本發(fā)明屬于蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種使存在用戶集中分布的蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡的基于多跳d2d通信的蜂窩網(wǎng)絡(luò)流量轉(zhuǎn)運(yùn)方法。

背景技術(shù)：

移動流量轉(zhuǎn)運(yùn)是指利用多種無線通信技術(shù)來傳輸理應(yīng)由蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?shù)牧髁繑?shù)據(jù)，以此來降低蜂窩網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載、提升網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能。在蜂窩自組織異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，運(yùn)營商常常將多種網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較小的微蜂窩網(wǎng)絡(luò)(比如：picocell和femocell等等)部署在傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)(macrocell)內(nèi)來提高區(qū)域內(nèi)的頻譜利用效率，緩解熱點(diǎn)區(qū)域的流量壓力并提升終端用戶體驗(yàn)。但是由于用戶時間和空間的隨機(jī)分布，會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不均衡的情況發(fā)生，這種情況下可以利用基于d2d通信的移動流量轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡。

如果用戶只需要內(nèi)容共享、多人游戲等流量無需要經(jīng)過基站或者核心網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用服務(wù)，則可以考慮用戶間直接通過d2d通信技術(shù)進(jìn)行流量轉(zhuǎn)運(yùn)，提升服務(wù)體驗(yàn)。但是這種流量轉(zhuǎn)運(yùn)策略的缺陷在于它只能實(shí)現(xiàn)用戶間的流量轉(zhuǎn)運(yùn)，無法實(shí)現(xiàn)微蜂窩網(wǎng)絡(luò)間的流量轉(zhuǎn)運(yùn)。當(dāng)用戶有接入網(wǎng)絡(luò)的需求時，這種策略無法滿足終端用戶的需求。此時可以考慮利用d2d通信技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中繼接入，使用戶接入還有剩余資源的微蜂窩網(wǎng)絡(luò)，獲取網(wǎng)絡(luò)資源。

目前相關(guān)研究中的流量轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)多基于單跳d2d通信。而單跳d2d通信的通信距離十分有限，比較適用于網(wǎng)絡(luò)中用戶均勻分布或者服從某一特定分布的網(wǎng)絡(luò)場景[1][2][3]。但是在許多蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景中，用戶并不都是均勻分布的，而是較集中地分布在某些熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，其它區(qū)域分布則較少(比如：商場、教學(xué)樓和報(bào)告廳等等)。對于這樣的場景而言，集中分布在熱點(diǎn)區(qū)域的用戶如果只使用基于單跳d2d通信的流量轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)，那么不僅用戶間會存在很大的接入競爭，而且許多用戶將無法中繼到熱點(diǎn)區(qū)域外的空閑微蜂窩網(wǎng)絡(luò)。

因此，現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是：對于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存在用戶集中分布(熱點(diǎn)區(qū)域)的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)場景，基于單跳d2d通信的流量轉(zhuǎn)運(yùn)會導(dǎo)致用戶間存在很大的接入競爭，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不均衡。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于多跳d2d通信的蜂窩網(wǎng)絡(luò)流量轉(zhuǎn)運(yùn)方法,使存在用戶集中分布的蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)保持負(fù)載均衡。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：

一種基于多跳d2d通信的蜂窩網(wǎng)絡(luò)流量轉(zhuǎn)運(yùn)方法，包括如下步驟：

(10)剩余資源列表建立：蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站請求所有微蜂窩網(wǎng)絡(luò)上傳剩余資源情況，并建立剩余資源列表；

(20)剩余資源最多網(wǎng)絡(luò)查找：蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站根據(jù)剩余資源列表，尋找剩余資源最多的微蜂窩網(wǎng)絡(luò)；

(30)中繼接入：根據(jù)連接請求節(jié)點(diǎn)與剩余資源最多的微蜂窩網(wǎng)絡(luò)中自由節(jié)點(diǎn)的中繼鏈路質(zhì)量，選擇鏈路質(zhì)量最好的中繼鏈路進(jìn)行中繼接入。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：

使存在用戶集中分布的蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)保持負(fù)載均衡。

本發(fā)明針對蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中由于用戶存在集中分布而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不均衡的問題提出利用多跳d2d通信技術(shù)進(jìn)行流量中繼轉(zhuǎn)運(yùn)，在進(jìn)行d2d中繼路徑選擇時以微蜂窩剩余資源和網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量作為中繼路徑的聯(lián)合選擇標(biāo)準(zhǔn)。通過應(yīng)用該方法，能夠使用戶優(yōu)先中繼接入剩余資源更多的微蜂窩來減少用戶對處于熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)微蜂窩資源的搶占，降低用戶間的中繼接入沖突。通過實(shí)驗(yàn)表明，與傳統(tǒng)的蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模式(無流量轉(zhuǎn)運(yùn)策略)和以距離作為中繼選路標(biāo)準(zhǔn)的方法相比，本發(fā)明在保證用戶服務(wù)質(zhì)量的前提下，能夠進(jìn)一步增加系統(tǒng)的總體吞吐量和用戶接入率。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于多跳d2d通信的蜂窩網(wǎng)絡(luò)流量轉(zhuǎn)運(yùn)方法的主流程圖。

圖2為圖1中剩余資源最多網(wǎng)絡(luò)查找步驟的流程圖。

圖3為圖1中中繼接入步驟的流程圖。

圖4為蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型配置圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明基于多跳d2d通信的蜂窩網(wǎng)絡(luò)流量轉(zhuǎn)運(yùn)方法，包括如下步驟：

(10)剩余資源列表建立：蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站請求所有微蜂窩網(wǎng)絡(luò)上傳剩余資源情況，并建立剩余資源列表；

本發(fā)明中的基于多跳d2d通信的中繼流量轉(zhuǎn)運(yùn)蜂窩異構(gòu)系統(tǒng)模型配置描述如下：網(wǎng)絡(luò)中共包含兩種不同類型的網(wǎng)絡(luò)，分別是傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)和m個網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較小的微蜂窩網(wǎng)絡(luò)(即picocell)。蜂窩網(wǎng)絡(luò)和微蜂窩網(wǎng)絡(luò)具有不同的可用頻譜資源數(shù)量，且在系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)定后網(wǎng)絡(luò)總體可用頻譜資源數(shù)量不再變化。網(wǎng)絡(luò)中的微蜂窩網(wǎng)絡(luò)定時向蜂窩網(wǎng)絡(luò)上傳其剩余資源情況，蜂窩網(wǎng)絡(luò)將所有微蜂窩網(wǎng)絡(luò)的剩余資源信息以列表的形式進(jìn)行存儲，并根據(jù)上傳的情況及時更新。網(wǎng)絡(luò)中不均勻地分布著n個用戶，每個用戶都以相同的概率向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出連接請求并且對網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量具有基本的要求。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)存在熱點(diǎn)區(qū)域，用戶會根據(jù)實(shí)際的主觀需求而集中分布在熱點(diǎn)區(qū)域，導(dǎo)致熱點(diǎn)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高，本發(fā)明將處于熱點(diǎn)區(qū)域的微蜂窩網(wǎng)絡(luò)記為η。在熱點(diǎn)區(qū)域外，用戶分布較分散，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低。假設(shè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)處于滿載狀態(tài)，無剩余資源提供給用戶接入網(wǎng)絡(luò)，而存在微蜂窩網(wǎng)絡(luò)還有剩余資源。終端用戶如果距離處于d2d通信的覆蓋范圍內(nèi)，那么彼此可以建立d2d通信鏈路進(jìn)行流量轉(zhuǎn)運(yùn)。d2d通信由蜂窩網(wǎng)絡(luò)控制，通信資源使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)共包含蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信、微蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信、中繼節(jié)點(diǎn)和微蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信以及d2d通信等不同的通信模式，其中d2d通信使用上行鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)中的干擾也是這四種通信模式之間產(chǎn)生的干擾。蜂窩用戶以及微蜂窩用戶都在ofdma模式下工作，相同網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的用戶使用正交信道，因此相互之間無干擾。此外，考慮到無線信道的衰落特性，相比于單跳d2d通信，多跳d2d通信的交付率與時延等性能都會有所下降，因此為保證服務(wù)質(zhì)量，本發(fā)明考慮用戶在利用多跳d2d通信技術(shù)進(jìn)行流量轉(zhuǎn)運(yùn)時，最大的d2d通信跳數(shù)不超過兩跳。

(20)剩余資源最多網(wǎng)絡(luò)查找：蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站根據(jù)剩余資源列表，尋找剩余資源最多的微蜂窩網(wǎng)絡(luò)；

如圖2所示，所述(20)剩余資源最多網(wǎng)絡(luò)查找步驟包括：

(21)剩余資源列表判斷：判斷剩余資源列表lx是否為空，如是，則轉(zhuǎn)至(22)無法接入提示步驟；否則，找到剩余資源最多的微蜂窩網(wǎng)絡(luò)pbsi；

(22)無法接入提示：發(fā)現(xiàn)連接請求節(jié)點(diǎn)x無法接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)的提示，轉(zhuǎn)至(10)剩余資源列表建立步驟。

(30)中繼接入：根據(jù)連接請求節(jié)點(diǎn)與剩余資源最多的微蜂窩網(wǎng)絡(luò)中自由節(jié)點(diǎn)的中繼鏈路質(zhì)量，選擇鏈路質(zhì)量最好的中繼鏈路進(jìn)行中繼接入。

如圖3所示，所述(30)中繼接入步驟包括：

(31)主鏈路質(zhì)量評估：對于任意處于剩余資源最多的微蜂窩網(wǎng)絡(luò)pbsi覆蓋范圍內(nèi)的自由節(jié)點(diǎn)ni，如果連接請求節(jié)點(diǎn)x與ni間的通信距離小于d2d通信距離，則根據(jù)鏈路數(shù)據(jù)發(fā)送率，評估連接請求節(jié)點(diǎn)x與自由節(jié)點(diǎn)ni間的主中繼鏈路質(zhì)量；

(32)主鏈路中繼接入：如果在所有潛在的中繼鏈路中不存在中繼鏈路滿足網(wǎng)絡(luò)閾值cth，則轉(zhuǎn)至(33)步驟；否則，連接請求節(jié)點(diǎn)x選擇鏈路質(zhì)量最好的中繼鏈路進(jìn)行中繼接入；

(33)副鏈路質(zhì)量評估：對于同處于剩余資源最多的微蜂窩網(wǎng)絡(luò)pbsi覆蓋范圍內(nèi)的另一任意自由節(jié)點(diǎn)nj，如果其處于自由節(jié)點(diǎn)ni的d2d通信覆蓋范圍內(nèi)，且與連接請求節(jié)點(diǎn)x間的通信距離小于d2d通信距離，則根據(jù)鏈路數(shù)據(jù)發(fā)送率，評估連接請求節(jié)點(diǎn)x與ni間的副中繼鏈路質(zhì)量；

(34)副鏈路中繼接入：如果在所有潛在的中繼鏈路中不存在中繼鏈路滿足網(wǎng)絡(luò)閾值cth，蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站將剩余資源最多的微蜂窩網(wǎng)絡(luò)pbsi從剩余資源列表lx中刪除，并轉(zhuǎn)至(20)剩余資源最多網(wǎng)絡(luò)查找步驟；否則，連接請求節(jié)點(diǎn)x選擇鏈路質(zhì)量最好的中繼鏈路進(jìn)行中繼接入。

圖4為蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型配置圖。在蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量是所有用戶的一個重要關(guān)注點(diǎn)。在本發(fā)明所考慮的蜂窩異構(gòu)系統(tǒng)模型中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的用戶通過d2d中繼來接入微蜂窩網(wǎng)絡(luò)時，為了保證用戶的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，用戶所選擇的中繼鏈路可達(dá)數(shù)據(jù)發(fā)送率必須要高于網(wǎng)絡(luò)規(guī)定的閾值。將中繼鏈路li的路徑中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)定義為rn，將li的可達(dá)數(shù)據(jù)傳輸率定義為cli。對于任意微蜂窩網(wǎng)絡(luò)pbsi而言，其資源利用率為其中rallocate＝rlte+rd2d為pbsi已分配(被占用)的頻譜資源，rlte表示微蜂窩網(wǎng)絡(luò)用戶占用的微蜂窩網(wǎng)絡(luò)pbsi頻譜資源，rd2d表示用戶通過d2d模式接入微蜂窩網(wǎng)絡(luò)pbsi所占用的頻譜資源；rtotal表示微蜂窩網(wǎng)絡(luò)pbsi全部可用的頻譜資源?；谝陨隙x，蜂窩網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡問題就可以模型化描述為在鏈路數(shù)據(jù)發(fā)送率cth約束條件下通過最佳的多跳d2d(最大跳數(shù)為兩跳)中繼選擇方法使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有微蜂窩資源利用率總和實(shí)現(xiàn)最大化的問題，優(yōu)化目標(biāo)表達(dá)式如下：

s.t.

rallocate≤rtotoal

rlte,rd2d∈{0,1,2....rtotoal}

rn∈{1,2}

cli≥cth

第一個約束條件為使得pbs被占用的頻譜資源數(shù)小于pbs頻譜資源總數(shù)。第二個約束條件表明rlte,rd2d均為0至rtotal區(qū)間內(nèi)的非負(fù)整數(shù)。第三個約束條件指明網(wǎng)絡(luò)內(nèi)中繼鏈路的d2d跳數(shù)最大為兩跳。最后一個約束條件使得所有用戶選擇的中繼鏈路數(shù)據(jù)發(fā)送率必須大于網(wǎng)絡(luò)閾值，以保證用戶的qoe。

對于數(shù)據(jù)的傳輸損耗，本發(fā)明綜合考慮了路徑損耗和陰影衰落這兩個因素。路徑損耗采用基于傳輸距離的路徑損耗模型，對于采用蜂窩和微蜂窩模式通信的用戶而言，其路徑損耗為：l(d)(db)＝40.9+37.6lg(d)+26lg(fc/5),其中d為用戶到對應(yīng)基站的距離，fc為載波頻率。對于采用d2d中繼通信的用戶而言，d2d通信間的路徑損耗為：l(d)(db)＝79+40lg(d)+30lg(fc),其中d為d2d用戶間距離,fc為載波頻率。對于陰影衰落，本文所應(yīng)用的是典型的對數(shù)正太陰影衰落模型：x＝a*r1+b*r2，其中a和b為相關(guān)系數(shù)，r1和r2為標(biāo)準(zhǔn)高斯變量，陰影衰落的標(biāo)準(zhǔn)差為10dbm。

為了保證網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，只有當(dāng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送率大于給定的閾值時網(wǎng)絡(luò)才認(rèn)為中繼鏈路滿足要求，可以利用該鏈路中繼接入網(wǎng)絡(luò)。由香農(nóng)定理可知網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點(diǎn)的可用數(shù)據(jù)傳輸率為：

cmax＝w*log2(1+γ)(1)

(1)式中w為信道帶寬，γ為信噪比。所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)運(yùn)策略中節(jié)點(diǎn)通過中繼接入網(wǎng)絡(luò)的最大d2d通信跳數(shù)不超過兩跳。假定存在用戶a、用戶b和用戶c，其中用戶a為發(fā)出連接請求的用戶，并期望以d2d模式通過用戶b和用戶c的兩跳中繼來接入微蜂窩網(wǎng)絡(luò)p，那么用戶a在此中繼鏈路上可達(dá)的數(shù)據(jù)傳輸率為：

maxcamax＝min(wlog2(1+γb),wlog2(1+γc),wlog2(1+γpbs))(2)

(2)式中γb為用戶b接收信號信噪比的值，γc為用戶c接收信號信噪比的值，pbs表示微蜂窩網(wǎng)絡(luò)p的基站，而γpbs為pbs接收信號信噪比的值。而當(dāng)用戶a以d2d通信模式接入微蜂窩網(wǎng)絡(luò)p時，用戶b、用戶c以及pbs分別收到的信號信噪比分別為：

(3)、(4)和(5)式中的pa、pb和pc分別表示蜂窩用戶a、b以及微蜂窩用戶c的發(fā)射功率，gm,n和gm,pbs分別表示用戶m向用戶n進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時可獲取的總信道增益以及用戶m到微蜂窩基站pbs間的總信道增益，sb、sc和spbs分別表示用戶a未接入網(wǎng)絡(luò)時，蜂窩用戶b、微蜂窩用戶c和pbs所收到的信號強(qiáng)度值。而sb、sc和spbs分別為：

sb＝n0+pmgm,b(6)

(6)、(7)和(8)式中的n0表示高斯白噪聲，pm表示蜂窩網(wǎng)絡(luò)用戶對應(yīng)的發(fā)射功率，pp表示微蜂窩網(wǎng)絡(luò)中用戶對應(yīng)的發(fā)射功率，fp表示任意微蜂窩網(wǎng)絡(luò)的可用頻段數(shù)。基于以上表達(dá)式可以求得網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意一條中繼鏈路的最大數(shù)據(jù)傳輸率maxcmax。

雖然蜂窩網(wǎng)絡(luò)已無剩余資源提供給用戶接入網(wǎng)絡(luò)，但是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的微蜂窩網(wǎng)絡(luò)還有剩余資源。對于發(fā)出連接請求的用戶而言，可以使用d2d技術(shù)進(jìn)行中繼，讓其接入微蜂窩網(wǎng)絡(luò)獲取服務(wù)。本發(fā)明中的系統(tǒng)模型規(guī)定，所有還有剩余資源的微蜂窩網(wǎng)絡(luò)如果收到用戶的連接請求，則同意用戶的接入請求。將集中分布于熱點(diǎn)區(qū)域的可中繼用戶分為兩類：第一類用戶有能力通過d2d中繼接入熱點(diǎn)區(qū)域外較空閑的微蜂窩網(wǎng)絡(luò)；第二類用戶由于分布位置以及鏈路質(zhì)量等因素?zé)o法通過d2d中繼接入熱點(diǎn)區(qū)域外的空閑微蜂窩網(wǎng)絡(luò)，而只能中繼接入處于熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的微蜂窩網(wǎng)絡(luò)η?；谑Ｓ噘Y源的多跳d2d中繼流量轉(zhuǎn)運(yùn)算法以網(wǎng)絡(luò)微蜂窩的剩余資源作為d2d中繼路徑選擇的第一標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)出連接請求的用戶按照所有微蜂窩剩余資源的多少來按序地嘗試中繼接入，而非優(yōu)先選擇距離用戶最近的微蜂窩進(jìn)行接入。即對于處于熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的第一類用戶而言，優(yōu)先選擇讓其接入分布于熱點(diǎn)區(qū)域外剩余資源最多的微蜂窩網(wǎng)絡(luò)。這樣可以盡量規(guī)避與第二類用戶產(chǎn)生接入沖突，提高資源利用率。同時為保證用戶的服務(wù)質(zhì)量，在進(jìn)行d2d中繼路徑選擇時，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)需要對所有潛在的中繼鏈路質(zhì)量進(jìn)行評估，把鏈路質(zhì)量作為中繼路徑選擇的第二標(biāo)準(zhǔn)。只有當(dāng)中繼鏈路的質(zhì)量能夠滿足用戶基本的需求時，節(jié)點(diǎn)才會選擇鏈路質(zhì)量最佳的路徑進(jìn)行中繼接入，實(shí)現(xiàn)流量轉(zhuǎn)運(yùn)。