本發(fā)明屬于d2d中繼通信技術(shù)領(lǐng)，涉及一種d2d中繼網(wǎng)絡(luò)中基于社會特性的中繼選擇方法。

背景技術(shù)：

d2d中繼技術(shù)可以擴大通信范圍，改善通信質(zhì)量，對d2d通信而言是一種有效的增強技術(shù)。目前大多數(shù)有關(guān)d2d中繼通信的研究均假設(shè)用戶無私地參與到中繼傳輸中。然而，幫助轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)會引起能量的消耗，空間的占用，也可能會帶來安全隱患等諸多問題，考慮到這些因素，自私的用戶可能不愿意參與d2d中繼傳輸。亦有一些研究針對這個問題，主要有兩類方法：激勵機制和具有社會意識的機制。激勵機制主要是通過給予協(xié)作的用戶獎勵并且懲罰用戶的自私性行為來激勵用戶參與協(xié)作。具有社會意識的機制主要是通過利用用戶間的社會關(guān)系來區(qū)分自私與否的用戶。lichenbi等人認為與發(fā)送端的社會關(guān)系較強時，用戶將自愿參與中繼傳輸。

盡管現(xiàn)有基于社會性的d2d中繼傳輸研究中考慮了部分社會關(guān)系對用戶協(xié)作意愿上的影響，但并沒有考慮請求的中繼會拒絕服務(wù)這一真實情形，即使用戶間具有較強的社會關(guān)系。因此我們考慮用戶可能會拒絕服務(wù)這一更加真實的應(yīng)用場景，并研究在這一情形下中繼選擇策略的性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供了一種d2d中繼網(wǎng)絡(luò)中基于社會特性的中繼選擇方法，該方法能夠使中繼的選擇更加符合真實的應(yīng)用場景。

為達到上述目的，本發(fā)明所述的d2d中繼網(wǎng)絡(luò)中基于社會特性的中繼選擇方法，所述d2d中繼網(wǎng)絡(luò)包括蜂窩用戶、d2d用戶發(fā)送端s、d2d用戶接收端d及若干能夠充當(dāng)中繼的空閑用戶，選擇空閑用戶作為中繼，d2d用戶發(fā)送端s向中繼發(fā)出信號，中繼接收d2d用戶發(fā)送端s發(fā)送過來的信號，并將d2d用戶發(fā)送端s發(fā)送過來的信號轉(zhuǎn)發(fā)至d2d用戶接收端d，其特征在于，選擇空閑用戶作為中繼的具體操作為：

獲取空閑用戶的位置信息及中繼選擇范圍半徑lmax，然后根據(jù)空閑用戶的位置信息及中繼選擇范圍半徑lmax得中繼選擇范圍內(nèi)的空閑用戶集合；當(dāng)系統(tǒng)的通信時間大于等于預(yù)設(shè)值時，根據(jù)空閑用戶集合中各空閑用戶的社會關(guān)系強度、信譽值及位置關(guān)系計算空閑用戶集合中各空閑用戶的信息傳輸速率，然后選擇信息傳輸速率最大的空閑用戶作為中繼；當(dāng)系統(tǒng)的通信時間小于預(yù)設(shè)值時，根據(jù)空閑用戶集合中各空閑用戶的社會關(guān)系強度、信譽值及位置關(guān)系計算空閑用戶集合中各空閑用戶的協(xié)作概率與信息傳輸速率的乘積，然后選擇乘積結(jié)果最大的空閑用戶作為中繼。

第一跳通信中，d2d用戶發(fā)送端s通過d2d鏈路向中繼發(fā)送信號，d2d鏈路受到蜂窩鏈路的干擾，則d2d用戶發(fā)送端s與中繼之間鏈路的信號傳輸模型為：

其中，ps為d2d用戶發(fā)送端s的發(fā)送功率，pc為蜂窩用戶的發(fā)送功率，n為加性高斯白噪聲，加性高斯白噪聲的功率譜密度為n0，di,j為節(jié)點i與節(jié)點j之間的距離，α為路徑損耗指數(shù)，則d2d用戶發(fā)送端s與中繼之間鏈路的信干噪比γs,r及第一跳通信時蜂窩鏈路的信干噪比γc，1分別為：

第二跳通信中，中繼向d2d用戶接收端d發(fā)送信號，則中繼與d2d用戶接收端d之間鏈路的信干噪比γr,d及第二跳通信時蜂窩鏈路的信干噪比γc，2分別為：

其中，pr為中繼轉(zhuǎn)發(fā)信號時的轉(zhuǎn)發(fā)功率，pr與中繼和d2d發(fā)送端的社會關(guān)系成正比，n0為噪聲功率。

為控制d2d鏈路對蜂窩鏈路的干擾，d2d用戶發(fā)送端s的發(fā)送功率ps及中繼轉(zhuǎn)發(fā)信號時的轉(zhuǎn)發(fā)功率pr分別為：

設(shè)用戶i與用戶j的社會關(guān)系強度wi,j為：

其中，ci,j為用戶i與用戶j間的相遇次數(shù)，∑ci,k為用戶i和其他所有用戶的相遇總次數(shù)，di,j為用戶i與用戶j間的相遇持續(xù)時間，∑ci,k為用戶i和其他所有用戶的相遇總持續(xù)時間，η是控制相遇次數(shù)和相遇持續(xù)時間在決定用戶間社會關(guān)系強度時所占的比例因子；

則中繼轉(zhuǎn)發(fā)信號時的轉(zhuǎn)發(fā)功率pr為：

其中，pbm為中繼的基準(zhǔn)發(fā)射功率。

基于信譽度和社會關(guān)系構(gòu)建協(xié)作概率模型為：

pcopro,sr＝βcr+(1-β)ws,r

其中，pcopro,sr為空閑用戶的協(xié)作概率，β為協(xié)作系數(shù)，cr為第r個空閑用戶的信譽值。

當(dāng)d2d發(fā)送端向中繼發(fā)出服務(wù)請求時，d2d發(fā)送端可能被拒絕服務(wù)，當(dāng)空閑用戶的協(xié)作概率越大，則以該空閑用戶作為中繼時，d2d發(fā)送端被拒絕服務(wù)的可能性越低；設(shè)d2d發(fā)送端被第一個空閑用戶拒絕服務(wù)后，與另一個空閑用戶建立聯(lián)系所需的時間為τ，系統(tǒng)的通信時間為t，d2d發(fā)送端被n個空閑用戶拒絕后，第n+1個空閑用戶同意作為中繼進行服務(wù)，則剩余用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間為t-nτ，系統(tǒng)的有效吞吐量etp為：

r為d2d中繼網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸速度。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明所述的d2d中繼網(wǎng)絡(luò)中基于社會特性的中繼選擇方法在具體操作時，當(dāng)系統(tǒng)的通信時間大于等于預(yù)設(shè)值時，則選擇信息傳輸速率最大的空閑用戶作為中繼，從而使系統(tǒng)的性能達到最優(yōu)；當(dāng)系統(tǒng)的通信時間小于預(yù)設(shè)值時，則選擇各空閑用戶的協(xié)作概率與信息傳輸速率的乘積最大的空閑用戶作為中繼用戶，從而充分考慮用戶發(fā)送端會被中繼拒絕服務(wù)這一真實情形，進而使中繼的選擇更加符合真實的應(yīng)用場景，從而獲得較高的性能增益。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)模型圖；

圖2為不同系統(tǒng)通信時間下系統(tǒng)吞吐量對比圖；

圖3(a)為t＝1時系統(tǒng)吞吐量對比圖；

圖3(b)為t＝10時系統(tǒng)吞吐量對比圖；

圖4(a)為協(xié)作因子與系統(tǒng)吞吐量的變化關(guān)系圖；

圖4(b)為協(xié)作因子與平均拒絕次數(shù)的變化關(guān)系圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述：

參考圖1本發(fā)明所述的d2d中繼網(wǎng)絡(luò)中基于社會特性的中繼選擇方法，其特征在于，所述d2d中繼網(wǎng)絡(luò)包括蜂窩用戶、d2d用戶發(fā)送端s、d2d用戶接收端d及若干能夠充當(dāng)中繼的空閑用戶，包括以下步驟：基于各空閑用戶的社會關(guān)系強度、信譽值及位置選擇最優(yōu)空閑用戶作為中繼，d2d用戶發(fā)送端s向中繼發(fā)出信號，中繼接收d2d用戶發(fā)送端s發(fā)送過來的信號，并將d2d用戶發(fā)送端s發(fā)送過來的信號轉(zhuǎn)發(fā)至d2d用戶接收端d。

第一跳通信中，d2d用戶發(fā)送端s通過d2d鏈路向中繼發(fā)送信號，d2d鏈路受到蜂窩鏈路的干擾，則d2d用戶發(fā)送端s與中繼之間鏈路的信號傳輸模型為：

其中，ps為d2d用戶發(fā)送端s的發(fā)送功率，pc為蜂窩用戶的發(fā)送功率，n為加性高斯白噪聲，加性高斯白噪聲的功率譜密度為n0，di,j為節(jié)點i與節(jié)點j之間的距離，α為路徑損耗指數(shù)，則d2d用戶發(fā)送端s與中繼之間鏈路的信干噪比γs，r及第一跳通信時蜂窩鏈路的信干噪比γc，1分別為：

第二跳通信中，中繼向d2d用戶接收端d發(fā)送信號，則中繼與d2d用戶接收端d之間鏈路的信干噪比γr,d及第二跳通信時蜂窩鏈路的信干噪比γc，2分別為：

其中，pr為中繼轉(zhuǎn)發(fā)信號時的轉(zhuǎn)發(fā)功率，pr與中繼和d2d發(fā)送端的社會關(guān)系成正比，n0為噪聲功率。

使用譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(df)方案進行中繼傳輸，則d2d中繼通信鏈路的速率為兩跳鏈路速率間的較小值，根據(jù)香農(nóng)公式得到速率為：

r＝wmin{log2(1+γs,r),log2(1+γr,d)}

需要滿足蜂窩鏈路受到的干擾不應(yīng)過高，即：

γc,1≥rth,γc,2≥rth

上式意味著d2d發(fā)送端和中繼的發(fā)送功率受限，則d2d用戶發(fā)送端s的發(fā)送功率ps及中繼轉(zhuǎn)發(fā)信號時的轉(zhuǎn)發(fā)功率pr分別為：

在移動通信網(wǎng)絡(luò)中，社會關(guān)系反映了用戶間的交互關(guān)系，設(shè)用戶間的社會關(guān)系由用戶間的通信歷史決定。通信歷史中的兩個關(guān)鍵要素是接觸次數(shù)和接觸時間，設(shè)用戶i與用戶j的社會關(guān)系強度wi,j為：

其中，ci,j為用戶i與用戶j間的相遇次數(shù)，∑ci,k為用戶i和其他所有用戶的相遇總次數(shù)，di,j為用戶i與用戶j間的相遇持續(xù)時間，∑ci,k為用戶i和其他所有用戶的相遇總持續(xù)時間，η是控制相遇次數(shù)和相遇持續(xù)時間在決定用戶間社會關(guān)系強度是所占的比例因子，wi,j的變化范圍為0-1。

考慮到用戶的自私性，假定d2d發(fā)送端周圍的空閑用戶為中繼通信所能提供的轉(zhuǎn)發(fā)功率大小與其和d2d發(fā)送端的社會關(guān)系成正比，則中繼轉(zhuǎn)發(fā)信號時的轉(zhuǎn)發(fā)功率pr為：

其中，pbm為中繼的基準(zhǔn)發(fā)射功率，為中繼參與協(xié)作通信時須提供的最低轉(zhuǎn)發(fā)功率。

實際場景中，用戶可能是自私或惡意的，因而拒絕提供中繼服務(wù)，在許多應(yīng)用中，社會信譽是反映用戶協(xié)作與否的一項重要指標(biāo)；我們認為信譽可以在一定程度上反映用戶的轉(zhuǎn)發(fā)意愿，信譽值ci的變化范圍從0到1，且服從均勻分布，同時考慮到社會關(guān)系的影響，則基于信譽度和社會關(guān)系構(gòu)建協(xié)作概率模型為：

pcopro,sr＝βcr+(1-β)ws,r

其中，pcopro,sr為空閑用戶的協(xié)作概率，β為協(xié)作系數(shù)，cr為第r個空閑用戶的信譽值；

當(dāng)d2d發(fā)送端向中繼發(fā)出服務(wù)請求時，d2d發(fā)送端可能被拒絕服務(wù)，當(dāng)空閑用戶的協(xié)作概率越大，則以該空閑用戶作為中繼時，d2d發(fā)送端被拒絕服務(wù)的可能性越低；設(shè)d2d發(fā)送端被第一個空閑用戶拒絕服務(wù)后，與另一個空閑用戶建立聯(lián)系所需的時間為τ，設(shè)系統(tǒng)的通信時間為t，d2d發(fā)送端被n個空閑用戶拒絕后，第n+1個空閑用戶同意作為中繼進行服務(wù)，剩余用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間為t-nτ，則系統(tǒng)的有效吞吐量etp為：

r為d2d中繼網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸速度，構(gòu)建以空閑用戶為自變量、以系統(tǒng)有效吞吐量最優(yōu)為目標(biāo)的優(yōu)化問題：

maxetp

s.t.:γc,1≥rth,γc,2≥rth

γsr≥rth,γrd≥rth

直觀上我們可以發(fā)現(xiàn)，影響etp的關(guān)鍵因素是傳輸速率r和歸一化數(shù)據(jù)傳輸時間(t-nτ)/t；社會關(guān)系和距離因素決定信息傳輸速率的大小，協(xié)作概率決定了歸一化數(shù)據(jù)傳輸時間的大小，綜合以上因素，則求解以空閑用戶為自變量、以系統(tǒng)有效吞吐量最優(yōu)為目標(biāo)的優(yōu)化問題的具體過程為：

當(dāng)系統(tǒng)的通信時間大于等于預(yù)設(shè)值時，獲取空閑用戶的位置信息及中繼選擇范圍半徑lmax，然后根據(jù)空閑用戶的位置信息及中繼選擇范圍半徑lmax得中繼選擇范圍內(nèi)的空閑用戶集合，然后根據(jù)空閑用戶集合中各空閑用戶的社會關(guān)系強度、信譽值及位置關(guān)系得空閑用戶集合中各空閑用戶的信息傳輸速率，然后選擇信息傳輸速率最大的空閑用戶作為中繼，具體算法如表1所示：

表1

當(dāng)系統(tǒng)的通信時間小于預(yù)設(shè)值時，則獲取空閑用戶的位置信息及中繼選擇范圍半徑lmax，然后根據(jù)空閑用戶的位置信息及中繼選擇范圍半徑lmax得中繼選擇范圍內(nèi)的空閑用戶集合，然后根據(jù)空閑用戶集合中各空閑用戶的社會關(guān)系強度、信譽值及位置關(guān)系計算空閑用戶集合中各空閑用戶的協(xié)作概率與信息傳輸速率的乘積，然后選擇乘積結(jié)果最大的空閑用戶作為中繼，具體算法如表2所示：

表2

為了驗證本發(fā)明的性能，我們進行如下仿真：

在一個1mhz半徑為100m的小區(qū)內(nèi)進行仿真，基站位于中心，蜂窩用戶和d2d用戶隨機分布，空閑用戶均勻分布在整個小區(qū)內(nèi)，詳細仿真參數(shù)如下表3所示；

表3

我們提供兩種常規(guī)中繼選擇方案：基于距離的中繼選擇方案(dbs)和隨機選擇方案(rs)，在dbs中，我們選擇距離d2d發(fā)送端和接收端最近的用戶作為中繼用戶；在rs中，我們在中繼選擇范圍內(nèi)隨機選擇一個空閑用戶作為中繼。

圖2為不同系統(tǒng)通信時間t下系統(tǒng)吞吐量對比圖；同時記錄各個方案的平均拒絕次數(shù)，rbs、crbs、dbs、rs方案的拒絕次數(shù)分別是1.4，0.4，1.6，1.6。從圖2中可以看出當(dāng)系統(tǒng)通信時間較短時，crbs方案能夠獲得最佳性能，而當(dāng)系統(tǒng)通信時間較長時，rbs方案可以獲得最佳性能；當(dāng)系統(tǒng)通信時間較短時，尋找到一個同意服務(wù)請求的中繼所花費的時間將占據(jù)大部分系統(tǒng)通信時間，因此會極大影響系統(tǒng)性能，而crbs算法考慮到協(xié)作概率這一因素，具有最少的平均拒絕次數(shù)，因此能夠有更多的時間用于數(shù)據(jù)傳輸，從而獲得最佳的性能增益；同時，由于社會關(guān)系在某種程度上可以影響用戶的協(xié)作意愿，采用rbs算法的平均拒絕次數(shù)低于完全不考慮社會因素的dbs和rs方案，故rbs方案的性能增益高于dbs和rs方案；當(dāng)系統(tǒng)通信時間較長時，尋找到一個同意服務(wù)請求的中繼所花費的時間僅占據(jù)小部分系統(tǒng)通信時間，各個方案的歸一化有效數(shù)據(jù)傳輸時間差別不是很大，影響系統(tǒng)性能的主要是被選中繼的傳輸速率這一因素，因此，選擇具有速率最大的用戶作為中繼的rbs方案具有最佳性能增益。

圖3(a)及圖3(b)為不同中繼選擇范圍半徑lmax下系統(tǒng)吞吐量對比圖，我們可以看到rbs、crbs、dbs方案的吞吐量會隨著lmax的增大而提高，最終趨于穩(wěn)定；lmax表示的是以d2d發(fā)送端為中心的中繼選擇區(qū)域的半徑，lmax的增大意味著中繼選擇范圍的增大，可選中繼用戶的數(shù)目增多；當(dāng)lmax很小時，在d2d發(fā)射端中繼范圍內(nèi)的用戶數(shù)目極少，中繼算法受到極大限制，各個中繼算法的性能基本趨于一致；隨著lmax的增加，可選中繼用戶的數(shù)目增多，此時容易找到能夠具有較大速率或較大pcr或較短距離的滿足選擇策略的較高質(zhì)量的用戶作為中繼，因此系統(tǒng)的有效吞吐量不斷提高。隨著lmax的進一步增大，有足夠多的可選中繼用戶使得中繼算法能夠找到滿足選擇策略的最高質(zhì)量的用戶作為中繼，因此系統(tǒng)的吞吐量提升到最大值并趨于穩(wěn)定；ds算法的吞吐量隨著lmax的增大先升高再趨于穩(wěn)定最后降低；ds方案是從中繼選擇范圍內(nèi)隨機選擇一個空閑用戶最為中繼，當(dāng)lmax比較大時，隨機選擇出的中繼用戶有更大的可能距離d2d發(fā)送端或目的端很遠，系統(tǒng)的傳輸速率很低甚至達不到傳輸要求，導(dǎo)致系統(tǒng)性能的降低；同時，從圖3(a)及圖3(b)可以看出，系統(tǒng)通信時間長短對吞吐量性格的影響和圖2的曲線趨勢一致。

參考圖4(a)及圖4(b)，可以看到系統(tǒng)吞吐量隨著β的增大而增大，這很容易地從圖4(b)中得到解釋，隨著β的增大在中繼選擇過程中平均拒絕次數(shù)降低；我們知道社會關(guān)系服從pareto分布，其數(shù)學(xué)期望為從設(shè)置的仿真參數(shù)中可以計算得到社會關(guān)系強度期望值為1.0007e-4；而信譽值服從均勻分布，其期望值為0.5，遠大于社會關(guān)系強度的均值，故隨著β的增大，信譽值更能反映用戶的協(xié)作意愿時，用戶的協(xié)作概率迅速升高，從而中繼選擇過程中的平均拒絕次數(shù)降低，進而引起系統(tǒng)吞吐量的提升。