CN109348454B

CN109348454B - 一种d2d缓存通信内容共享方法

Info

Publication number: CN109348454B
Application number: CN201811194788.9A
Authority: CN
Inventors: 龙隆; 佟飘; 刘子辰; 高明晋; 周一青; 石晶林
Original assignee: Beijing Sylincom Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Sylincom Technology Co ltd
Priority date: 2018-10-15
Filing date: 2018-10-15
Publication date: 2021-10-15
Anticipated expiration: 2038-10-15
Also published as: CN109348454A

Abstract

本发明提供一种D2D缓存通信内容共享方法。该方法包括：根据D2D用户终端文件请求者所请求的文件信息筛选出候选的D2D文件传送者；计算所述候选的D2D文件传送者的现存能量估计值并基于获得的现存能量估计值选择最终的D2D文件传送者。本发明的方法在文件传输过程中考虑了D2D用户设备的现存能量因素，提高了文件传输的成功率以及缓存通信的吞吐量。

Description

一种D2D缓存通信内容共享方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种D2D缓存通信内容共享方法。

背景技术

D2D缓存通信技术是指在蜂窝网络中通过发掘移动用户终端设备的缓存能力，使处于近距离范围的邻近设备以直通通信的方式共享本地缓存数据的技术。在D2D缓存通信技术中，一旦建立D2D通信链路，D2D终端设备无需通过访问基站或者中间设备的干预，就能够获取内容，并以高传输率、低延迟的D2D通信方式获得请求内容。

随着全球移动数据流量的暴增，其中移动视频流量占移动数据流量的50％，而智能终端设备的硬件存储成本在持续降低，因此可以充分利用终端设备本地存储空间进行预缓存数据文件。目前，在LTE(Long Term Evolution)标准Release12版本中，3GPP已经启动了邻近服务(Proximity Service)的D2D通信标准化研究。在现有技术中，对于以蜂窝网为基础的D2D缓存通信技术，以网络中的用户节点为中心，通过在节点设备处预缓存流行文件并进行文件共享能够有效地缓解网络通信容量瓶颈，被视为是应对无线视频业务爆炸性增长的有效技术之一，并为未来无线通信的发展提供了新的方向。

目前，主要有三类方法来提高D2D缓存通信的卸载量：

第一、设计优化的数据缓存方案：这类方法假设基站可以获知D2D用户终端的各种信息，例如传输距离、对流行性文件的偏好、在蜂窝网小区中的位置信息、D2D用户终端之间的物理传输链路信息及联系密度等，并为D2D用户终端请求者寻找符合要求的D2D文件提供者。在这种方式中，以小区为单位，D2D用户终端设备通过在移动蜂窝网络下主动缓存流行文件，按照不同的准则优化对应的目标函数(例如D2D缓存通信容量)，进而推导出流行性文件在用户设备的缓存概率分布。

第二、设计网络缓存层：这类方法假设基站可以获知全局用户对排名不同的文件的请求以及文件的缓存情况，同时D2D用户终端之间以及D2D用户终端与小基站之间具备协作和共享的能力。在这种方式中，D2D缓存通信包含了不同的网络缓存层，例如本地缓存、D2D用户缓存、小基站缓存，并通过不同的内容访问协议，例如自我卸载、D2D用户卸载和小基站卸载等，最大限度地提高对蜂窝网流量的卸载率。

第三、采用D2D用户终端分簇的方案：前两类方案是基于传统的网络数据点播传输模式，即网络系统内所有的D2D用户请求者在小区全网内寻找相应内容的D2D用户提供者，然后同时进行数据传输，在这种点播传输模式中，会有相同的类型的信号相互叠加(如上行数据、下行数据等)，从而产生干扰。而在该第三类方法中，将小区中D2D用户终端进行分簇，簇间的传输链路可以避免信道干扰，并且，在簇内部可利用TDMA传输方式来复用频谱资源。因此，基于D2D分簇的内容共享方法，不仅降低了D2D链路之间的干扰，而且显著提升了频谱利用率和吞吐量、扩大了网络容量，从而保证通信网络能够更灵活、智能、高效地运行。

然而，现有方案都是基于D2D用户终端设备电量充足，能够无限满足数据传输过程中能量消耗的理想假设而提出的。在网络数据点播传输模式中(如前两类方案)，当用户终端设备能量能够无限满足数据缓存及文件共享过程中设备的功耗时，D2D缓存通信的吞吐量只受到缓存文件的命中率及内容访问模式的影响。根据这个结论，前两类方案提出了相应的文件缓存分布方案和内容访问协议算法来提高D2D缓存通信的吞吐量。但是，在实际缓存通信应用场景中，用户终端设备的电池容量有限，当设备电量小于一定的值时，不足以支撑文件共享过程中用户设备的能量消耗，从而导致文件共享失败、D2D缓存通信的吞吐量下降等。总之，现有的方案在设备能量有限的场景中都无法显著提高蜂窝网流量的卸载率和网络通信容量。

因此，需要对现有技术进行改进，以提供一种改进的D2D缓存通信内容共享方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种D2D缓存通信内容共享方法，通过考虑D2D用户终端设备的能量因素来提高D2D缓存通信的吞吐量。

根据本发明的第一方面，提供了一种D2D缓存通信内容共享方法。该方法包括以下步骤：

步骤1：根据D2D用户终端文件请求者所请求的文件信息筛选出候选的D2D文件传送者；

步骤2：计算所述候选的D2D文件传送者的现存能量估计值并基于获得的现存能量估计值选择最终的D2D文件传送者。

在一个实施例中，步骤1包括以下子步骤：

步骤11：根据所述D2D用户终端文件请求者所请求的文件名称查找具备所请求的文件的D2D用户终端；

步骤12：计算所查找到的D2D用户终端与所述D2D用户终端文件请求者之间的距离并将距离在传输范围之内的D2D用户终端作为所述候选的D2D文件传送者。

在一个实施例中，步骤2包括以下子步骤：

步骤21：根据所述候选的D2D文件传送者与所述D2D用户终端文件请求者之间的距离由近及远依次计算所述候选的D2D文件传送者的现存能量估计值并与预定的设备能量阈值进行比较；

步骤22：将最先找到的现存能量估计值大于所述预定的设备能量阈值的候选的D2D文件传送者作为所述最终的D2D文件传送者。

在一个实施例中，采用以下公式确定所述候选的D2D文件传送者的现存能量估计值：

其中，E_o表示候选D2D文件传送者的初始能量，F表示典型的传送文件的大小，N_X表示传送文件的数目,r表示候选文件传送者和文件请求者之间的距离，P_c表示候选文件传送者自身运行需要消耗的能量，R表示平均的数据传输速率，η表示候选D2D文件传送者的功放效率。

在一个实施例中，所述平均的数据传输速率采用下式计算：

其中，W表示带宽，lb表示以2为底的对数，P_t表示候选的文件传送者的传送功率，

表示高斯白噪声的方差，h表示信道系数，r表示候选的文件传送者和文件请求者之间的距离，α表示路径损耗指数。

在一个实施例中，在步骤1中，基于存储的缓存文件信息表来筛选所述候选的D2D文件传送者，所述缓存文件信息表包括D2D用户终端的ID、地理位置信息以及保存的文件名称。

根据本发明的第二方面，提供了一种D2D缓存通信内容共享系统。该系统包括：

第一筛选模块：用于根据D2D用户终端文件请求者所请求的文件信息筛选出候选的D2D文件传送者；

第二筛选模块：用于计算所述候选的D2D文件传送者的现存能量估计值并基于获得的现存能量估计值选择最终的D2D文件传送者。

在一个实施例中，所述第二筛选模块用于执行：

根据所述候选的D2D文件传送者与所述D2D用户终端文件请求者之间的距离由近及远依次计算所述候选的D2D文件传送者的现存能量估计值并与预定的设备能量阈值进行比较；

将最先找到的现存能量估计值大于所述预定的设备能量阈值的候选的D2D文件传送者作为所述最终的D2D文件传送者。

与现有技术相比，本发明的优点在于：提出了一种新的D2D缓存通信内容共享传输方法，在文件传输过程中考虑了D2D用户设备的现存能量因素，从而提高了文件传输的成功率以及缓存通信的吞吐量。

附图说明

以下附图仅对本发明作示意性的说明和解释，并不用于限定本发明的范围，其中：

图1示出了根据本发明一个实施例的D2D缓存通信内容共享方法的流程图；

图2示出了D2D通信网络拓扑图；

图3示出了设备能量阈值与D2D缓存通信卸载率的函数关系曲线图；

图4示出了文件库内容数目与D2D缓存通信卸载率的关系曲线图；

图5示出了D2D通信距离与内容卸载率的关系曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案、设计方法及优点更加清楚明了，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明的一个实施例，提供了一种D2D缓存通信内容共享方法，该方法基于D2D用户终端设备的现存能量估计值为文件请求者选择匹配的文件传送者，具体地，参见图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤S110，统计D2D用户终端信息并为文件请求者查找候选的文件传送者。

D2D通信在蜂窝网系统控制下，允许用户终端通过共享小区资源直接通信，提供用户终端设备之间的数据服务。图2示出了D2D通信的网络拓扑图，其包含一个基站和多个D2D用户终端设备，每个用户终端设备具有一定的缓存能力，以用户终端设备为中心进行本地文件数据缓存，其中d表示两个D2D用户终端设备之间的距离，rc表示D2D用户终端的通信范围的距离。

D2D通信过程包括D2D发现和D2D通信两部分，在进行实际的D2D通信之前，通过D2D发现实现D2D用户终端设备与基站之间的信息交互，在基站控制的D2D发现过程中，D2D用户终端设备向基站发送D2D发现消息，其包含自身的位置信息(例如，经纬度坐标)、本地缓存的文件信息(例如文件名称等)、自身的能量信息(例如当前剩余的电量信息)等，基站为每个用户终端分配一个ID，并回复响应消息。通过D2D发现过程，基站能够获知用户终端的相关信息。

例如，基站可存储并维护与用户终端缓存文件相关的信息，在下文中，称为缓存文件信息表，并进行周期性的信息更新。在一个实施例中，缓存文件信息表包括各个D2D用户终端的ID、所缓存的文件名称、位置信息等。

当某个D2D用户终端进行文件请求时，给基站发送文件请求消息，其中包含自身ID、所请求的文件名称信息等。基站根据所请求的文件名称和存储的缓存文件信息表查找候选的文件传送者。

在一个实施例中，基站从缓存文件信息表中查找小区内具有所请求文件的所有用户终端，将找到的所有用户终端作为候选的文件传送者。在另一个实施例中，基站根据缓存文件信息表中的位置信息进一步计算D2D文件请求者与候选D2D文件传送者之间的距离，将距离在一定范围内的用户终端设备作为候选的文件传送者。

步骤S120，对候选文件传送者进行现存能量估计，进而选出最终的文件传送者。

在存在多个候选文件传送者的情况下，对候选文件传送者的现存能量进行估计，并根据估计值选择最终的文件传送者。

在D2D用户终端之间传输文件的过程中，文件传输过程本身会消耗能量并且用户终端设备自身运行也需要消耗的一定的能量。

在一个实施例中，采用以下方式获得候选的文件传送者的现存能量估计值：

步骤S121、估计文件传输过程D2D用户终端设备自身消耗的能量。

节点之间建立D2D链路后，信噪比SINR为：

其中，P_t表示候选的文件传送者的传送功率，

表示高斯白噪声的方差，h表示信道系数，r表示候选的文件传送者和文件请求者之间的距离，h服从单位方差内的零均值高斯分布，α表示路径损耗指数。

1+γ(r)约服从γ分布，对于小尺度信道衰落的平均数据传输速率可以表示为：

其中，W表示带宽，lb表示以2为底的对数。

通过使用一阶近似，对于大小为F文件，其平均传输时间可以表示为

步骤S122，根据文件传输过程D2D用户终端设备自身消耗的能量和用户终端设备自身运行所消耗的能量获得候选文件传送者的现存能量估计值。

采用以下公式计算各个候选文件传送者的现存能量估计值E_c：

其中，E_o表示用户终端设备(即候选文件传送者设备)的初始能量(例如，初始为满电量)，η表示用户终端设备(即候选文件传送者设备)的功放效率，F表示一个典型文件的大小(单位MB)，N_X表示传送文件的数目,r表示候选文件传送者和文件请求者之间的距离(单位m)，P_c表示候选文件传送者自身运行需要消耗的能量，可仿真确定，典型文件的大小可根据D2D用户通常传输的文件经过统计分析确定。

在实际应用中，为了保证D2D链路传输的成功率，可使用最大功率P_max进行文件传送，即Pt(r)＝P_max。

在获得各候选文件传送者的现存能量估计值之后，可从多个候选文件传送者中选择现存能量估计值最大的作为最终的文件传送者。

在一个优选实施例中，对于所有的候选D2D传送者，根据与文件请求者之间的距离由近到远进行排序，然后从排序后的候选文件传送者中查找现存能量估计值大于预定阈值的用户设备，将其作为最终的文件传送者。通过这种方式，能够兼顾传输距离和现存能量估计，从而提高文件传输的成功率和吞吐量。

需要说明的，上述阈值可以是绝对值或相对值，例如，以大于满电量的百分比来衡量(如大于50％)。

为了进一步验证本发明的效果，发明人进行了仿真实验，下表格示出了使用的仿真参数。

表1仿真参数

小区个数(L)	1
		小区半径(R)	500m
每小区D2D用户数(K)	80
		D2D用户分布密度(λ)	0.03
D2D通信范围(rc)	100m
		内容库中包含的文件数(Nf)	20
路径损耗模型	37.6+36.8log10(r)
		D2D链路传输带宽	20MHz
高斯白噪声方差σ02	-95dBm
		文件流行度β	1
最大的发送Pmax	23dBm
		设备功耗Pc	115.9mW

图3示出本发明的基于设备能量阈值与D2D缓存通信卸载率的函数关系曲线图，其中，包含本发明的基于用户设备能量阈值的D2D缓存通信内容共享方法(ETHA)以及两种传统的方法(随机内容共享方法RA和基于节点距离最近的内容共享方法DNNA)的D2D缓存通信卸载率的对比，其横坐标Eh表示用户终端设备的现存能量估计值与初始的满电量之比，纵坐标为文件卸载率(offload ratio)。

从图3可以看出，相对于传统的基于节点距离最近的内容共享方法(DNNA)和随机内容共享方法(RA)，本发明的方法(ETHA)在内容卸载率方面分别提高了约42个百分点、60个百分点。因此，在考虑了用户设备的现存能量的情况下，本发明提出的方法能够更有效地提高D2D缓存通信的卸载率。

图4对比了三种D2D缓存通信内容共享方法的卸载率(offload ratio)与内容库文件数目(N_f)的关系。由图4可以看出，由于用户设备的本地缓存容量有限，只能缓存一定量的文件，随着内容库中文件数目的增多，文件卸载率呈现下降趋势，但本发明的方法整体上性能优于传统的两种方法。

图5对比了三种D2D缓存通信内容共享方法的卸载率与D2D传输距离(rc)的关系。由图5可以看出，随着D2D传输距离的增大，文件请求节点在一定通信范围内获得文件的概率增大；当传输距离增大到一定程度时，文件卸载率趋于不变，并且，本发明的文件卸载率相对于其他两种方法整体上较高，其内容卸载率最优时分别约提高了40个百分点、80个百分点。

需要说明的是，虽然上文按照特定顺序描述了各个步骤，但是并不意味着必须按照上述特定顺序来执行各个步骤，实际上，这些步骤中的一些可以并发执行，甚至改变顺序，只要能够实现所需要的功能即可。

本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以包括但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims

1.一种D2D缓存通信内容共享方法，包括以下步骤：

步骤2：计算所述候选的D2D文件传送者的现存能量估计值并基于获得的现存能量估计值选择最终的D2D文件传送者；步骤2包括以下子步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤1包括以下子步骤：

3.根据权利要求1至2任一项所述的方法，其中，采用以下公式确定所述候选的D2D文件传送者的现存能量估计值：

其中，E_o表示候选D2D文件传送者的初始能量，F表示典型传送文件的大小，N_X表示传送文件的数目,r表示候选文件传送者和文件请求者之间的距离，P_c表示候选文件传送者自身运行需要消耗的能量，

表示平均的数据传输速率，η表示候选D2D文件传送者的功放效率。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述平均的数据传输速率采用下式计算：

5.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤1中，基于存储的缓存文件信息表来筛选所述候选的D2D文件传送者，所述缓存文件信息表包括D2D用户终端的ID、地理位置信息以及保存的文件名称。

6.一种D2D缓存通信内容共享系统，包括：

第二筛选模块：用于计算所述候选的D2D文件传送者的现存能量估计值并基于获得的现存能量估计值选择最终的D2D文件传送者；所述第二筛选模块用于执行：

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现根据权利要求1至5中任一项所述方法的步骤。

8.一种计算机设备，包括存储器和处理器，在所述存储器上存储有能够在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至5中任一项所述的方法的步骤。