CN108055676B - 基于终端级别和节点数量的4g系统d2d路由选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于终端级别和节点数量的4G系统D2D路由选择方法，包括如下步骤：步骤1，当两个节点需要进行通信时，计算它们之间每条路径上所有终端的终端等级平均值和等效终端等级；步骤2，计算每条路径的特征值，选取其中特征值最小的路径作为两个节点之间的路由路径；步骤3，经过时间T后，再次计算每条路径的特征值，选取其中特征值最小的路径作为两个节点之间的路由路径。

Description

基于终端级别和节点数量的4G系统D2D路由选择方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，尤其涉及基于终端级别和节点数量的4G系统D2D路由选择方法。

背景技术

蜂窝通信经历了从第一代以话音业务为代表的模拟式移动电话系统，到大规模商用的第四代(4G)以移动数据、移动计算及移动多媒体为代表的无线宽带系统的持续演进。

在4G阶段就已经开始标准化的D2D(终端直通)术，可以实现相邻的终端在近距离范围内通过直连链路进行数据传输的方式，而不需要通过中心节点(即基站)进行转发。

D2D通信工作在蜂窝网络下，虽然该技术指的是终端(设备)之间的直接通信，但是在直接通信的基础上，也可以借助基站的一些辅助。根据是否借助基站的辅助，D2D通信被分为借助基站辅助的D2D通信以及不借助基站的D2D通信。

(1)由网络完全控制的D2D通信

由网络完全控制的D2D通信是指以基站集中控制D2D用户的通信，基站控制D2D用户之间通信的连接建立以及无线资源的分配。

这样的通信方式有利于对干扰进行控制以及全局资源的管理，因为存在一个控制中心，对全局化的一些控制变得非常方便。但是这种方式也存在着问题，因为D2D的通信特性，基站很难获得大量的关于D2D通信的链路转台信息，特别是当所处的网络较差或者D2D通信链路过多时，收集这些信息会导致大量的信令开销，阻碍了频谱利用率的提升，并且在一定程度上违背了D2D通信的本质，使D2D通信缺乏足够的灵活性和自主性。这样方式适合蜂窝小区业务量比较小的情况，网络中的D2D通信链路数量也较少。

(2)由网络辅助的自主D2D通信

该方案主体是D2D通信，但是需要网络提供一些相应的辅助帮助，在网络提供帮助的前提下D2D用户以自主的方式实现通信。

由网络辅助的自主D2D通信方式需要用到认知无线电技术，充分利用D2D用户分散的特点，由D2D用户对周围的环境进行自主的感知，并获取相应的干扰信息、链路状态信息以及所属的蜂窝网的一些相关信息。以D2D用户自主自身作为通信的控制主体，即不违背D2D通信的特性，还能避免由基站集中控制时所带来的开销以及频谱效率等问题。

上述两种控制方案之间可以互补。针对不同的场景使用不同的D2D控制方案进行D2D通信。当使用由网络集中控制的D2D通信方案，使用该方案便于对网络全局化的管理协调。当D2D通信所在的蜂窝网小区业务量较大，D2D通信的链路数量较多时，可以使用由网络辅助的自主D2D通信控制方案，使用该方案能够提升系统的皮普利用率，使系统间的资源共享更加灵活。

D2D通信可以使用户之间直接通信，如果两个用户之间距离过远或者通信环境较差，用户之间就不能直接单挑到达。其中一个解决方案就是将用户由D2D通信模式切换到蜂窝模式，由基站来进行转发信息，但是这种方式会对基站造成一定的负担，违背了D2D通信的初衷，并且当基站的负荷较大时，通信还可能中断。另一种解决方案是将D2D用户作为中继节点来转发信息。当网络中的终端作为中继节点，负责转发信息，此时需要一个合适的路由协议，以保证网络的通信质量。

路由过程是利用协议/算法去实现两个设备之间端到端的通信，现阶段提出的智能路由算法可以在一定程度上满足上述要求，这些算法包括分层算法(基于树的算法和基于簇的算法)、背景感知算法以及生物启发式算法(蚁群油画算法)。其中基于簇的分层算法指的是把设备以一种分层的方式分成一个个簇。设备在他们自己的阶层当中有着不同的作用。最高等级的设备被称为领头簇，他负责传输一个簇到另一个簇的通信信息。

现阶段提出的基于网络编码的D2D算法，在多挑D2D通信中利用网络编码方式进行传输，考虑最大化网络编码机率进行路由选择。与传统多挑D2D通信路由方案相比，这种方式通过提升每个中继节点传输链路的性能提升了网络的整体性能，缩短传输时间，提升网络吞吐量。

现阶段提出的一类基于功率控制的D2D路由算法，该算法主要考虑的是网络中的干扰问题，充分利用网络中的干扰关系以及信噪比门限，通过控制用户的发送功率来保证蜂窝网络下宏用户以及D2D用户的通信质量。

此外，现阶段还提出了一种基于社交信息的D2D路由算法，通过统计用户的历史信息数据来对用户的资源需求以及未来的行为进行预测，主要针对移动自组织网络下的D2D通信，充分考虑用户的社会性去进行路由的选择，能够很大程度上提高移动自组织网络下的通信质量。

发明内容

本申请提出的一种基于终端级别和节点数量的4G系统终端直通(D2D)路由选择方法，可以提升路由转发能力，降低端到端时延，具体包括如下步骤：

步骤1，当两个节点需要进行通信时，计算它们之间每条路径上所有终端的终端等级平均值和等效终端等级；

步骤2，计算每条路径的特征值，选取其中特征值最小的路径作为两个节点之间的路由路径；

步骤3，经过时间T后，再次计算每条路径的特征值，选取其中特征值最小的路径作为两个节点之间的路由路径。

步骤1包括：

假设节点s和节点d之间有m条路径，其中一条路径为a，路径a上有x个节点，分别为a1、a2、…、ax，其中ax表示第x个节点，第x个节点ax的终端等级数值为CAT_ax，通过如下公式计算路径a上所有终端的终端等级平均值CAT_ave-a：

CAT_ave-a＝(CAT_a1+CAT_a2+…+CAT_ax)/x， (1)

通过如下公式计算路径a的等效终端等级CAT_a：

根据公式(1)和(2)计算得到每条路径上所有终端的终端等级平均值和等效终端等级。

步骤2包括：

通过如下公式计算路径a的特征值P_a：

其中，EN和FN分别为终端等级的加权系数和路径节点数量的加权系数，根据公式(3)计算得到每条路径的特征值，选取其中特征值最小的路径作为节点s和d之间的路由路径。

在当前的研究中，已经有人提出了多项智能化的D2D路由协议方案，但是因为D2D通信不同于普通通信，其设备多为移动终端或物联网终端。在4G网络中，根据终端无线传输性能，可将其分为多种能力等级，这就是LTE category，简称CAT。国际标准组织3GPP目前将终端能力划分为15个等级。常说的LTE下载峰值速率100Mbps，上传峰值50Mbps对应为CAT3能力等级。而实际上，目前大部分终端均为CAT4能力等级，对应LTE下载峰值速率150Mbps，上传峰值50Mbps。因此说能力等级越高对应着终端能够具备的无线传输性能越强，也就是达到的峰值速率越高，因此D2D通信网络的多跳性能可能会受到设备级别(设备性能)的影响，这些因素都将影响多跳D2D通信的路由选择。选择终端等级高的终端作为路由转发节点，可以提升转发能力，但目前已有的路由协议，并没有将终端的设备等级(设备性能)进行考虑。另外，路径上节点越多，则带来的转发时延越大，因此基于上述原因，提出基于终端级别和节点数量的终端直通(D2D)路由选择方案。

有益效果：在4G系统中，终端等级不同，其网络传输能力不同，因此在路由路径选择时考虑路径上各节点的终端等级，并且依据路径上各节点终端等级的平均值进行方差计算，这样可以使所选择的路径上的各节点的网络传输能力大致相当，从而避免所选路径上某个节点性能低，带来瓶颈，也可以避免某个节点性能过高，带来网络能力的浪费。同时路由路径上节点数量越多，带来的处理时延和转发时延越多，影响用户感知，因此在路由路径选择时，综合考虑终端等级和节点数量，可以在减小时延的基础上，实现终端网络传输能力的合理利用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为某网络拓扑结构。

图2为某运营企业网络拓扑示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

在网络中，假设有两个节点s和d要进行通信，它们之间有M条路径可供选择，在具体进行路径选择时，先计算每条路径的特征值P，特征值计算如公式(1)，选择特征值P最小的路径作为节点s和d间的路由路径。每隔一定的时间T(各运营企业可以根据网络实际情况自行确定，在这里建议T取值为1s)后，检测网络拓扑是否发生变化，如果发生变化，则需要对各路径的P值进行更新，然后根据更新后的P，进行路径选择。

P＝EN*CAT+FN*HOP (1)

其中CAT为某条路径上的等效终端等级，其计算方法如公式(2)所示，HOP为某条路径上的节点数量，EN和FN分别为终端等级和路径节点数量的加权系数，其取值各运营企业可以根据网络的实际情况自行确定(建议分别取值为1)。

在公式(2)中，通过方差计算，这样可以防止所选路径上某个节点能力过低或者能力过高，从而影响整网性能。另外公式(2)中的CAT_ave为某条路径上各终端的终端等级平均值，其计算方法如公式(3)所示。

在其中：CAT_i为某条路径上第i个终端的终端等级，其为1到15之间的阿拉伯数字，m为某条路径上的终端数量。

(2)方案详细描述

假设某网络拓扑结构如图1所示，其中节点s和d之间有m条路径，分别为a、b、…、m；各路径上的节点数量依次为x、y、…、z。

其中路径a上有x个节点，分别为a1、a2、…、ax，各节点的终端等级数值分别是CAT_a1、CAT_a2、…、CAT_ax，因此路径a上所有终端的终端等级平均值CAT_ave-a根据公式(3)计算结果如下：

CAT_ave-a＝(CAT_a1+CAT_a2+…+CAT_ax)/x (4)

路径a的等效终端等级CAT_a，根据公式(2)计算，结果如公式(5)所示。

因此，根据公式(1)，路径a的特征值P_a为：

对于其他路径的特征值计算方法参考公式(5)进行计算，具体为：

选取其中P值最小的路径作为节点s和d之间的路由路径。

当经过一段时间T后，检测网络拓扑是否发生变化，如果发生变化，则需要对各路径的P值进行更新，然后根据更新后的P，进行路径选择。

实施例

假设某运营企业网络拓扑如图2所示。

其中节点s和d之间有三条路径，分别是a、b、c，其中路径a上有三个节点，分别为a1、a2、a3；路径b上有两个节点，分别为b1、b2；路径c上有四个节点，分别为c1、c2、c3、c4。其中各路径上的终端等级和路径节点数量的加权系数EN和FN均为1。

路径a上，各节点的终端等级CAT分别为7、6、8，则：CAT_ave-a＝(7+6+8)/3＝7，工具公式(5)，CAT_a＝((7-7)²+(6-7)²+(8-7)²)/3，因此CAT_a约为0.67，则P_a为0.67+3＝3.67。

路径b上，各节点的终端等级CAT分别为4、12：则：CAT_ave-b＝(4+12)/2＝8，工具公式(4)，CAT_b＝((4-8)²+(12-8)²)/2，因此CAT_b约为16，则P_b为16+2＝18。

路径c上，各节点的剩余电量EN分别为4、6、8、2：则：CAT_ave-c＝(4+6+8+2)/4＝5，工具公式(4)，CAT_c＝((4-5)²+(6-5)²+(8-5)²+(2-5)²)/4，因此CAT_c约为5，则P_c为5+4＝9。

由于P_b>P_c>P_a，因此节点s和d之间的路由路径选择为a路径。

本发明提供了基于终端级别和节点数量的4G系统D2D路由选择方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.基于终端级别和节点数量的4G系统D2D路由选择方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，当两个节点需要进行通信时，计算它们之间每条路径上所有终端的终端等级平均值和等效终端等级；

步骤2，计算每条路径的特征值，选取其中特征值最小的路径作为两个节点之间的路由路径；

步骤3，经过时间T后，再次计算每条路径的特征值，选取其中特征值最小的路径作为两个节点之间的路由路径；

步骤1包括：

假设节点s和节点d之间有m条路径，其中一条路径为a，路径a上有x个节点，分别为a1、a2、…、ax，其中ax表示第x个节点，第x个节点ax的终端等级数值为CAT_ax，通过如下公式计算路径a上所有终端的终端等级平均值CAT_ave-a：

CAT_ave-a＝(CAT_a1+CAT_a2+…+CAT_ax)/x，(1)

通过如下公式计算路径a的等效终端等级CAT_a：

根据公式(1)和(2)计算得到每条路径上所有终端的终端等级平均值和等效终端等级；

步骤2包括：

通过如下公式计算路径a的特征值P_a：

其中，EN和FN分别为终端等级的加权系数和路径节点数量的加权系数，根据公式(3)计算得到每条路径的特征值，选取其中特征值最小的路径作为节点s和d之间的路由路径。

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