CN107205256A - 一种d2d中继网络中基于社会特性的中继选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种D2D中继网络中基于社会特性的中继选择方法，获取空闲用户的位置信息及中继选择范围半径l_max，然后根据空闲用户的位置信息及中继选择范围半径l_max得中继选择范围内的空闲用户集合；当系统的通信时间大于等于预设值时，根据空闲用户集合中各空闲用户的社会关系强度、信誉值及位置关系计算空闲用户集合中各空闲用户的信息传输速率，然后选择信息传输速率最大的空闲用户作为中继；当系统的通信时间小于预设值时，根据空闲用户集合中各空闲用户的社会关系强度、信誉值及位置关系计算空闲用户集合中各空闲用户的协作概率与信息传输速率的乘积，然后选择乘积结果最大的空闲用户作为中继，该方法能够使中继的选择更加符合真实的应用场景。

Description

一种D2D中继网络中基于社会特性的中继选择方法

技术领域

本发明属于D2D中继通信技术领，涉及一种D2D中继网络中基于社会特性的中继选择方法。

背景技术

D2D中继技术可以扩大通信范围，改善通信质量，对D2D通信而言是一种有效的增强技术。目前大多数有关D2D中继通信的研究均假设用户无私地参与到中继传输中。然而，帮助转发数据会引起能量的消耗，空间的占用，也可能会带来安全隐患等诸多问题，考虑到这些因素，自私的用户可能不愿意参与D2D中继传输。亦有一些研究针对这个问题，主要有两类方法：激励机制和具有社会意识的机制。激励机制主要是通过给予协作的用户奖励并且惩罚用户的自私性行为来激励用户参与协作。具有社会意识的机制主要是通过利用用户间的社会关系来区分自私与否的用户。LiChenbi等人认为与发送端的社会关系较强时，用户将自愿参与中继传输。

尽管现有基于社会性的D2D中继传输研究中考虑了部分社会关系对用户协作意愿上的影响，但并没有考虑请求的中继会拒绝服务这一真实情形，即使用户间具有较强的社会关系。因此我们考虑用户可能会拒绝服务这一更加真实的应用场景，并研究在这一情形下中继选择策略的性能。

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D2D中继网络中基于社会特性的中继选择方法，该方法能够使中继的选择更加符合真实的应用场景。

为达到上述目的，本发明所述的D2D中继网络中基于社会特性的中继选择方法，所述D2D中继网络包括蜂窝用户、D2D用户发送端s、 D2D用户接收端d及若干能够充当中继的空闲用户，选择空闲用户作为中继，D2D用户发送端s向中继发出信号，中继接收D2D用户发送端s 发送过来的信号，并将D2D用户发送端s发送过来的信号转发至D2D 用户接收端d，其特征在于，选择空闲用户作为中继的具体操作为：

获取空闲用户的位置信息及中继选择范围半径l_max，然后根据空闲用户的位置信息及中继选择范围半径l_max得中继选择范围内的空闲用户集合；当系统的通信时间大于等于预设值时，根据空闲用户集合中各空闲用户的社会关系强度、信誉值及位置关系计算空闲用户集合中各空闲用户的信息传输速率，然后选择信息传输速率最大的空闲用户作为中继；当系统的通信时间小于预设值时，根据空闲用户集合中各空闲用户的社会关系强度、信誉值及位置关系计算空闲用户集合中各空闲用户的协作概率与信息传输速率的乘积，然后选择乘积结果最大的空闲用户作为中继。

第一跳通信中，D2D用户发送端s通过D2D链路向中继发送信号， D2D链路受到蜂窝链路的干扰，则D2D用户发送端s与中继之间链路的信号传输模型为：

其中，P_s为D2D用户发送端s的发送功率，P_c为蜂窝用户的发送功率，n为加性高斯白噪声，加性高斯白噪声的功率谱密度为n₀，d_i,j为节点i与节点j之间的距离，α为路径损耗指数，则D2D用户发送端s与中继之间链路的信干噪比γ_s,r及第一跳通信时蜂窝链路的信干噪比γ_C，1分别为：

第二跳通信中，中继向D2D用户接收端d发送信号，则中继与D2D 用户接收端d之间链路的信干噪比γ_r,d及第二跳通信时蜂窝链路的信干噪比γ_C，2分别为：

其中，P_r为中继转发信号时的转发功率，P_r与中继和D2D发送端的社会关系成正比，N₀为噪声功率。

为控制D2D链路对蜂窝链路的干扰，D2D用户发送端s的发送功率 P_s及中继转发信号时的转发功率P_r分别为：

设用户i与用户j的社会关系强度w_i,j为：

其中，C_i,j为用户i与用户j间的相遇次数，∑C_i,k为用户i和其他所有用户的相遇总次数，D_i,j为用户i与用户j间的相遇持续时间，∑C_i,k为用户i和其他所有用户的相遇总持续时间，η是控制相遇次数和相遇持续时间在决定用户间社会关系强度时所占的比例因子；

则中继转发信号时的转发功率P_r为：

其中，P_bm为中继的基准发射功率。

基于信誉度和社会关系构建协作概率模型为：

P_copro,sr＝βc_r+(1-β)w_s,r

其中，P_copro,sr为空闲用户的协作概率，β为协作系数，c_r为第r个空闲用户的信誉值。

当D2D发送端向中继发出服务请求时，D2D发送端可能被拒绝服务，当空闲用户的协作概率越大，则以该空闲用户作为中继时，D2D发送端被拒绝服务的可能性越低；设D2D发送端被第一个空闲用户拒绝服务后，与另一个空闲用户建立联系所需的时间为τ，系统的通信时间为T， D2D发送端被n个空闲用户拒绝后，第n+1个空闲用户同意作为中继进行服务，则剩余用于数据传输的时间为T-nτ，系统的有效吞吐量E_tp为：

R为D2D中继网络中数据的传输速度。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的D2D中继网络中基于社会特性的中继选择方法在具体操作时，当系统的通信时间大于等于预设值时，则选择信息传输速率最大的空闲用户作为中继，从而使系统的性能达到最优；当系统的通信时间小于预设值时，则选择各空闲用户的协作概率与信息传输速率的乘积最大的空闲用户作为中继用户，从而充分考虑用户发送端会被中继拒绝服务这一真实情形，进而使中继的选择更加符合真实的应用场景，从而获得较高的性能增益。

附图说明

图1为本发明的系统模型图；

图2为不同系统通信时间下系统吞吐量对比图；

图3(a)为T＝1时系统吞吐量对比图；

图3(b)为T＝10时系统吞吐量对比图；

图4(a)为协作因子与系统吞吐量的变化关系图；

图4(b)为协作因子与平均拒绝次数的变化关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1本发明所述的D2D中继网络中基于社会特性的中继选择方法，其特征在于，所述D2D中继网络包括蜂窝用户、D2D用户发送端s、 D2D用户接收端d及若干能够充当中继的空闲用户，包括以下步骤：基于各空闲用户的社会关系强度、信誉值及位置选择最优空闲用户作为中继，D2D用户发送端s向中继发出信号，中继接收D2D用户发送端s发送过来的信号，并将D2D用户发送端s发送过来的信号转发至D2D用户接收端d。

第一跳通信中，D2D用户发送端s通过D2D链路向中继发送信号， D2D链路受到蜂窝链路的干扰，则D2D用户发送端s与中继之间链路的信号传输模型为：

其中，P_s为D2D用户发送端s的发送功率，P_c为蜂窝用户的发送功率，n为加性高斯白噪声，加性高斯白噪声的功率谱密度为n₀，d_i,j为节点i与节点j之间的距离，α为路径损耗指数，则D2D用户发送端s与中继之间链路的信干噪比γ_s，r及第一跳通信时蜂窝链路的信干噪比γ_C，1分别为：

第二跳通信中，中继向D2D用户接收端d发送信号，则中继与D2D 用户接收端d之间链路的信干噪比γ_r,d及第二跳通信时蜂窝链路的信干噪比γ_C，2分别为：

其中，P_r为中继转发信号时的转发功率，P_r与中继和D2D发送端的社会关系成正比，N₀为噪声功率。

使用译码转发(DF)方案进行中继传输，则D2D中继通信链路的速率为两跳链路速率间的较小值，根据香农公式得到速率为：

R＝W min{log₂(1+γ_s,r),log₂(1+γ_r,d)}

需要满足蜂窝链路受到的干扰不应过高，即：

γ_C,1≥r_th,γ_C,2≥r_th

上式意味着D2D发送端和中继的发送功率受限，则D2D用户发送端s的发送功率P_s及中继转发信号时的转发功率P_r分别为：

在移动通信网络中，社会关系反映了用户间的交互关系，设用户间的社会关系由用户间的通信历史决定。通信历史中的两个关键要素是接触次数和接触时间，设用户i与用户j的社会关系强度w_i,j为：

其中，C_i,j为用户i与用户j间的相遇次数，∑C_i,k为用户i和其他所有用户的相遇总次数，D_i,j为用户i与用户j间的相遇持续时间，∑C_i,k为用户i和其他所有用户的相遇总持续时间，η是控制相遇次数和相遇持续时间在决定用户间社会关系强度是所占的比例因子，w_i,j的变化范围为 0-1。

考虑到用户的自私性，假定D2D发送端周围的空闲用户为中继通信所能提供的转发功率大小与其和D2D发送端的社会关系成正比，则中继转发信号时的转发功率P_r为：

其中，P_bm为中继的基准发射功率，为中继参与协作通信时须提供的最低转发功率。

实际场景中，用户可能是自私或恶意的，因而拒绝提供中继服务，在许多应用中，社会信誉是反映用户协作与否的一项重要指标；我们认为信誉可以在一定程度上反映用户的转发意愿，信誉值c_i的变化范围从 0到1，且服从均匀分布，同时考虑到社会关系的影响，则基于信誉度和社会关系构建协作概率模型为：

P_copro,sr＝βc_r+(1-β)w_s,r

其中，P_copro,sr为空闲用户的协作概率，β为协作系数，c_r为第r个空闲用户的信誉值；

当D2D发送端向中继发出服务请求时，D2D发送端可能被拒绝服务，当空闲用户的协作概率越大，则以该空闲用户作为中继时，D2D发送端被拒绝服务的可能性越低；设D2D发送端被第一个空闲用户拒绝服务后，与另一个空闲用户建立联系所需的时间为τ，设系统的通信时间为T，D2D发送端被n个空闲用户拒绝后，第n+1个空闲用户同意作为中继进行服务，剩余用于数据传输的时间为T-nτ，则系统的有效吞吐量E_tp为：

R为D2D中继网络中数据的传输速度，构建以空闲用户为自变量、以系统有效吞吐量最优为目标的优化问题：

max E_tp

s.t.:γ_C,1≥r_th,γ_C,2≥r_th

γ_sr≥r_th,γ_rd≥r_th

直观上我们可以发现，影响E_tp的关键因素是传输速率R和归一化数据传输时间(T-nτ)/T；社会关系和距离因素决定信息传输速率的大小，协作概率决定了归一化数据传输时间的大小，综合以上因素，则求解以空闲用户为自变量、以系统有效吞吐量最优为目标的优化问题的具体过程为：

当系统的通信时间大于等于预设值时，获取空闲用户的位置信息及中继选择范围半径l_max，然后根据空闲用户的位置信息及中继选择范围半径l_max得中继选择范围内的空闲用户集合，然后根据空闲用户集合中各空闲用户的社会关系强度、信誉值及位置关系得空闲用户集合中各空闲用户的信息传输速率，然后选择信息传输速率最大的空闲用户作为中继，具体算法如表1所示：

表1

当系统的通信时间小于预设值时，则获取空闲用户的位置信息及中继选择范围半径l_max，然后根据空闲用户的位置信息及中继选择范围半径 l_max得中继选择范围内的空闲用户集合，然后根据空闲用户集合中各空闲用户的社会关系强度、信誉值及位置关系计算空闲用户集合中各空闲用户的协作概率与信息传输速率的乘积，然后选择乘积结果最大的空闲用户作为中继，具体算法如表2所示：

表2

为了验证本发明的性能，我们进行如下仿真：

在一个1MHz半径为100m的小区内进行仿真，基站位于中心，蜂窝用户和D2D用户随机分布，空闲用户均匀分布在整个小区内，详细仿真参数如下表3所示；

表3

我们提供两种常规中继选择方案：基于距离的中继选择方案(DBS) 和随机选择方案(RS)，在DBS中，我们选择距离D2D发送端和接收端最近的用户作为中继用户；在RS中，我们在中继选择范围内随机选择一个空闲用户作为中继。

图2为不同系统通信时间T下系统吞吐量对比图；同时记录各个方案的平均拒绝次数，RBS、CRBS、DBS、RS方案的拒绝次数分别是1.4， 0.4，1.6，1.6。从图2中可以看出当系统通信时间较短时，CRBS方案能够获得最佳性能，而当系统通信时间较长时，RBS方案可以获得最佳性能；当系统通信时间较短时，寻找到一个同意服务请求的中继所花费的时间将占据大部分系统通信时间，因此会极大影响系统性能，而CRBS 算法考虑到协作概率这一因素，具有最少的平均拒绝次数，因此能够有更多的时间用于数据传输，从而获得最佳的性能增益；同时，由于社会关系在某种程度上可以影响用户的协作意愿，采用RBS算法的平均拒绝次数低于完全不考虑社会因素的DBS和RS方案，故RBS方案的性能增益高于DBS和RS方案；当系统通信时间较长时，寻找到一个同意服务请求的中继所花费的时间仅占据小部分系统通信时间，各个方案的归一化有效数据传输时间差别不是很大，影响系统性能的主要是被选中继的传输速率这一因素，因此，选择具有速率最大的用户作为中继的RBS 方案具有最佳性能增益。

图3(a)及图3(b)为不同中继选择范围半径l_max下系统吞吐量对比图，我们可以看到RBS、CRBS、DBS方案的吞吐量会随着l_max的增大而提高，最终趋于稳定；l_max表示的是以D2D发送端为中心的中继选择区域的半径，l_max的增大意味着中继选择范围的增大，可选中继用户的数目增多；当l_max很小时，在D2D发射端中继范围内的用户数目极少，中继算法受到极大限制，各个中继算法的性能基本趋于一致；随着l_max的增加，可选中继用户的数目增多，此时容易找到能够具有较大速率或较大 PCR或较短距离的满足选择策略的较高质量的用户作为中继，因此系统的有效吞吐量不断提高。随着l_max的进一步增大，有足够多的可选中继用户使得中继算法能够找到满足选择策略的最高质量的用户作为中继，因此系统的吞吐量提升到最大值并趋于稳定；DS算法的吞吐量随着l_max的增大先升高再趋于稳定最后降低；DS方案是从中继选择范围内随机选择一个空闲用户最为中继，当l_max比较大时，随机选择出的中继用户有更大的可能距离D2D发送端或目的端很远，系统的传输速率很低甚至达不到传输要求，导致系统性能的降低；同时，从图3(a)及图3(b)可以看出，系统通信时间长短对吞吐量性格的影响和图2的曲线趋势一致。

参考图4(a)及图4(b)，可以看到系统吞吐量随着β的增大而增大，这很容易地从图4(b)中得到解释，随着β的增大在中继选择过程中平均拒绝次数降低；我们知道社会关系服从Pareto分布，其数学期望为从设置的仿真参数中可以计算得到社会关系强度期望值为 1.0007e-4；而信誉值服从均匀分布，其期望值为0.5，远大于社会关系强度的均值，故随着β的增大，信誉值更能反映用户的协作意愿时，用户的协作概率迅速升高，从而中继选择过程中的平均拒绝次数降低，进而引起系统吞吐量的提升。

Claims (6)

1.一种D2D中继网络中基于社会特性的中继选择方法，所述D2D中继网络包括蜂窝用户、D2D用户发送端s、D2D用户接收端d及若干能够充当中继的空闲用户，选择空闲用户作为中继，D2D用户发送端s向中继发出信号，中继接收D2D用户发送端s发送过来的信号，并将D2D用户发送端s发送过来的信号转发至D2D用户接收端d，其特征在于，选择空闲用户作为中继的具体操作为：

获取空闲用户的位置信息及中继选择范围半径l_max，然后根据空闲用户的位置信息及中继选择范围半径l_max得中继选择范围内的空闲用户集合；当系统的通信时间大于等于预设值时，根据空闲用户集合中各空闲用户的社会关系强度、信誉值及位置关系计算空闲用户集合中各空闲用户的信息传输速率，然后选择信息传输速率最大的空闲用户作为中继；当系统的通信时间小于预设值时，根据空闲用户集合中各空闲用户的社会关系强度、信誉值及位置关系计算空闲用户集合中各空闲用户的协作概率与信息传输速率的乘积，然后选择乘积结果最大的空闲用户作为中继。

2.根据权利要求1所述的D2D中继网络中基于社会特性的中继选择方法，其特征在于，第一跳通信中，D2D用户发送端s通过D2D链路向中继发送信号，D2D链路受到蜂窝链路的干扰，则D2D用户发送端s与中继之间链路的信号传输模型为：

其中，P_s为D2D用户发送端s的发送功率，P_c为蜂窝用户的发送功率，n为加性高斯白噪声，加性高斯白噪声的功率谱密度为n₀，d_i,j为节点i与节点j之间的距离，α为路径损耗指数，则D2D用户发送端s与中继之间链路的信干噪比γ_s,r及第一跳通信时蜂窝链路的信干噪比γ_C，1分别为：

第二跳通信中，中继向D2D用户接收端d发送信号，则中继与D2D用户接收端d之间链路的信干噪比γ_r,d及第二跳通信时蜂窝链路的信干噪比γ_C，2分别为：

。

其中，P_r为中继转发信号时的转发功率，P_r与中继和D2D用户发送端的社会关系成正比，N₀为噪声功率。

3.根据权利要求2所述的D2D中继网络中基于社会特性的中继选择方法，其特征在于，D2D用户发送端s的发送功率P_s及中继转发信号时的转发功率P_r满足：

4.根据权利要求3所述的D2D中继网络中基于社会特性的中继选择方法，其特征在于，设用户i与用户j的社会关系强度w_i,j为：

其中，C_i,j为用户i与用户j间的相遇次数，∑C_i,k为用户i和其他所有用户的相遇总次数，D_i,j为用户i与用户j间的相遇持续时间，∑C_i,k为用户i和其他所有用户的相遇总持续时间，η为控制相遇次数和相遇持续时间在决定用户间社会关系强度时所占的比例因子；

则中继转发信号时的转发功率P_r为：

其中，P_bm为中继的基准发射功率。

5.根据权利要求4所述的D2D中继网络中基于社会特性的中继选择方法，其特征在于，基于信誉度和社会关系构建协作概率模型为：

P_copro,sr＝βc_r+(1-β)w_s,r

其中，P_copro,sr为空闲用户的协作概率，β为协作系数，c_r为第r个空闲用户的信誉值。

6.根据权利要求5所述的D2D中继网络中基于社会特性的中继选择方法，其特征在于，当D2D用户发送端s向中继发出服务请求时，D2D用户发送端s可能被拒绝服务，当空闲用户的协作概率越大，则以该空闲用户作为中继时，D2D用户发送端s被拒绝服务的可能性越低；设D2D用户发送端s被第一个空闲用户拒绝服务后，与另一个空闲用户建立联系所需的时间为τ，系统的通信时间为T，D2D用户发送端s被n个空闲用户拒绝后，第n+1个空闲用户同意作为中继进行服务，则剩余用于数据传输的时间为T-nτ，系统的有效吞吐量E_tp为：

其中，R为D2D中继网络中数据的传输速度。