本發(fā)明涉及移動通信技術和無線通信技術領域，涉及一種在采用終端直通(D2D，device-to-device communication)技術進行通信時，在異構網絡中，在其發(fā)現(xiàn)階段能夠降低信令開銷以及在通信時降低頻譜資源干擾的信息終端。

背景技術：

隨著智能終端的普及和多樣化，爆炸式增長的移動用戶和多媒體服務導致業(yè)務過載、頻譜資源瀕臨匱乏等問題。因此，如何有效提升頻譜資源的效率成為了5G通信研究的關鍵性問題之一，而能夠大大提升頻譜效率的基于鄰近服務的D2D也引起了國內外很多學者的關注。RAN1針對D2D技術與蜂窩接入網融合的研究，RAN2針對D2D的網絡架構進行相關的研究，以保證和蜂窩網絡有效的融合，以便使用D2D技術來更有效地提高頻譜利用率，其主要有如下三個應用場景，如圖1所示：

場景1：兩個移動終端在網絡覆蓋范圍內使用D2D技術進行相互通信；

場景2：兩個移動終端在非網絡覆蓋的安全公共網絡下使用D2D技術進行相互通信；

場景3：兩個移動終端中一個在網絡覆蓋范圍內，另一個則未在網絡覆蓋范圍內使用D2D技術進行相互通信。

在上述三個應用場景下，兩個移動用戶設備之間一旦通信鏈路建立成功，其數(shù)據的傳輸就無需外部基礎設施輔助，則D2D技術具有提升頻譜利用率、減輕基站壓力、降低端對端的傳輸時延、提高系統(tǒng)網絡性能等優(yōu)點。因此，D2D技術也將應用于未來具有多樣化應用場景的5G異構網絡中。由于頻譜資源匱乏，因此提出了LTE-U的概念，將使用未授權的頻譜資源(本發(fā)明將以WiFi作為一個實例)，例如WiFi、WLAN，因此在未來UE同樣需靈活的與未授權網絡連接下的移動用戶設備進行D2D通信，其場景如圖2所示，面對未來多樣化應用場景需求的不同，而由于5G異構網絡的復雜性、混合性等特點，基于鄰近服務的D2D通信標準化也在逐步形成，這樣使得D2D通信融入未來異構網絡中將面臨如下兩個巨大挑戰(zhàn)：

第一，頻譜資源匱乏，異構網絡中頻譜資源的共享使得D2D用戶本身之間以及D2D用戶和蜂窩用戶之間將造成極大的干擾；

第二，低延遲、能量效率和可擴展性對5G網絡至關重要，而超密集異構網絡使得覆蓋密度和重覆蓋區(qū)域增加，大規(guī)模的D2D用戶同時接入將會導致高信令開銷以及延長端對端等待時間；

第三，在非蜂窩網絡下無法對D2D通信的移動用戶進行授權。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在解決以上現(xiàn)有技術的問題。提出了一種在發(fā)現(xiàn)階段可適當?shù)亟档托帕铋_銷以及減少基站與移動終端之間信令交互的來回次數(shù)，同時可有效地減少端對端等待時間；其在通信階段，降低由于頻譜資源的共享將使得D2D用戶本身之間以及D2D用戶和蜂窩用戶之間將造成極大的干擾的降低D2D信令開銷與頻譜資源干擾的信息終端及其通信方法。本發(fā)明的技術方案如下：

一種降低D2D信令開銷與頻譜資源干擾的信息終端，包括移動終端，其還包括嵌入在移動終端內核的D2D服務器，及軟件定義網絡(Software Defined Network，SDN)本地控制器、Open vSwitch虛擬交換機、無線資源映射器；其中所述D2D服務器結合了鄰近服務(Proximity Service，ProSe)功能實體和ProSe應用服務器的功能；

所述SDN本地控制器是嵌入在移動終端內核中作為后臺服務運行，只要開啟D2D應用時就會運行SDN本地控制器，它負責監(jiān)視狀態(tài)并控制Open vSwitch和無線資源映射器，為每個應用程序選擇一個合適的接口，它構建轉發(fā)規(guī)則，并確定如何通過在Open流表中插入流條目來處理數(shù)據包；

所述Open vSwitch虛擬交換機作為移動終端的增強轉發(fā)實體嵌入在移動設備中內核空間中，其可生成一個具有自己的IP地址的虛擬網橋，該IP地址將設置為移動設備的默認網關，它用于在D2D通信的情況下為應用選擇合適的接口并將分組轉發(fā)到D2D接口，來自一個應用程序的流量也可以使用Open vSwitch分布在合適的接口上，Open vSwitch根據SDN本地控制器建立的策略對控制流和數(shù)據流進行分離，連接到相應的接口，以通過這些接口轉發(fā)數(shù)據包；

所述無線資源映射器同樣也是設置在移動終端的內核空間中，它由SDN本地控制進行控制分別負責D2D流和WiFi流的無線資源映射，避免兩者產生干擾。

進一步的，所述D2D服務器在采用D2D技術進行通信時，它的嵌入在移動終端中主要有如下作用：第一，供移動終端分別在網絡不存在和存在的情況下使用D2D發(fā)現(xiàn)和通信功能；第二，在采用D2D技術時，當進行移動終端發(fā)現(xiàn)時，能夠響應發(fā)現(xiàn)消息，并將ProSe應用程序ID、ProSe應用程序代碼、有效性定時器及發(fā)現(xiàn)條目ID授權給移動終端中的D2D應用實體；第三，為每個用戶存儲和提供授權應用ID、ProSe功能ID。

進一步的，所述移動終端和D2D服務器經由超文本傳輸協(xié)議HTTP消息進行通信。

一種基于所述信息終端的降低D2D信令開銷與頻譜資源干擾的通信方法，其包括以下步驟：

步驟1)：兩個移動終端在采用D2D通信時，先需發(fā)現(xiàn)對方，這里假設UE1為發(fā)起方，UE2為監(jiān)聽方，UE1先向D2D服務器發(fā)起注冊請求，D2D服務器同意UE1的請求后，則UE1向D2D服務器發(fā)起發(fā)現(xiàn)請求，并把UE1標識和D2D應用ID一并發(fā)給D2D服務器；

步驟2)：D2D服務器通過UE1發(fā)來的標志和D2D應用ID，可知道具體哪一個UE需要進行D2D通信，當D2D服務器同意后，將產生相應的應用代碼和IP給UE的虛擬交換機，并讓虛擬交換機配置用于D2D通信的接口；

步驟3)：在D2D服務器同意UE1的請求后，同時UE1發(fā)送一條含有其標識的通知給eNB，以便通知網絡端，具體哪一個UE需要進行D2D通信，如果移動終端沒有上下文，并在這一條消息中含有請求歸屬用戶服務器提供授權，以便完成發(fā)現(xiàn)過程；

步驟4)：同時，UE1收到D2D服務器對發(fā)現(xiàn)請求做出的響應后，則UE1配置完相應的接口后，給D2D服務器回一個響應，以便通知D2D服務器發(fā)起者UE1已配置完相應的接口，D2D服務器則向發(fā)起者UE1提供可用于進行D2D通信的UE列表；

步驟5)：UE1接收D2D服務器提供可用于進行D2D通信的UE列表后，根據D2D服務器提供的可用于D2D通信的UE列表中選擇其相應的UE2進行配對，并配置虛擬交換機；

步驟6)：選擇相應的UE2后，通知eNB，并由eNB通知相應的UE2，UE2可答應UE1的請求也可拒絕，當答應UE1的請求后，并配置其虛擬交換機，并通知eNB已同意UE1的請求，并由公用的D2D服務器請求網絡端給U1和U2分配頻譜資源，如果拒絕UE1的請求后，則返回通知eNB已拒絕UE1的請求，并執(zhí)行拒絕相應的流程。

步驟7)：當網絡端分配給UE1和UE2分配資源后，由移動終端中的SDN本地控制器控制虛擬交換機選擇相應的接口，同時控制資源映射器對進行D2D通信的資源進行映射，然后兩個D2D用戶進行相互通信。

進一步的，所述步驟5)中eNB需在SIB-19(System Information Block-19,系統(tǒng)信息塊)中時刻更新UE1周圍的UE列表，此列表與D2D服務器進行核對，查詢是否可用于D2D通信的UE，由D2D服務器進行篩選。

本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果如下：

本發(fā)明適用于對低延遲和高頻譜利用率的5G異構網絡中進行D2D通信的相關用戶的發(fā)現(xiàn)階段和通信階段，在低延遲需要的5G通信中利用D2D服務器嵌入到移動終端中，在異構網絡下，降低了信令開銷和頻譜資源干擾以及減少了移動終端與網絡端之間信令的交互次數(shù)，以及在WiFi連接的情況下(無蜂窩網絡情況下和有蜂窩網絡情況下)可靈活實現(xiàn)D2D通信；對于在頻譜資源匱乏的移動通信中，采用D2D技術進行D2D通信則與蜂窩頻譜和未授權頻譜資源進行共享，而D2D用戶與D2D用戶之間以及D2D用戶與蜂窩網絡用戶之間卻引起了頻譜資源的干擾，因此在移動終端采用SDN本地控制、Open vSwitch、資源映射管理器可以有效地避免了D2D用戶與D2D用戶之間以及D2D用戶與蜂窩網絡用戶之間的干擾，減少頻譜資源干擾的同時也提高了頻譜資源的利用率，同時在WiFi連接情況下，可靈活的選擇相應的接口并且能夠實現(xiàn)WiFi連接情況下的UE之間的D2D通信和一端是蜂窩網絡情況下和一端是WiFi連接情況下的UE之間的D2D通信以及兩個用戶設備都是位于蜂窩網絡下的D2D通信。當然，除此之外，本發(fā)明在多個接口之間交換數(shù)據時，也能在一定程度上保證會話的連續(xù)性，同時也有助于QoS的控制和流量的統(tǒng)計。

附圖說明

圖1是D2D通信多種應用場景圖；(a)兩個UE都在同一個eNB覆蓋范圍內；(b)兩個UE分別一個在eNB覆蓋范圍內，一個沒有在eNB覆蓋范圍內；(c)兩個UE都在一個eNB覆蓋范圍內，但是分別是在不同的eNB覆蓋范圍內；(d)兩個UE都未在eNB覆蓋范圍內；

圖2為WiFi連接與蜂窩連接直接的UE之間的D2D通信和WiFi連接下的UE之間D2D通信的簡單示意圖；

圖3為本發(fā)明移動信息終端示意圖；

圖4為移動用戶與D2D服務器交互簡單示意圖；

圖5為本發(fā)明中移動終端之間發(fā)現(xiàn)與通信的流程示意圖；

圖6為本發(fā)明中蜂窩網絡控制路徑示意圖；

圖7為本發(fā)明中數(shù)據業(yè)務路徑示意圖；

圖8WiFi控制UE和蜂窩控制UE的數(shù)據業(yè)務路徑示意圖；

圖9為本發(fā)明中D2D服務器組成示意圖；

圖10為傳統(tǒng)的移動終端之間發(fā)現(xiàn)與通信的流程示意圖；

圖11為WiFi連接移動終端和蜂窩網絡移動終端之間發(fā)現(xiàn)與通信的流程示意圖；

圖12為WiFi UE和蜂窩網絡UE之間數(shù)據流的傳輸示意圖；

圖13為WiFi連接UE之間D2D通信數(shù)據業(yè)務路徑示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、詳細地描述。所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例。

本發(fā)明解決上述技術問題的技術方案是：

如圖3所示，D2D服務器作為一個實體，結合了ProSe功能實體和ProSe應用服務器的功能，并嵌入在移動終端中內核中，它需要當開啟D2D應用時就啟動這一實體，并且它的嵌入能夠保證在移動終端能夠正常啟動，在采用D2D技術進行通信時，它的嵌入在移動終端中主要有如下作用：第一，供移動用戶設備分別在網絡不存在和存在的情況下使用D2D發(fā)現(xiàn)和通信功能；第二，在采用D2D技術時，當進行移動用戶設備發(fā)現(xiàn)時，能夠響應發(fā)現(xiàn)消息，并將ProSe應用程序ID、ProSe應用程序代碼，有效性定時器，發(fā)現(xiàn)條目ID授權給移動終端中的D2D應用實體；第三，為每個用戶存儲和提供授權應用ID、ProSe功能ID。在移動用戶終端設備中有一個發(fā)起者和一個監(jiān)聽者，分別通過PC3接口與D2D服務器進行交互以及通過PC5接口進行數(shù)據的傳輸，如圖4所示。移動用戶設備和D2D服務器經由超文本傳輸協(xié)議(HTTP)消息進行通信。

SDN本地控制器是嵌入在移動終端內核中作為后臺服務運行，只要開啟D2D應用時就會運行SDN本地控制器，它負責監(jiān)視狀態(tài)并控制Open vSwitch和無線資源映射器。為每個應用程序選擇一個合適的接口。它構建轉發(fā)規(guī)則，并確定如何通過在Open流表中插入流條目來處理數(shù)據包。

Open vSwitch作為移動終端設備的增強轉發(fā)實體嵌入在移動設備中內核空間中，其可生成一個具有自己的地址的虛擬網橋，此IP地址將設置為移動設備的默認網關。它用于在D2D通信的情況下為應用選擇合適的接口并將分組轉發(fā)到D2D接口。來自一個應用程序的流量也可以使用Open vSwitch分布在合適的接口上。Open vSwitch根據本地控制器建立的策略連接到相應的接口，以通過這些接口轉發(fā)數(shù)據包。

無線資源映射器同樣也是駐留在移動終端設備的內核空間中。它由SDN本地控制進行控制分別負責D2D流和WiFi流的無線資源映射，避免兩者產生干擾。

下面通過結合本發(fā)明中兩個移動用戶設備通過網絡輔助進行發(fā)現(xiàn)與通信的流程示意圖對本發(fā)明的實施作更具體地描述，以及一個移動用戶設備通過網絡輔助，而另一個移動用戶設備通過WiFi連接方式進行D2D通信的流程示意圖進行詳細描述：

步驟1)：首先，如圖5所示，兩個移動終端用戶在采用D2D技術進行通信時，需有一方為發(fā)起者，另一方為監(jiān)聽者，如同蜂窩通信中的主叫和被叫，而進行D2D通信的前提就是發(fā)起者需要先發(fā)現(xiàn)監(jiān)聽者，則本發(fā)明通過把UE1作為發(fā)起者，UE2作為監(jiān)聽者。發(fā)起者UE1首先需要進行初始化請求，向D2D服務器發(fā)起注冊請求，當D2D服務器同意發(fā)起者UE1的注冊請求后，發(fā)起者UE1才可發(fā)起發(fā)現(xiàn)請求，則發(fā)起者UE1向D2D服務器發(fā)起其需要進行通信的發(fā)現(xiàn)請求，并把其標識以及D2D應用ID一同通過這一發(fā)現(xiàn)請求發(fā)給D2D服務器；

步驟2)：在D2D服務器方，D2D服務器需要根據發(fā)起者UE1所發(fā)的發(fā)現(xiàn)請求做出一個響應，其根據發(fā)起者UE1所發(fā)的發(fā)現(xiàn)請求中的標識和D2D應用ID就可以知道具體是哪個UE所發(fā)起的發(fā)現(xiàn)請求，根據標識和D2D應用ID可知道其具體在那個eNB的服務小區(qū)，則當D2D服務器同意發(fā)起者UE1的發(fā)現(xiàn)請求后，其將產生相應的應用代碼和IP給發(fā)起發(fā)現(xiàn)請求的發(fā)起者UE1的虛擬交換機Open vSwitch，并由發(fā)起者UE1的虛擬交換機Open vSwitch配置用于D2D通信的相應接口；

步驟3)：此時在發(fā)起者UE1接收到相應的應用代碼和IP后，則發(fā)起者UE1就發(fā)送一條通知消息給所在的eNB，以便通知網絡端，讓其知道有UE將進行D2D通信，則網絡端通過這個通知以便對發(fā)起者UE1進行相應的費用管理，對與發(fā)起者UE1而言，如果移動終端用戶沒有上下文，則一同通過這個通知消息通知網絡的歸屬用戶服務器，以便歸屬用戶服務器對發(fā)起者UE1需要的上下文提供授權，運營商也能夠對進行D2D通信的用戶進行相應的掌控；

步驟4)：同時，發(fā)起者UE1收到D2D服務器對發(fā)現(xiàn)請求做出的響應后，則發(fā)起者UE1配置完相應的接口后，給D2D服務器回一個響應，以便通知D2D服務器發(fā)起者UE1已配置完相應的接口，D2D服務器則向發(fā)起者UE1提供可用于進行D2D通信的UE列表；

步驟5)：此時，發(fā)起者UE1接收到D2D服務器提供的已注冊并可用于進行D2D通信的UE列表，則發(fā)起者UE1根據這一UE列表進行選擇，不過同時eNB需要在系統(tǒng)消息中更新發(fā)起者UE1周圍的UE列表，此列表與D2D服務器提供給發(fā)起者UE1的已注冊并可用于進行D2D通信的UE列表進行核對查找，以便發(fā)起者UE1能夠知道其周圍的UE哪些可進行D2D通信，哪些不可進行D2D通信，當選定一個可用于通信的監(jiān)聽者UE2時，發(fā)起者UE1還需要配置其虛擬交換機Open vSwitch，以便交換機Open vSwitch選擇相應的ID進行D2D通信；

步驟6)：發(fā)起者UE1根據列表選定相應的監(jiān)聽者UE2后，發(fā)起者UE1需要選定結果通知eNB，因為需要eNB對發(fā)起者UE1選定的結果進行通知，以便發(fā)起者UE1能夠順利的與監(jiān)聽者UE2進行相應的通信，eNB接收到發(fā)起者UE1發(fā)起的通知后，其中這個通知中包含監(jiān)聽者的標識ID，然后eNB就通知發(fā)起者UE1所選定的監(jiān)聽者UE2，此時，監(jiān)聽者UE2接收到來自eNB的通知后，監(jiān)聽者UE2可進行拒絕接收來自發(fā)起者UE1的請求，本發(fā)明實例中的監(jiān)聽者UE2是接收來自發(fā)起者UE1的請求，當監(jiān)聽者UE2接收發(fā)起者UE1的請求后，監(jiān)聽者UE2就配置其虛擬交換機Open vSwitch，以便等待與發(fā)起者UE1進行通信，然后監(jiān)聽者UE2并向eNB回響應，已同意發(fā)起者UE1的請求，同時公用的D2D服務器也需請求網絡端給發(fā)起者UE1和監(jiān)聽者UE2分配進行D2D通信的頻譜資源，此請求連同同意響應一起發(fā)給網絡端；

步驟7)：當網絡端將頻譜資源分配給發(fā)起者UE1和監(jiān)聽者UE2后，由發(fā)起者UE1和監(jiān)聽者UE2中的SDN本地控制器就負責控制虛擬交換機Open vSwitch選擇進行通信的相應接口，同時控制資源映射器對進行D2D通信的無線資源進行映射，接著發(fā)起者UE1和監(jiān)聽者UE2就相互進行通信；

步驟8)：如圖7所示，當發(fā)起者UE1和監(jiān)聽者UE2相互進行通信時，發(fā)起者UE1中的SDN本地控制器控制虛擬交換機Open vSwitch選擇一個合適D2D應用的接口，并將數(shù)據包轉發(fā)到PC5接口上，通過PC5接口與監(jiān)聽者UE2進行相應的D2D通信，同理，監(jiān)聽者UE2也進行相應的操作，它們之間的控制路徑如圖6所示。如果碰到D2D通信無法進行時，SDN本地控制器控制虛擬交換機Open vSwitch也可選擇用于蜂窩通信中的相應的接口，可靈活選擇相應的接口。

步驟9)：在進行D2D通信中的UE有一端或因為網絡不好進行通信模式切換時，此時的通信模式轉為了WiFi連接進行D2D通信，或者在一開始進行D2D通信時就一端采用WiFi連接，一端采用蜂窩連接，或者兩個D2D通信移動用戶設備都是采用WiFi連接，此時的整個通信流程就如圖11所示。本發(fā)明中的SDN本地控制器就發(fā)揮了其進一步的作用，其能夠控制虛擬交換機虛擬交換機Open vSwitch選擇一個WiFi接口連接到網絡，并且同時通過控制虛擬交換機Open vSwitch選擇PC5接口與另一臺由蜂窩網絡進行控制的移動用戶設備進行控制，如圖8所示。同時，無線資源管理器也由SDN本地控制器進行控制，對WiFi通信模式的UE分配無線資源，避免產生頻譜資源的干擾。兩者的數(shù)據傳輸方式如圖12所示，由于分組數(shù)據匯聚協(xié)議(PDCP)層在蜂窩網絡UE側中對數(shù)據進行了加密和完整性保護，因此其他UE無法解密穿過WiFi網絡的蜂窩網絡數(shù)據，而在WiFi端的媒體接入控制(MAC)層提供了魯棒和安全的傳輸服務，并且本地允許發(fā)送要在MAC層中繼的幀，因此選擇了MAC層作為WiFi端的接收。

本發(fā)明的兩個移動用戶通過網絡輔助進行發(fā)現(xiàn)與通信的流程實例相對ProSe功能位于網絡端以及ProSe應用服務器位于運營商端而言，從圖5與圖10的整體交互的流程可以看出，本發(fā)明在異構網絡中能夠合理地降低信令開銷，減少信令交互的次數(shù)，并可適當?shù)臏p少其時延；同時，從圖7、圖8、圖13可以看出，本設計方案可有效地避免在蜂窩網絡下UE之間的D2D通信、蜂窩網絡下UE和WiFi連接下UE之間的D2D通信、WiFi連接下UE直接的D2D通信所產生頻譜資源共享的干擾，通過SDN控制器可靈活的選擇相應的接口，并把D2D授權的服務器移入終端可降低信令負載。

本方法的工作原理：

D2D服務器作為一個負責D2D用戶設備所用網絡相關動作以及維護發(fā)現(xiàn)和通信權限，其是一個移動運營商所涉及的一個具有可移性的實體，因此把其植入手機內核中，在異構網絡中，降低了移動終端與網絡端之間信令開銷，以及在WiFi連接情況下同時D2D服務器也能夠對進行D2D通信的UE進行授權，因此當在基站覆蓋的邊界可有效地減少其延遲，同時在覆蓋小區(qū)內也同樣可以適當?shù)販p少其延遲；SDN本地控制器核心思想在于邏輯上集中控制數(shù)據平面以及通過分布式控制器對網絡狀態(tài)進行管理，Open vSwitch是一個具有轉發(fā)功能的轉發(fā)實體，在D2D通信過程中，會根據SDN本地控制器的策略對控制流和數(shù)據流進行分離，選擇一個合適的接口進行傳輸，并把數(shù)據流傳送到SDN本地控制器與Open vSwitch中的流表進行核對，以防止兩者的條目不匹配，而其中的無線資源映射器則負責D2D通信的移動設備的無線資源的映射，因此在移動終端采用SDN本地控制、Open vSwitch、資源映射管理器可以有效地避免了D2D用戶與D2D用戶之間以及D2D用戶與蜂窩網絡用戶之間的干擾，減少頻譜資源干擾的同時也提高了頻譜資源的利用率。當然，除此之外，本發(fā)明在多個接口之間交換數(shù)據時，也能在一定程度上保證會話的連續(xù)性，同時也有助于QoS的控制和流量的統(tǒng)計。

以上這些實施例應理解為僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護范圍。在閱讀了本發(fā)明的記載的內容之后，技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發(fā)明權利要求所限定的范圍。