CN107333319A - 蜂窝下行通信能效优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种蜂窝下行通信能效优化方法，包括基站辅助决策的步骤和接收点独立决策的步骤；基站辅助决策的步骤包括启动中继预选，验证预选中继和启动与结束D2D链路发射功率调节过程；接收节点独立决策的步骤包括D2D中继预选决策，D2D链路发射功率的折半调节和D2D链路发射功率逐步递减调节。本发明为接收节点特别是处于蜂窝边缘的接收节点提供了选择至多2个中继节点以辅助其接收蜂窝下行数据，提升了蜂窝下行通信的能量效率，能够将通信代价和计算开销在各个接收节点与基站之间进行合理分担，能够加快每个接收节点对自己所选中继节点进行发射功率调节的收敛速率。

Description

蜂窝下行通信能效优化方法
技术领域
本发明具体涉及一种蜂窝下行通信能效优化方法。
背景技术
随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，通信已经成为了人们日常生产和生活中必不可少的部分。而人们对于通信速率和稳定性的要求也越来越高。
D2D(Device-to-Device)通信模式是提升蜂窝吞吐量的一种有效途径，已被广泛认同为5G网络的关键技术之一。D2D通信的主要应用场景包括：1)基站参与构建D2D中继链路，提升蜂窝上下行吞吐量；2)基站参与构建D2D数据传输链路，减轻基站流量负载；3)D2D设备之间协调建立D2D数据传输链路，实现直接通信，减轻基站流量负载与控制开销；4)D2D设备之间协调选择D2D中继，构建中继链路，实现多跳通信，减轻基站流量负载与控制开销。
最初，D2D通信设备被允许共享蜂窝网络运营商的授权频谱，或使用独占的专用蜂窝频谱，造成了对蜂窝频谱资源的占用。为了缓解蜂窝频谱资源紧张问题，研究者已将蜂窝带内D2D通信研究向带外推进，充分利用非授权的带外频段以减少对蜂窝频段的依赖。
关于利用带外D2D通信模式研究蜂窝下行吞吐量优化问题，现有技术提出了一种延时约束下的机会信道框架模型，并实现了通过一跳中继提升蜂窝下行吞吐量的贪婪算法(即D2D Opportunistic Relay with QoS Enforcement，DORE)，但是其存在如下不足：第一，在选取作为中继的用户设备时，没有考虑到中继的剩余能量，所以网络寿命可能无法得到保证；第二，DORE通过全局搜索来获得满足选择标准的中继UE，导致通信开销与计算开销过大；第三，对于处于蜂窝边缘的UE来说，即使通过一跳中继的协助，接收端还是可能存在较高的比特误码率(Bit Error Rate,BER)，从而难以获得理想的吞吐量。目前公开的已申请专利201710157206.9，即DTO-MROD(Downlink Throughput Optimization by Multi-hopRelay-assisted Outband D2D Communications)，已提出了一种针对上述问题的解决方法，但仍存在如下问题有待解决：1)DTO-MROD方法是一种集中式方法，完全依赖基站实施，造成基站负载过重；2)DTO-MROD没有考虑对D2D链路的发射功率进行调节，能量效率存在进一步提升空间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够将整个计算过程与通信开销在基站和数据的接收端节点之间进行合理分担，从而以较为经济的开销实现蜂窝下行通信能效优化的蜂窝下行通信能效优化方法。
本发明提供的这种蜂窝下行通信能效优化方法，包括基站辅助决策的步骤和接收点独立决策的步骤：
所述的基站辅助决策的步骤，包括启动中继预选的步骤；验证预选中继的步骤和启动与结束D2D链路发射功率调节过程的步骤；
所述的接收节点独立决策的步骤，包括D2D中继预选决策的步骤，D2D链路发射功率的折半调节的步骤和D2D链路发射功率逐步递减调节的步骤。
所述的启动中继预选和启动与结束D2D链路发射功率调节过程的步骤，具体为采用如下步骤进行中继预选和发射功率调节：
步骤1.0：将CM,M中的元素赋值为0，同时将PM,M中的每个元素赋值为pj max/2，创建空集合D和E，并且将定时器tΔ设置为Δ，向所有节点广播中继预选启动包，进入步骤1.1；所述CM,M中的元素为Cij，定义为中继j到中继i分配到的WiFi信道号，例如Cij为3，则表明中继j到中继i的数据通信使用的是第3号WiFi信道；所述PM,M中的元素为Pij，定义为中继j向中继i发送数据时的发射功率；集合D中的元素为αij，定义为若中继i选择中继j作为转发数据的中继，则αij的值为1，否则为0；集合E中的元素为αkji，定义为若中继i选择中继k和中继j帮其依次转发数据，则αkji的值为1，否则为0；
步骤1.1：在定时器tΔ未超时的情况下，若基站接收到分配给链路j→i(链路k→j)的WiFi信道号cji(ckj)，则对矩阵CM,M进行更新；若接收到αji，则将其加入到D集合；若接收到αkji，则将其加入到E集合；若定时器tΔ超时，则进入步骤1.2。
步骤1.2：验证预选的第二中继，验证预选的第一中继，分别根据如下公式计算P和T，向所有节点广播CM,M,PM,M,P和T，进入步骤1.3；
P＝∑i∈U＝{1,2,…N}Pi
T＝∑i∈U＝{1,2,…N}Ti
其中P为整个网络中下行传输路径上各段链路发射端的发射功率之和：Pi是接收节点i的下行传输路径上各段链路发射端的发射功率之和；若接收节点i确定采用一个中继节点j转发数据，则Pi为基站和中继节点j的发射功率之和；若接收节点i确定采用两个中继节点k和j转发数据，则Pi为基站、中继节点k、以及中继节点j的发射功率之和；若接收节点i确定不采用中继节点，则Pi即为基站的发射功率；T为整个网络中下行链路的潜在吞吐能力：Ti是接收节点i的数据接收能力；
步骤1.3：将判断中继节点发射功率调节是否达到收敛状态的标记flag赋值为false，将定时器tΔ重新设置为Δ，当tΔ没有超时的情况下，若基站接收到链路j→i(链路k→j)发射端发射功率pji(pkj)，则将flag设置true并且对CM,M进行更新；若接收到蜂窝链路基站→j(基站→k)发射端发射功率p0j(p0k)，则对CM,M进行更新；若tΔ超时，则进入步骤1.4；
步骤1.4：若flag为true，则再次计算P和T，并且向所有节点广播CM,M,PM,M,P和T，重新返回步骤1.3；否则向所有节点广播功率调节终止包，结束算法的运行。
所述的验证预选中继的步骤，具体包括验证预选第二中继的步骤和验证预选第一中继的步骤：
所述的验证预选第二中继的步骤，具体包括如下步骤：
步骤2.0：针对E集合中的所有元素，以αkji为例，将Fi,wifi、Fj,wifi分别赋值为0，进入步骤2.1。
步骤2.1：针对i的干扰集合Ii,nei里除去j的所有元素，以m为例，并且针对剩余元素的邻居集合Vm里的所有元素，以n为例，若cmn值不为0并且cmn与cji之间差值的绝对值小于5，则计算UE i所接收到的同频信道干扰功率Fi,wifi；否则不做任何操作；进入步骤2.2；
步骤2.2：针对j的干扰集合Ij,nei里除去k的所有元素，以m为例，并且针对剩余元素的邻居集合Vm里的所有元素，以n为例，若cmn值不为0并且cmn与ckj之间差值的绝对值小于5，则计算UE j所接收到的同频信道干扰功率Fj,wifi；否则不做任何操作；进入步骤2.3；
步骤2.3：基于当前CM,M矩阵值和PM,M矩阵值，计算通过中继UE k和UE j依次转发数据，接收端UE i从基站获得的下行吞吐量Tkji d2d；并判断：若Tkji d2d小于Tji d2d，则进入步骤2.4；否则不做任何操作；
步骤2.4：将αkji设置为0，并且将其发送到接收端UE i；将αji设置为1，并且将其加入到集合D；将ckj设置为0，并且更新CM,M矩阵。
所述的验证预选第一中继的步骤，具体包括如下步骤：
步骤3.0：针对D集合中的所有元素，以αji为例，将Fi,wifi赋值为0，进入步骤3.1。
步骤3.1：针对i的干扰集合Ii,nei里除去j的所有元素，以m为例，并且针对剩余元素的邻居集合Vm里的所有元素，以n为例，若cmn值不为0并且cmn与cji之间差值的绝对值小于5，则计算UE i所接收到的同频信道干扰功率Fi,wifi；否则不做任何操作；进入步骤3.2；
步骤3.2：基于当前CM,M矩阵值和PM,M矩阵值，计算通过中继UE j转发数据，UE i从基站获得的下行吞吐量Tji d2d；并判断：若Tji d2d小于Ti cell，则进入步骤3.3；否则不做任何操作；
步骤3.3：将αji设置为0，并且将其发送到接收端UE i；将cji设置为0，并且更新CM,M矩阵。
所述的D2D中继预选决策的步骤，具体为采用如下步骤进行中继预选决策：
步骤1.0：针对N个获得蜂窝信道的接收节点，以UE i为例，若收到基站的中继选择启动包，则将α00、αji、αkji、cji、ckj、ΔTji、ΔTkji分别初始化为0；若收到基站的αkji值为0，则将ckj赋值为0，αji赋值为1；若收到基站的αji值为0，则将cji赋值为0；赋值完成后进入步骤1.1
步骤1.1：分别计算UE i与基站直接通信时的蜂窝链路吞吐量和蜂窝链路吞吐量阈值若值比值小，则进入步骤1.2；否则结束运行，UE i直接从基站接收数据；
步骤1.2：针对UE i邻居集合Vi内的每个节点UE j，计算第一中继选择度量值ΔTji，进入步骤1.3；所述ΔTji表示基站分别与中继UE j、接收端UE i直接通信时蜂窝链路吞吐量的差值；
步骤1.3：对UE i的第一中继选择度量值排序，找出度量值最大的ΔTji：若ΔTji大于0，则进入步骤1.4；否则运行结束，UE i直接从基站接收数据；
步骤1.4：计算UE i通过中继UE j从基站接收数据时的传输延时dji：若dji小于中继延时门限值dth并且UE j的剩余能量值ej大于中继剩余能量门限值eth，则将αji赋值为1，表示接收节点UE i选择UE j作为其第一中继节点来转发数据，其中UE j直接从基站接收数据，而UE j与UE i之间通过D2D通信来传输下行数据；同时将cji赋值，表示UE j与UE i之间D2D通信时使用的WiFi信道的子信道号，并且将cji发送到基站，进入步骤1.5；否则将ΔTji赋值为0，进入步骤1.3；
步骤1.5：计算当UE i选择UE j作为第一中继时，UE j与基站直接通信时的蜂窝链路吞吐量Tji cell：若Tji cell值小于值，则进入步骤1.6；否则接收节点UE i使用一个中继从基站接收数据，进入步骤1.9；
步骤1.6：针对UE j邻居集合Vj内的每个节点UE k，计算第二中继选择度量值ΔTkji，进入步骤1.7；ΔTkji表示基站分别与中继UE k、中继UE j直接通信时蜂窝链路吞吐量之间的差值；
步骤1.7：对UE i的第二中继选择度量值排序，找出度量值最大的ΔTkji：若ΔTkji大于0，则进入步骤1.8；否则运行结束，UE i使用一个中继从基站接收数据；
步骤1.8：计算UE i分别通过中继UE k、中继UE j从基站接收数据时的传输延时dkji：若dkji小于中继延时门限值dth、UE j的剩余能量值ej大于中继剩余能量门限值eth并且ΔTkji大于0，则将αkji赋值为1，表示接收节点UE i选择UE k、UE j作为其中继节点来转发数据，其中UE k直接从基站接收数据，而UE k与UE j、UE j与UE i之间都是通过D2D通信来传输蜂窝下行数据；并将cji赋值，表示UE k与UE j之间D2D通信时使用的WiFi信道的子信道号，并且将ckj发送到基站，进入步骤1.9；否则UE i使用一个中继从基站接收数据，进入步骤1.9；
步骤1.9：若αkji值为1，则将αkji发送到基站；否则不做任何操作；否则若αji值为1，则将αji发送到基站。
所述的D2D链路发射功率的折半调节的步骤，具体为采用如下步骤进行折半调节：
步骤2.0：针对N个获得蜂窝信道的接收节点，假设数据依次通过中继UE k、中继UEj从基站传输到UE i，将用来记录D2D链路k→j是否完成发射功率折半调节的标记flagkj、用来记录D2D链路j→i是否完成发射功率折半调节的标记flagji都初始化为false，进入步骤2.1；
步骤2.1：若接收到基站的CM,M、PM,M、P和T，则进入步骤2.2；否则，重新进入步骤2.1；若收到基站的功率调整终止包，则结束算法的运行；否则不做任何操作；
步骤2.2：针对接收节点UE i，若αkji值为1，则进入步骤2.3；否则若αji值为1，则进入步骤2.11；否则不做任何操作；
步骤2.3：计算Tk th和pk th，其分别代表当接收端UE k比特误码率达到阈值BER时，接收端与基站之间的蜂窝链路下行吞吐量以及此时基站的发射功率；并将pk th赋值给p0k并且将p0k发送到基站，进入步骤2.4；
步骤2.4：基于当前CM,M矩阵值和PM,M矩阵值，计算Tkj wifi和Tji wifi：若中继UE k与中继UE j之间下行WiFi链路吞吐量Tkj wifi大于中继UE j与接收端UE i之间下行WiFi链路吞吐量Tji wifi，则进入步骤2.5；否则进入步骤2.8；
步骤2.5：若Tkj wifi大于Tk th并且flagkj的值为false，则进入步骤2.6；否则若Tkj wifi大于Tk th并且flagkj的值为true，则逐步递减调节中继UE k的发射功率；否则不做任何操作；
步骤2.6：将flagkj赋值为true，若此时UE k发射功率pkj(pk max的一半)所对应效用函数值大于UE k发射功率为最大发射功率pk max时所对应效用函数值，则进入步骤2.7；否则将pkj赋值为pk max，并且若UE k发射功率为pkj减去步长ε后所对应效用函数值大于其不改变时所对应效用函数值，则将pkj减去ε的值赋给pkj，发送pkj到基站；否则不做任何操作；
步骤2.7：若此时UE k发射功率pkj减去步长ε后所对应效用函数值大于其不改变时所对应效用函数值，则将pkj减去ε的值赋给pkj，发送pkj到基站；否则不做任何操作；
步骤2.8：若Tji wifi大于Tk th并且flagji的值为false，则进入步骤2.9；否则若Tji wifi大于Tk th并且flagji的值为true，则逐步递减调节中继UE j的发射功率；否则不做任何操作；
步骤2.9：将flagji赋值为true，若此时UE j发射功率pji(pj max的一半)所对应效用函数值大于UE j发射功率为最大发射功率pj max时所对应效用函数值，则进入步骤2.10；否则将pji赋值为pj max，并且若UE j发射功率为pji减去步长ε后所对应效用函数值大于其不改变时所对应效用函数值，则将pji减去ε的值赋给pji，发送pji到基站；否则不做任何操作；
步骤2.10：若UE j发射功率为pji减去步长ε后所对应效用函数值大于其不改变时所对应效用函数值，则将pji减去ε的值赋给pji，发送pji到基站；否则不做任何操作；
步骤2.11：计算Tj th和pj th，其分别代表当接收端UE j比特误码率达到阈值BER时，接收端与基站之间的蜂窝链路下行吞吐量以及此时基站的发射功率；将pj th赋值给p0j并且将p0j发送到基站，进入步骤2.12；
步骤2.12：基于当前CM,M矩阵值和PM,M矩阵值，计算中继UE j与接收端UE i之间下行WiFi链路吞吐量Tji wifi：若Tji wifi大于Tj th并且flagji的值为false，则进入步骤2.13；否则若Tji wifi大于Tj th并且flagji的值为true，则逐步调节中继UE j的发射功率；否则不做任何操作；
步骤2.13：将flagji赋值为true，若此时UE j发射功率pji(pj max的一半)所对应效用函数值大于UE j发射功率为最大发射功率pj max时所对应效用函数值，则进入步骤2.14；否则将pji赋值为pj max，并且若UE j发射功率为pji减去步长ε后所对应效用函数值大于其不改变时所对应效用函数值，则将pji减去ε的值赋给pji，发送pji到基站；否则不做任何操作；
步骤2.14：若UE j发射功率为pji减去步长ε后所对应效用函数值大于其不改变时所对应效用函数值，则将pji减去ε的值赋给pji，发送pji到基站；否则不做任何操作。
所述的D2D链路发射功率逐步递减调节的步骤，具体为采用如下步骤进行逐步递减调节：
步骤3.0：若αkji值为1，则进入步骤3.1；否则若αji值为1，则进入步骤3.4；
步骤3.1：基于当前CM,M矩阵值和PM,M矩阵值，计算Tkj wifi和Tji wifi：若Tkj wifi大于Tji wifi并且Tkj wifi大于Tk th，则进入步骤3.2；否则若Tkj wifi小于或等于Tji wifi并且Tji wifi大于Tk th进入步骤3.3；
步骤3.2：若UE k发射功率为pkj减去步长ε后所对应效用函数值大于其不改变时所对应效用函数值，则将pkj减去ε的值赋给pkj，发送pkj到基站；否则不做任何操作；
步骤3.3：若UE j发射功率为pji减去步长ε后所对应效用函数值大于其不改变时所对应效用函数值，则将pji减去ε的值赋给pji，发送pji到基站；否则不做任何操作；
步骤3.4：基于当前CM,M矩阵值和PM,M矩阵值，计算Tji wifi；若Tji wifi大于Tj th，则进入步骤3.5；否则不做任何操作；
步骤3.5：若UE j发射功率为pji减去步长ε后所对应效用函数值大于其不改变时所对应效用函数值，则将pji减去ε的值赋给pji，发送pji到基站；否则不做任何操作。
本发明提供的这种蜂窝下行通信能效优化方法，为接收节点特别是处于蜂窝边缘的接收节点提供了选择至多2个中继节点以辅助其接收蜂窝下行数据，并提出了确定中继节点的合理发射功率的有效控制方法，提升了蜂窝下行通信的能量效率；此外，通过采用基站辅助每个接收节点进行中继选择决策，以及对中继节点进行发射功率调节，有助于将本发明方法的通信代价和计算开销在各个接收节点与基站之间进行合理分担；最后，本发明提出的改进博弈决策过程算法，能够加快每个接收节点对自己所选中继节点进行发射功率调节的收敛速率，即接收节点可以先采用折半搜索，然后顺序搜索博弈的决策空间，以加快博弈决策过程的收敛速率。
附图说明
图1为本发明方法的方法流程图。
图2为本发明的蜂窝下行平均传输路径能量效率随固定区域中节点数量的变化趋势图。
图3为本发明的蜂窝下行平均传输路径持续服务能力随固定区域中节点数量的变化趋势。
具体实施方式
如图1所示为本发明方法的方法流程图：本发明提出一种基于带外D2D功率博弈的蜂窝下行链路能量效率优化方法，即DEEO-GPA(Downlink Energy EfficiencyOptimization by Game-based Power Adjustment for Outband D2D Communications)。DEEO-GPA是一种基站辅助决策的分布式算法，包括基站辅助决策和接收节点独立决策两部分。基站辅助决策部分分为三个阶段，即启动中继预选、验证预选中继、启动与结束D2D链路发射功率调节过程。接收节点独立决策部分分为三个阶段，即D2D中继预选决策、D2D链路发射功率的折半调节、D2D链路发射功率的逐步递减调节。通过上述两部分三阶段的划分，将整个方法实际执行的计算与通信开销在基站和数据的接收端节点之间进行合理分担，达到以较为经济的开销实现蜂窝下行通信能效的优化目标。
DEEO-GPA算法涉及的计算公式与相关参数阐述如下：
对任一UE(如i)，它采用直接从基站接收数据的通信方式，可获得的吞吐量可使用香农公式估算，具体表示如下：
在公式(1)中，和分别是从基站到UE i的直接通信链路上的吞吐量和信号干扰噪声比(Signal to Interference Noise Ratio,SINR)；是该链路上的信道带宽。可由公式(2)估算。
在公式(2)中，Ni表示UE i感知到的环境噪声功率；Fi,cell表示当基站通过蜂窝信道向UE i发送数据时，UE i感知到的来自其他蜂窝链路的干扰功率，因为在UE i接收数据期间无其它节点从基站接收数据，所以UE i不会感知到干扰功率的存在，因此，Fi,cell为0；pc是基站向UE i发射数据时采用的发射功率(通常取10瓦)；gi表示从基站到UE i的链路上的信道衰减系数；pc与gi的乘积表示UE i感知到的接收功率强度；gi的值涉及路径损耗、多径衰落、阴影衰落等因素，通常较难获得。既然pc与gi的乘积表示UE i感知到的接收功率强度，我们可采取如下近似公式直接得到接收功率。
在公式(3)和(4)中，Gt和Gr分别是发射天线和接收天线增益；ht和hr分别是发射天线高度和接收天线高度；λ和L分别是载波信号波长和系统损耗因子；du,v表示发射节点u与接收节点v之间的距离；当发射节点u向接收节点v发射数据时，pt u,v和pr u,v分别表示发射节点u的发射功率和接收节点v的接收功率。依据任一对通信节点间的距离与节点交叉距离dcrossover之间的关系，确定使用公式(3)和(4)中的哪一个。对任一链路u→v，若其链路长度小于dcrossover，则使用公式(3)，否则使用公式(4)。交叉距离dcrossover由公式(5)得到。
任一UE(如i)通过中继UE(如j)的数据转发来提升下行吞吐量，UE j从基站获得的吞吐量可由公式(6)估算。
在公式(6)中，和分别表示从基站到UE j的直接链路上的吞吐量和信号干扰噪声比，这里UE j使用了UE i的蜂窝信道，因此，其带宽为
当中继UE j将数据转发给UE i时，其D2D链路的吞吐量可由公式(7)估算。
在公式(7)中，和分别是从UE j到UE i的WiFi链路上的吞吐量和信号干扰噪声比；是该WiFi链路上的信道带宽。由公式(8)估算。
在公式(8)中，pji是UE j向UE i发射数据时采用的发射功率；gji表示从UE j到UEi的链路上的信道衰减系数；既然pji与gji的乘积表示UE i感知到的接收功率强度，我们可采用公式(3)或(4)近似得到；Fi,wifi表示当UE j通过WiFi信道向UE i发送数据时，UE i感知到的来自其他同频WiFi链路的干扰功率，由公式(9)估算。
在公式(9)中，Ii,nei表示UE i邻居范围内的干扰源集合，而UE k表示该集合中的一个元素；pk是UE k采用的发射功率；gki表示从UE k到UE i的链路上的信道衰减系数；pk与gki的乘积表示UE i感知到的干扰功率强度，同样我们可采用公式(3)或(4)近似得到之。
UE i通过信道状态更优的中继UE j进行数据转发，达到优化该通信链路下行吞吐量的目的，综合公式(8)和(9)，其吞吐量值可由公式(10)估算。
为进一步优化下行链路吞吐量，UE i通过信道状态更优的中继UE k和UE j依次进行数据转发，同理，该通信链路下行吞吐量值可由公式(11)估算。
在DEEO-GPA算法中，若UE i选择中继UE j帮它转发数据，则将αji置为1来记录这种情况，同样，若UE i选择中继UE k和UE j帮它依次转发数据，则将αkji置为1来记录这种情况；若cji值为n(n取值范围是从1到13)，则表示UE j与UE i之间的数据通信使用的是第n号WiFi子信道，而ckj与cji的含义类似；这三个参数在算法初始化阶段都要置为0。tji表示数据经过UE j的中转从基站传输到接收端UE i的传输延时；tkji表示数据依次经过UE k、UE j的中转从基站传输到接收端UE i的传输延时；dth表示延时阈值(可取110纳秒/比特)。tji和tkji的估算公式见“具体实施方式”部分。
Vi,Vj分别表示UE i与UE j的邻居节点集合，对UE i来说，Vi集合内的任一节点以给定的发射功率(如pue，通常取值为0.1瓦)向UE i发送数据都应保证接收端UE i的误码率不高于设定的BER值(可取10-10)。Vi集合内节点的分布范围(即接收节点UE i的覆盖半径Di)可根据公式(12)估算得到。
在公式(12)中，γth是与设定的BER值对应的信号干扰噪声比值，其值可以通过公式(13)得到。
γth＝-2ln BER (13)
由于任一接收节点(如UE i)无法获得实际的干扰节点数目、分布、干扰节点采用的发射功率等估算干扰大小的相关信息，因此，Fi,wifi是一个不确定的值。通过公式(12)得到的近似覆盖范围，其覆盖范围边缘上节点采用发射功率pue向UE i发送数据，可能不能确保接收端(即UE i)的比特误码率不高于设定阈值BER的目标。所以通过将公式(12)得到的结果再乘以一个折扣系数η会提高接收端比特误码率不高于设定阈值BER的概率，乘以折扣系数后的近似覆盖半径表示如下：
D`i＝η·Di (14)
在(14)中，0<η≤1，在UE i近似覆盖半径范围内的节点构成UE i的Vi集合。
为了确定中继的数量及分布，现有典型方法(如文献[2]中的方法DORE)利用了各个UE反馈的实时吞吐量作为决策的部分输入信息，这需要多次迭代，以便达到确定中继后蜂窝下行吞吐量与实时反馈值基本一致的目的，即达到收敛状态。不同于DORE的做法，本发明与我们先前申请的已公开申请专利201710157206.9(即DTO-MROD)一样，都通过先预选中继，再验证预选中继是否带来了吞吐量的提升，以决定是保留还是放弃预选的中继。这样无需多次迭代，加快了决策速度。
对任一接收节点(如UE i)来说，它至少需要知道它邻近区域内中继的数量及D2D信道分布情况，才能估算出从UE i所选择中继到自身之间的D2D链路上的同频干扰值，进而估算该D2D链路上的吞吐量。由于UE i在选择中继时暂时无法获得这些信息，因此，从基站经由所选中继到自身的路径上的吞吐量也无法计算得到，从而也无法知道该路径上吞吐量是否比UE i直接从基站接收数据的吞吐量更大。由于从基站到UE i所选中继之间的链路吞吐量是可以估算的，因此，本发明依据该吞吐量值相比于从基站到UE i的直接链路吞吐量的提升幅度来预选中继，相应的度量由公式(15)估算。
同时，为避免包括中继在内的最终传输路径上的D2D链路的吞吐量过小而限制了整条路径吞吐量的提升，本发明对UE i选择的中继范围做了限制，即限制在公式(14)估算的范围内。即使采用了这样措施，也难以确保所选中继最终都能满足提升吞吐量的要求。因此，在所有预选中继确定后，需要进行传输路径吞吐量验证，无法提升吞吐量的预选中继将被放弃。若部分预选中继被放弃，相应的D2D信道也会被放弃，因此会减小对其它节点造成同频干扰的概率，使得其余预选中继真正能提升吞吐量的概率随之增大。
在本发明关注的问题场景(即只考虑单一蜂窝内的干扰，或假定相邻蜂窝间的同频干扰能得到很好管控)下，对一个蜂窝信道来说，能够方便地确定保障接收端接收误码率不低于接收比特误码率阈值(该阈值间接反映了用户的网络应用体验)的发射功率，只要知道用户设备的接收比特误码率阈值(如10-10)，接收端的环境噪声功率，信道带宽、信道衰减系数(基于接收端测量的CSI信息进行量化得到)即可。若接收比特误码率阈值表示为BER，结合公式(13)，相应的吞吐量和发射功率可以通过公式(16)，(17)估算得到。
若从基站到任一接收端i之间的蜂窝信道的发射端功率不小于按式(17)所得的pi th，则可确保接收端接收误码率不低于接收比特误码率阈值BER。若发射端的最大发射功率达不到pi th，则最好采用最大发射功率以尽量保障接收质量。
对任一采用WiFi信道的D2D通信链路j→i来说，为确保接收端i的比特误码率不高于BER，发射端j的发射功率不应低于其值可以通过下式估算。
对WiFi信道来说，获得保障接收端接收误码率不低于比特误码率阈值的发射功率相对困难。这是因为WiFi信道之间存在同频干扰，如在常用的2.4GHz频段，不重叠信道只有3个。当存在大量并发使用WiFi信道的通信流时，同频干扰难以避免。而任一发射端发射功率的调整也会影响到其同频干扰源对自身发射功率的调整，这使得每个发射端在调节自身发射功率时必须考虑到邻近区域同频信道的干扰问题，否则难以提升整个网络吞吐量。因此，该求解问题属于NP问题。
在广泛使用的802.11b/g/n协议中，WiFi工作在ISM的2.4G频段，其划分的基本信道标号为1,6,11的频段互不重叠，因此，若同一下行传输路径上有不多于3段的WiFi链路，则可以确保每段WiFi链路之间分配到频段互不重叠的WiFi信道。对一条WiFi链路来说，其同频干扰源来自于其它下行传输路径中使用其同频信道的WiFi链路的发射端。同样，本WiFi链路的发射端也是其它下行传输路径中使用其同频信道的WiFi链路的干扰源。当本WiFi链路的发射端调整功率以确保本链路吞吐量目标时，是以假定其干扰源分布、数量、所采用的发射功率已知为前提的，调整后的结果又成为其它WiFi链路的发射端调整功率的依据，因此，构成了一种典型的博弈关系。我们建模这种博弈关系为一种有向潜博弈(ordinalpotential game(OPG))模型，其中包括效用函数(utility function)与博弈决策算法(game decision process algorithm)的设计。博弈的参与者为每条下行传输路径上数据流的接收节点，行动集为每条下行传输路径上各段WiFi链路的发射端(即接收节点选定的中继节点)可使用的发射功率调节级别数量。参与者采取行动要达到的目标是，在确保本WiFi链路的吞吐能力不低于同一下行传输路径上蜂窝链路的吞吐能力的前提下，尽可能降低WiFi链路的发射功率。每个参与者拥有一个评估自身收益的效用函数和一组行为规则集。对任一接收端i,其效用函数μi(P)表示如下。
在(19)中，等式右边第一项表示网络整体吞吐能力的提升给个体(如接收端i)带来的效用；等式右边第二项表示个体(如接收端i)的收益代价比；wg和wl是权值系数，两者取值范围都为(0,1)，且两者之和为1；Ti是接收节点i的数据接收能力，若接收节点i确定采用一个中继节点(如选择节点j作为中继)转发数据，则可使用公式(10)估算传输路径上的数据接收能力。若接收节点i确定采用两个中继节点(如选择节点k和j作为中继)转发数据，则可使用公式(11)估算传输路径上的数据接收能力。若接收节点i确定不采用中继节点，则可使用公式(1)估算它从基站直接接收数据的数据接收能力；Pi是接收节点i的下行传输路径上各段链路发射端的发射功率之和，若接收节点i确定采用一个中继节点(如选择节点j作为中继)转发数据，则Pi为基站和中继节点j的发射功率之和。若接收节点i确定采用两个中继节点(如选择节点k和j作为中继)转发数据，则Pi为基站、中继节点k、以及中继节点j的发射功率之和。若接收节点i确定不采用中继节点，则Pi即为基站的发射功率；P为整个网络中下行传输路径上各段链路发射端的发射功率之和，而T为整个网络中下行链路的潜在吞吐能力，可分别由公式(20)和(21)估算。
P＝∑i∈U＝{1,2,…N}Pi (20)
T＝∑i∈U＝{1,2,…N}Ti (21)
参与者仅对其传输路径上吞吐能力大于同一路径上蜂窝链路吞吐能力的WiFi链路进行发射端功率调节。已存在的一种博弈决策过程算法(即better responsealgorithm)能使得所有参与者的发射功率值分布更为合理，从而获得更高的网络整体效用。该算法的基本思想是，首先选择最大发射功率为当前发射功率，当决策时，使用当前发射功率减去一个步长后得到调整后的功率，再依据效用函数判断，若更新后的功率能带来更高的收益，则确定使用更新后的功率，否则，仍使用更新前的功率。因此，该类算法按照从高到底顺序调整发射功率的决策过程导致系统收敛慢(即到达每个参与者都不再更新发射功率的均衡点所需时间更长)，尤其在步长太小的情况下，网络应用将无法容忍极慢的收敛速度。若步长太大，则获得的均衡点精度又不够。因此，基于该类算法思想，我们提出一种更快的博弈决策过程算法，其基本思想是，先通过折半查找缩短顺序调整发射功率的行动集空间，然后从高到底顺序调整发射功率。
本发明算法描述中用到的一些数据结构描述如下：CM,M表示用户之间的WiFi信道分配关系矩阵，其任一元素cji的值若为k(即k∈{1,2,…,13})，则表示从某用户j(即j∈{1,…,M})到某用户i(即i∈{1,…,M})之间的WiFi链路被分配了某中继信道k，为0则表示没有分配中继信道。PM,M表示用户之间的WiFi链路发射端发射功率取值关系矩阵，其任一元素pji的值表示用户j(即j∈{1,…,M})通过WiFi信道cji向用户i(即i∈{1,…,M})发送数据的发射功率。
本发明提供的这种蜂窝下行通信能效优化方法，包括基站辅助决策的步骤和接收点独立决策的步骤：
所述的基站辅助决策的步骤，包括启动中继预选的步骤；验证预选中继的步骤和启动与结束D2D链路发射功率调节过程的步骤；
所述的接收节点独立决策的步骤，包括D2D中继预选决策的步骤，D2D链路发射功率的折半调节的步骤和D2D链路发射功率逐步递减调节的步骤。
下面分别对上述分布式算法的两部分三阶段进行详细阐述。
基站辅助决策部分：
阶段1：中继预选和D2D链路发射功率调节的调度方法
步骤1.0：将CM,M、PM,M中的每个元素，以cji、pji为例，分别赋值为0和pj max/2，创建空集合D、E，并且将定时器tΔ设置为Δ，向所有节点广播中继预选启动包，进入步骤1.1。
步骤1.1：在定时器tΔ没有超时的情况下，若基站接收到分配给链路j→i(链路k→j)的WiFi信道子信道号cji(ckj)，则对矩阵CM,M进行更新；若接收到αji，则将其加入到D集合；若接收到αkji，则将其加入到E集合。若定时器tΔ超时，则进入步骤1.2。
步骤1.2：验证预选的第二中继，验证预选的第一中继，分别根据公式(20)、(21)计算P和T，向所有节点广播CM,M,PM,M,P和T，进入步骤1.3。
步骤1.3：将判断中继节点发射功率调节是否达到收敛状态的标记flag赋值为false，将定时器tΔ重新设置为Δ，当tΔ没有超时的情况下，若基站接收到链路j→i(链路k→j)发射端发射功率pji(pkj)，则将flag设置true并且对CM,M进行更新；若接收到蜂窝链路基站→j(基站→k)发射端发射功率p0j(p0k)，则对CM,M进行更新。若tΔ超时，则进入步骤1.4。
步骤1.4：若flag为true，则分别根据公式(20)、(21)计算P和T，并且向所有节点广播CM,M,PM,M,P和T，重新返回步骤1.3。否则向所有节点广播功率调节终止包，结束算法的运行。
阶段2：验证预选第二中继
步骤2.0：针对E集合中的所有元素，以αkji为例，将Fi,wifi、Fj,wifi分别赋值为0，进入步骤2.1。
步骤2.1：针对i的干扰集合Ii,nei里除去j的所有元素，以m为例，并且针对m的邻居集合Vm里的所有元素，以n为例，若cmn值不为0并且cmn与cji之间差值的绝对值小于5，则说明中继UE j与接收端UE i使用WiFi信道通信时，UE m与UE n之间的通信会对其造成同频信道干扰，计算UE i所接收到的同频信道干扰功率Fi,wifi；否则不做任何操作。进入步骤2.2。
步骤2.2：针对j的干扰集合Ij,nei里除去k的所有元素，以m为例，并且针对m的邻居集合Vm里的所有元素，以n为例，若cmn值不为0并且cmn与ckj之间差值的绝对值小于5，则说明中继UE k与中继UE j使用WiFi信道通信时，UE m与UE n之间的通信会对其造成同频信道干扰，计算UE j所接收到的同频信道干扰功率Fj,wifi；否则不做任何操作。进入步骤2.3。
步骤2.3：基于当前CM,M矩阵值和PM,M矩阵值，根据公式(11)计算通过中继UE k和UEj依次转发数据，接收端UE i从基站获得的下行吞吐量Tkji d2d。若Tkji d2d小于Tji d2d，则进入步骤2.4；否则不做任何操作。
步骤2.4：将αkji设置为0，并且将其发送到接收端UE i；将αji设置为1，并且将其加入到集合D；将ckj设置为0，并且更新CM,M矩阵。
阶段3：验证预选第一中继
步骤3.0：针对D集合中的所有元素，以αji为例，将Fi,wifi赋值为0，进入步骤3.1。
步骤3.1：针对i的干扰集合Ii,nei里除去j的所有元素，以m为例，并且针对m的邻居集合Vm里的所有元素，以n为例，若cmn值不为0并且cmn与cji之间差值的绝对值小于5，则说明中继UE j与接收端UE i使用WiFi信道通信时，UE m与UE n之间的通信会对其造成同频信道干扰，计算UE i所接收到的同频信道干扰功率Fi,wifi；否则不做任何操作。进入步骤3.2。
步骤3.2：基于当前CM,M矩阵值和PM,M矩阵值，根据公式(10)计算通过中继UE j转发数据，UE i从基站获得的下行吞吐量Tji d2d。若Tji d2d小于Ti cell，则进入步骤3.3；否则不做任何操作。
步骤3.3：将αji设置为0，并且将其发送到接收端UE i；将cji设置为0，并且更新CM,M矩阵。
接收节点独立决策部分：
阶段1：预选D2D中继
步骤1.0：针对N个获得蜂窝信道的接收节点，以UE i为例，若收到基站的中继选择启动包，则将α00、αji、αkji、cji、ckj、ΔTji、ΔTkji分别初始化为0，进入步骤1.1；若收到基站的αkji值为0，则将ckj赋值为0，αji赋值为1；若收到基站的αji值为0，则将cji赋值为0。
步骤1.1：根据公式(1)、(16)分别计算UE i与基站直接通信时的蜂窝链路吞吐量和蜂窝链路吞吐量阈值若值比值小，则进入步骤1.2；否则结束运行，UE i直接从基站接收数据。
步骤1.2：针对UE i邻居集合Vi内的每个节点UE j，根据公式(15)计算第一中继选择度量值ΔTji，进入步骤1.3。ΔTji表示基站分别与中继UE j、接收端UE i直接通信时蜂窝链路吞吐量的差值。
步骤1.3：对UE i的第一中继选择度量值排序，找出度量值最大的ΔTji。若ΔTji大于0，则进入步骤1.4；否则运行结束，UE i直接从基站接收数据。
步骤1.4：计算UE i通过中继UE j从基站接收数据时的传输延时dji，若dji小于中继延时门限值dth并且UE j的剩余能量值ej大于中继剩余能量门限值eth，则将αji赋值为1，表示接收节点UE i选择UE j作为其第一中继节点来转发数据，其中UE j直接从基站接收数据，而UE j与UE i之间通过D2D通信来传输下行数据；将cji赋值为1到8之间的数(包括1和8)，表示UE j与UE i之间D2D通信时使用的WiFi信道的子信道号，并且将cji发送到基站，进入步骤1.5。否则将ΔTji赋值为0，进入步骤1.3。
步骤1.5：根据公式(6)计算当UE i选择UE j作为第一中继时，UE j与基站直接通信时的蜂窝链路吞吐量Tji cell。若Tji cell值小于值，则进入步骤1.6。否则接收节点UE i使用一个中继(即UE j)从基站接收数据，进入步骤1.9。
步骤1.6：针对UE j邻居集合Vj内的每个节点UE k，根据公式(15)计算第二中继选择度量值ΔTkji，进入步骤1.7。ΔTkji表示基站分别与中继UE k、中继UE j直接通信时蜂窝链路吞吐量之间的差值。
步骤1.7：对UE i的第二中继选择度量值排序，找出度量值最大的ΔTkji。若ΔTkji大于0,则进入步骤1.8；否则运行结束，UE i使用一个中继(即UE j)从基站接收数据。
步骤1.8：计算UE i分别通过中继UE k、中继UE j从基站接收数据时的传输延时dkji，若dkji小于中继延时门限值dth、UE j的剩余能量值ej大于中继剩余能量门限值eth并且ΔTkji大于0，则将αkji赋值为1，表示接收节点UE i选择UE k、UE j作为其中继节点来转发数据，其中UE k直接从基站接收数据，而UE k与UE j、UE j与UE i之间都是通过D2D通信来传输蜂窝下行数据；将cji的值加上5赋值给ckj，表示UE k与UE j之间D2D通信时使用的WiFi信道的子信道号，并且将ckj发送到基站，进入步骤1.9。否则UE i使用一个中继(即UE j)从基站接收数据，进入步骤1.9。
步骤1.9：若αkji值为1，则将αkji发送到基站。否则不做任何操作；否则若αji值为1，则将αji发送到基站。
阶段2：D2D链路发射功率的折半调节
步骤2.0：针对N个获得蜂窝信道的接收节点，以UE i为例(假设数据依次通过中继UE k、中继UE j从基站传输到UE i)，将用来记录D2D链路k→j是否完成发射功率折半调节的标记flagkj、用来记录D2D链路j→i是否完成发射功率折半调节的标记flagji都初始化为false，进入步骤2.1。
步骤2.1：若接收到基站的CM,M、PM,M、P和T，分别代表着WiFi信道分配关系矩阵、WiFi链路发射功率取值关系矩阵、蜂窝网络下行传输路径上各段链路的发射功率之和以及蜂窝网络的潜在下行吞吐能力，则进入步骤2.2；否则，重新进入步骤2.1。若收到基站的功率调整终止包，则结束算法的运行；否则不做任何操作。
步骤2.2：针对接收节点UE i，若αkji值为1，则进入步骤2.3；否则若αji值为1，则进入步骤2.11；否则不做任何操作。
步骤2.3：分别根据公式(16)、(17)计算Tk th和pk th，其分别代表当接收端UE k比特误码率达到阈值BER时，接收端与基站之间的蜂窝链路下行吞吐量以及此时基站的发射功率。将pk th赋值给p0k并且将p0k发送到基站，进入步骤2.4。
步骤2.4：基于当前CM,M矩阵值和PM,M矩阵值，根据公式(7)计算Tkj wifi和Tji wifi。若中继UE k与中继UE j之间下行WiFi链路吞吐量Tkj wifi大于中继UE j与接收端UE i之间下行WiFi链路吞吐量Tji wifi，则进入步骤2.5；否则进入步骤2.8。
步骤2.5：若Tkj wifi大于Tk th并且flagkj的值为false，则进入步骤2.6；否则若Tkj wifi大于Tk th并且flagkj的值为true，则逐步递减调节中继UE k的发射功率(运行该部分算法的阶段3)；否则不做任何操作。
步骤2.6：将flagkj赋值为true，若此时UE k发射功率pkj(pk max的一半)所对应效用函数值大于UE k发射功率为最大发射功率pk max时所对应效用函数值，则进入步骤2.7；否则将pkj赋值为pk max，并且若UE k发射功率为pkj减去步长ε后所对应效用函数值大于其不改变时所对应效用函数值，则将pkj减去ε的值赋给pkj，发送pkj到基站；否则不做任何操作。
步骤2.7：若此时UE k发射功率pkj减去步长ε后所对应效用函数值大于其不改变时所对应效用函数值，则将pkj减去ε的值赋给pkj，发送pkj到基站；否则不做任何操作。
步骤2.8：若Tji wifi大于Tk th并且flagji的值为false，则进入步骤2.9；否则若Tji wifi大于Tk th并且flagji的值为true，则逐步递减调节中继UE j的发射功率(运行该部分算法的阶段3)；否则不做任何操作。
步骤2.9：将flagji赋值为true，若此时UE j发射功率pji(pj max的一半)所对应效用函数值大于UE j发射功率为最大发射功率pj max时所对应效用函数值，则进入步骤2.10；否则将pji赋值为pj max，并且若UE j发射功率为pji减去步长ε后所对应效用函数值大于其不改变时所对应效用函数值，则将pji减去ε的值赋给pji，发送pji到基站；否则不做任何操作。
步骤2.10：若UE j发射功率为pji减去步长ε后所对应效用函数值大于其不改变时所对应效用函数值，则将pji减去ε的值赋给pji，发送pji到基站；否则不做任何操作。
步骤2.11：分别根据公式(16)、(17)计算Tj th和pj th，其分别代表当接收端UE j比特误码率达到阈值BER时，接收端与基站之间的蜂窝链路下行吞吐量以及此时基站的发射功率。将pj th赋值给p0j并且将p0j发送到基站，进入步骤2.12。
步骤2.12：基于当前CM,M矩阵值和PM,M矩阵值，根据公式(7)计算中继UE j与接收端UE i之间下行WiFi链路吞吐量Tji wifi。若Tji wifi大于Tj th并且flagji的值为false，则进入步骤2.13；否则若Tji wifi大于Tj th并且flagji的值为true，则运行算法的阶段3来逐步调节中继UEj的发射功率；否则不做任何操作。
步骤2.13：将flagji赋值为true，若此时UE j发射功率pji(pj max的一半)所对应效用函数值大于UE j发射功率为最大发射功率pj max时所对应效用函数值，则进入步骤2.14；否则将pji赋值为pj max，并且若UE j发射功率为pji减去步长ε后所对应效用函数值大于其不改变时所对应效用函数值，则将pji减去ε的值赋给pji，发送pji到基站；否则不做任何操作。
步骤2.14：若UE j发射功率为pji减去步长ε后所对应效用函数值大于其不改变时所对应效用函数值，则将pji减去ε的值赋给pji，发送pji到基站；否则不做任何操作。
阶段3：D2D链路发射功率的逐步递减调节
步骤3.0：若αkji值为1，则进入步骤3.1；否则若αji值为1，则进入步骤3.4。
步骤3.1：基于当前CM,M矩阵值和PM,M矩阵值，根据公式(7)计算Tkj wifi和Tji wifi。若Tkj wifi大于Tji wifi并且Tkj wifi大于Tk th，则进入步骤3.2；否则若Tkj wifi小于或等于Tji wifi并且Tji wifi大于Tk th进入步骤3.3。
步骤3.2：若UE k发射功率为pkj减去步长ε后所对应效用函数值大于其不改变时所对应效用函数值，则将pkj减去ε的值赋给pkj，发送pkj到基站；否则不做任何操作。
步骤3.3：若UE j发射功率为pji减去步长ε后所对应效用函数值大于其不改变时所对应效用函数值，则将pji减去ε的值赋给pji，发送pji到基站；否则不做任何操作。
步骤3.4：基于当前CM,M矩阵值和PM,M矩阵值，根据公式(7)计算Tji wifi。若Tji wifi大于Tj th，则进入步骤3.5；否则不做任何操作。
步骤3.5：若UE j发射功率为pji减去步长ε后所对应效用函数值大于其不改变时所对应效用函数值，则将pji减去ε的值赋给pji，发送pji到基站；否则不做任何操作。
基站辅助决策部分的步骤2.1、2.2、3.1中，根据具体化后的公式(24)可计算WiFi链路接收端UE i所接收到的同频干扰功率Fi,wifi。
其中，Ii,nei表示UE i邻居范围内的干扰源集合，Vm表示UE m的邻居集合；pmn是WiFi链路m→n发射端UE m采用的发射功率；gmi表示从UE m到UE i的链路上的信道衰减系数；cmn、cji分别是链路m→n和j→i使用的数据传输信道。由于WiFi的2.4G频谱中总共有13个(1到13)子信道，而整个频段内只有3个互不干扰子信道(1、6、11或者2、7、12等信道号差值为5的信道)，考虑到相邻4个子信道之间会出现频谱部分重叠(没有频谱完全重叠干扰大)的现象，所以根据频谱重叠的范围大小再对gmi与pmn的乘积乘以了相应的折扣系数。既然gmi与pmn的乘积表示UE i接收到的干扰功率最大强度，我们同样可采用公式(3)和(4)近似得到。
接收节点独立决策部分的步骤1.4中，通过以下公式近似计算UE i通过中继UE j从基站接收数据时的传输延时dji：
所述步骤1.8中，通过公式(23)近似计算UE i依次通过中继UE k、UE j从基站接收数据时的传输延时dkji：
其中，和分别是节点j和k转发一个比特数据所花费的时间；f(γj)和f(γk)分别是节点j和k接收一个比特数据的成功率；γj和γk分别表示接收节点j和k的SINR。
所述步骤1.4和1.8中，延时约束阈值dth设置为110纳秒/比特，中继剩余能量门限eth设置为0.1焦耳。
本发明(为方便表述，称为DEEO-GPA)与DTO-MROD和LIKE-DORE方案在如下两个方面进行仿真比较：(1)平均传输路径能量效率：特指在接收节点对其所选择的中继节点进行发射功率调节的过程中，接收节点所在下行传输路径上的数据接收能力与付出的功率代价(包括基站和中继节点的发射功率之和)之比的平均值；(2)平均传输路径持续服务能力：可用平均传输路径数据量来衡量，其特指在中继节点发射功率的调节达到收敛状态后，同时接收节点所在下行传输路径断连之前，接收节点平均从基站接收的数据包的个数。
通信链路j→i的帧成功率f(γi)可由公式(25)计算得到。
在公式(25)中，l和γi分别是数据包的帧格式长度和接收节点i的SINR。基于计算得到的链路帧成功率和本实施方案给定的延时定义，通信链路j→i的数据传输延时值主要取决于接收端i的转发能力，若接收端i为传输路径上最终的接收者，则其不再转发，故不再计算其转发延时。通过下列公式(26)可得到接收端i的转发延时，其中，tb i是UE i的数据包转发能力。
从基站经过中继UE j到达接收端UE i的传输延时由公式(27)近似得到。
从基站依次经过中继UE k和UE j到达接收端UE i的传输延时由公式(28)近似得到。
使用蜂窝下行平均传输路径数据量来衡量蜂窝下行平均传输路径持续服务能力时，其值(如下行传输路径k→j→i)可由公式(29)计算得到。
在(29)中，Dkji表示接收节点i通过下行传输路径k→j→i从基站接收的数据包的数量；tr是接收节点i的持续服务时长，其值取决于中继节点k和j能量储备和功耗；RBLk和RBLj分别是中继节点k，j的剩余能量储备；pk和pj则分别是中继节点k，j作为WiFi链路发射端时的发射功耗；中继节点k，j处理每比特数据的电子元器件耗能，相比于其作为发射端每比特的数据传输耗能，其值可以忽略不计，故在此不做讨论。
基本仿真参数设置如下：仿真网络是半径为500m的圆形区域，一个基站位于该区域中央，拥有的可分配蜂窝信道数量N为120，该区域内UE数量M变化范围从400到2200，公式(14)中的折扣系数η设置为0.7，延时约束阈值dth、能量约束阈值eth分别设置为110纳秒/比特,0.1焦耳，信道带宽设置为2兆赫兹。其它参数取值见表1。
表1仿真参数设置
采用OMNeT++4.1网络仿真器得到图2至图3所示结果。从图2我们可以发现，无论蜂窝内节点数量M如何变化，DEEO-GPA和DTO-MROD的平均传输路径能量效率始终优于LIKE-DORE方案，而DEEO-GPA的平均传输路径能量效率又优于DTO-MROD。其主要原因是，对于远离基站的蜂窝边缘节点来说，DEEO-GPA和DTO-MROD通过两跳中继链路辅助其接收基站数据，高比特误码率得到了有效地控制，这是借助一跳中继链路转发基站数据的LIKE-DORE方案做不到的。而根据公式(6)～(13)可知，低比特误码率提升了下行数据传输路径的吞吐量，因此也提升了单位耗能所获得的吞吐量增益。在DTO-MROD的基础上，DEEO-GPA通过改进的博弈决策过程算法将中继节点的发射功率控制在合理的范围内，在下行传输路径吞吐量没有降低的基础上，降低了中继节点的发射功率，从而进一步地提升了蜂窝下行通信的能量效率。
从图3可观察到类似于图2的变化趋势，无论蜂窝内节点数量M如何变化，DEEO-GPA和DTO-MROD的平均传输路径持续服务能力始终优于LIKE-DORE方案，而DEEO-GPA的平均传输路径持续服务能力又优于DTO-MROD。得益于两中继进行数据转发带来的高SINR，DEEO-GPA和DTO-MROD中的下行传输路径拥有更高的数据接收能力，并且由于中继剩余能量门限的存在，DEEO-GPA和DTO-MROD的传输路径服务时间也会更长，这两点都是基于一中继进行数据转发和缺少中继剩余能量门限的LIKE-DORE方案做不到的。因此根据公式(29)可知，LIKE-DORE方案的传输路径持续服务能力会低于前两种方案。而相比于DTO-MROD，DEEO-GPA通过功率控制博弈理论降低了中继节点的发射功率，在中继节点的剩余能量储备一定时，延长了中继节点的服务时长，也即延长了下行传输路径的服务时长。因此根据公式(29)可知，在平均传输路径持续服务能力方面，DEEO-GPA会高于DTO-MROD。

Claims (7)

1.一种蜂窝下行通信能效优化方法，其特征在于包括基站辅助决策的步骤和接收点独立决策的步骤：
所述的基站辅助决策的步骤，包括启动中继预选的步骤；验证预选中继的步骤和启动与结束D2D链路发射功率调节过程的步骤；
所述的接收节点独立决策的步骤，包括D2D中继预选决策的步骤，D2D链路发射功率的折半调节的步骤和D2D链路发射功率逐步递减调节的步骤。
2.根据权利要求1所述的蜂窝下行通信能效优化方法，其特征在于所述的启动中继预选和启动与结束D2D链路发射功率调节过程的步骤，具体为采用如下步骤进行中继预选和发射功率调节：
步骤1.0：将CM,M中的元素赋值为0，同时将PM,M中的每个元素赋值为pj max/2，创建空集合D和E，并且将定时器tΔ设置为Δ，向所有节点广播中继预选启动包，进入步骤1.1；所述CM,M中的元素为Cij，定义为中继j到中继i分配到的WiFi信道号；所述PM,M中的元素为Pij，定义为中继j向中继i发送数据时的发射功率；集合D中的元素为αij，定义为若中继i选择中继j作为转发数据的中继，则αij的值为1，否则为0；集合E中的元素为αkji，定义为若中继i选择中继k和中继j帮其依次转发数据，则αkji的值为1，否则为0；
步骤1.1：在定时器tΔ未超时的情况下，若基站接收到分配给链路j→i的WiFi信道号cji，则对矩阵CM,M进行更新；若接收到αji，则将其加入到D集合；若接收到αkji，则将其加入到E集合；若定时器tΔ超时，则进入步骤1.2。
步骤1.2：验证预选的第二中继，验证预选的第一中继，分别根据如下公式计算P和T，向所有节点广播CM,M,PM,M,P和T，进入步骤1.3；
P＝∑i∈U＝{1,2,…N}Pi
T＝∑i∈U＝{1,2,…N}Ti
其中P为整个网络中下行传输路径上各段链路发射端的发射功率之和：Pi是接收节点i的下行传输路径上各段链路发射端的发射功率之和；若接收节点i确定采用一个中继节点j转发数据，则Pi为基站和中继节点j的发射功率之和；若接收节点i确定采用两个中继节点k和j转发数据，则Pi为基站、中继节点k、以及中继节点j的发射功率之和；若接收节点i确定不采用中继节点，则Pi即为基站的发射功率；T为整个网络中下行链路的潜在吞吐能力：Ti是接收节点i的数据接收能力；
步骤1.3：将判断中继节点发射功率调节是否达到收敛状态的标记flag赋值为false，将定时器tΔ重新设置为Δ，当tΔ没有超时的情况下，若基站接收到链路j→i发射端发射功率pji，则将flag设置true并且对CM,M进行更新；若接收到蜂窝链路基站→j发射端发射功率p0j，则对CM,M进行更新；若tΔ超时，则进入步骤1.4；
步骤1.4：若flag为true，则再次计算P和T，并且向所有节点广播CM,M,PM,M,P和T，重新返回步骤1.3；否则向所有节点广播功率调节终止包，结束算法的运行。
3.根据权利要求2所述的蜂窝下行通信能效优化方法，其特征在于所述的验证预选中继的步骤，具体包括验证预选第二中继的步骤和验证预选第一中继的步骤：
所述的验证预选第二中继的步骤，具体包括如下步骤：
步骤2.0：针对E集合中的所有元素，将Fi,wifi、Fj,wifi分别赋值为0，进入步骤2.1。
步骤2.1：针对i的干扰集合Ii,nei里除去j的所有元素，并且针对剩余元素的邻居集合Vm里的所有元素，若cmn值不为0并且cmn与cji之间差值的绝对值小于5，则计算UE i所接收到的同频信道干扰功率Fi,wifi；否则不做任何操作；进入步骤2.2；
步骤2.2：针对j的干扰集合Ij,nei里除去k的所有元素，并且针对剩余元素的邻居集合Vm里的所有元素，若cmn值不为0并且cmn与ckj之间差值的绝对值小于5，则计算UE j所接收到的同频信道干扰功率Fj,wifi；否则不做任何操作；进入步骤2.3；
步骤2.3：基于当前CM,M矩阵值和PM,M矩阵值，计算通过中继UE k和UE j依次转发数据，接收端UE i从基站获得的下行吞吐量Tkji d2d；并判断：若Tkji d2d小于Tji d2d，则进入步骤2.4；否则不做任何操作；
步骤2.4：将αkji设置为0，并且将其发送到接收端UE i；将αji设置为1，并且将其加入到集合D；将ckj设置为0，并且更新CM,M矩阵。
4.根据权利要求3所述的蜂窝下行通信能效优化方法，其特征在于所述的验证预选第一中继的步骤，具体包括如下步骤：
步骤3.0：针对D集合中的所有元素，将Fi,wifi赋值为0，进入步骤3.1。
步骤3.1：针对i的干扰集合Ii,nei里除去j的所有元素，并且针对剩余元素的邻居集合Vm里的所有元素，若cmn值不为0并且cmn与cji之间差值的绝对值小于5，则计算UE i所接收到的同频信道干扰功率Fi,wifi；否则不做任何操作；进入步骤3.2；
步骤3.2：基于当前CM,M矩阵值和PM,M矩阵值，计算通过中继UE j转发数据，UE i从基站获得的下行吞吐量Tji d2d；并判断：若Tji d2d小于Ti cell，则进入步骤3.3；否则不做任何操作；
步骤3.3：将αji设置为0，并且将其发送到接收端UE i；将cji设置为0，并且更新CM,M矩阵。
5.根据权利要求4所述的蜂窝下行通信能效优化方法，其特征在于所述的D2D中继预选决策的步骤，具体为采用如下步骤进行中继预选决策：
步骤1.0：针对N个获得蜂窝信道的接收节点，若收到基站的中继选择启动包，则将α00、αji、αkji、cji、ckj、ΔTji、ΔTkji分别初始化为0；若收到基站的αkji值为0，则将ckj赋值为0，αji赋值为1；若收到基站的αji值为0，则将cji赋值为0；赋值完成后进入步骤1.1
步骤1.1：分别计算UE i与基站直接通信时的蜂窝链路吞吐量和蜂窝链路吞吐量阈值若值比值小，则进入步骤1.2；否则结束运行，UE i直接从基站接收数据；
步骤1.2：针对UE i邻居集合Vi内的每个节点UE j，计算第一中继选择度量值ΔTji，进入步骤1.3；所述ΔTji表示基站分别与中继UE j、接收端UE i直接通信时蜂窝链路吞吐量的差值；
步骤1.3：对UE i的第一中继选择度量值排序，找出度量值最大的ΔTji：若ΔTji大于0，则进入步骤1.4；否则运行结束，UE i直接从基站接收数据；
步骤1.4：计算UE i通过中继UE j从基站接收数据时的传输延时dji：若dji小于中继延时门限值dth并且UE j的剩余能量值ej大于中继剩余能量门限值eth，则将αji赋值为1，表示接收节点UE i选择UE j作为其第一中继节点来转发数据，其中UE j直接从基站接收数据，而UE j与UE i之间通过D2D通信来传输下行数据；同时将cji赋值，表示UE j与UE i之间D2D通信时使用的WiFi信道的子信道号，并且将cji发送到基站，进入步骤1.5；否则将ΔTji赋值为0，进入步骤1.3；
步骤1.5：计算当UE i选择UE j作为第一中继时，UE j与基站直接通信时的蜂窝链路吞吐量Tji cell：若Tji cell值小于值，则进入步骤1.6；否则接收节点UE i使用一个中继从基站接收数据，进入步骤1.9；
步骤1.6：针对UE j邻居集合Vj内的每个节点UE k，计算第二中继选择度量值ΔTkji，进入步骤1.7；ΔTkji表示基站分别与中继UE k、中继UE j直接通信时蜂窝链路吞吐量之间的差值；
步骤1.7：对UE i的第二中继选择度量值排序，找出度量值最大的ΔTkji：若ΔTkji大于0，则进入步骤1.8；否则运行结束，UE i使用一个中继从基站接收数据；
步骤1.8：计算UE i分别通过中继UE k、中继UE j从基站接收数据时的传输延时dkji：若dkji小于中继延时门限值dth、UE j的剩余能量值ej大于中继剩余能量门限值eth并且ΔTkji大于0，则将αkji赋值为1，表示接收节点UE i选择UE k、UE j作为其中继节点来转发数据，其中UE k直接从基站接收数据，而UE k与UE j、UE j与UE i之间都是通过D2D通信来传输蜂窝下行数据；并将cji赋值，表示UE k与UE j之间D2D通信时使用的WiFi信道的子信道号，并且将ckj发送到基站，进入步骤1.9；否则UE i使用一个中继从基站接收数据，进入步骤1.9；
步骤1.9：若αkji值为1，则将αkji发送到基站；否则不做任何操作；否则若αji值为1，则将αji发送到基站。
6.根据权利要求5所述的蜂窝下行通信能效优化方法，其特征在于所述的D2D链路发射功率的折半调节的步骤，具体为采用如下步骤进行折半调节：
步骤2.0：针对N个获得蜂窝信道的接收节点，假设数据依次通过中继UE k、中继UE j从基站传输到UE i，将用来记录D2D链路k→j是否完成发射功率折半调节的标记flagkj、用来记录D2D链路j→i是否完成发射功率折半调节的标记flagji都初始化为false，进入步骤2.1；
步骤2.1：若接收到基站的CM,M、PM,M、P和T，则进入步骤2.2；否则，重新进入步骤2.1；若收到基站的功率调整终止包，则结束算法的运行；否则不做任何操作；
步骤2.2：针对接收节点UE i，若αkji值为1，则进入步骤2.3；否则若αji值为1，则进入步骤2.11；否则不做任何操作；
步骤2.3：计算Tk th和pk th，其分别代表当接收端UE k比特误码率达到阈值BER时，接收端与基站之间的蜂窝链路下行吞吐量以及此时基站的发射功率；并将pk th赋值给p0k并且将p0k发送到基站，进入步骤2.4；
步骤2.4：基于当前CM,M矩阵值和PM,M矩阵值，计算Tkj wifi和Tji wifi：若中继UE k与中继UEj之间下行WiFi链路吞吐量Tkj wifi大于中继UE j与接收端UE i之间下行WiFi链路吞吐量Tji wifi，则进入步骤2.5；否则进入步骤2.8；
步骤2.5：若Tkj wifi大于Tk th并且flagkj的值为false，则进入步骤2.6；否则若Tkj wifi大于Tk th并且flagkj的值为true，则逐步递减调节中继UE k的发射功率；否则不做任何操作；
步骤2.6：将flagkj赋值为true，若此时UE k发射功率pkj所对应效用函数值大于UE k发射功率为最大发射功率pk max时所对应效用函数值，则进入步骤2.7；否则将pkj赋值为pk max，并且若UE k发射功率为pkj减去步长ε后所对应效用函数值大于其不改变时所对应效用函数值，则将pkj减去ε的值赋给pkj，发送pkj到基站；否则不做任何操作；
步骤2.7：若此时UE k发射功率pkj减去步长ε后所对应效用函数值大于其不改变时所对应效用函数值，则将pkj减去ε的值赋给pkj，发送pkj到基站；否则不做任何操作；
步骤2.8：若Tji wifi大于Tk th并且flagji的值为false，则进入步骤2.9；否则若Tji wifi大于Tk th并且flagji的值为true，则逐步递减调节中继UE j的发射功率；否则不做任何操作；
步骤2.9：将flagji赋值为true，若此时UE j发射功率pji所对应效用函数值大于UE j发射功率为最大发射功率pj max时所对应效用函数值，则进入步骤2.10；否则将pji赋值为pj max，并且若UE j发射功率为pji减去步长ε后所对应效用函数值大于其不改变时所对应效用函数值，则将pji减去ε的值赋给pji，发送pji到基站；否则不做任何操作；
步骤2.10：若UE j发射功率为pji减去步长ε后所对应效用函数值大于其不改变时所对应效用函数值，则将pji减去ε的值赋给pji，发送pji到基站；否则不做任何操作；
步骤2.11：计算Tj th和pj th，其分别代表当接收端UE j比特误码率达到阈值BER时，接收端与基站之间的蜂窝链路下行吞吐量以及此时基站的发射功率；将pj th赋值给p0j并且将p0j发送到基站，进入步骤2.12；
步骤2.12：基于当前CM,M矩阵值和PM,M矩阵值，计算中继UE j与接收端UE i之间下行WiFi链路吞吐量Tji wifi：若Tji wifi大于Tj th并且flagji的值为false，则进入步骤2.13；否则若Tji wifi大于Tj th并且flagji的值为true，则逐步调节中继UE j的发射功率；否则不做任何操作；
步骤2.13：将flagji赋值为true，若此时UE j发射功率pji所对应效用函数值大于UE j发射功率为最大发射功率pj max时所对应效用函数值，则进入步骤2.14；否则将pji赋值为pj max，并且若UE j发射功率为pji减去步长ε后所对应效用函数值大于其不改变时所对应效用函数值，则将pji减去ε的值赋给pji，发送pji到基站；否则不做任何操作；
步骤2.14：若UE j发射功率为pji减去步长ε后所对应效用函数值大于其不改变时所对应效用函数值，则将pji减去ε的值赋给pji，发送pji到基站；否则不做任何操作。
7.根据权利要求6所述的蜂窝下行通信能效优化方法，其特征在于所述的D2D链路发射功率逐步递减调节的步骤，具体为采用如下步骤进行逐步递减调节：
步骤3.0：若αkji值为1，则进入步骤3.1；否则若αji值为1，则进入步骤3.4；
步骤3.1：基于当前CM,M矩阵值和PM,M矩阵值，计算Tkj wifi和Tji wifi：若Tkj wifi大于Tji wifi并且Tkj wifi大于Tk th，则进入步骤3.2；否则若Tkj wifi小于或等于Tji wifi并且Tji wifi大于Tk th进入步骤3.3；
步骤3.2：若UE k发射功率为pkj减去步长ε后所对应效用函数值大于其不改变时所对应效用函数值，则将pkj减去ε的值赋给pkj，发送pkj到基站；否则不做任何操作；
步骤3.3：若UE j发射功率为pji减去步长ε后所对应效用函数值大于其不改变时所对应效用函数值，则将pji减去ε的值赋给pji，发送pji到基站；否则不做任何操作；
步骤3.4：基于当前CM,M矩阵值和PM,M矩阵值，计算Tji wifi；若Tji wifi大于Tj th，则进入步骤3.5；否则不做任何操作；
步骤3.5：若UE j发射功率为pji减去步长ε后所对应效用函数值大于其不改变时所对应效用函数值，则将pji减去ε的值赋给pji，发送pji到基站；否则不做任何操作。
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