CN107046675A - D2d协作通信中基于社交阈值的最优中继选择方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种D2D协作通信中基于社交阈值的最优中继选择方法，包括步骤：在每个中继节点的探测阶段，DT首先向中继用户rj发送探测数据包；中继用户rj获得其与DT的社会信任值以及DT‑relay链路的瞬时信噪比；如果大于或等于所设定的社会信任值的阈值βth，中继用户rj将继续探测relay‑DR链路：将接收到的探测数据包以与成正比的传输功率转发给DR，DR获得信噪比γDT,DR和，然后将获得的信噪比γDT,DR和反馈给D2D发射端DT；否则，中继用户rj不愿意为DT提供中继服务，DT将探测下一个中继节点；DT计算求得愿意为DT提供中继服务的中继用户rj的中继链路的数据传输速率Cj，并根据最优停止理论选择出最优中继节点。本发明可以有效降低中继链路探测时间，提高中继链路的有效数据传输速率和吞吐量。
Description
技术领域
本发明属于5G网络中的D2D通信技术领域，具体涉及一种D2D协作通信中基于社交阈值的最优中继选择方法。
背景技术
D2D通信将成为下一代蜂窝网络的关键特性之一。在D2D通信系统中，终端设备可以通过共享资源块直接进行通信而不需通过基站转发。D2D通信的优点是多样的，它能卸载蜂窝系统的流量，减少移动用户设备的电池消耗，增加数据传输速率，提高对基础设施故障的鲁棒性，并实现新的服务等。
传统D2D通信的研究往往只关注单跳传输。为了扩展通信范围并获得更高的覆盖概率，文献[1][2]提出了协作的D2D中继通信。文献[1][2]的作者通过采用协作的D2D中继通信来研究覆盖概率和传输容量增强的问题。协作D2D中继是一种高效的协作网络模式。在协作D2D中继通信中，移动设备可以作为彼此的中继，因此，协作D2D中继可以实现设备之间的直接或间接通信，帮助提高D2D通信的质量，提高基站与设备之间蜂窝通信的性能。
然而，许多研究工作没有考虑中继节点的协作激励问题。事实上，D2D用户近邻的大多数人对于D2D用户来说都是陌生人，考虑到自己的隐私安全性、耗电量等问题，他们可能不愿意为不熟悉的用户传输数据，而这点在无线系统的设计中通常被忽视。
在协作激励的问题上，许多研究人员提出了各种激励机制。一方面，现有的研究工作大多集中在外部激励机制设计中，用户进行协作通信的同时会获得外部激励。例如，基于支付的激励机制[3]通过虚拟货币奖励用户在协作通信中的贡献。在信誉激励机制[4]中，用户的协作行为会由一些中央权力机构或整个用户群体进行监控，从而使用户的自私行为得到监测和处罚。另一方面，一些研究[5-9]利用用户之间内在的社会关系来进行内部的激励。例如，[5][6]中的工作利用社会关系(社会信任和社会互惠)进行协作网络设计，并提出了一种基于游戏的联盟选择机制。然而，[5]中的研究是在假设没有任何探测成本的情况下获得协作通信的。基于此，[10]的作者考虑了一种更加实际的情况—考虑中继探测的成本，并提出了一种基于最优停止的中继选择方案。同时，在中继选择的标准上，现有研究大多集中在基于物理层面参数的选择，如距离、信道通信质量等,而[10][11]中的研究探索了联合社交网络层参数和物理层参数的中继选择问题，研究结果表明，在提高系统性能上，后者可以获得比前者具有更大的优势。基于以上调研，我们选择联合物理社交网络模型，并针对当前中继探测成本问题，提出一种基于社交阈值的最优中继选择方案，来降低中继探测的成本，提高中继传输的效率。
参考文献
[1]X.Ma,R.Yin,G.Yu,Z.Zhang,“A distributed relay selection method forrelay assisted Device-to-Device communication system,”in Personal Indoor andMobile Radio Communications(PIMRC),2012IEEE 23rd International Symposium onpp.1020-1024,9-12Sept.2012
[2]C.Zhai,W.Zhang,G.Mao,"Uncoordinated Cooperative Communicationswith Spatially Random Relays,"in Wireless Communications,IEEE Transactionson,vol.11,no.9,pp.3126-3135,September 2012.
[3]L.Anderegg and S.Eidenbenz,“Ad hoc-VCG:a truthful andcostefficient routing protocol for mobile ad hoc networks with selfishagents,”in Proceedings of the 9th annual international conference on Mobilecomputing and networking.ACM,2003,pp.245–259.
[4]P.Michiardi and R.Molva,“Core:a collaborative reputation mechanismto enforce node cooperation in mobile ad hoc networks,”in AdvancedCommunications and Multimedia Security.Springer,2002,pp.107–121.
[5]X.Chen,B.Proulx,X.Gong,and J.Zhang,“Social trust and socialreciprocity based cooperative D2D communications,”in Proceedings of the 14thACM international symposium on Mobile ad hoc networking and computing.ACM,2013,pp.187–196.
[6]X.Chen,X.Gong,L.Yang,and J.Zhang,“A social group utilitymaximization framework with applications in database assisted spectrumaccess,”in Proceedings of the 33rd IEEE International Conference on ComputerCommunications,2014.
[7]D.Wei,K.Zhu,X.Wang,"Fairness-aware cooperative caching scheme forMobile Social Networks,"in Communications(ICC),2014 IEEE InternationalConference on,pp.2484-2489,10-14,June 2014.
[8]C.Li,F.Jiang,X.Wang,B.Shen,“Optimal Relay Selection Based onSocial Threshold for D2D Communications Underlay Cellular Networks,”inProceedings of the 8th International Conference on Wireless Communications&Signal Processing(WCSP),pp.1-6,13-15 Oct 2016.
[9]Y.Meng,C.Jiang,H.Chen,and Y.Ren,“Cooperative Device-to-DeviceCommunications:Social Networking Perspectives,”in IEEE Network pp.12-18,17March 2017.
[10]M.Zhang and X.Chen and J.Zhang，“Social-aware Relay Selection forCooperative Networking:An Optimal Stopping Approach,”in Communications(ICC),2014IEEE International Conference on,pp.2257–2262,10-14,June 2014.
[11]X.Pan,H.Wang,“On the Performance Analysis and Relay AlgorithmDesign in Social-aware D2D Cooperated Communications,”in Vehicular TechnologyConference(VTC Spring),pp.1-5,15-18May 2016.
[12]T.S.Ferguson,“Optimal stopping and applications.”[Online].Available:http://www.math.ucla.edu/～tom/Stopping/Contents.html.
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种D2D协作通信中基于社交阈值的最优中继选择方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：
D2D协作通信中基于社交阈值的最优中继选择方法，该方法涉及的网络中包括一对D2D用户和N个潜在的中继用户rj，j＝1,2,…,N，一对D2D用户包括D2D发射端和D2D接收端，分别记为DT和DR，该方法包括以下步骤：
1)在每个中继节点的探测阶段，DT首先向中继用户rj发送探测数据包；
2)中继用户rj获得其与DT的社会信任值以及DT-relay链路的瞬时信噪比其中，社会信任值表示中继用户rj和DT之间社交关系强弱；
3)如果大于或等于所设定的社会信任值的社交阈值βth，中继用户rj将继续探测relay-DR链路：将接收到的探测数据包以与成正比的传输功率转发给DR，DR获得信噪比γDT,DR和然后将获得的信噪比γDT,DR和反馈给D2D发射端DT；否则，中继用户rj不愿意为DT提供中继服务，DT将探测下一个中继节点；
4)DT计算求得愿意为DT提供中继服务的中继用户rj的中继链路的数据传输速率Cj，并根据最优停止理论选择出最优中继节点。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中，利用用户之间内在的社会关系来激励中继节点进行协作通信，中继节点rj和DT之间的社会信任值越高，中继节点和DT之间关系越好，DT越信任中继节点，同时中继节点也越愿意以更大的功率为DT提供中继服务。
本发明进一步的改进在于，步骤3)中，引入社交阈值βth的概念，当中继节点rj与DT之间社会信任值小于社交阈值时，不愿意参与中继协作为DT提供中继服务，反之，则愿意为DT提供中继服务；DT对社会信任值低的中继节点只进行DT-relay链路的探测而探测relay-DR链路。
本发明进一步的改进在于，步骤4)中，采用解码转发的中继方案，根据解码转发协议，求得协作D2D中继链路的数据传输速率为：
式中，γDT,DR、分别为DT与DR间、DT与中继节点rj间、中继节点rj与DR间的信噪比，dDT,DR、分别为DT与DR间、DT与中继节点rj间、中继节点rj与DR间的距离，P0表示用户的发射功率，N0表示噪声功率，W表示信道带宽。
本发明进一步的改进在于，步骤4)中，对于愿意为DT提供中继服务的中继节点，通过最优停止理论选择出有效数据传输速率最大的中继节点，即最优中继节点，考虑到中继探测的时间开销，定义jth中继探测之后可获得的瞬时有效数据传输速率为：
式中，ri,0≤i≤j表示j次探测后愿意为DT提供中继服务的任意中继节点，T为一个D2D通信的时隙长度，为一次DT-relay链路探测的时间，τ为一次DT-relay-DR链路探测的时间，m1为j次探测后与DT之间社会信任值小于社交阈值的中继节点的个数，m2为j次探测后与DT之间社会信任值不小于社交阈值的中继节点的个数，Tj为j次探测后所花费的总时间，gj表示效率因子。
本发明进一步的改进在于，步骤4)中，基于社交阈值的最优中继节点选择的具体步骤如下：
401)DT对所有候选中继节点进行连续探测，j次探测后，根据所设社交阈值，筛选出愿意为DT提供中继服务的候选中继节点ri，0≤i≤j；
402)计算每个中继节点ri的中继链路的瞬时有效传输速率Ui(Cri)；
403)根据最优停止理论，为每个中继节点ri的探测阶段定义一个传输速率门限：
其中，为探测jth中继节点后DT可获得的最大效用，E{·}是期望值；
404)如果DT将停止探测并选择中继用户ri作为最优中继节点进行数据传输；否则，DT将继续探测下一个中继节点。
本发明具有如下的有益效果：
本发明利用用户之间内在的社会关系来激励中继节点进行协作通信。中继节点rj和DT之间的社会信任值越高，中继节点和DT之间关系越好，DT越信任中继节点，同时中继节点也越愿意以更大的功率为DT提供中继服务。
引入社交阈值βth的概念，当中继节点rj与DT之间社会信任值小于社交阈值时，不愿意参与中继协作为DT提供中继服务，反之，则愿意为DT提供中继服务。DT对社会信任值较低的中继节点只进行DT-relay链路的探测而探测relay-DR链路，进而节约中继探测的时间，降低中继探测的成本。
对于愿意为DT提供中继服务的中继节点，首先根据解码转发协议，求得协作D2D中继链路的瞬时有效数据传输速率，然后通过最优停止理论，为每个中继节点ri,0≤i≤j的探测阶段定义一个传输速率门限，最后将与进行比较，如果DT将停止探测并选择中继用户ri作为最优中继节点进行数据传输；否则，DT将继续探测下一个中继节点。
综上所述，与没有考虑社交阈值的方案相比，本发明可以有效降低中继链路探测时间，提高中继链路的有效数据传输速率，提高系统吞吐量。
附图说明
图1为物理-社交网络模型图。
图2为一个D2D通信时期中继探测和数据传输过程图。
图3为吞吐量与潜在中继个数变化的关系图。
图4为吞吐量与社交阈值的关系图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。
如图1所示，我们考虑社会-物理网络和只考虑距离的大尺度衰落信道模型的系统模型。该系统模型的用户可以投射到两个域：物理域和社会域，每个用户在这两个域中扮演两个角色：一个是在通信网络中的物理节点，另一个是社交网络中的用户。
在物理域，我们考虑一对D2D用户，包括D2D发射端DT和D2D接收端DR。我们假设D2D对之间的信道质量不好，D2D发射端需要找到一个具有更好信道条件的空闲用户来提供中继服务。假设有N个潜在的中继用户，用集合表示。我们假设在一个时隙内，D2D发射端只能选择一个中继进行D2D通信。
在社交域，我们利用无向的社交图GS＝{V,ES}来模拟DT与潜在的中继用户之间的社会信任关系。其中，点集是用户的集合，用V＝{DT,r1,r2,…,rN}表示；边集是社交图中用户之间的社交信任值的集合，定义为其中，表示DT和rj彼此具有社会信任并且rj愿意为DT提供中继协助。此外，对于社交图中具有社会关系的顶点用户，我们用社会信任值描述用户之间的信任度，即 越高表示DT与rj社会信任关系越强，rj更愿意为DT提供中继服务。
如公式(1)所示，不管是物理领域的参数还是社会领域的参数都在基于社会信任的协作D2D中继通信中起着关键作用。更直观地，具有更短距离(可以提供更高中继增益)或更高的社会信任度(愿意贡献更大中继功率)的中继用户更适合协作D2D中继通信。在这种情况下，DT需要中继探测的过程来确定适当的中继选择，以获得最大的协作通信增益。然而，探测更多的中继节点，一方面可以增加找到更好的中继的可能性，另一方面也会带来更大的探测开销。因此，我们需要在选择更好的中继以获得最大用户吞吐量与进一步探测中继所带来的成本之间进行折中。我们将D2D中继选择问题转化为最优停止问题，并引入社会阈值的概念来进一步降低中继探测的成本。
如图2所示，我们提出如下中继探测协议。假设D2D通信的时隙长度为T，一个完整的D2D通信过程包括中继探测和数据传输两个过程，并且数据传输发生在中继探测过程之后。
对于每个中继探测阶段，DT将首先向DR和中继用户rj,j＝1,2,…,N发送探测数据包。然后，中继用户rj可以获得其与DT的社会信任值以及DT-relay链路的瞬时信噪比并将这些信息反馈给DT。如果中继节点不愿意为DT提供中继服务，DT将探测下一个中继节点。否则，中继节点愿意为DT提供中继服务，然后将进一步探测relay-DR链路。在进行relay-DR链路探测时，中继用户rj将接收到的探测分组以与成正比的传输功率进行转发。在收到DT和中继用户的探测数据包后，DR可以获得信噪比γDT,DR和然后将这些值反馈给DT。最后DT根据所获得数据传输速率来决定是否选择该中继节点进行协作通信。不难发现，通过引入社交阈值，可以大大减少候选中继的探测时间。
我们假设DT和中继用户rj之间的社会信任强度以及距离都是服从独立同分布的随机变量。在这种情况下，实际上也是服从独立同分布的随机变量的序列。我们定义随机变量序列的概率密度函数为f(C)(·)。对于协作D2D中继，我们认为DT通过连续探测来观察随机数据速率序列DT可以决定在jth中继探测后决定停止探测并获得瞬时效用吞吐量，或者继续探测下一个中继用户。
为了选出最优中继节点，我们应该选择所有候选节点中具有最大瞬时效用的节点。然而，在探测过程中，我们无法知道哪个中继节点具有最大效用，因此我们为每个中继ri,ri,0≤i≤j的探测阶段定义一个门限：
其中，为探测jth中继后DT可获得的最大效用。是对应随机变量的期望值。根据[12]，我们得到：
在中继探测阶段，DT需要根据传输速率门限做出如下决定：当时，DT将停止探测并通过中继用户进行数据传输；否则，DT将继续探测下一个中继节点。
图3显示了D2D中继链路吞吐量随潜在中继个数变化的关系情况。可以发现，所提基于社交阈值的中继算着算法(BOSRS)与未考虑社交阈值的基于最优停止理论的中继选择算法(OSRS)相比，可以获得更高的吞吐量，这是因为，引入社交阈值，可以在中继探测过程中，对不满足社交阈值的中继节点，直接进入下一个中继节点的探测过程，而不再对中继-D2D接收端的链路进行探测，减少了中继探测过程所花费的时间，从而提高了有效吞吐量。我们还能发现，吞吐量随中继个数的增加而增加，这时因为潜在中继越多，D2D探测到更优中继节点的可能性越大。当潜在中继超过一定数目时(如N>18)，吞吐量随中继个数的增加而增加的越慢，甚至持平，这是因为D2D用户在前面中继探测中已探测到了最优中继节点，而不用探测后面的中继节点，这也正是最优中继选择算法的优势。
图4显示了D2D中继链路吞吐量随社交阈值变化的关系情况。可以发现，在潜在中继数目较小时，社交阈值为0.5的吞吐量比社交阈值为0.1、0.3时要低。这是因为，社交阈值比较大时，虽然可以在中继探测过程去掉更多不满足社交阈值的中继节点，但也有会去掉吞吐量性能较好的中继节点，尤其在可选中继用户非常少时。这种影响会随着可选中继数目的增加而降低(如图N>12)。因此，社交阈值不是越大越好，在实际中继选择过程中，需要根据潜在中继数目设置合理的社交阈值。
Claims (6)
1.D2D协作通信中基于社交阈值的最优中继选择方法，其特征在于，该方法涉及的网络中包括一对D2D用户和N个潜在的中继用户rj，j＝1,2,…,N，一对D2D用户包括D2D发射端和D2D接收端，分别记为DT和DR，该方法包括以下步骤：
1)在每个中继节点的探测阶段，DT首先向中继用户rj发送探测数据包；
2)中继用户rj获得其与DT的社会信任值以及DT-relay链路的瞬时信噪比其中，社会信任值表示中继用户rj和DT之间社交关系强弱；
3)如果大于或等于所设定的社会信任值的社交阈值βth，中继用户rj将继续探测relay-DR链路：将接收到的探测数据包以与成正比的传输功率转发给DR，DR获得信噪比γDT,DR和然后将获得的信噪比γDT,DR和反馈给D2D发射端DT；否则，中继用户rj不愿意为DT提供中继服务，DT将探测下一个中继节点；
4)DT计算求得愿意为DT提供中继服务的中继用户rj的中继链路的数据传输速率Cj，并根据最优停止理论选择出最优中继节点。
2.根据权利要求1所述的D2D协作通信中基于社交阈值的最优中继选择方法，其特征在于，步骤2)中，利用用户之间内在的社会关系来激励中继节点进行协作通信，中继节点rj和DT之间的社会信任值越高，中继节点和DT之间关系越好，DT越信任中继节点，同时中继节点也越愿意以更大的功率为DT提供中继服务。
3.根据权利要求1所述的D2D协作通信中基于社交阈值的最优中继选择方法，其特征在于，步骤3)中，引入社交阈值βth的概念，当中继节点rj与DT之间社会信任值小于社交阈值时，不愿意参与中继协作为DT提供中继服务，反之，则愿意为DT提供中继服务；DT对社会信任值低的中继节点只进行DT-relay链路的探测而探测relay-DR链路。
4.根据权利要求1所述的D2D协作通信中基于社交阈值的最优中继选择方法，其特征在于，步骤4)中，采用解码转发的中继方案，根据解码转发协议，求得协作D2D中继链路的数据传输速率为：
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式中，γDT,DR、分别为DT与DR间、DT与中继节点rj间、中继节点rj与DR间的信噪比，dDT,DR、分别为DT与DR间、DT与中继节点rj间、中继节点rj与DR间的距离，P0表示用户的发射功率，N0表示噪声功率，W表示信道带宽。
5.根据权利要求1所述的D2D协作通信中基于社交阈值的最优中继选择方法，其特征在于，步骤4)中，对于愿意为DT提供中继服务的中继节点，通过最优停止理论选择出有效数据传输速率最大的中继节点，即最优中继节点，考虑到中继探测的时间开销，定义jth中继探测之后可获得的瞬时有效数据传输速率为：
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<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中，ri,0≤i≤j表示j次探测后愿意为DT提供中继服务的任意中继节点，T为一个D2D通信的时隙长度，为一次DT-relay链路探测的时间，τ为一次DT-relay-DR链路探测的时间，m1为j次探测后与DT之间社会信任值小于社交阈值的中继节点的个数，m2为j次探测后与DT之间社会信任值不小于社交阈值的中继节点的个数，Tj为j次探测后所花费的总时间，gj表示效率因子。
6.根据权利要求5所述的D2D协作通信中基于社交阈值的最优中继选择方法，其特征在于，步骤4)中，基于社交阈值的最优中继节点选择的具体步骤如下：
401)DT对所有候选中继节点进行连续探测，j次探测后，根据所设社交阈值，筛选出愿意为DT提供中继服务的候选中继节点ri，0≤i≤j；
402)计算每个中继节点ri的中继链路的瞬时有效传输速率Ui(Cri)；
403)根据最优停止理论，为每个中继节点ri的探测阶段定义一个传输速率门限：
<mrow>
<msubsup>
<mi>&theta;</mi>
<mi>i</mi>
<mo>*</mo>
</msubsup>
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<mi>C</mi>
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<mn>2</mn>
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<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>}</mo>
<mo>}</mo>
<mo>}</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>3</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，Vi+1(Cri+1)为探测jth中继节点后DT可获得的最大效用，E{·}是期望值；
404)如果DT将停止探测并选择中继用户ri作为最优中继节点进行数据传输；否则，DT将继续探测下一个中继节点。
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