CN108055651A - 一种基于d2d技术的移动终端设备心跳包转发方法 - Google Patents

一种基于d2d技术的移动终端设备心跳包转发方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于D2D(Device‑to‑Device)技术的移动终端设备心跳包转发方法，包括步骤(1)监测移动终端设备发送的心跳消息，获取该心跳消息以及包括心跳周期和过期时间参数；(2)以最大化D2D转发心跳消息的数量为目标，来进行D2D移动终端设备的配对；(3)根据接收的心跳消息参数，进行转发调度；(4)如果请求转发设备在设定时间内未收到该反馈信息，则自行通过蜂窝数据网络发送该心跳消息。本方法中，由于与基站连接次数减少，而且D2D通信比蜂窝数据通信耗能低，手机节能效果好。在高密度人群的场所，可供建立D2D连接的移动设备多，能缓解基站控制信道的拥塞。此外，由于D2D通信技术涵盖在5G技术标准，本发明实施十分便捷，成本较低。

Description

一种基于D2D技术的移动终端设备心跳包转发方法
技术领域
本发明属于计算机网络下性能优化领域，更具体地，涉及一种基于D2D技术的移动终端设备心跳包转发方法。
背景技术
即时通信类软件(例如微信、QQ、WhatsApp等)已经成为移动用户最常用的应用之一，而该类应用普遍需要在后台向服务器频繁周期性地发送心跳包以保持在线状态。通过实际测量发现，这种周期性发送的心跳包虽然携带的数据量很小，但是由于移动终端设备(如智能手机)在传输时与基站之间需要频繁建立与释放通信信道，此过程消耗了大量的信令资源。这也成为造成“信令风暴”问题的重要因素之一。同时，这种频繁的小包传输也会导致移动终端设备频繁激活数据通信模块，从而也消耗了大量的电量。
心跳消息用来维持即时通讯软件的实时通信或推送服务。即时通信软件的服务器设置过期计时器来判断客户端是否在线。为了保持在线的状态，即时通信软件会不断地发送心跳包来刷新这些计时器。心跳消息所携带的数据量很小，数量众多，而且不需要回复。对于常用的即时通信软件，QQ、微信和WhatsApp心跳包的周期分别为300秒、270秒和240秒。它们的大小分别为378字节，73字节和66字节。一些即时通信软件利用现有的协议或推送服务平台来实现心跳机制。比如，Google Talk是基于XMPP协议，而Facebook则采用的MQTT协议。还有许多即时通信软件选择采用自行设计的心跳机制。
信令是基站用来与移动终端交换有关通信连接和网络管理的信息。高额信令需求所造成的控制信道拥塞将会导致严重的服务崩溃或网络性能的下降。这个问题也被称为“信令风暴”。在移动网络中，使用RRC(无线资源控制)状态机制来分配有限的射频资源。对于LTE网络来说，有两种主要的状态：对于LTE网络，有两个主要的状态：较高功率状态的CONNECTED状态和较低功耗状态IDLE状态。当移动客户端发送消息时，终端需要建立RRC连接。当数据传输完成时，RRC连接释放。建立和释放RRC连接导致RRC状态的转换。由于许多应用程序试图保持在线，这种周期性的心跳消息传输导致频繁的状态转换。这些状态转换所带来的庞大的信令流量造成了信号风暴。
移动网络运营商依靠用户使用的蜂窝数据流量来获得利润，而不是信令流量。而且，在蜂窝网络上，海量的信令流量大大降低了用户体验，如较高的寻呼故障率。总的来说，移动网络运营商有极大的动力以较低成本来降低信令流量。
支持在无基站干预下直接通信的D2D(Device-to-Device)技术即端对端通信技术正在迅速发展。目前，流行的D2D技术，包括蓝牙、Wi-Fi Direct、NFC、Zig-Bee等，都在常见的移动应用中实现，如PayPal，微信等。另外，作为下一代蜂窝技术中极有潜力而且重要的组成部分，更先进的D2D技术，如高通公司开发的LTE Direct，正在研究之中。这些技术在邻居发现和节能方面都有良好的表现。例如，LTE Direct能够在大约500米的范围内发现数以千计的设备。受到上述D2D通信优势及其未来发展的启发，我们提出了基于D2D的解决方案以解决信号风暴和移动终端设备的能耗问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于D2D技术的移动设备心跳包转发方法，旨在缓解基站控制信道的拥塞同时降低手机用于传输心跳包的能耗。
本发明提出的一种基于D2D技术的移动设备心跳包转发方法，包括如下步骤：
(1)监测各个移动终端设备发送的心跳消息，并获取其心跳消息以及包括心跳周期和过期时间参数；
(2)建立D2D连接，各移动终端设备接收连接结果反馈信息；各移动终端设备请求转发时，以最大化D2D转发消息的数量为目标，来进行D2D移动终端设备的配对，选择转发设备；所述D2D指移动终端设备到移动终端设备；D2D转发的消息指设备心跳消息；
(3)转发的移动终端设备根据接收的心跳消息参数，以及步骤(1)取得的心跳消息参数，按如下策略进行转发调度：
确保所有要发送的心跳消息在过期时间内发出的条件下，通过延缓一定的时间，尽可能收集更多数量的心跳消息，以最大化一次发送心跳消息的数量；
(4)转发终端设备向请求转发设备发送反馈信息，通知转发是否成功；如果请求转发设备在设定时间内未收到该反馈信息，则自行通过蜂窝数据网络发送该心跳消息。
进一步的，所述步骤(3)中的延缓时间由转发终端设备中本地心跳消息与接收的心跳消息发送时间的差值、各自心跳消息的周期大小和过期时间的最小值确定。
进一步的，各移动终端设备收集附近其它移动终端设备的心跳信息，汇总统一发送。
进一步的，各终端设备通过Android系统类库WifiP2p中的groupOwnerIntend参数的大小来表达作为移动终端设备参予度标记；D2D连接建立后，转发终端设备先将本机groupOwnerIntend参数设为最大值15，按比例减少本机的groupOwnerIntend参数直到0；所述转发设备连接设备越多，其groupOwnerIntend参数越小，以均衡转发设备间的连接负载，避免单一转发设备连接过多请求转发设备；对于请求转发设备，其groupOwnerIntend参数最初设置为最小值0，并选择最近的可用转发设备来建立D2D连接。
进一步的，所述步骤(2)中，转发请求设备采用距离最近原则，选择心跳消息的转发终端设备；如无邻近的移动终端设备，则选择以传统的蜂窝数据网络发送心跳消息。
本发明中，D2D通信可以用于缓解信令风暴的主要原因在于它的通信过程不会产生信令流量。请求转发设备通过D2D方式而不是蜂窝网络将其心跳信息发送到其他的智能手机。以这种方式，心跳传输不会给蜂窝网络的控制信道带来任何信令流量。由于来自UE所收集的心跳消息以集合的方式被转发设备一次发送，所以RRC连接的次数减少。因此，如果转发设备广泛应用，蜂窝网络控制信道上的信令流量将显着减少。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明的系统具有以下的优点和技术效果：
1、该发明能为移动终端设备节省一定的能耗。首先，D2D通信，如蓝牙和Wi-Fi，比蜂窝数据通信的功耗低；此外，随着与基站连接次数减少，移动终端设备被唤醒的次数降低。因此，使用D2D技术来进行心跳传输可以有效地提高能源效率。并且，蜂窝网络和D2D模式之间的切换功能已经成功应用于许多技术中。所以，应用D2D技术来协助蜂窝网络进行数据传输具有可行性。
2、此外，该发明所利用的D2D通信技术非常适合“信令风暴”问题频发的情景。信令风暴问题通常发生在高密度人群的地区。而在D2D通信中，高密度人群的场所意味着更多的对等设备可供连接和更高品质的D2D通信机会。所以基于D2D技术的心跳包转发方案能有效地缓解基站控制信道的拥塞。
3、由于本发明所利用的D2D通信技术是5G技术中的重要组成部分，因此，移动网络运营商部署起来十分便捷，不需要花费过多的部署成本。
附图说明
图1为本发明基于D2D技术的移动设备心跳包转发方法系统示意图；
图2为本发明基于D2D技术的移动设备心跳包转发方法的模块框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
该发明的基本思想是；利用一些特定的移动终端设备收集附近其他手机的心跳信息，并以汇总的方式统一将其发出发送。为了区分发送者和接收者，我们分配两个角色，转发设备和请求转发设备。如图1所示，当请求转发打算发送心跳消息时，可以激活由该发明所提供的D2D转发服务。然后，该服务会发现附近的转发设备。同时，该服务的匹配方法将为请求转发设备匹配适当的转发设备，若无合适的转发设备，请求设备将通过蜂窝网络直接发送心跳消息。转发设备和请求转发设备完成D2D配对后，请求转发设备将自己的心跳消息发送给转发设备。最后，该服务的消息调度算法将统一调度这些心跳消息，并确定发送时间。
在心跳消息监测步骤中，检测其他应用所发送的心跳消息并将其获取是十分困难的。心跳消息监测是获取要转发的心跳消息及其消息参数，即心跳消息的发送周期和到期时间。然而，在Android系统的应用层中，第三方应用程序无法在未经应用程序开发人员和用户的许可获取其他应用程序中的数据。通过Android的提供ContentProvider组件，Android的基本组件之一，得以实现跨应用的数据交换。为了实现Message Monitor，我们为应用程序开发人员设计了一套API(编程接口)来将我们提出的D2D心跳包转发方法整合到现有应用程序。
D2D探测步骤旨在发现合适的对等移动终端设备并确定是否通过Wi-Fi Direct建立D2D连接。本发明利用BroadcastReceiver响应与Wi-Fi Direct有关的事件，接收Wi-FiDirect相关的意图。有四个由Android系统广播的意图需要回应。当D2D连接范围内发现可用于配对的对等移动终端设备，本发明利用WifiP2pManager类提供一套方法实现Wi-FiDirect连接的建立。通过实现由WifiP2pManager提供的ActionListener接口，本发明调用Android系统提供的方法来响应成功和不成功两种不同的发现结果。在不成功的情况，本发明使用Toast来显示失败消息以通知用户。获取可连接设备的列表后，本发明利用Android系统类库WifiP2p中的groupOwnerIntend参数的大小来表达作为移动终端设备参予度标记；D2D连接建立后，转发终端设备先将本机groupOwnerIntend参数设为最大值15，按比例减少本机的groupOwnerIntend参数直到0；所述转发设备连接设备越多，其groupOwnerIntend参数越小，以均衡转发设备间的连接负载，避免单一转发设备连接过多请求转发设备；对于请求转发设备，其groupOwnerIntend参数最初设置为最小值0，并选择最近的可用转发设备来建立D2D连接。
如图2所示，本发明提供了一种基于D2D技术的移动设备心跳包转发方法，包括以下步骤：
(1)监测各个移动终端设备发送的心跳消息，并获取其心跳消息以及包括心跳周期和过期时间参数；
(2)建立D2D连接，各移动终端设备接收连接结果反馈信息；各移动终端设备请求转发时，以最大化D2D转发消息的数量为目标，来进行D2D移动终端设备的配对，选择转发设备；所述D2D指移动终端设备到移动终端设备；D2D转发的消息指设备心跳消息；
(3)转发的移动终端设备根据接收的心跳消息参数，以及步骤(1)取得的心跳消息参数，按如下策略进行转发调度：
确保所有要发送的心跳消息在过期时间内发出的条件下，通过延缓一定的时间，尽可能收集更多数量的心跳消息，以最大化一次发送心跳消息的数量；
(4)转发终端设备向请求转发设备发送反馈信息，通知转发是否成功；如果请求转发设备在设定时间内未收到该反馈信息，则自行通过蜂窝数据网络发送该心跳消息。
本发明提供的基于D2D技术的移动终端设备心跳包转发方法有两个主要的难点。首先，转发设备作为智能手机具有天然的移动性。然而，转发设备必须处理来自请求转发设备中时间上不可预测的心跳消息。因此，如若没有正确的调度，转发的过程不仅会影响转发请求设备中心跳消息的收发成功率，还可能遭受不必要的过度能量消耗。第二，不适当的D2D配对可能会导致心跳包的传输消耗比原来的蜂窝数据网络传输更多的电量。为了解决第一个问题，我们设计了一个调度机制传输收集到的心跳信息，通过延缓一定的时间，尽可能收集更多数量的心跳消息，以最大化一次发送心跳消息的数量，从而达到最好的节能效果。对于第二个问题，我们设计了一个用于请求转发设备确定何时使用转发设备来转发心跳消息和何时通过蜂窝直接发送消息网络优化能源消耗的决策方法。请求转发设备在选择转发设备时将尽可能选择离自己较近的转发设备进行D2D连接。倘若附近没有合适的转发设备作为选择，请求转发设备则选择以传统的蜂窝数据网络发送心跳消息。
对于本发明提供的基于D2D技术的移动终端设备心跳包转发方法而言，由于通过蓝牙和Wi-Fi进行通信，相比于传统的蜂窝数据通信，手机会消耗更少的电量。因此，使用D2D技术进行心跳传输可以潜在地提高能源效率。此外，D2D通信非常合适信令风暴问题频发的情景。信令风暴问题通常发生在高密度人群的地区。在D2D通信中，在高密度人群的场所意味着更多的对等设备可供连接和更高品质D2D通信机会。所以该方案能有效地降低基站控制信道的拥塞。由于本发明所利用的D2D通信技术是5G技术中的重要组成部分，因此，移动网络运营商部署起来十分便捷，不需要花费过多的额外部署成本。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于D2D技术的移动终端设备心跳包转发方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)监测各个移动终端设备发送的心跳消息，并获取其心跳消息以及包括心跳周期和过期时间参数；
(2)建立D2D连接，各移动终端设备接收连接结果反馈信息；各移动终端设备请求转发时，以最大化D2D转发消息的数量为目标，来进行D2D移动终端设备的配对，选择转发设备；所述D2D指移动终端设备到移动终端设备；D2D转发的消息指设备心跳消息；
(3)转发的移动终端设备根据接收的心跳消息参数，以及步骤(1)取得的心跳消息参数，按如下策略进行转发调度：
确保所有要发送的心跳消息在过期时间内发出的条件下，通过延缓一定的时间，尽可能收集更多数量的心跳消息，以最大化一次发送心跳消息的数量；
(4)配对的转发终端设备向相应的请求转发设备发送反馈信息，通知转发是否成功；如果请求转发设备在设定时间内未收到该反馈信息，则自行通过蜂窝数据网络发送该心跳消息。
2.根据权利要求1所述的移动设备心跳包转发方法，其特征在于，所述步骤(3)中的延缓时间由转发终端设备中本地心跳消息与接收的心跳消息发送时间的差值、各自心跳消息的周期大小和过期时间的最小值确定。
3.根据权利要求1所述的移动设备心跳包转发方法，其特征在于，各移动终端设备收集附近其它移动终端设备的心跳信息，汇总统一发送。
4.根据权利要求1所述的移动设备心跳包转发方法，其特征在于，各终端设备通过Android系统类库WifiP2p中的groupOwnerIntend参数的大小来表达作为移动终端设备参予度标记；D2D连接建立后，转发终端设备先将本机groupOwnerIntend参数设为最大值15，按比例减少本机的groupOwnerIntend参数直到0；所述转发设备连接设备越多，其groupOwnerIntend参数越小，以均衡转发设备间的连接负载，避免单一转发设备连接过多请求转发设备；对于请求转发设备，其groupOwnerIntend参数最初设置为最小值0，并选择最近的可用转发设备来建立D2D连接。
5.根据权利要求1所述的移动设备心跳包转发方法，其特征在于，所述步骤(2)中，转发请求设备采用距离最近原则，选择心跳消息的转发终端设备；如无邻近的移动终端设备，则选择以传统的蜂窝数据网络发送心跳消息。
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