CN109640298B - 基于联盟形成博弈的移动d2d内容共享方法及其系统 - Google Patents

Abstract

一种基于联盟形成博弈的移动D2D内容共享方法及其系统。通过综合考虑用户的社交性和移动性两个本质特征，以用户获得的内容多少作为收益，以其为其他用户提供内容所消耗的能量作为代价，建立效用函数，通过效用函数计算获得特征值，并以此构建效用不可转移的联盟形成博弈模型。本发明采用简单易行的合并‑拆分准则依据帕累托顺序来获得稳定的联盟结构，最终得到可以通过D2D通信进行内容共享的用户集合。本发明通过博弈形成联盟，联盟中的用户分别根据缓存内容进行共享，其操作简单，易于实现，并提高了用户通过D2D通信进行内容共享的使用体验。

Description

基于联盟形成博弈的移动D2D内容共享方法及其系统

技术领域

本发明涉及移动通讯领域，尤其涉及一种移动D2D内容共享方法及其系统。

背景技术

近年来，移动数据业务尤其是多媒体内容共享业务呈爆炸式增长，给蜂窝网 络造成了很大的负担，如何提高蜂窝网络中数据传输的效率一直是研究的热点。 蜂窝网络的通讯过程中，人们逐渐注意到，网络中有一些内容被用户反复请求和 传输，占据了网络中大部分的流量。因此，业内提出了基于D2D通信 (Device-to-Device，设备到设备)的内容共享技术。该技术的主要思想是将一 些反复被用户请求的比较流行的内容缓存在移动设备处，当某个移动设备需要某 一内容的时候，就可以与其周围已缓存该内容的用户设备建立D2D链路，直接从 其周围的其他设备，通过直传链路获取该内容。这样，相较于传统的内容下载方 法而言，第一，不需要经过基站的转发，缩短了通信的路径，减少了能量消耗， 降低了时延；第二，直传链路信道状况通常比蜂窝链路好，提高了用户的下载速 率；第三，具有相同内容需求的用户无需反复向基站或服务器请求同一内容，减 轻了基站或服务器的负担；第四，现有的移动设备往往具有一定的缓存能力，将 内容缓存到移动设备中，充分利用了用户的缓存容量。

但是，基于D2D通信的内容共享技术存在许多亟待解决的问题。用户在通过 D2D通信进行内容共享的过程中，作为内容请求者，用户会获得自己想要的内容， 满足自身的需求；而作为内容提供者，用户则还需要消耗其自身的能量为其他用 户提供内容。怎样在满足自身需求与付出代价之间进行折衷是十分重要的问题。 此外，用户之间存在强弱不同的社交关系，某一用户为各个其他用户提供内容的 意愿不尽相同，这也会影响用户之间的内容共享。另一方面，在移动蜂窝网络中， 用户的移动性是其本质特征，两个用户之间的连接关系是不确定的。因此，相较 于静态的网络拓扑结构，移动蜂窝网络的环境这必然会导致用户之间内容共享方 式的改变。由此，基于用户的社交性和移动性特征，设计用户之间的内容共享方 法，是本领域的研究重点。

目前，已有一些研究着手解决上述D2D通信中的内容共享问题，例如，Chen Xu等人在“Social Network-Based Content Delivery in Device-to-Device UnderlayCellular Networks Using Matching Theory in IEEE Access,vol.5, pp.924-937,Nov.2016”一文中，利用贝叶斯非参数模型刻画用户之间的社交 关系，从而研究在内容分发过程中用户与用户的多对多配对方案。Rui Wang等 在“Mobility-Aware Caching inD2D Networks in IEEE Transactions on wireless communications,vol.16,no.8,pp.5001-5015,August.2017” 一文中利用移动性为用户的缓存方案设计提供了依据。然而，现有的大多文献都 没有将用户移动性和社交性二者结合起来考虑。并且，现有的研究更多是将用户 假设为无私的，即设定设有用户均自愿参与任意两用户之间的内容共享。但这种 假设并不具备现实意义，基于这种假设而获得的内容共享方案是存在很大偏差的，其并没有考虑用户所要付出的代价以及其参与内容共享的意愿。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于联盟形成博 弈的移动D2D内容共享方法及其系统。

首先，为实现上述目的，提出一种基于联盟形成博弈的移动D2D内容共享方 法，其应用于由N个潜在D2D用户User＝{D₁,D₂,…,D_i,…,D_N}所构成的移动蜂窝 网络，步骤包括：第一步，为每一个所述潜在D2D用户D_i分别组成一个联盟S_i， 构成初始的联盟结构S₀＝{S₁,…S_i,…,S_N}；第二步，对所述联盟结构中的每一个 联盟S_i分别判断其中各用户所需要的内容集合以及其缓存的内容集合；每一个用 户为其需要的内容集合中的每一个内容，对缓存有该内容的其他用户按照传输该 内容所需最小能量由小至大排列，组成传输能量序列；第三步，基于上述传输能 量序列计算联盟内各用户D_i所获得的内容以及所需提供给其他用户D_j的内容，计 算在该联盟S_k下各用户D_i所获得的特征值为

其中，g_i表示用户D_i的 收益，也就是用户D_i能获得的总的内容大小，c_i表示用户D_i的代价；第四步，判 断第一步中获得的各联盟S_k、S_j是否满足合并条件

若满足， 则合并所述联盟S_k、S_j构成新联盟

以新联盟

继续与剩下的各联 盟进行按照上述判断进行合并；若不满足，则将继续判断其他联盟能否满足所述 合并条件，直至形成合并运算的最终联盟S_k ^fina^l，将其余未能形成最终联盟的联 盟合并为独立联盟，所述最终联盟S_k ^fina^l和所述独立联盟共同构成新的合并联盟 结构

第五步，对所述新的合并联盟结构

进行分裂运算，针对新的合并联盟结 构

中所有可能的子集，判断该联盟结构是否是各用户的最优选择，若是，则联 盟结构稳定，否则，更新联盟结构直至其为各用户的最优选择；第六步，所述N个 潜在D2D用户User＝{D₁,D₂,…,D_i,…,D_N}在该移动蜂窝网络内按照第五步中更 新后的联盟结构进行内容共享。

可选的，上述的基于联盟形成博弈的移动D2D内容共享方法中，所述的最大 距离约束d_th为100米。

可选的，上述的基于联盟形成博弈的移动D2D内容共享方法中，所述第二步 中，传输内容f所需最小能量通过以下步骤计算获得：

其中，B为传输带宽，用户D_i与D_j进行D2D通信所需要最小功率为

N₀为背景加性高斯白噪声的平均功率，信道增益值为 |h_ij|²，用户之间进行D2D通信所需的最小速率为r_th，m_f为传输的内容f的大小；

i、j为1至N之间的任意整数，p_ij为用户D_i与D_j传 输内容时的发送功率。

可选的，上述的基于联盟形成博弈的移动D2D内容共享方法中，所述第三步 中，用户D_i的收益g_i，也就是用户D_i能获得的总的内容大小，其通过

计算获得；其中O_i为用户D_i能够从联盟内其他用户处获得的内容 集合，γ为用户获得单位内容的收益大小，传输内容f为所述O_i中的任一内容，m_f为传输内容f的大小。

可选的，上述的基于联盟形成博弈的移动D2D内容共享方法中，所述第三步 中，c_i表示用户D_i的代价，也就是需要为联盟内其他用户提供内容所需消耗的在 社交因子

与移动因子

的影响下的总能量，

其中，任意两用户D_i与D_j之间的社交关系为

A_i表示用户D_i所缓存的内容的集合，B_i表示用户D_i所 需要的内容的集合,F表示所述移动蜂窝网络中内容的个数；任意两用户D_i与D_j之 间在间隔时间内至少连接一次的概率为p_ij，任意两用户之间连接时间满足均匀分 布，连接间隔时间τ满足参数为λ_ij的韦伯尔分布，

L_i为联盟内需 要为用户D_i提供内容的用户的集合，j为集合L_i中的任一用户，E_ijmin为传输该 内容集合中的全部内容所需最小能量。

可选的，上述的基于联盟形成博弈的移动D2D内容共享方法中，所述第五步 中，各用户的最优选择通过效用不可转移联盟形成博弈模型评价所述合并联盟结 构

是否为最优；所述博弈模型为G＝(N,v,S)，其中，N个潜在D2D用户作为 博弈参与者，

指各博弈参与者或用户D_i的特征值，S指联盟结构， 是博弈参与者采取的策略，是不同联盟所构成的集合，即

其中，K为正整数，k为[1,K]范围内任意正整数，并且，

其次，为实现上述目的，还提出一种基于联盟形成博弈的移动D2D内容共享 系统，其应用于移动蜂窝网络，该移动蜂窝网络包括：一个位于网络中心的基站 BS，以及N个位于任意位置的潜在D2D用户User＝{D₁,D₂,…,D_i,…,D_N}，其中， 任意用户D_i,i∈[1,N]的缓存容量为C_i，任意两用户D_i、D_j,i,j∈[1,N]之间的信道 状态信息为h_ij，信道增益值为|h_ij|²；其中，所述N个潜在D2D用户User＝ {D₁,D₂,…,D_i,…,D_N}在该移动蜂窝网络内分别存储所述移动蜂窝网络中分布的 内容集合F＝{1,…,f,…,F}中的一部分内容，在其所在的更新后的联盟结构

中的 用户请求其存储的内容时进行内容共享，并在其需要任意内容时向其所在的更新 后的联盟结构

中的用户请求该内容；其中，所述更新后的联盟结构

由如下步骤 确定：步骤S1，为其中每一个所述潜在D2D用户D_i分别组成一个联盟S_i，构成初 始的联盟结构S₀＝{S₁,…S_i,…,S_N}；步骤S2，对所述联盟结构中的每一个联盟S_i分 别判断其中各用户所需要的内容集合以及其缓存的内容集合；每一个用户为其需 要的内容集合中的每一个内容，对缓存有该内容的其他用户按照传输该内容所需 最小能量由小至大排列，组成传输能量序列；步骤S3，以用户所能够得到的内 容作为收益、以根据社交因子以及移动因子加权后的传输内容所需能量为代价， 计算联盟S_k下各用户D_i所获得的特征值为

步骤S4，根据帕累托顺序 对所述联盟S_k进行合并，构成新联盟

步骤S5，根据帕累托顺序对 所述新联盟

进行分裂运算，针对新的合并联盟结构

中所有可能的子集，判断 该联盟结构是否是各用户的最优选择，若是，则联盟结构稳定，否则，更新联盟 结构直至其为各用户的最优选择。

可选的，上述的基于联盟形成博弈的移动D2D内容共享系统中，所述步骤 S4中，对所述联盟S_k进行合并的条件为：判断第二步中获得的各联盟S_k、S_j是否 满足合并条件

若满足，则合并所述联盟S_k、S_j构成新联盟

以新联盟

继续与剩下的各联盟进行按照上述判断进行合并；若 不满足，则将继续判断其他联盟能否满足所述合并条件；所述新联盟

包括：由 上述合并运算所形成的最终联盟S_k ^final，以及上述合并运算中未能形成最终联盟 的联盟；其中，未能形成最终联盟的联盟合并为独立联盟，所述最终联盟S_k ^final和 所述独立联盟共同构成新的合并联盟结构

可选的，上述的基于联盟形成博弈的移动D2D内容共享系统中，所述步骤 S5中，各用户的最优选择通过效用不可转移联盟形成博弈模型评价所述合并联 盟结构

是否为最优；所述博弈模型为G＝(N,v,S)，其中，N个潜在D2D用户 作为博弈参与者，

指各博弈参与者或用户D_i的特征值，S指联盟 结构，是博弈参与者采取的策略，是不同联盟所构成的集合，即

其中，K为正整数，k为[1,K]范围内任意正整数，并且，

有益效果

本发明在蜂窝网络中，同时考虑到用户的社交性和移动性，并将其转化为社 交因子和移动因子，以在构建博弈模型的过程中反应用户之间的联合社交域和物 理域的“距离”。根据上述两维度所表示出的“距离”关系，对一个用户为其他 用户提供内容时所付出的代价进行加权，这样的考虑更加贴近实际。相比于现有 的随机产生用户之间社交关系的方法，本发明从实际出发，使得用户之间的社交 因子的定义更具合理性。

进一步，本发明所设计的社交因子，其不仅考虑了用户感兴趣的内容集合， 还考虑了用户已经缓存的内容集合，因为用户所缓存的内容集合同样代表了用户 的兴趣。本发明以此评估用户进行内容共享所获得的收益以及所消耗的代价。其 不同于现有大多研究。现有大多数研究均将用户参与内容共享假定为一个自愿的 行为，即用户是“无私”的，这与实际状况相距甚远，因而基于此建立的模型相 对应用场景存在巨大的偏差。本发明考虑了用户参与内容共享所需付出的代价， 对用户而言，只有在综合考虑收益和代价时，才会做出理性的决策，基于这种决 策才能够真正提升网络的整体性能。因此，考虑到各用户在进行内容共享的过程 中是具有合作意愿和“团队精神”的，本发明中采用联盟形成博弈的思想进行建 模，将用户所获得的内容大小作为收益，为联盟内其他用户提供内容所需消耗的能量作为代价，将二者差值作为效用函数，使用简单易行的合并-拆分准则依据 帕累托顺序来获得稳定的联盟结构。并且，采用分布式的联盟形成博弈算法，将 所需要的计算从基站或服务器转移一部分到用户上来，一定程度上降低了用户间 内容共享实现的复杂度，使得操作简单，易于实现。

基于上述策略所划定的联盟可赋予无线用户及其所持设备更高的自由度和 自主权，各终端用户能够自主地做出有利于自身的决策。这样，在对现有的蜂窝 移动通信系统进行重构、对现有设备进行性能相应增强的条件下，终端就可以根 据自身的需求和利益来选择与哪些用户共享哪些内容。这样分布式地确定内容共 享的方法，不仅可以大大减轻蜂窝通信对基站的要求和基站的负担，还可以使用 户自主地实现较好的通信性能。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书 中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发 明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为应用本发明的通信场景的示意图；

图2为基于联盟形成博弈以实现联盟内用户通过D2D通信进行内容共享的完 整流程图；

图3为应用本发明而在用户中形成联盟的示意图；

图4为应用本发明前后用户的性能的比较图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优 选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

博弈论作为一种研究决策者相互独立但相互影响情境的有效理论工具，为分 析无线设备行为及分布式内容共享机制提供了重要的理论依据。其中的合作博弈 可以为设计具有公平性、鲁棒性和合作性的分布式算法进行合理的建模。其通过 设计相应的效用函数来确定稳定的联盟结构，并基于不同的解的形式为所获得的 联盟中各成员的特征值的分配。其共享的内容本身包含了用户的“团队精神”， 因此，本发明所采用的具备社交性和移动性的用户之间的内容共享，具有操作简 单，易于实现，并提高了用户通过D2D通信进行内容共享的用户体验的优势。

图1为根据本发明的一种通信场景的示意图。参考图1，所述的基于D2D通 信的移动蜂窝网络中，存在一个位于网络中心的基站BS，以及多个位于任意位 置的潜在D2D用户，其集合表示为User＝{D₁,D₂,…,D_i,…,D_N}，其中，N为正整 数，i为[1,N]之间的任一正整数。每个用户的缓存容量为C。利用信道估计和反 馈方法，潜在D2D用户i可以获得与其他任意潜在D2D用户j之间的信道状态信 息h_ij和信道增益值|h_ij|²。

该网络中分布有F个内容，其集合表示为F＝{1,…,f,…,F}，其中,F为正整 数，f为[1,F]之间的任一正整数。各内容具有不同的大小m_f，组成内容集合 M＝{m₁,m₂,…,m_F}。每个潜在D2D用户缓存其中的部分内容，每个潜在D2D用 户缓存的内容总量不超过自身的缓存空间，用户i缓存的内容集合可表示为A_i。 每个用户对内容存在不同的需求，用户i所需要的内容集合可表示为B_i。

设置用户之间进行D2D通信所需的最小速率为r_th，这个速率为自己设置的一 个所需的合理的速率。由于各D2D链路均为正交，因此，用户之间并不产生干扰， 任意两个用户之间的速率可表示为

其中，B为传输带宽，p_ij为用户i向用户j传输内容时的发送功率，N₀为背 景加性高斯白噪声的平均功率。由此可以得到。那么，如果在用户i与用户j之 间传输的内容为f，所需的最小能量为

由此，可对每一内容f，各用户对其他用户按照传输所需最小能量进行由小 到大的排序，组成集合S_i ^f。

参考图2，为构建效用不可转移联盟形成博弈模型G＝(N,v,S)，还需要进 一步设定其中用户之间的社交因子和移动因子：

对于社交因子，先根据各用户所缓存以及其所需要的内容的集合，计算其与 其他用户之间的社交关系为

基于该社交关系获得社 交因子

其中，|·|表示集合内所包含的数量，A_i表示用户D_i所缓存的 内容的集合，B_i表示用户D_i所需要的内容的集合，F表示所述移动蜂窝网络中内 容的个数。

对于移动因子，先初始化用户之间的移动性参数。假定任意两个用户之间的 连接时间满足均匀分布，连接间隔时间满足参数为λ_ij的韦伯尔分布；而后计算用 户在一段时间τ内至少连接一次的概率为

从而获得用户之间的移动 因子为

由此，本发明可建立效用不可转移联盟形成博弈模型。联盟形成博弈模型为 G＝(N,v,S)，其中，包括N个博弈参与者，代表网络中所有的潜在D2D用户， v指博弈参与者的特征值，S指联盟结构，是博弈参与者采取的策略，是不同联 盟所构成的集合，即S＝{S₁,…S_k,…,S_K}，其中，K为正整数，k为[1,K]范围内 任意正整数。并且，有

以及

由于联盟内各用 户的特征值无法被任意分配，而是由具体的联盟结构决定的，该联盟形成博弈为 不可转移的联盟形成博弈。

本发明基于用户在内容共享过程中获得的收益和代价来设计效用函数，有

其中，|S_k|为联盟S_k内的节点数，i用来 标记属于联盟S_k的节点，

为节点i的特征值，联盟S_k内所有节点的联盟值构 成向量

以在联盟S_k内的用户i为例，其特征值为

其中，g_i表示用户i的收益，也就是能获得的总的内容大小，

O_i为用户i能够从联盟内其他用户处获得的内容集合，γ为用户获得单位内容的 收益大小，传输内容f为所述O_i中的任一内容，m_f为传输的内容f的大小。c_i表 示用户i的代价，也就是需要为联盟内其他用户提供内容所需消耗的在社交因子 与移动因子的影响下的总能量，即

L_i为联盟内需要为 用户D_i提供内容的用户的集合，j为集合L_i中的任一用户。而当用户无法与其 他用户组成联盟进行内容共享时，他需要从基站处获得所需的内容，以用户i为 例，他所能获得的效用为

其中，δ表示用户从基站处获得单位内容所需付出的代价。

为了获得稳定的联盟建构，本发明采用合并-拆分准则来调整联盟结构并以 帕累托顺序来判断联盟集合的偏好。其中，合并准则是指对于不相交的联盟 {S₁,S₂,…,S_K}，若有

则这些不相交的联盟将合并为一 个联盟

拆分准则是指对于联盟

若存在不相交的联盟 {S₁,S₂,…,S_K}使得

则将原有的联盟拆成不相交的联盟。 帕累托顺序是指若对于相同的参与者集合，在联盟集合A下各参与者所获得的 特征值不小于在联盟集合B下各参与者所获得的特征值，且至少有一个参与者 所获得的特征值是绝对大于，则有

基于上述效用不可转移联盟形成的博弈模型，各用户的最优选择通过效用不 可转移联盟形成博弈模型评价用户之间建立的合并联盟结构

是否为最优进而进 行调整，最终获得最佳的共享效果。通过该评价过程而最终建立合并联盟结构

的 具体过程可通过如下方式进行：

第一步，为每一个所述潜在D2D用户D_i分别组成一个联盟S_i，所述的N个联 盟按照各用户D_i所需内容B_i的数量由多至少排列，构成初始的联盟结构 S₀＝{S₁,…S_i,…,S_N}；

第二步，对所述联盟结构中的每一个联盟S_i分别判断其中各用户所需要的内 容集合以及其缓存的内容集合；每一个用户为其需要的内容集合中的每一个内容， 对缓存有该内容的其他用户按照传输该内容所需最小能量由小至大排列，组成传 输能量序列；

第三步，基于上述传输能量序列计算联盟内各用户D_i所获得的内容以及所需 提供给其他用户D_j的内容，计算在该联盟S_k下各用户D_i所获得的特征值为

其中，g_i表示用户D_i的收益，也就是用户D_i能获得的总的内容大小， c_i表示用户D_i的代价；

第四步，判断第一步中获得的各联盟S_k、S_j是否满足合并条件

若满足，则合并所述联盟S_k、S_j构成新联盟

以新 联盟

继续与剩下的各联盟进行按照上述判断进行合并；若不满足，则将继续判 断其他联盟能否满足所述合并条件，直至形成合并运算的最终联盟S_k ^final，将其 余未能形成最终联盟的联盟合并为独立联盟，所述最终联盟S_k ^final和所述独立联 盟共同构成新的合并联盟结构

第五步，对所述新的合并联盟结构

进行分裂运算，针对新的合并联盟结构

中所有可能的子集，判断该联盟结构是否是各用户的最优选择，若是，则联盟结 构稳定，否则，更新联盟结构直至其为各用户的最优选择；

由此，所述N个潜在D2D用户User＝{D₁,D₂,…,D_i,…,D_N}在该移动蜂窝网络 内可按照第五步中更新后的联盟结构进行内容共享。

由此，本发明能够通过综合考虑用户的社交性和移动性两个本质特征，以用 户获得的内容多少作为收益，以其为其他用户提供内容所消耗的能量作为代价， 建立效用函数，通过效用函数计算获得特征值，并以此构建效用不可转移的联盟 形成博弈模型。本发明采用简单易行的合并-拆分准则依据帕累托顺序来获得稳 定的联盟结构，最终得到可以通过D2D通信进行内容共享的用户集合，联盟中的 用户分别根据缓存内容进行共享。本发明通过博弈将需要共享的内容分配到各个 用户所构成的联盟，其操作简单，易于实现，并提高了用户通过D2D通信进行内 容共享的使用体验。

以图1所示的通信场景为例，图1所示的基于D2D通信的移动蜂窝网络，其 半径为250m，基站BS位于网络的中心，D＝10个移动用户任意分布在其周围， 每个用户的缓存容量C＝6Mbits，其中存在F＝10个流行内容，网络带宽B＝1MHz， 背景高斯白噪声的平均功率N₀＝1×10^-14W，用户之间进行通信要求的最小速率r_th＝2Mbps，近距离通信时的信道模型为h_ij＝d^-θ，其中θ＝3，用户与用户之间 的最大距离约束d_th＝100m，单位内容收益γ＝50，从基站处获得内容时单位内容 代价δ＝10。图3所示为在该具体实例中用户通过合并-拆分准则最终形成的稳定 联盟结构，由同一椭圆圈出的用户属于同一联盟。通过上述的博弈过程，用户根 据自己的策略选择加入联盟通过D2D通信进行内容共享，其联盟的分布可参考图 3所示，其中，不同标记代表不同的联盟。用户1、2、3、4以及用户7、8分别 形成联盟。以用户1、2、3、4所形成的联盟为例，对用户1来说，用户2、3、 4均缓存有其想要的内容，然而他选择用户2进行内容的传输，因为当多个用户 均缓存有他想要的内容时，他会选择传输所需能量最少的用户，由此可以提高整 个联盟内的效用。同时，用户1根据最小能量原则也可以为用户3提供其需要的 内容。而用户5、6、9没有找到合适的用户已形成联盟，可能是因为综合移动性 和社交性考虑之后，形成联盟并不会使他们以及其他用户获得更大的效用，因此他们需要通过基站在蜂窝链路上进行内容的传输。

图4所示形成联盟的用户与其在从基站处获取内容的情况下的效用对比情 况。由此可知，本发明的内容共享方法要优于传统的从基站处下载内容的方法。

与现有技术方法相比，本发明适用于基于D2D通信的移动蜂窝网络，其中， 每个用户均具有一定的缓存能力，且可以通过D2D通信来进行内容共享。由于用 户之间的社交关系会直接影响到用户的内容共享，而移动性又是移动蜂窝网路中 用户的本质特征，因此本发明综合上述因子而设计的效用不可转移联盟形成的博 弈模型可模拟应用场景中内容共享的方案，实现对联盟内内容共享效率的优化， 提高用户通过D2D通信进行内容共享的使用体验。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并 不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领 域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者 对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何 修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于联盟形成博弈的移动D2D内容共享方法，应用于由N个潜在D2D用户User＝{D₁,D₂,…,D_i,…,D_N}所构成的移动蜂窝网络，其特征在于，步骤包括：

第一步，为每一个所述潜在D2D用户D_i分别组成一个联盟S_i，构成初始的联盟结构S₀＝{S₁,…S_i,…,S_N}；

第二步，对所述联盟结构中的每一个联盟S_i分别判断其中各用户所需要的内容集合以及其缓存的内容集合；每一个用户为其需要的内容集合中的每一个内容，对缓存有该内容的其他用户按照传输该内容所需最小能量由小至大排列，组成传输能量序列；

第三步，基于上述传输能量序列计算联盟内各用户D_i所获得的内容以及所需提供给其他用户D_j的内容，计算在该联盟S_k下各用户D_i所获得的特征值为

其中，g_i表示用户D_i的收益，也就是用户D_i能获得的总的内容大小，c_i表示用户D_i的代价；

第四步，判断第一步中获得的各联盟S_k、S_j是否满足合并条件

若满足，则合并所述联盟S_k、S_j构成新联盟

以新联盟

继续与剩下的各联盟进行按照上述判断进行合并；若不满足，则将继续判断其他联盟能否满足所述合并条件，直至形成合并运算的最终联盟S_k ^final，将其余未能形成最终联盟的联盟合并为独立联盟，所述最终联盟S_k ^final和所述独立联盟共同构成新的合并联盟结构

第五步，对所述新的合并联盟结构

进行分裂运算，针对新的合并联盟结构

中所有可能的子集，判断该联盟结构是否是各用户的最优选择，若是，则联盟结构稳定，否则，更新联盟结构直至其为各用户的最优选择；

第六步，所述N个潜在D2D用户User＝{D₁,D₂,…,D_i,…,D_N}在该移动蜂窝网络内按照第五步中更新后的联盟结构进行内容共享。

2.如权利要求1所述的基于联盟形成博弈的移动D2D内容共享方法，其特征在于，其中的最大距离约束d_th为100米。

3.如权利要求1所述的基于联盟形成博弈的移动D2D内容共享方法，其特征在于，第二步中，传输内容f所需最小能量通过以下步骤计算获得：

其中，B为传输带宽，用户D_i与D_j进行D2D通信所需要最小功率为

N₀为背景加性高斯白噪声的平均功率，信道增益值为|h_ij|²，用户之间进行D2D通信所需的最小速率为r_th，m_f为传输的内容f的大小；

i、j为1至N之间的任意整数，p_ij为用户D_i与D_j传输内容时的发送功率。

4.如权利要求1所述的基于联盟形成博弈的移动D2D内容共享方法，其特征在于，第三步中，用户D_i的收益g_i，也就是用户D_i能获得的总的内容大小，其通过

计算获得；其中O_i为用户D_i能够从联盟内其他用户处获得的内容集合，γ为用户获得单位内容的收益大小，传输内容f为所述O_i中的任一内容，m_f为传输的内容f的大小。

5.如权利要求1所述的基于联盟形成博弈的移动D2D内容共享方法，其特征在于，第三步中，c_i表示用户D_i的代价，也就是需要为联盟内其他用户提供内容所需消耗的在社交因子

与移动因子

的影响下的总能量，

其中，任意两用户D_i与D_j之间的社交关系为

A_i表示用户D_i所缓存的内容的集合，B_i表示用户D_i所需要的内容的集合,F表示所述移动蜂窝网络中内容的个数；

任意两用户D_i与D_j之间在间隔时间内至少连接一次的概率为p_ij，任意两用户之间连接时间满足均匀分布，连接间隔时间τ满足参数为λ_ij的韦伯尔分布，

L_i为联盟内需要为用户D_i提供内容的用户的集合，j为集合L_i中的任一用户，E_ijmin为传输该内容集合中的全部内容所需最小能量。

6.如权利要求1至5任一所述的基于联盟形成博弈的移动D2D内容共享方法，其特征在于，第五步中，各用户的最优选择通过效用不可转移联盟形成博弈模型评价所述合并联盟结构

是否为最优；

所述博弈模型为G＝(N,v,S)，其中，N个潜在D2D用户作为博弈参与者，

指各博弈参与者或用户D₁的特征值，S指联盟结构，是博弈参与者采取的策略，是不同联盟所构成的集合，即

其中，K为正整数，k为[1,K]范围内任意正整数，并且，

7.一种基于联盟形成博弈的移动D2D内容共享系统，应用于移动蜂窝网络，该移动蜂窝网络包括：一个位于网络中心的基站BS，以及N个位于任意位置的潜在D2D用户User＝{D₁,D₂,…,D_i,…,D_N}，其中，任意用户D_i,i∈[1,N]的缓存容量为C_i，任意两用户D_i、D_j,i,j∈[1,N]之间的信道状态信息为h_ij，信道增益值为|h_ij|²；其特征在于，所述N个潜在D2D用户User＝{D₁,D₂,…,D_i,…,D_N}在该移动蜂窝网络内分别存储所述移动蜂窝网络中分布的内容集合F＝{1,…,f,…,F}中的一部分内容，在其所在的更新后的联盟结构

中的用户请求其存储的内容时进行内容共享，并在其需要任意内容时向其所在的更新后的联盟结构

中的用户请求该内容；

其中，所述更新后的联盟结构

由如下步骤确定：

步骤S1，为其中每一个所述潜在D2D用户D_i分别组成一个联盟S_i，构成初始的联盟结构S₀＝{S₁,…S_i,…,S_N}；

步骤S2，对所述联盟结构中的每一个联盟S_i分别判断其中各用户所需要的内容集合以及其缓存的内容集合；每一个用户为其需要的内容集合中的每一个内容，对缓存有该内容的其他用户按照传输该内容所需最小能量由小至大排列，组成传输能量序列；

步骤S3，以用户所能够得到的内容作为收益、以根据社交因子以及移动因子加权后的传输内容所需能量为代价，计算联盟S_k下各用户D_i所获得的特征值为

步骤S4，根据帕累托顺序对所述联盟S_k进行合并，构成新联盟

步骤S5，根据帕累托顺序对所述新联盟

进行分裂运算，针对新的合并联盟结构

中所有可能的子集，判断该联盟结构是否是各用户的最优选择，若是，则联盟结构稳定，否则，更新联盟结构直至其为各用户的最优选择。

8.如权利要求7所述的基于联盟形成博弈的移动D2D内容共享系统，其特征在于，所述步骤S4中，对所述联盟S_k进行合并的条件为：

判断第二步中获得的各联盟S_k、S_j是否满足合并条件

若满足，则合并所述联盟S_k、S_j构成新联盟

以新联盟

继续与剩下的各联盟进行按照上述判断进行合并；若不满足，则将继续判断其他联盟能否满足所述合并条件；

所述新联盟

包括：由上述合并运算所形成的最终联盟S_k ^final，以及上述合并运算中未能形成最终联盟的联盟；其中，中未能形成最终联盟的联盟合并为独立联盟，所述最终联盟S_k ^final和所述独立联盟共同构成新的合并联盟结构

9.如权利要求7所述的基于联盟形成博弈的移动D2D内容共享系统，其特征在于，所述步骤S5中，各用户的最优选择通过效用不可转移联盟形成博弈模型评价所述合并联盟结构

是否为最优；

所述博弈模型为G＝(N,v,S)，其中，N个潜在D2D用户作为博弈参与者，

指各博弈参与者或用户D₁的特征值，S指联盟结构，是博弈参与者采取的策略，是不同联盟所构成的集合，即

其中，K为正整数，k为[1,K]范围内任意正整数，并且，

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