(3)由于中继全探测策略未考虑时间成本的影响，因此随着中继移动速度的增加，中继全探测策略可实现的平均最优吞吐量急剧下降。

图4(c)反映了备选中继序列社会属性的变化对各方案平均最优吞吐量的影响，由该图可以看出，备选中继平均通信时长增大时，备选中继的社会稳定性增强，因而可维持更长时间的通信，显然有各方案的平均最优吞吐量会随着备选中继平均通信时长的增加而增加；

图5为本发明的基于社会性-信道信息的联合中继重选策略与三个基本策略可实现的稳定性能比较。

其中，图5(a)反映了各方案的延迟时间随备选中继个数的变化情况，由该图可以看出：

(1)当备选中继个数较少时，目的用户进行中继探测过程中不会出现D2D连接断开的情况，随着备选中继个数的增多，中继探测的时间会更长，从而出现D2D连接断开的可能性也更大，因此，随着备选中继个数的增多，重连延迟时间将会增大；

(2)相比于中继全探测策略，其余三个最优停止策略均能实现更小的重连时延，原因在于最优停止策略充分考虑了时间成本的影响，尽早的选择了备选中继建立新的连接。

图5(b)反映了在不同的移动速度下，信道-社会性联合最优停止策略的重连时延均会随备选中继个数的增多而增大，这是由中继探测的时间变大所致；另一方面，中继移动速度增大时，相同备选中继个数下，重连时延也会增大，然而，当备选中继较大时，信道-社会性联合最优停止策略的重选时延会趋于相同，并不像直观感受的那样速度越快延迟明显增大。

图5(c)反映了随着备选中继个数的增大，不同方案选择的新中继可持续平均通信时长的变化，由该图可以看出：

(1)信道-社会性联合最优停止策略以及基于社会性最优停止策略可以实现新中继通信较长时间的平均实际通信时长。相比之下，中继全探测策略以及基于信道最优停止策略选择的新中继平均实际通信时长随着备选中继个数的增大而降低。产生该变化趋势的原因在于：信道-社会性联合最优停止策略以及基于社会性联合最优停止策略在进行决策时，充分考虑了备选中继的平均重选通信时长这一社会性信息以及时间成本；而中继全探测策略虽然考虑了备选中继的平均重选通信时长这一社会性信息，但没有考虑时间成本，因此随着备选中继个数的增多，中继全探测策略可实现的实际平均通信时长逐渐减小；基于信道的最优停止策略虽然考虑了时间成本，但并没有考虑备选中继的平均重选通信时长，因而最无法保证新通信的稳定性，在这四个方案中，该方案性能最差；

(2)基于社会性最优停止策略与基于信道最优停止策略相比有更加优异的性能，这是因为基于社会性最优停止策略只关注备选中继的平均重选通信时长这一社会性信息，而信道-社会性联合最优停止策略需要综合考虑备选中继信道状况及社会性信息两个方面的因素，因此仅就通信时长这一社会性信息而言，性能相对较差。

Claims (5)

1.一种无线D2D中继网络中基于社会性-信道信息的联合中继重选方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)构建无线D2D中继网络中的中继移动场景下的D2D中继通信系统模型，描述当前中继移动模式及备选中继分布状态，并基于当前中继移动模式及备选中继分布状态建立无线D2D中继网络数据传输模型，作为中继重选过程的信道信息参考依据；

2)基于通信时长的概念，建立备选中继平均重选通信时长模型，用以描述备选中继建立D2D连接的社会稳定性，作为中继重选过程的社会性信息参考依据；

3)基于无线D2D中继网络数据传输模型及备选中继平均重选通信时长模型，引入最优停止理论，建立无线D2D中继网络中基于社会性-信道信息的联合中继重选方法，将其命名为基于社会性-信道信息的联合最优停止策略。

2.根据权利要求1所述的无线D2D中继网络中基于社会性-信道信息的联合中继重选方法，其特征在于，步骤1)的具体操作，包括：

1-1)构建当前中继匀速直线移动模式

定义d_sD为目的用户距热点源距离，d_sr(0)为初始时刻当前中继距热点源距离，d_rD(0)为初始时刻当前中继距目的用户距离；

从初始时刻开始，当前中继以速度V做匀速直线运动，当前中继移动方向与初始时刻当前中继到热点源的夹角为α；目的用户检测到当前中继的移动后，进行备选中继的探测，每次探测的时间为并将该时间设定为单位时间；经过i个单位时间后，热点源到当前中继的距离为d_sr(i)，当前中继到目的用户的距离为d_rD(i)；

1-2)构建备选中继分布模式

在目的用户进行中继重选的过程中，有M个备选中继可供选择，将其编号为1、2、3…M；备选中继i距热点源为备选中继距目的用户的距离为备选中继距目的用户的距离服从均匀分布：

1-3)构建无线D2D中继网络数据传输模型，作为中继重选过程的信道状况信息

当前中继支持下的无线D2D中继网络数据传输速率为：

$X_r\left(i\right)=\min \{Wlog(1+\frac{P_s}{N_0{d}_{sr}^{\mathrm{\α}}\left(i\right)}),Wlog(1+\frac{P_r}{N_0{d}_{rD}^{\mathrm{\α}}\left(i\right)})\};$

其中，热点源发射功率为P_s，中继发射功率P_r，传输带宽为W；经过i个单位时间后，当前中继的传输速率为X_r(i)，由于当前中继正处于匀速直线运动状态，则在不同的时间i，当前中继下的无线D2D中继网络数据传输速率会不同；

备选中继支持下的无线D2D中继网络数据传输速率：

$X_i=\min \{Wlog(1+\frac{P_s}{N_0{d}_{{\mathrm{sr}}_{new}\left(i\right)}^{\mathrm{\α}}}),Wlog(1+\frac{P_r}{N_0{d}_{{\mathrm{rD}}_{new}\left(i\right)}^{\mathrm{\α}}})\};$

其中，P_r为备选中继的发射功率，假设所有备选中继的发射功率相同，目的用户进行中继重选关注备选中继能够稳定进行D2D中继通信的时间，在研究的时间范围内，认为X_i为恒定值；

基于以上信道状况的表达式，可以得到D2D中继通信达到最大传输速率时中继所处的位置信息，即通过求解：

$Wlog(1+\frac{P_s}{N_0{\left(d_{sD}-d_{\min }\right)}^{\mathrm{\α}}})=Wlog(1+\frac{P_r}{N_0{d}_{\min }^{\mathrm{\α}}});$

得到当D2D中继通信达到最大传输速度时，中继到目的用户之间的距离为d_min，此时的D2D中继通信最大传输速度为：

$X_{max}=Wlog(1+\frac{P_s}{N_0{(d_{sD}-d_{min})}^{\mathrm{\α}}})=Wlog(1+\frac{P_r}{N_0{d}_{\min }^{\mathrm{\α}}});$

以该位置为分界线，当中继更靠近源时，中继到目的用户的信道状况限制了通信速率，当中继更靠近目的用户时，中继到源的信道状况限制了通信速率。

3.根据权利要求1所述的无线D2D中继网络中基于社会性-信道信息的联合中继重选方法，其特征在于，步骤2)的具体操作，包括：

2-1)构建两用户通信时长模型

当两个用户i、j进入能够通信的范围内，并维持固定的位置后，网络开始记录用户i与用户j每次接触所持续的时间{CT_i}作为通信时长，直至两用户有其中任何一方开始持续移动；与此同时，网络记录两用户的接触次数N_i，j，根据获得的通信时长的历史数据，能够评估两用户通信时长的统计平均值M_i，j，如下所示：

$M_{i,j}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_i^{N_{i,j}}{\mathrm{CT}}_i}{N_{i,j}};$

进一步，能够评估两用户通信时长的方差I_i，j，将其定义为两用户D2D通信不稳定性因子，具体描述如下：

$I_{i,j}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{N_{i,j}}{({\mathrm{CT}}_n-M_{i,j})}^2}{N_{i,j}};$

基于以上通信时长的均值和方差，得到两用户通信时长服从的统计分布为：

$Gamma(k,\mathrm{\θ})=Gamma(\frac{M_{i,j}^2}{I_{i,j}},\frac{I_{i,j}}{M_{i,j}});$

得到通信时长分布的概率密度函数如下：

$f(x;k,\mathrm{\θ})=\frac{1}{{\mathrm{\θ}}^k}\frac{1}{\mathrm{\Γ}\left(k\right)}{x}^{k-1}{e}^{-\frac{x}{\mathrm{\θ}}};$

式中，

2-2)建立备选中继平均重选通信时长模型，作为中继重选过程中的社会信息：

备选中继i与用户j的平均通信时长设为M_i，j，方差设为I_i，j，则该备选中继与所有N个用户的通信时长平均值可表述为如下形式：

$M_i=\frac{{\mathrm{\Σ}}_j^N{M}_{i,j}}{N};$

备选中继与所有N个用户的通信时长方差可表述为如下形式：

$I_i=\frac{{\mathrm{\Σ}}_j^N{I}_{i,j}}{N};$

由于无法直接获得备选中继与目的用户之间的通信时长统计信息，因此，将根据备选中继与网络中用户的平均通信时长统计信息预测备选中继与目的用户通信时长的统计特性，即：基于备选中继的M_i、I_i，获得备选中继与目的用户通信时长的统计分布：

$X_i~Gamma(k_i,{\mathrm{\θ}}_i)=Gamma(\frac{M_i^2}{I_i^2},\frac{I_i}{M_i});$

设目的用户与备选中继i的重选通信时长为随机变量T，通信时长为X，若的用户在X时间段内任意时刻C开始进行中继重选，则有：

T＝X-C；

备选中继i与目的用户通信时长X的概率密度函数f_i(x；k_i，θ_i)，中继重选时刻C服从均匀分布C～U(0，X)，概率密度函数为：

$g_{C|X}\left(c\right|x)=\frac{1}{x};$

则可推导得到重选通信时长T满足：

$\mathrm{Pr}\left(T<t\right)=\mathrm{Pr}\left(X-C<t\right)={\&Integral;}_o^{+\mathrm{\&infin;}}{\&Integral;}_{x-t}^x{f}_{X,C}\left(x,c\right)dcdx;$

其中，f_X，C(x，c)＝g_C|X(c|x)f_i(x；k_i，θ_i)；

进而得到，备选中继i与目的用户的重选通信时长的概率密度函数,得到用户i平均重选通信时长为T_i；网络通过记录所有备选中继的重选通信时长的统计信息，获得M个备选中继平均重选通信时长的分布情况，针对不同的具体场景，该分部的均值和方差不同。

4.根据权利要求1所述的无线D2D中继网络中基于社会性-信道信息的联合中继重选方法，其特征在于，步骤3)的具体操作，包括：

3-1)设定中继重选具体规则

规定目的用户进行中继重选的触发条件：定义ΔX＝|X_r(i)-X_r(0)|，随着中继的移动，ΔX的值逐渐变大，当ΔX≥ΔX_th时，目的用户开始进行中继重选；

3-2)基于获得的备选中继的社会性信息以及信道状况信息，建立无线D2D中继网络中继重选优化目标

目的用户在进行j次中继探测后，选择该次探测的备选中继能够获得的决策收益为：

$R_j(X_j,T_j)=\underset{i=1}{\overset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&tau;X}}_r\left(i\right)+X_j(T_j-j\mathrm{\&tau;})=\underset{i=1}{\overset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&tau;X}}_r\left(i\right)+X_j{M}_j;$

式中，为目的用户进行一次中继探测所需时间；X_r(i)为经过第i次中继探测后，当前中继可支持的D2D中继通信速率；X_j为目的用户在第j次中继探测时，探测到的备选中继可提供的D2D中继通信速率，各备选中继到目的用户距离服从独立同分布均匀分布；T_j为的用户在第j次中继探测时，探测到的备选中继可提供的平均重选通信时长；

基于上述决策收益，提出的中继重选方案的优化目标即为选择合适的j^*，使得：

3-3)基于无线D2D中继网络中继重选优化目标，设计基于社会性-信道信息的联合中继重选策略

当目的用户探测到第j个中继后，决定停止中继重选并通过该中继建立新的D2D中继通信时，采取该决策可获得的即时收益为：

$R_j(X_j,T_j)=\underset{i=1}{\overset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&tau;X}}_r\left(i\right)+X_j(T_j-j\mathrm{\&tau;})=\underset{i=1}{\overset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&tau;X}}_r\left(i\right)+X_j{M}_j;$

根据有限最优停止理论的逆向归纳法，得到在结束第j步中继探测后最优等式：

V_j(X_j，T_j)＝max{R_j(X_j，T_j)，E(V_j+1(X_j+1，T_j+1)}}；

式中，E{·}表示关于随机变量X_j+1T_j+1的数学期望；

当停止中继重选获得的即时收益R_j(X_j，T_j)大于或等于继续进行中继重选的最优期望收益E{V_j+1(X_j+1，T_j+1)}时，目的用户将停止进行中继重选，连接至备选中继进行新的D2D通信；否则，目的用户将继续进行中继探测；

E{V_j+1(X_j+1，T_j+1)}为第j次中继探测时，决策的阀值，即时收益大于阀值，目的用户可停止探测，建立D2D通信连接，小于阀值则继续探测；

因此，定义第j次中继探测的决策阀值如下：

${\mathrm{\&theta;}}_j^{*}=E\left\{V_{j+1}(X_{j+1},T_{j+1})\right\},\&ForAll;j=0,1...,M-1;$

具体求解目的用户进行中继探测每一步探测的决策阀值为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_M^{*}=-\mathrm{\&infin;};\\ {\mathrm{\&theta;}}_{M-1}^{*}=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&tau;X}}_r\left(i\right)+{\&Integral;}_{X_{\min }}^{X_{\max }}{\mathrm{xf}}_X\left(x\right)dx{\&Integral;}_{T_{\min }-M_{\mathrm{\&tau;}}}^{T_{\max }-M_{\mathrm{\&tau;}}}{\mathrm{mf}}_{M_M}\left(m\right)dm\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ {\mathrm{\&theta;}}_j^{*}={\&Integral;}_{X_{\min }}^{X_{\max }}{\&Integral;}_{{\mathrm{\&Theta;}}_j}^{T_{\max }-\left(j+1\right)\mathrm{\&tau;}}\left(\underset{i=1}{\overset{j+1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&tau;X}}_r\left(i\right)+xm\right)f_X\left(x\right)f_{M\left(j+1\right)}\left(m\right)dmdx\\ +{\mathrm{\&theta;}}_{j+1}^{*}{\&Integral;}_{X_{\min }}^{X_{\max }}{\&Integral;}_{T_{\min }-\left(j+1\right)\mathrm{\&tau;}}^{{\mathrm{\&Theta;}}_j}{f}_X\left(x\right)f_{M_{j+1}}\left(m\right)dmdx;\end{array}$

基于求得的中继重选的决策阀值，得到基于社会性-信道信息的联合中继重选策略：中继探测过程中，当以下情况发生时，目的用户停止探测，与本次探测到的中继建立D2D中继通信，从统计意义上获得最优的收益：

$j^{*}=\underset{j\&Element;M}{min}\{j\&GreaterEqual;1,R_j(X_j,T_j)\&GreaterEqual;{\mathrm{\&theta;}}_j^{*}\}.$

5.根据权利要求4所述的无线D2D中继网络中基于社会性-信道信息的联合中继重选方法，其特征在于，步骤3-1)中所述设定中继重选具体规则，包括如下步骤：

(1)在整个中继重选过程中，共有M个备选中继供目的用户选择，目的用户已知备选中继的个数；

(2)目的用户逐次检测备选中继，检测顺序随机，在第i次检测过程中，目的用户向第i次检测的备选中继发送检测信号，备选中继将目的用户到备选中继的信道质量信息反馈给目的用户，同时备选中继向源发送检测信号，源将备选中继到源的信道质量信息反馈给备选中继，备选中继进一步将其反馈给目的用户，同时，源也会将备选中继的平均重选通信时长信息通过中继反馈给目的用户；

(3)每次探测到一个备选中继的信息，目的用户采取以下两个决策：放弃中继重选，选择该中继作为新的中继进行D2D中继通信；或者，放弃该中继，继续探测新的中继；

(4)选择或放弃第i次探测备选用户的策略，只依据目的用户前i-1次的中继探测信息，未检测到的中继其具体信道状况信息及社会属性信息不可知；

(5)放弃的中继无法进行回选；

(6)目的用户第一次探测备选中继时，能够从网络获得备选的信道状况及平均重选通信时长的统计分布；

(7)目的用户通过CSI反馈或者GPS定位手段，能够获得当前中继的匀速直线移动模式。