D2d網(wǎng)絡(luò)中支持p2p分享機制的數(shù)據(jù)下載路線設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明D2D網(wǎng)絡(luò)中支持P2P分享機制的數(shù)據(jù)下載路線設(shè)計方法。目的在于通過路由設(shè)計配合P2P數(shù)據(jù)分享來提升下載用戶的平均下載速率。本發(fā)明通過全局考慮所有下載用戶的位置分布，通過合理的設(shè)計路線使其盡可能多地通過其它下載用戶附近，這樣利用無線信道的廣播特性，其它下載用戶就可以接收到該條路線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，從而增強自身的數(shù)據(jù)下載速率，同時控制跳數(shù)增加對目的下載用戶造成的損害在可容忍水平內(nèi)。仿真結(jié)果表明，本發(fā)明通過考慮全局下載用戶的位置情況下，通過修改傳輸路徑可以顯著提高網(wǎng)絡(luò)性能。綜上所述，本發(fā)明在存在于多個下載用戶/服務(wù)器情況下，可以有效提升系統(tǒng)下載用戶的平均下載速率。
【專利說明】
D2D網(wǎng)絡(luò)中支持P2P分享機制的數(shù)據(jù)下載路線設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
[00011本發(fā)明屬于5G網(wǎng)絡(luò)中的D2D通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及D2D網(wǎng)絡(luò)中支持P2P分享機制 的數(shù)據(jù)下載路線設(shè)計方法，用于處理無線用戶遠距離下載數(shù)據(jù)問題，通過引入P2P分享機制 并根據(jù)不同節(jié)點用戶的位置對傳輸路徑進行合理設(shè)計，可以有效提高用戶的下載數(shù)據(jù)速 率。
【背景技術(shù)】：
[0002] D2D通信作為未來5G網(wǎng)絡(luò)中極具前途的通信技術(shù)能夠有效提升網(wǎng)絡(luò)性能。然而D2D 通信距離往往受到限制，但在實際中存在著D2D用戶試圖和距離較遠的D2D服務(wù)器進行通信 并下載數(shù)據(jù)的情況，此時單跳D2D通信可能無法滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量要求，因此多跳D2D通 信的路由設(shè)計變得十分必要。如何滿足多跳傳輸中的鏈路速率要求，同時控制D2D網(wǎng)絡(luò)與蜂 窩網(wǎng)絡(luò)的互干擾，且避免繁冗的路由開銷等都是在路由設(shè)計中需要考慮的問題。于此同時， 將源于計算機網(wǎng)絡(luò)中分布式下載的P2P分享機制引入D2D通信，即每個設(shè)備不僅可以作為數(shù) 據(jù)接收者，也可以同時作為數(shù)據(jù)的貢獻者，在網(wǎng)絡(luò)中用戶可以通過多種途徑來源來下載所 需數(shù)據(jù)，這樣系統(tǒng)用戶的下載速率就可以得到有效的提升。但是這進一步的增加了路由設(shè) 計的復(fù)雜度，尤其當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)下載用戶和服務(wù)器的數(shù)目增大時。如何合理規(guī)劃服務(wù)器到 下載用戶的路由來最大化用戶的平均下載速率成為一個開放的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0003] 本發(fā)明的目的是針對D2D網(wǎng)絡(luò)中支持P2P分享機制的多跳路由設(shè)計問題。考慮單小 區(qū)場景中存在多個D2D下載用戶和D2D服務(wù)器，以及蜂窩用戶和其它的自由D2D節(jié)點用戶。下 載用戶試圖通過D2D通信方式遠程下載服務(wù)器上的數(shù)據(jù)。本發(fā)明提出了一種D2D網(wǎng)絡(luò)中支持 P2P分享機制的數(shù)據(jù)下載路線設(shè)計方法，即在設(shè)計某服務(wù)器到對應(yīng)下載用戶的路由時，通過 設(shè)計該路線使的盡可能多的通過其它下載用戶附近，這樣經(jīng)過利用無線信道的廣播特性， 其它下載用戶就可以接收到該條路線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，從而提升其下載數(shù)據(jù)速率。該方法為 一種啟發(fā)算法，在保證低復(fù)雜度的同時保證性能的可觀提升。
[0004] 為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方法予以實現(xiàn)的：
[0005] D2D網(wǎng)絡(luò)中支持P2P分享機制的數(shù)據(jù)下載路線設(shè)計方法，該方法涉及的網(wǎng)絡(luò)中包括 D2D網(wǎng)絡(luò)的多個D2D下載用戶，多個服務(wù)器，若干個自由D2D節(jié)點和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的多個蜂窩用戶 和一個中心基站，包括以下步驟：
[0006] 1)根據(jù)節(jié)點位置分布確定每條路由的起點和終點，每條路由的起點均是服務(wù)器， 終點均是D2D下載用戶；
[0007] 2)根據(jù)節(jié)點的位置分布確定每條路由分配的蜂窩頻譜資源；
[0008] 3)在確定分配頻率資源基礎(chǔ)上確定每條路由從起點到終點的具體線路。
[0009] 本發(fā)明進一步的改進在于，步驟1)中，路由的起始終點確定準則如下:每個D2D下 載用戶分別作為某一條路由的終點來選擇對應(yīng)的起點;選擇的方法為，首先計算所有D2D下 載用戶到所有服務(wù)器的距離，確定最遠距離對應(yīng)的D2D下載用戶作為第一條路由的終點，以 此D2D下載用戶選擇距離最近的服務(wù)器作為所在路由的起點；每一個D2D下載用戶和服務(wù)器 分別只能作為一條路由的起點和終點。
[0010] 本發(fā)明進一步的改進在于，步驟2)中，路由分配蜂窩頻譜資源的方法如下:首先計 算每條路由的起點服務(wù)器和終點D2D下載用戶到基站和所有蜂窩用戶的距離平方和，確定 該值最小者對應(yīng)的路由作為第一分配對象，該路由分配的蜂窩資源對應(yīng)的蜂窩用戶為所有 蜂窩用戶中與該路由的起點服務(wù)器和終點D2D下載用戶的距離平方和最小者。
[0011] 本發(fā)明進一步的改進在于，步驟3)中，每條路由的具體設(shè)計由兩階段構(gòu)成;其中在 第一階段，設(shè)計一條由路由起點服務(wù)器到路由終點D2D下載用戶的最短路徑;在第二階段， 根據(jù)其它下載用戶的位置對該路線進行修改。
[0012] 本發(fā)明進一步的改進在于，對于路由設(shè)計第一階段，初始化設(shè)計由路由起點服務(wù) 器到路由終點D2D下載用戶的最短路徑的準則，采用的是Dijkstra最短路徑算法。
[0013] 本發(fā)明進一步的改進在于，對于路由設(shè)計第二階段，修改初始化路徑建立的目標 函數(shù)為：
[0014]
(7)
[0015] 式中：H(fm-sn)表示從服務(wù)器fm到下載用戶~的總跳數(shù)，R th表示在多跳傳輸中每 一條必須滿足的速率要才
表示下載用戶Sn從服務(wù)器fm的下載速率，Nser和N sub 分別表示服務(wù)器和下載用戶的數(shù)目。
[0016] 本發(fā)明進一步的改進在于，具體步驟如下：
[0017] 301)找出其它下載用戶sv，的鄰居結(jié)點集合Ω (sv，），并統(tǒng)計出所有候選集合中的 節(jié)點Sc(sce U Ω (Sv'））的度D(sc)，sc(sce U Ω (Sv'））；
[0018] 302)初始化固定節(jié)點集C，C= {fu，sv}，該固定節(jié)點集合為修改路徑時，所選擇修改 路由中間節(jié)點對象；
[0019] 303)檢查其它下載用戶的鄰居節(jié)點集，是否有某些節(jié)點在9^.中，如若有則選擇該 集合中度最大的節(jié)點，將其按照在9^出現(xiàn)的順序插入到固定節(jié)點集C中，并設(shè)定該鄰居節(jié)點 集為空；
[0020] 304)根據(jù)更新后的鄰居節(jié)點集合重新計算將所有鄰居結(jié)點的度，并從大到小進行 排序，如果度相同，則按照該節(jié)點到規(guī)劃路線的距離L(t，C(nn，C(f))由小到大進行排序；
[0021] 305)選擇排序后的鄰居節(jié)點的第一個節(jié)點作為規(guī)劃節(jié)點T并確定修改節(jié)點C(M)和 C(N)，利用Dijsktra算法設(shè)計從節(jié)點C(M)到節(jié)點T的路徑和從節(jié)點T到節(jié)點C(N)的路徑，將C (M)-T-C(N)的路線取代原來在田"中C(M)-C(N)的路線得到新的路線;設(shè)定包含節(jié)點 T的所有鄰居節(jié)點集設(shè)定為空集；
[0022] 306)根據(jù)新的路由識'"，重新計算所有的下載用戶從該路線下載的速率總和，即：
[0023]
[0024] 比較修改路線前后的速率總和，如若修改路線后的整體系統(tǒng)下載速率增加，且對 于目的下載用戶而言，增加的跳數(shù)使其下載速率R(fu-sv)下降，但依然在可容忍范圍內(nèi)，BP /?( /,: 一> Λ',.p K，則用新的路線取代原來路線，8卩1 = ;跳轉(zhuǎn)至步驟303)，終止條件:所 有的Ω(~，）均為空。
[0025] 本發(fā)明進一步的改進在于，步驟301)中，鄰居節(jié)點的定義為：
[0026]
[0027]
[0028]
[0029]
[0030]度即該結(jié)點在所有集合中出現(xiàn)次數(shù)，表明該點為幾個下載用戶所共有，結(jié)點度越 大則表明假若該線路經(jīng)過此點的話，則會給更多的用戶帶來接收增益。
[0031] 本發(fā)明進一步的改進在于，步驟304)中，節(jié)點到規(guī)劃路線的距離L(t，C(nn，C(r〇) 的定義為·
[0032]
[0033]
[0034] 式⑹中κ( ·)表示集合的基數(shù);式(5)和式(6)表明如果自由節(jié)點t被選為規(guī)劃到 路徑中的節(jié)點，則節(jié)點C(n^)和C(f)之間的路徑成為作為被修改的對象。
[0035] 本發(fā)明所提出的D2D網(wǎng)絡(luò)中支持P2P分享機制的數(shù)據(jù)下載路線設(shè)計方法具有如下 優(yōu)點：
[0036] 首先，本發(fā)明的主要思想是利用無線信道的廣播特性，可以有效達到使用較少的 跳數(shù)，減少系統(tǒng)功率消耗;在相同的最大跳數(shù)限制下，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)下載速率提升更大。
[0037] 其實，該策略的主要依據(jù)為用戶的位置分布，從資源分配到路線設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié) 點位置分布是唯一的參考，這對于基于基站控制的D2D鏈路通信實現(xiàn)具有較低實現(xiàn)復(fù)雜度， 從而非常適合應(yīng)用于D2D通信系統(tǒng)。
【附圖說明】：
[0038]圖1是系統(tǒng)模型圖。
[0039] 圖2是不同多跳路由設(shè)計對比圖。
[0040] 圖3是不同下載用戶/服務(wù)器數(shù)目下的不同方法平均下載速率對比圖。
[0041 ]圖4是不同自由D2D節(jié)點數(shù)目下的不同方法平均下載速率對比圖。
[0042]圖5是不同下載用戶/服務(wù)器數(shù)目以及不同自由D2D節(jié)點數(shù)目下本發(fā)明平均下載速 率的三維曲面圖。
【具體實施方式】：
[0043]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0044] 本發(fā)明的核心思想是針對支持P2P分享機制的多跳D2D路由設(shè)計問題，根據(jù)不同下 載用戶、服務(wù)器和蜂窩用戶位置分布確定下載用戶和服務(wù)器的配對以及所有配對路由的頻 譜資源分配，在此基礎(chǔ)上，利用Dijkstra最短路徑算法規(guī)劃的規(guī)劃初始路線，然后根據(jù)所提 算法進行路徑修改，使得路由盡可能多的經(jīng)過其它下載用戶附近，這樣其它用戶就可以利 用無線就信道的廣播特性接收到該路線上的傳輸數(shù)據(jù)，以此增強其下載數(shù)據(jù)的速率。
[0045] 圖1所示為系統(tǒng)模型圖，具體的描述如下：
[0046] 1、網(wǎng)絡(luò)場景描述
[0047]考慮一個單小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)場景，該場景中包含一個基站，Μ個蜂窩用戶（CUE)，Nsub個 下載用戶具er個服務(wù)器，此外網(wǎng)絡(luò)中隨機分布N個自由D2D節(jié)點用戶(DUE)。假定每個蜂窩用 戶占用不同的頻譜，則蜂窩用戶間無干擾。每條D2D通信鏈路在每次傳輸過程中最多占用一 個蜂窩用戶的頻率資源。不失一般性，設(shè)定N sub = Nse3r = M。在此網(wǎng)絡(luò)中下載用戶試圖從服務(wù) 器中下載相同內(nèi)容數(shù)據(jù)?？紤]D2D通信復(fù)用蜂窩網(wǎng)絡(luò)上行頻譜資源，因此基站端受到D2D鏈 路發(fā)射端的干擾，D2D鏈路接收端收到蜂窩用戶的干擾。基站端需滿足一定通信質(zhì)量要求， 因此在基站端信號干擾比（SIR)須大于一定門限：
[0048]
(丄3)
[0049] 這里信道大尺度增益G = acrn，a為固定系數(shù)因子，τι為路損指數(shù)。Pcell為蜂窩用戶的 發(fā)射功率，P n為第η個D2D用戶的發(fā)射功率。dm表示第m個蜂窩用戶距離基站的距離，Δη表示 第η個D2D用戶距離基站的距離，p th為SIR門限。蜂窩用戶的發(fā)射功率固定，D2D用戶發(fā)射功率 可調(diào)整，則根據(jù)（1)可得到D2D用戶發(fā)射功率的上界：
[0050]
(14)
[0051 ]由（2)可得到D2D鏈路的最大傳輸速率，從第η個D2D用戶到第k個D2D用戶的最大傳 輸速率★·
[0052] (15)
[0053] 這里B表示每個蜂窩用戶占用頻譜的帶寬，dn,k表示第η個D2D用戶和第k個D2D用戶 之間的距離，A k,m表示第k個D2D用戶和第m個蜂窩用戶之間的距離，No為噪聲功率。
[0054] 2、求解優(yōu)化問題描述
[0055] 在設(shè)計多跳路由時，目標是最大化所有下載用戶的平均下載速率R，定義為：
[0056]
(1)
[0057] 這里H(fm^Sn)表示從第m個服務(wù)器到第η個下載用戶的總跳數(shù)，Rth表示在多跳傳 輸中每一條必須滿足的速率要求，貝1
t示第η個下載用戶從從第m個服務(wù)器的 下載速率。所有的從服務(wù)器到下載用戶的路徑表示為：
[0058]
[0059] 和表示從第i個服務(wù)器對應(yīng)的路徑。在設(shè)計路由之前需要確定不同的服務(wù)器-下載 用戶配對及所復(fù)用的蜂窩用戶頻譜，所有路線的服務(wù)器-下載用戶配對及頻譜分配用Λ表 示：
[0060]
(17)
[0061] 這里為表示第i個服務(wù)器為起點，以第j個下載用戶為終點規(guī)劃路線，該 路線上每一跳復(fù)用第m個蜂窩用戶的頻譜資源。以（MkhMk+l))表示鞏的第k跳，則根據(jù) 每一跳傳輸須滿足門限及根據(jù)(4)-(6)可將多跳路由設(shè)計問題表述為：
[0062] (18).
[0063] (19)
[0064] 3、優(yōu)化算法描述
[0065] 1)確定每個D2D下載用戶的源服務(wù)器。
[0066] 每個D2D下載用戶選擇對應(yīng)的源服務(wù)器的準則在于避免最壞情況的發(fā)生，即避免 離選擇服務(wù)器太遠。選擇的方法為，首先計算所有下載用戶到所有服務(wù)器的距離，確定最遠 距離對應(yīng)的下載用戶并以此下載用戶選擇距離最近的服務(wù)器作為源服務(wù)器。將此次選擇的 下載用戶和服務(wù)器剔除后繼續(xù)確定下一組服務(wù)器-下載用戶配對。
[0067] 2)確定每條路由所分配的頻譜資源。
[0068] 在1)基礎(chǔ)上，確定每個服務(wù)器到對應(yīng)配對下載用戶的路由所復(fù)用的蜂窩頻譜時， 考慮以該條路由與蜂窩鏈路的互干擾作為衡量指標，一般而言，D2D鏈路與蜂窩鏈路之間距 離越遠，則其之間的互干擾越小。因此互干擾計算用下載用戶和服務(wù)器到蜂窩用戶和基站 之間的距離平方和來表示。首先計算出所有路徑和所有蜂窩鏈路之間的互干擾，確定互干 擾最大即距離平方和最小對應(yīng)的路徑并以此路徑選擇互干擾最小的蜂窩鏈路的頻譜作為 復(fù)用的頻譜資源進行數(shù)據(jù)傳輸。剔除該條路徑和對應(yīng)的蜂窩鏈路后繼續(xù)確定下一條路徑所 復(fù)用的蜂窩頻譜資源。
[0069] 3)確定每條路由的具體線路。
[0070] 在1)和2)基礎(chǔ)上確定了（6)式的，根據(jù)(7)式，為最大化平均下載速率，一個有效方 法是規(guī)劃每條線路時使得盡量多的下載用戶可以接收到數(shù)據(jù)。利用無線信道的廣播特性， 如果設(shè)計路線時經(jīng)過這些下載用戶附近，則下載用戶可以通過無線信道合法竊聽到路由上 的傳輸數(shù)據(jù)增強自身的下載速率。通過定義下載用戶的鄰居節(jié)點：
[0071]
(2)
[0072] 可以進行路由設(shè)計時傳輸中繼的篩選。
[0073] 在設(shè)計路由時，一方面希望花盡量少的跳數(shù)經(jīng)過盡量多的下載用戶周圍。另一方 面路由跳數(shù)的增加，會對該路由的目的下載用戶的下載速率造成損失。因此對于路由的最 大跳數(shù)做出限制。
[0074] 這個路線設(shè)計的優(yōu)化的問題和旅行商問題類似但是更為復(fù)雜，因為某個下載用戶 的鄰居節(jié)點可能有多個，而路線可以經(jīng)過其中的任意一個。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點數(shù)增加時，用窮 盡搜索的方法去嘗試所有可能路徑的復(fù)雜度過高。因此綜合考慮所有下載用戶的位置分布 進行合理的路由設(shè)計是本發(fā)明的核心思想，即首先根據(jù)Dijkstra最短路由算法生成從服務(wù) 器到對應(yīng)下載用戶的路由，然后嘗試修改該路由，使的該路由經(jīng)過某一個D2D自由用戶節(jié) 點，該節(jié)點處于某一個或某一些其它下載用戶周圍，如此當(dāng)該節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)該條路徑上的數(shù)據(jù) 時，這些附近的下載用戶均可以接收。
[0075] 確定服務(wù)器fu到下載用戶Sv的路線時，可根據(jù)以下步驟確定最終路由：
[0076] Step 1:根據(jù)Dijkstra最短路由算法生成最短路徑。固定節(jié)點集C初始化為C = { fu，Sv } 〇
[0077] Step 2:找出其它下載用戶Sv，（ν'辛v)的候選結(jié)點集合Ω (Sv，），并統(tǒng)計出所有候 選集合中的節(jié)點ScXsce U Ω (Sv1))的度，有：
[0078] ⑶
[0079] (4)
[0080] 度即該結(jié)點在所有集合中出現(xiàn)次數(shù)，也表明該點為幾個下載用戶所共有，結(jié)點度 越大則表明假若該線路經(jīng)過此點的話，則會給更多的用戶帶來接收增益，因為更多的下載 用戶可以通過無線信道的廣播特性可以接收到該條路線上的數(shù)據(jù)信息。
[0081] Step 3:檢查其它下載用戶的鄰居節(jié)點集，是否有某些節(jié)點在隊中，如若有則選擇 該集合中度最大的節(jié)點(存在多個時選擇第一順序出現(xiàn)在處中的節(jié)點)將其按照在出現(xiàn) 的順序插入到C中，并設(shè)定該鄰居節(jié)點集為空。
[0082] Step 4:根據(jù)更新后的鄰居節(jié)點集合重新計算將所有鄰居結(jié)點的度，并從大到小 進行排序，如果度相同，則按照該結(jié)點到規(guī)劃路線的距離L(t，C(nn，C(f))由小到大進行排 序。L(t，C(m*)，C(n*))c(i)的定義為：
[0083]
[0084]
[0085] 這里κ( ·)表示集合的基數(shù)。（⑵式和（13)式表明如果自由節(jié)點t被選為規(guī)劃到路 徑中的節(jié)點，則節(jié)點C(n^)和C(f)之間的路徑成為作為被修改的對象。
[0086] Step 5:選擇排序后的鄰居節(jié)點的第一個節(jié)點作為規(guī)劃節(jié)點T并根據(jù)（12)和（13) 式確定修改節(jié)點C(M)和C(N)，利用Dijsktra算法設(shè)計從節(jié)點C(M)到節(jié)點T的路徑和從節(jié)點T 到節(jié)點C(N)的路徑，將C(M)-T-C(N)的路線取代原來在9?U*C(M)-C(N)的路線得到新的 路線。設(shè)定包含節(jié)點T的所有鄰居節(jié)點集設(shè)定為空集。
[0087] Step 6:根據(jù)新的路由聽',,，重新計算所有的下載用戶從該路線下載的速率總和， 即：
[0088
[0089]比較修改路線前后的速率總和，如若修改路線后的整體系統(tǒng)下載速率增加，且對 于目的下載用戶而言，增加的跳數(shù)使其下載速率R(fu-sv)下降，但依然在可容忍范圍內(nèi)，BP /?(./: - λ',.μ K，則可用新的路線取代原來路線，即隊a [0090] Step 7:終止條件:所有的Ω (Sv'）均為空。
[0091]圖2是不同多跳路由設(shè)計對比圖。仿真在一個半徑為500m的小區(qū)中，設(shè)定路由中的 每一跳的數(shù)據(jù)傳輸速率門限為2Mb/s，每條鏈路復(fù)用的頻譜帶寬為2MHz。蜂窩用戶的傳輸功 率為23dBm，基站端SIR門限設(shè)為8dB。設(shè)置路由的總跳數(shù)最大為20。仿真結(jié)果與另外兩種方 法進行對比，即無 P2P分享機制的路由設(shè)計算法和直向P2P分享的路由設(shè)計。直向P2P分享的 路由設(shè)計是在無 P2P分享機制的路由設(shè)計上擴展設(shè)計由該條路徑的下載用戶到另一下載用 戶的路由進行數(shù)據(jù)的分享。從圖中可看出，直向P2P分享路由只需重新設(shè)計從一個下載用戶 到另一個下載用戶之間的分享路線而未充分考慮所付出的跳數(shù)代價，圖中顯示需要增加4 跳來進行數(shù)據(jù)的分享。而本發(fā)明所提出的路由設(shè)計方法充分考慮下載用戶的位置分布，通 過修改原來無 P2P分享機制的路由使其經(jīng)過其它下載用戶附近，則可以只需一跳很小的跳 數(shù)代價，增加系統(tǒng)較大的下載速率增益。
[0092]圖3是不同下載用戶/服務(wù)器數(shù)目下的不同方法平均下載速率對比圖。固定網(wǎng)絡(luò)中 的自由D2D節(jié)點個數(shù)為80,隨著網(wǎng)絡(luò)中的下載用戶/服務(wù)器數(shù)量增加，對于本發(fā)明所提算法 下的系統(tǒng)平均下載速率也隨之增加;而對于無 P2P分享機制的路由設(shè)計和直向D2D分享路由 算法而言，系統(tǒng)平均下載速率保持不變。這是因為當(dāng)下載用戶/服務(wù)器數(shù)目增大時，這些新 增下載用戶的鄰居節(jié)點集有更大的可能有相互重疊，即有更大概率有共同的鄰居節(jié)點，根 據(jù)本發(fā)明算法原理，可以使的跳數(shù)不用增加也可以使得服務(wù)更多的下載用戶受益。
[0093]圖4顯示了下載用戶/服務(wù)器數(shù)目固定下，不同自由D2D節(jié)點數(shù)目下的不同方法平 均下載速率對比。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中自由D2D節(jié)點數(shù)目增大時，系統(tǒng)的平均下載速率也隨之增大，這 是因為如果自由節(jié)點數(shù)目增多，則在無論對于哪一種路由算法，找到更好的路徑的可能性 也隨之增加。
[0094]從圖3和圖4中可以看出，對比三種方法，本發(fā)明所提出的路由設(shè)計算法一直優(yōu)于 直向D2D分享路由設(shè)計算法，而直向D2D分享路由設(shè)計算法一直優(yōu)于無 P2P分享機制的路由 設(shè)計算法。這是因為前兩者均引入了 P2P分享的機制，使得一條線路上不僅僅只有一個下載 用戶受益。然而，本算法充分考慮了所有其它下載用戶的位置分布，通過合理的修改路線， 利用無線信道的廣播特性使得其它所有用戶的下載增益最大化，而對比直向D2D分享路由 設(shè)計算法，該算法只考慮兩個下載用戶之間的局部分享而沒有充分考慮整體。
[0095]圖5顯示了不同下載用戶/服務(wù)器數(shù)目以及不同自由D2D節(jié)點數(shù)目下本發(fā)明方法的 平均下載速率的曲面圖。從圖中可看出，隨著下載用戶/服務(wù)器數(shù)目和自由D2D節(jié)點數(shù)目的 增加，系統(tǒng)的平均下載速率也隨之增加。
【主權(quán)項】
1. D2D網(wǎng)絡(luò)中支持P2P分享機制的數(shù)據(jù)下載路線設(shè)計方法，其特征在于，該方法涉及的 網(wǎng)絡(luò)中包括D2D網(wǎng)絡(luò)的多個D2D下載用戶，多個服務(wù)器，若干個自由D2D節(jié)點和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的多 個蜂窩用戶和一個中心基站，包括以下步驟： 1) 根據(jù)節(jié)點位置分布確定每條路由的起點和終點，每條路由的起點均是服務(wù)器，終點 均是D2D下載用戶； 2) 根據(jù)節(jié)點的位置分布確定每條路由分配的蜂窩頻譜資源； 3) 在確定分配頻率資源基礎(chǔ)上確定每條路由從起點到終點的具體線路。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的D2D網(wǎng)絡(luò)中支持P2P分享機制的數(shù)據(jù)下載路線設(shè)計方法，其特 征在于，步驟1)中，路由的起始終點確定準則如下:每個D2D下載用戶分別作為某一條路由 的終點來選擇對應(yīng)的起點；選擇的方法為，首先計算所有D2D下載用戶到所有服務(wù)器的距 離，確定最遠距離對應(yīng)的D2D下載用戶作為第一條路由的終點，以此D2D下載用戶選擇距離 最近的服務(wù)器作為所在路由的起點；每一個D2D下載用戶和服務(wù)器分別只能作為一條路由 的起點和終點。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的D2D網(wǎng)絡(luò)中支持P2P分享機制的數(shù)據(jù)下載路線設(shè)計方法，其特 征在于，步驟2)中，路由分配蜂窩頻譜資源的方法如下:首先計算每條路由的起點服務(wù)器和 終點D2D下載用戶到基站和所有蜂窩用戶的距離平方和，確定該值最小者對應(yīng)的路由作為 第一分配對象，該路由分配的蜂窩資源對應(yīng)的蜂窩用戶為所有蜂窩用戶中與該路由的起點 服務(wù)器和終點D2D下載用戶的距離平方和最小者。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的D2D網(wǎng)絡(luò)中支持P2P分享機制的數(shù)據(jù)下載路線設(shè)計方法，其特 征在于，步驟3)中，每條路由的具體設(shè)計由兩階段構(gòu)成;其中在第一階段，設(shè)計一條由路由 起點服務(wù)器到路由終點D2D下載用戶的最短路徑;在第二階段，根據(jù)其它下載用戶的位置對 該路線進行修改。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的D2D網(wǎng)絡(luò)中支持P2P分享機制的數(shù)據(jù)下載路線設(shè)計方法，其特 征在于，對于路由設(shè)計第一階段，初始化設(shè)計由路由起點服務(wù)器到路由終點D2D下載用戶的 最短路徑的準則，米用的是Di jkstra最短路徑算法。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的D2D網(wǎng)絡(luò)中支持P2P分享機制的數(shù)據(jù)下載路線設(shè)計方法，其特 征在于，對于路由設(shè)計第二階段，修改初始化路徑建立的目標函數(shù)為：式中：H(fm-sn)表示從服務(wù)器fm到下載用戶sn的總跳數(shù)，R th表示在多跳傳輸中每一條 必須滿足的速率要求表示下載用戶sJ人服務(wù)器匕的下載速率，Nser和N sub分別 表示服務(wù)器和下載用戶的數(shù)目。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的D2D網(wǎng)絡(luò)中支持P2P分享機制的數(shù)據(jù)下載路線設(shè)計方法，其特 征在于，具體步驟如下： 301) 找出其它下載用戶sv，的鄰居結(jié)點集合Ω (Sv，），并統(tǒng)計出所有候選集合中的節(jié)點s。 (sceUΩ(s v'））的度D(sc)，sc(sceUΩ(sv'））； 302) 初始化固定節(jié)點集C，C ={fu，sv}，該固定節(jié)點集合為修改路徑時，所選擇修改路由 中間節(jié)點對象； 303) 檢查其它下載用戶的鄰居節(jié)點集，是否有某些節(jié)點在Sit中，如若有則選擇該集合 中度最大的節(jié)點，將其按照在9^出現(xiàn)的順序插入到固定節(jié)點集C中，并設(shè)定該鄰居節(jié)點集為 空； 304) 根據(jù)更新后的鄰居節(jié)點集合重新計算將所有鄰居結(jié)點的度，并從大到小進行排 序，如果度相同，則按照該節(jié)點到規(guī)劃路線的距離L(t，C(nn，C(n，）由小到大進行排序； 305) 選擇排序后的鄰居節(jié)點的第一個節(jié)點作為規(guī)劃節(jié)點T并確定修改節(jié)點C(M)和C (N)，利用Dijsktra算法設(shè)計從節(jié)點C(M)到節(jié)點T的路徑和從節(jié)點T到節(jié)點C(N)的路徑，將C (M)-T-C(N)的路線取代原來在貨8中C(M)^C(N)的路線得到新的路線設(shè)定包含節(jié)點T 的所有鄰居節(jié)點集設(shè)定為空集； 306) 根據(jù)新的路由，重新計算所有的下載用戶從該路線下載的速率總和，即：比較修改路線前后的速率總和，如若修改路線后的整體系統(tǒng)下載速率增加，且對于目 的下載用戶而言，增加的跳數(shù)使其下載速率R(fu-sv)下降，但依然在可容忍范圍內(nèi)，BP /?(/:,-> .sVX:，則用新的路線取代原來路線，即隊=9^ 跳轉(zhuǎn)至步驟303)，終止條件:所 有的Ω (sv，）均為空。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的D2D網(wǎng)絡(luò)中支持P2P分享機制的數(shù)據(jù)下載路線設(shè)計方法，其特 征在于，步驟301)中，鄰居節(jié)點的定義為：度即該結(jié)點在所有集合中出現(xiàn)次數(shù)，表明該點為幾個下載用戶所共有，結(jié)點度越大則 表明假若該線路經(jīng)過此點的話，則會給更多的用戶帶來接收增益。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的D2D網(wǎng)絡(luò)中支持P2P分享機制的數(shù)據(jù)下載路線設(shè)計方法，其特 征在于，步驟304)中，節(jié)點到規(guī)劃路線的距離L(t，C(nn，C(f))的定義為：式(6)中κ( ·)表示集合的基數(shù);式(5)和式(6)表明如果自由節(jié)點t被選為規(guī)劃到路徑 中的節(jié)點，則節(jié)點C(n^)和C(W)之間的路徑成為作為被修改的對象。
【文檔編號】H04L29/08GK105933945SQ201610207144
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月1日
【發(fā)明人】任品毅, 劉猛, 杜清河, 孫黎
【申請人】西安交通大學(xué)