本發(fā)明屬于無線通信網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中基于能效的多跳D2D路由跳數(shù)限制方法。

背景技術(shù)：

由于多媒體應(yīng)用的快速發(fā)展，移動網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量需求正在經(jīng)歷著井噴式增長，而大部分的移動流量都消耗在視頻資源上。考慮到將來的網(wǎng)絡(luò)更多的是將內(nèi)容作為中心，提出了內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)，它指的是用戶關(guān)注的是內(nèi)容本身而不是內(nèi)容的位置，D2D是內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，它可以在用戶間建立連接分享各自緩存的內(nèi)容。

在D2D通信中，數(shù)據(jù)流量不需要通過基站而是在用戶間直接傳輸?shù)?，它可以減少傳輸能耗和對其它鏈接的干擾。此外，對于一些熱點內(nèi)容，在某個時間段內(nèi)被很多用戶反復(fù)請求，可以將這些熱點內(nèi)容緩存在某些已經(jīng)從基站獲得該內(nèi)容的用戶終端中，通過D2D通信方式為其它請求相同內(nèi)容的用戶傳輸信息，可以大大降低基站回程鏈路的負(fù)載壓力。此外，當(dāng)前社交網(wǎng)絡(luò)異?；钴S，有很多發(fā)布在社交網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)容都是由智能手機(jī)或者無線設(shè)備產(chǎn)生的，對這些內(nèi)容感興趣的群體有很大部分就是產(chǎn)生內(nèi)容用戶周圍的其它用戶，這些用戶完全可以通過D2D通信方式從產(chǎn)生內(nèi)容的用戶終端中獲取內(nèi)容信息，而不需要每個用戶都去從基站端獲取。

當(dāng)前的D2D研究多集中在單跳短距離的直接通信，也有少部分關(guān)于多跳D2D通信的研究，對于多跳D2D通信，首要的是建立多跳路由，而由于用戶間的通信一般都有時延限制，同時時延又與跳數(shù)成正相關(guān)關(guān)系，路由跳數(shù)越多，時延越大，一般來說，D2D通信可以節(jié)約能耗，提高能效，但是對于多跳D2D通信來說，能耗與D2D路由跳數(shù)密切相關(guān)，可以預(yù)見當(dāng)路由跳數(shù)超過某個值時，用戶在D2D通信模式下獲得內(nèi)容的能耗將大于通過基站獲得內(nèi)容所需的能耗，在基于能效的通信模式選擇中，這樣的路由屬于無效路由將會被舍棄，而在建立這些無效路由的過程中，增加了系統(tǒng)開銷和各個作為中繼節(jié)點的能耗，因此需要設(shè)計出一種方法，能夠有效的提高多跳D2D路由的有效性，降低系統(tǒng)的開銷，提高系統(tǒng)能效。

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，提供了一種內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中基于能效的多跳D2D路由跳數(shù)限制方法，該方法能夠有效的提高建立多跳D2D路由的有效性，并且系統(tǒng)的能效較高，系統(tǒng)開銷較低。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中基于能效的多跳D2D路由跳數(shù)限制方法包括以下步驟：

1)計算在理想條件下源用戶終端i通過多跳D2D通信方式從目的用戶終端j處獲取數(shù)據(jù)內(nèi)容所需的最低能耗并計算源用戶終端i與基站之間通信時的能耗P_DL,i；

2)當(dāng)則源用戶終端i直接與基站通信獲取數(shù)據(jù)內(nèi)容，完成內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中基于能效的多跳D2D路由跳數(shù)限制，當(dāng)則轉(zhuǎn)至步驟3)；

3)設(shè)置基于時延的最大路由跳數(shù)Hop_limit，計算基于距離的用戶間最少路由跳數(shù)Hop_lower,ij，再在[Hop_lower,ij,Hop_limit]范圍內(nèi)計算得到用戶基于能效的最大跳數(shù)Hop_max,ij；

建立源用戶終端i與目的用戶終端j之間的多跳D2D路由，得最短路徑多跳D2D路由，其中，當(dāng)任一個多跳D2D路由的跳數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)最大跳數(shù)時仍沒有達(dá)到目的用戶終端j時，則舍棄該多跳D2D路由；

計算源用戶終端i通過最短路徑多跳D2D路由從目的用戶終端j獲取數(shù)據(jù)內(nèi)容的能耗P_D2D,ij，當(dāng)P_D2D,ij≥P_DL,i時，則源用戶終端i通過與基站之間通信的方式獲取數(shù)據(jù)內(nèi)容，完成內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中基于能效的多跳D2D路由跳數(shù)限制；當(dāng)P_D2D,ij＜P_DL,i時，源用戶終端i則通過最短路徑多跳D2D路由從目的用戶終端j處獲取數(shù)據(jù)內(nèi)容，完成內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中基于能效的多跳D2D路由跳數(shù)限制。

設(shè)源用戶終端i與目的用戶終端j之間通過多跳D2D通信方式進(jìn)行通信，傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容的多跳D2D路由通過分布在源用戶終端i與目的用戶終端j之間的中繼節(jié)點到達(dá)目的用戶終端j，則多跳D2D通信功率損耗模型為：

其中，P_D2D為多跳D2D通信的功率損耗，P_activity為終端在活躍狀態(tài)時的電路功耗，P_Dtx,k為中繼節(jié)點k的發(fā)射功率，P_Drv,k為中繼節(jié)點k接收信息后處理信息的功耗。

計算源用戶終端i通過最短路徑多跳D2D路由從目的用戶終端j獲取數(shù)據(jù)內(nèi)容的能耗P_D2D,ij的具體操作為：

采用極限方法估算源用戶終端i選擇D2D多跳通信方式時理論上的最低能耗值，設(shè)在源用戶終端i與目的用戶終端j之間存在若干作為中繼節(jié)點的其它用戶終端，每個中繼節(jié)點處理信息所消耗的功率值為P_Drv，并且在多跳D2D路由中每一跳鏈接都有相同的接收功率γ，中繼節(jié)點k與中繼節(jié)點k+1之間的距離為d_k，D_D2D,ij為源用戶終端i與目的用戶終端j之間的直線距離，則有

將式(11)帶入式(10)，得

d_k≤r (15)

其中，

根據(jù)式(12)、(13)、(14)及(15)得時整個鏈路的發(fā)射功率總能耗最低，因此

設(shè)連續(xù)變量x表示跳數(shù)K，f(x)作為跳數(shù)的函數(shù)，則有

f(x)＝ΔP+(x-1)(ΔP+P_Drv)+γD_D2D^αx^1-α (17)

設(shè)2≤α≤4，將f(x)對x進(jìn)行求導(dǎo)，得

設(shè)源用戶終端i可以通過多跳D2D通信方式從目的用戶終端j處獲得數(shù)據(jù)內(nèi)容，根據(jù)源用戶終端i與目的用戶終端j之間的直線距離D_D2D,ij得基于距離的用戶間最少路由跳數(shù)Hop_lower,ij為：

在[Hop_lower,ij,Hop_limit]的范圍內(nèi)使用二分法計算得到用戶基于能效的最大跳數(shù)Hop_max,ij。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明所述的內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中基于能效的多跳D2D路由跳數(shù)限制方法在具體操作中，判斷源用戶終端選擇是否可以嘗試建立多跳D2D路由時，計算在理想條件下源用戶終端通過多跳D2D通信方式從目的用戶終端獲取數(shù)據(jù)內(nèi)容所需的最低能耗并計算源用戶終端與基站之間通信時的能耗P_DL,i，只有當(dāng)時，才嘗試在源用戶終端與目的用戶終端之間建立多跳D2D路由，從而有效的剔除部分不滿足能效要求的源用戶終端嘗試建立的多跳D2D路由，減少無效路由的建立；另外，對于允許嘗試建立多跳D2D路由的源用戶終端，通過基于時延的最大跳數(shù)限制及基于距離的用戶間最少路由跳數(shù)Hop_lower,ij兩個因數(shù)進(jìn)行限制，然后再計算得到用戶基于能效的最大跳數(shù)；在源用戶終端嘗試建立多跳D2D路由時，當(dāng)任一個多跳D2D路由的跳數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)最大跳數(shù)時仍沒有達(dá)到目的用戶終端時，則舍棄該多跳D2D路由，從而進(jìn)一步的縮減無效多跳D2D路由的建立；只有在最大跳數(shù)內(nèi)建立的多跳D2D路由才能進(jìn)入最終決策中，在最終決策中，通過比較源用戶終端在最短路徑多跳D2D路由下從目的用戶終端獲取數(shù)據(jù)內(nèi)容的能耗P_D2D,ij與源用戶終端與基站之間通信時的能耗P_DL,i之間的關(guān)系選擇能耗較低的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)容的獲取，從而最終選擇出能耗最低的方式進(jìn)行通信，本發(fā)明通過兩次篩選極大的提高了用戶所建立的多跳D2D路由的有效性，提高系統(tǒng)的能效，避免無謂的能量浪費，同時降低系統(tǒng)的開銷，進(jìn)而極大的提高內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能，具有廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中二分法的流程圖；

圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)原理圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參考圖2，本發(fā)明所述的內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中基于能效的多跳D2D路由跳數(shù)限制方法包括以下步驟：

1)計算在理想條件下源用戶終端i通過多跳D2D通信方式從目的用戶終端j處獲取數(shù)據(jù)內(nèi)容所需的最低能耗并計算源用戶終端i與基站之間通信時的能耗P_DL,i；

2)當(dāng)則源用戶終端i直接與基站通信獲取數(shù)據(jù)內(nèi)容，完成內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中基于能效的多跳D2D路由跳數(shù)限制，當(dāng)則轉(zhuǎn)至步驟3)；

3)設(shè)置基于時延的最大路由跳數(shù)Hop_limit，計算基于距離的用戶間最少路由跳數(shù)Hop_lower,ij，再在[Hop_lower,ij,Hop_limit]范圍內(nèi)計算得到用戶基于能效的最大跳數(shù)Hop_max,ij；

建立源用戶終端i與目的用戶終端j之間的多跳D2D路由，得最短路徑多跳D2D路由，其中，當(dāng)任一個多跳D2D路由的跳數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)最大跳數(shù)時仍沒有達(dá)到目的用戶終端j時，則舍棄該多跳D2D路由；

計算源用戶終端i通過最短路徑多跳D2D路由從目的用戶終端j獲取數(shù)據(jù)內(nèi)容的能耗P_D2D,ij，當(dāng)P_D2D,ij≥P_DL,i時，則源用戶終端i通過與基站之間通信的方式獲取數(shù)據(jù)內(nèi)容，完成內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中基于能效的多跳D2D路由跳數(shù)限制；當(dāng)P_D2D,ij＜P_DL,i時，源用戶終端i則通過最短路徑多跳D2D路由從目的用戶終端j處獲取數(shù)據(jù)內(nèi)容，完成內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中基于能效的多跳D2D路由跳數(shù)限制。

步驟1)中，將基站m的平均功率損耗P_m建模為平均發(fā)射功率的線性函數(shù)，其中，

P_m＝a_mP_tx+b_m+c_m (1)

其中，P_tx為基站m的平均發(fā)射功率，a_m為功率衰減程度，b_m為由于基站m處理信號和基站冷卻所消耗的功率，c_m為通過回程鏈路光纖傳輸數(shù)據(jù)的功率損耗。

基站從異構(gòu)網(wǎng)回程鏈路獲取內(nèi)容時，異構(gòu)網(wǎng)回程鏈路會有功率損耗，則有

P＝P_m+P_bh (2)

其中，P_bh為異構(gòu)網(wǎng)回程鏈路功率損耗，P為基站的實際損耗功率。

異構(gòu)網(wǎng)回程鏈路功耗指的是用戶向宏基站請求服務(wù)時，基站根據(jù)用戶請求的內(nèi)容通過異構(gòu)網(wǎng)回程鏈路從核心網(wǎng)獲取相應(yīng)的內(nèi)容所消耗的功率；而對于D2D通信而言，由于其通信過程無需從核心網(wǎng)獲取內(nèi)容，因此也沒有通過異構(gòu)網(wǎng)回程鏈路這一過程，宏基站回程鏈路能耗建模為

其中，max_dl為在宏基站端聚合交換機(jī)上最大的下行接口數(shù)目，P_s為聚合交換機(jī)的功耗，P_dl為用于接收回程鏈路流量的宏基站聚合交換機(jī)上單個下行接口的功率損耗，I_ul為上行接口的總數(shù)目，P_ul為單個上行接口的功率損耗；

上行接口的總數(shù)目I_ul為：

其中，C_agg為宏基站上聚合交換機(jī)中的總流量，T_max為一個上行交換機(jī)的最大傳輸速率，則聚合交換機(jī)的功耗P_s為：

其中，P_max為交換機(jī)的最大功耗，為聚合交換機(jī)能承載的最大流量，α為權(quán)重因子；

假設(shè)在內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中，兩個用戶之間的距離為d_e，兩用戶間通過一條經(jīng)過K-1個中繼節(jié)點的多跳路由來傳輸數(shù)據(jù)，第i跳的中繼距離為d_i,則有

其中，P_out為傳輸輸出功率，η為路徑衰減系數(shù)，β表示天線特性的常數(shù)。

假設(shè)源用戶終端i和目的用戶終端j之間通過多跳D2D通信方式進(jìn)行通信，傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容的多跳D2D路由通過分布在源用戶終端i與目的用戶終端j之間的中繼節(jié)點到達(dá)目的用戶終端j，則多跳D2D通信功率損耗模型可以建模為：

其中，P_D2D為多跳D2D通信的功率損耗，P_activity為終端設(shè)備在活躍狀態(tài)時的電路功耗，P_Dtx,k為中繼節(jié)點k的發(fā)射功率，P_Drv,k為節(jié)點k接收信息后處理信息的功耗。

在本發(fā)明中主要關(guān)注的是源用戶終端i選擇兩種不同通信方式時所消耗的額外功率，由于無論選擇何種方式通信，源用戶終端i消耗的功率相同，因此源用戶終端i的功耗不考慮在內(nèi)，此外，當(dāng)源用戶終端i從空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)變成活躍狀態(tài)時會增加終端設(shè)備電路功率損耗。源用戶終端i通過多跳D2D通信方式從目的用戶終端j處獲得請求內(nèi)容所消耗的功率可表示為

ΔP＝P_activity-P_idle(9)

其中，P_idle為終端設(shè)備在空閑狀態(tài)時的電路功耗。

采用極限方法估算出源用戶終端i選擇D2D多跳通信方式時理論上的最低能耗值，設(shè)在源用戶終端i與目的用戶終端j之間存在若干作為中繼節(jié)點的其它用戶終端，每個中繼節(jié)點處理信息所消耗的功率值P_Drv，并且在多跳D2D路由中每一跳鏈接都有相同的接收功率γ；中繼節(jié)點k與中繼節(jié)點k+1之間的距離為d_k，D_D2D,ij為源用戶終端i與目的用戶終端j之間的直線距離，則有

將式(11)帶入式(10)，得

d_k≤r (15)

其中，

根據(jù)式(12)、(13)、(14)及(15)得時整個鏈路的發(fā)射功率總能耗最低，因此

設(shè)連續(xù)變量x表示跳數(shù)K，f(x)作為跳數(shù)的函數(shù)，則有

f(x)＝ΔP+(x-1)(ΔP+P_Drv)+γD_D2D^αx^1-α (17)

設(shè)2≤α≤4，將f(x)對x進(jìn)行求導(dǎo)，得

由式(18)可以得出在理想條件下，使用多跳D2D通信模式消耗的最低功率值，因此，若其它用戶終端緩存有源用戶終端i請求的內(nèi)容，在兩用戶之間嘗試通過建立多跳D2D路由前，系統(tǒng)分別估算出源用戶終端i通過基站通信的功耗P_DL,i及通過D2D通信的最低功耗若表明源用戶終端i可以嘗試與目的用戶終端j之間建立多跳D2D通信路由來獲取請求內(nèi)容，然而最終是否選擇D2D模式，還需要根據(jù)實際路由的能耗來判斷；當(dāng)則表示源用戶終端i若選擇D2D通信模式其實際能耗值必然是高于基站通信模式，在基于能效的通信模式?jīng)Q策中，源用戶終端i直接選擇基站通信模式，而無需去嘗試建立多跳D2D通信路由，從而大大降低網(wǎng)絡(luò)中用戶嘗試建立多跳D2D通信路由的次數(shù)，減少系統(tǒng)開銷及能量浪費。

對于由基站與用戶終端構(gòu)成的內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中的每個基站可以預(yù)先估算出在其覆蓋范圍內(nèi)，所有位置上的任意兩個用戶終端之間通過D2D模式通信時的最低能耗，同時也能估算對于任意位置上的用戶，選擇基站通信模式時的能耗；這些信息將被預(yù)先存入的基站中，在用戶決定是否嘗試建立D2D路由時，基站根據(jù)用戶當(dāng)前位置和緩存有請求內(nèi)容的用戶終端位置，查詢預(yù)存信息，可以直接向發(fā)起請求的用戶發(fā)送允許或者禁止嘗試建立D2D路由信令。

數(shù)據(jù)在無線網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)目倳r延由處理延時、排隊延時、傳輸延時及傳播延時組成，在D2D多跳通信中,每一跳的兩個設(shè)備之間僅相距幾米到幾十米,傳播時延對網(wǎng)絡(luò)時延的影響可以忽略不計；處理延時、排隊延時及傳輸延時均與路由跳數(shù)成正比,因此可以使用跳數(shù)代表時延，從而將時延約束的D2D通信問題就轉(zhuǎn)化為跳數(shù)約束的D2D通信問題。

當(dāng)D2D路由跳數(shù)超過預(yù)設(shè)閾值時，D2D通信的能耗將會隨著跳數(shù)的增多而增大，因此，當(dāng)D2D路由跳數(shù)超過最大跳數(shù)時，D2D通信的能耗將始終會大于用戶選擇基站模式進(jìn)行通信的能耗；當(dāng)D2D路由跳數(shù)小于等于最大跳數(shù)，用戶通過D2D通信的能耗才有可能會低于基站通信。

設(shè)Hop_limit為受通信時延的D2D通信最大跳數(shù)，當(dāng)D_D2D,ij≥Hop_limitr時，源用戶終端i直接選擇基站通信模式，當(dāng)D_D2D,ij<Hop_limitr，則將與P_DL,i進(jìn)行比較，當(dāng)時，則表明Hop_limit也滿足能效受限的條件，Hop_limit就是D2D通信路由跳數(shù)最大可允許的跳數(shù)；當(dāng)時，則說明受限于能效的D2D通信路由最大跳數(shù)要小于Hop_limit，為避免源用戶終端i在嘗試建立路由的過程中，路由跳數(shù)超過受限于能效的最大允許跳數(shù)，則需要找出所有位置用戶在各種不同情況下最大可允許D2D路由跳數(shù)。

設(shè)源用戶終端i可以通過多跳D2D通信模式從目的用戶終端j處獲得請求內(nèi)容，根據(jù)源用戶終端i與目的用戶終端j之間的直線距離D_D2D,ij得基于距離的用戶間最少路由跳數(shù)Hop_lower,ij：

由于D2D通信受限于時延的最大跳數(shù)為Hop_max,ij，因此同時滿足時延及能效限制的路由最大跳數(shù)的范圍為[Hop_lower,ij,Hop_limit]；在此基礎(chǔ)上使用二分法估算出各用戶間的D2D路由最大允許跳數(shù)Hop_max,ij；

當(dāng)源用戶終端i在嘗試建立D2D多跳路由的過程中，若經(jīng)過允許的最大跳數(shù)后仍然沒有到達(dá)目的用戶終端j，則終止路由繼續(xù)向下一個節(jié)點傳遞，并移除該條路由。