一種d2d通信中基于社交感知的用戶發(fā)現(xiàn)及資源分配方法
【專利摘要】本發(fā)明一種D2D通信中基于社交感知的用戶發(fā)現(xiàn)及資源分配方法，屬于移動(dòng)通信領(lǐng)域。具體為：首先，建立滿足社交關(guān)系及物理位置限制的D2D通信場(chǎng)景；根據(jù)D2D通信用戶發(fā)現(xiàn)及配對(duì)算法，對(duì)場(chǎng)景中的D2D通信用戶進(jìn)行配對(duì)并優(yōu)化；進(jìn)一步計(jì)算基站的整個(gè)系統(tǒng)吞吐量CTotal；然后，將系統(tǒng)吞吐量CTotal作為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合限制條件，采用量子粒子群算法進(jìn)行求解，得到最佳的粒子位置，從而進(jìn)行系統(tǒng)子載波及功率分配；最后，對(duì)D2D通信中基于社交感知的用戶發(fā)現(xiàn)及資源分配進(jìn)行仿真驗(yàn)證；優(yōu)點(diǎn)在于：考慮了用戶節(jié)點(diǎn)剩余能量及請(qǐng)求沖突情況下的退避機(jī)制；并且聯(lián)合子載波及功率分配，提出了資源聯(lián)合分配方法，根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，社交感知的D2D發(fā)現(xiàn)及配對(duì)算法具有更好的性能。
【專利說(shuō)明】
一種D2D通信中基于社交感知的用戶發(fā)現(xiàn)及資源分配方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于移動(dòng)通信領(lǐng)域，具體涉及一種D2D通信中基于社交感知的用戶發(fā)現(xiàn)及 資源分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，隨著移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，人們對(duì)無(wú)線移動(dòng)業(yè)務(wù)的需求(語(yǔ) 音、圖像、視頻等)急劇增加。各種各樣的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用逐漸普及且更具移動(dòng)性，無(wú)線終端的數(shù) 量以及移動(dòng)無(wú)線數(shù)據(jù)流量也隨之激烈增長(zhǎng)。為了不斷滿足用戶的需求，提升系統(tǒng)容量成為 關(guān)鍵。
[0003] Device-t〇-Device(D2D)通信作為一種重要的近場(chǎng)通信技術(shù)，已經(jīng)進(jìn)入LTE-A系統(tǒng) 的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，并且成為5G的候選技術(shù)。D2D通信技術(shù)可以有效提高傳輸速率，降低時(shí)延，減 少功耗；同時(shí)通過(guò)復(fù)用等形式可以提升頻譜效率。D2D通信常應(yīng)用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)分流， 進(jìn)而增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)容量。然而，在D2D通信中，D2D用戶發(fā)現(xiàn)及配對(duì)作為D2D通信建立的基礎(chǔ)，目前 成為了有待解決的關(guān)鍵問(wèn)題;另外，應(yīng)用D2D通信到蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，雖然可以提升資源利用率， 但是同樣帶來(lái)了嚴(yán)重的干擾問(wèn)題，如何進(jìn)行資源分配從而克服干擾是另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。合 理有效的資源分配方案可以有效提升系統(tǒng)吞吐量，進(jìn)而改善系統(tǒng)性能。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)，文獻(xiàn)1:D2D underlay通信中使用拍賣(mài)博弈優(yōu)化子載波及功率分配， 2014年ICC會(huì)議頁(yè)數(shù)5526-5531;研究了D2D通信underlay蜂窩網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，子載波和功率的 聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)使用聯(lián)盟博弈獲得了最優(yōu)的分配方案。缺點(diǎn)在于沒(méi)有考慮D2D用戶發(fā)現(xiàn) 及配對(duì)問(wèn)題，默認(rèn)在已經(jīng)確定的D2D場(chǎng)景中完成資源分配;然而D2D發(fā)現(xiàn)及配對(duì)作為D2D通信 的關(guān)鍵因素有待于解決。
[0005] 而在文獻(xiàn)2 :D2D通信underlaying蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信中基于移動(dòng)社交網(wǎng)絡(luò)的能量有效 的資源分配2014年ICC會(huì)議頁(yè)數(shù)2466-2471;針對(duì)D2D通信的中繼選擇問(wèn)題，發(fā)明人結(jié)合社交 感知，聯(lián)合社交層及物理層的關(guān)系提出了一個(gè)中繼選擇的最優(yōu)駐停策略。但是，也沒(méi)有利用 社交感知對(duì)D2D用戶發(fā)現(xiàn)及配對(duì)問(wèn)題進(jìn)行明確的研究。并且二者都沒(méi)有聯(lián)合考慮D2D用戶發(fā) 現(xiàn)配對(duì)及資源分配問(wèn)題。
[0006] 在文獻(xiàn)3: 5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)中D2D通信：挑戰(zhàn)，方案及未來(lái)方向。IEEE通信雜志，期刊號(hào) 52.，卷號(hào)5,頁(yè)數(shù)86-92,2014年5月提出了一種基于社交感知的D2D用戶發(fā)現(xiàn)方案，通過(guò)社交 網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)建立ad hoc網(wǎng)絡(luò)用戶發(fā)現(xiàn)，通過(guò)社交特點(diǎn)將用戶分組，進(jìn)一步利用信標(biāo)高效地 尋找D2D用戶，提升用戶的匹配率。雖然涉及到了社交網(wǎng)絡(luò)的一些度量及特點(diǎn)，但只研究了 D2D用戶配對(duì)，并沒(méi)有考慮資源分配的問(wèn)題。
[0007] 綜上可知，D2D通信作為未來(lái)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，極大地拉近了用戶與用戶的通 信距離，可以通過(guò)復(fù)用蜂窩資源，有效地提升資源利用率，進(jìn)而提升系統(tǒng)容量。然而，在D2D 通信場(chǎng)景下，如何有效地實(shí)現(xiàn)D2D用戶發(fā)現(xiàn)及配對(duì)過(guò)程，與資源分配問(wèn)題相結(jié)合，成為了研 究重點(diǎn)；同時(shí)還有聯(lián)合功率及子載波優(yōu)化也成為難點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明針對(duì)用戶的社交特點(diǎn)，利用用戶間的社交關(guān)系輔助建立D2D用戶配對(duì)，并考 慮節(jié)點(diǎn)剩余能量以及請(qǐng)求沖突問(wèn)題，優(yōu)化D2D用戶發(fā)現(xiàn)及配對(duì);并在此基礎(chǔ)上解決頻譜資源 及功率的聯(lián)合優(yōu)化分配，進(jìn)而最大化系統(tǒng)吞吐量;具體是一種D2D通信中基于社交感知的用 戶發(fā)現(xiàn)及資源分配方法。
[0009] 具體步驟如下：
[0010] 步驟一、針對(duì)D2D通信中具備社交感知特性的用戶，建立滿足社交關(guān)系及物理位置 限制的D2D通信場(chǎng)景；
[0011] 場(chǎng)景中包括一個(gè)基站和若干個(gè)用戶;其中，每個(gè)用戶都與基站進(jìn)行蜂窩通信；用戶 與用戶之間在滿足物理位置的距離限制范圍內(nèi)進(jìn)行D2D通信;D2D通信中用戶分為兩類(lèi):其 中發(fā)送請(qǐng)求的用戶作為請(qǐng)求用戶，共S個(gè);滿足請(qǐng)求的用戶作為空閑可服務(wù)用戶，共M個(gè)； [0012]步驟二、根據(jù)D2D通信用戶發(fā)現(xiàn)及配對(duì)算法，對(duì)場(chǎng)景中的D2D通信用戶進(jìn)行配對(duì)并 優(yōu)化；
[0013] 具體步驟如下：
[0014] 步驟201、對(duì)D2D通信用戶發(fā)現(xiàn)及配對(duì)算法進(jìn)行初始化；
[0015] 包括:對(duì)每個(gè)用戶的能量初始化為Eo;每個(gè)空閑可服務(wù)用戶在空閑的狀態(tài)下標(biāo)志 位F為0,當(dāng)空閑可服務(wù)用戶被占用時(shí)標(biāo)志位F為1;以及設(shè)定D2D通信用戶發(fā)現(xiàn)及配對(duì)時(shí)間周 期為T(mén)。
[0016] 步驟202、在時(shí)間周期T內(nèi)，S個(gè)請(qǐng)求用戶同時(shí)向有社交關(guān)系的用戶分別發(fā)送內(nèi)容請(qǐng) 求，具有社交關(guān)系的用戶分別進(jìn)行單跳轉(zhuǎn)發(fā)，滿足內(nèi)容請(qǐng)求的空閑可服務(wù)用戶進(jìn)行響應(yīng)并 返回能量信息；
[0017] 社交關(guān)系的用戶包括在物理位置限制范圍內(nèi)的請(qǐng)求用戶和空閑可服務(wù)用戶；
[0018] 步驟203、每個(gè)請(qǐng)求用戶分別獲取響應(yīng)的各空閑可服務(wù)用戶的剩余能量信息；
[0019] 某個(gè)響應(yīng)的空閑可服務(wù)用戶的剩余能量信息表示為Em;m=l，2，..M;
[0020] 步驟204、針對(duì)某個(gè)請(qǐng)求用戶u，分別計(jì)算響應(yīng)的各空閑可服務(wù)用戶的剩余能量與 請(qǐng)求用戶u請(qǐng)求內(nèi)容需要消耗的能量之差Em_G u;
[0021] Gu表示請(qǐng)求用戶u的請(qǐng)求內(nèi)容需要消耗的能量，u=l，2, . . .，S;
[0022]步驟205、根據(jù)能量差值將響應(yīng)的各空閑可服務(wù)用戶降序排列，生成候選配對(duì)用戶 列表;并選擇最大差值對(duì)應(yīng)的空閑可服務(wù)用戶m發(fā)送請(qǐng)求；
[0023] m = argmax (Em-Gu)
[0024] Em>Gu,mGM；
[0025]步驟206、對(duì)于某個(gè)空閑可服務(wù)用戶m，判斷是否有兩個(gè)以上用戶發(fā)送請(qǐng)求，如果有 進(jìn)入步驟207，否則，進(jìn)入步驟208;
[0026]步驟207、兩個(gè)以上用戶請(qǐng)求沖突，空閑可服務(wù)用戶m拒絕所有請(qǐng)求用戶并返回請(qǐng) 求沖突信息，并進(jìn)入步驟209;
[0027]步驟208、請(qǐng)求用戶與空閑可服務(wù)用戶m配對(duì)，建立D2D連接并進(jìn)行通信；
[0028]步驟209、各請(qǐng)求用戶收到?jīng)_突響應(yīng)后，依據(jù)請(qǐng)求用戶退避原則重新請(qǐng)求，啟動(dòng)每 個(gè)請(qǐng)求用戶的定時(shí)器，定時(shí)器時(shí)間最早歸零的請(qǐng)求用戶重新發(fā)送請(qǐng)求，與空閑可服務(wù)用戶m 配對(duì)并建立D2D通信，并且空閑可服務(wù)用戶m的標(biāo)志位置F為1;
[0029] 每個(gè)請(qǐng)求用戶都具有一個(gè)定時(shí)器，請(qǐng)求用戶u的定時(shí)器為T(mén)u，
[0030] Tu = P/Au
[0031] 0是毫秒級(jí)常量 4表示請(qǐng)求用戶的權(quán)值系數(shù)，f(Eu)為關(guān)于用戶剩 余能量的符號(hào)函數(shù)，其表達(dá)式為
[0033] 剩余能量多的空閑可服務(wù)用戶對(duì)應(yīng)的Au大，相應(yīng)的定時(shí)器時(shí)間短。
[0034] 步驟210、針對(duì)定時(shí)器時(shí)間不是最早歸零的其余各請(qǐng)求用戶，根據(jù)各自的候選配對(duì) 用戶列表，判斷是否存在其他空余的候選空閑可服務(wù)用戶，如果存在，則進(jìn)入步驟211，否則 進(jìn)入步驟212;
[0035] 步驟211、根據(jù)候選配對(duì)用戶列表選擇次優(yōu)的空閑可服務(wù)用戶請(qǐng)求配對(duì)，并設(shè)置對(duì) 應(yīng)的空閑可服務(wù)用戶標(biāo)志位F為1;
[0036] 步驟212、候選配對(duì)用戶列表中沒(méi)有空間可服務(wù)用戶存在，向宏基站請(qǐng)求數(shù)據(jù)；
[0037] 步驟213、所有的空閑可服務(wù)用戶的標(biāo)志位F為1或者用戶配對(duì)周期T結(jié)束，輸出D2D 通信用戶發(fā)現(xiàn)及配對(duì)結(jié)果，沒(méi)有配對(duì)的請(qǐng)求用戶則通過(guò)蜂窩基站請(qǐng)求內(nèi)容。
[0038]步驟三、針對(duì)優(yōu)化后的D2D通信配對(duì)用戶以及與基站進(jìn)行通信的蜂窩用戶，計(jì)算基 站的整個(gè)系統(tǒng)吞吐量CTotal;
[0039]蜂窩用戶集合為Q C= {1，. . .，i，. . .Md，MC表示與基站進(jìn)行通信的請(qǐng)求用戶數(shù)量； D2D通信配對(duì)用戶的集合為Q D= {1，. . .，j，. . .Md} ;Md表示D2D通信中配對(duì)用戶的數(shù)量。
[0040] 具體步驟如下：
[0041] 首先、計(jì)算與基站進(jìn)行通信的蜂窩用戶i的信干噪比 [0042]蜂窩用戶i的信干噪比表示為：
[0044] 其中，<與紀(jì)分別表示信道分配因子。< 表示子信道n被分配給蜂窩用戶i使用； 紀(jì)=1表示子信道n被分配給D2D通信的第j對(duì)配對(duì)用戶;W表示蜂窩用戶i在子信道n上的傳 輸功率;表示D2D通信的第j對(duì)配對(duì)用戶在子信道n上的傳輸功率。|Af|表示蜂窩用戶i在 子信道n上的信道增益，|表示D2D通信的第j對(duì)配對(duì)用戶在子信道n上的信道增益。 IV I2表示D2D配對(duì)通信用戶對(duì)蜂窩用戶通信的干擾，N〇W表示加性高斯白噪聲的功 率，w為子信道的帶寬。
[0045] 然后、計(jì)算D2D通信中的第j對(duì)配對(duì)用戶的信干噪比i
[0047] |%f |為在子載波n上D2D通信中第j對(duì)配對(duì)用戶的發(fā)送端到接收端的信道增益，| 為在子載波n上蜂窩用戶i對(duì)D2D通信中第j對(duì)配對(duì)用戶接收端的信道增益，| %p |表示在子 信道n上，其他D2D通信中第j'對(duì)配對(duì)用戶發(fā)送端對(duì)D2D通信中第j對(duì)配對(duì)用戶接收端的信道 增益，為蜂窩用戶對(duì)D2D配對(duì)通信用戶的干擾，Z ? I以I2為D2D配對(duì)通 信用戶對(duì)之間的干擾。
[0048]最后、根據(jù)蜂窩用戶和D2D配對(duì)通信用戶的信干噪比，計(jì)算基站的整個(gè)系統(tǒng)吞吐量 Clotal ； Md
[0049] CTotll =^R； /=1 N
[0050] 《=Zriog2(l+，;） n~l
[0051 ]考=土fFlog:(丨 H-，:'：） :W~1
[0052] 盡表示蜂窩用戶i的傳輸速率，表示D2D通信的第j對(duì)配對(duì)用戶的傳輸速率;子 信道n的總數(shù)量為N。
[0053]步驟四、將系統(tǒng)吞吐量CTcital作為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合限制條件，采用量子粒子群算法進(jìn) 行求解，得到最佳的粒子位置，從而進(jìn)行系統(tǒng)子載波及功率分配，保證系統(tǒng)吞吐量CTotal的 值最大；
[0054]為了保證系統(tǒng)吞吐量CTcital的值最大化，限制條件如下：
[0055] Cl:< e Mv
[0056] C2: Ja；, <1,V? t=l
[0057] C3: p：, < pCpeah\pi < pDpmk,ynJ,j
[0058] C4 ：j^pn< PCtotal Pi ^ PDt〇,a! j n~\ ?=1
[0059] C5:R； >i?Cmi\V；Gq,
[0060] Cb:R； >
[0061] 在限制條件中，Cl表示<，<為布爾型變量;C2表示1個(gè)子信道只能分配給1個(gè)蜂 窩用戶；
[0062] C3表示每個(gè)蜂窩用戶及D2D配對(duì)通信用戶的功率分配限制；
[0063] 每個(gè)蜂窩用戶的功率分配限制滿足X ;pepeak表示蜂窩用戶的功率峰值；
[0064] D2D配對(duì)通信用戶的功率分配限制滿足< S //)pe<SpDpeak表示D2D配對(duì)通信用戶的 功率峰值；
[0065] C4表示所有的蜂窩用戶及所有的D2D配對(duì)通信用戶的功率限制；
[0066] 所有的蜂窩用戶的功率限制滿足|；沁<4_,屮^。&1表示所有蜂窩用戶的總功 H-1 率。 .N''
[0067] 所有的D2D配對(duì)通信用戶的功率限制滿足;PDtcltal表示所有D2D配對(duì)通 n-i 信用戶的總功率。
[0068] C5表示每個(gè)與基站進(jìn)行通信的蜂窩用戶滿足QoS需求和自小傳輸速率限制;Remin 表示蜂窩用戶的最小傳輸速率門(mén)限；
[0069] C6表示每個(gè)D2D配對(duì)通信用戶滿足QoS需求和自小傳輸速率限制；RDmin表示D2D配 對(duì)通信用戶的最小傳輸速率門(mén)限。
[0070] 步驟五、對(duì)D2D通信中基于社交感知的用戶發(fā)現(xiàn)及資源分配進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
[0071] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0072] 1)、本發(fā)明一種D2D通信中基于社交感知的用戶發(fā)現(xiàn)及資源分配方法，考慮了用戶 節(jié)點(diǎn)剩余能量及請(qǐng)求沖突情況下的退避機(jī)制，旨在優(yōu)化D2D通信系統(tǒng)中的D2D對(duì)數(shù)量;并且 聯(lián)合了子載波及功率分配，提出了資源聯(lián)合分配方法，根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，社交感知的 D2D發(fā)現(xiàn)及配對(duì)算法具有更好的性能。
[0073] 2)、本發(fā)明一種D2D通信中基于社交感知的用戶發(fā)現(xiàn)及資源分配方法，綜合考慮了 頻譜及功率資源的聯(lián)合分配，通過(guò)QPS0算法在較低復(fù)雜度情況下獲得了系統(tǒng)的次優(yōu)解，并 通過(guò)系統(tǒng)吞吐量等參數(shù)論證了社交感知的D2D發(fā)現(xiàn)匹配算法的可行性及優(yōu)越性。
[0074] 3)、本發(fā)明一種D2D通信中基于社交感知的用戶發(fā)現(xiàn)及資源分配方法，可以實(shí)現(xiàn)周 期性的D2D發(fā)現(xiàn)及配對(duì)，以及頻譜及功率的動(dòng)態(tài)分配，使得頻譜利用率顯著提升。
【附圖說(shuō)明】
[0075]圖1為本發(fā)明一種D2D通信中基于社交感知的用戶發(fā)現(xiàn)及資源分配的系統(tǒng)模型圖；
[0076] 圖2為本發(fā)明一種D2D通信中基于社交感知的用戶發(fā)現(xiàn)及資源分配方法流程圖；
[0077] 圖3為本發(fā)明對(duì)D2D通信用戶進(jìn)行配對(duì)并優(yōu)化的方法流程圖；
[0078] 圖4為本發(fā)明量子粒子群算法收斂性示意圖；
[0079] 圖5為本發(fā)明社交感知的D2D發(fā)現(xiàn)配對(duì)算法性能與用戶數(shù)量的關(guān)系圖；
[0080] 圖6為本發(fā)明D2D用戶對(duì)與D2D最大通信距離關(guān)系圖；
[0081] 圖7為本發(fā)明系統(tǒng)吞吐量與用戶數(shù)量關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0082]下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0083] D2D通信必須滿足用戶的地理位置臨近，在如圖1所示的通信場(chǎng)景中，物理層的用 戶只有位置臨近才可能建立D2D通信，本發(fā)明中，考慮到通信網(wǎng)絡(luò)中的用戶具備社交特性， 即有社交關(guān)系的用戶會(huì)在內(nèi)容偏好上會(huì)相互影響，進(jìn)而在感興趣的內(nèi)容上存在相似性，這 一特點(diǎn)符合本地D2D通信的特質(zhì)?？梢?jiàn)結(jié)合用戶間的社交關(guān)系，可以更好地為提升D2D通信 性能，而且具有社交關(guān)系的D2D用戶通信更為穩(wěn)定。
[0084]本發(fā)明從通信穩(wěn)定性的角度出發(fā)，結(jié)合了用戶的社交關(guān)系，建立滿足社交關(guān)系及 物理位置限制的D2D用戶對(duì)。在用戶配對(duì)過(guò)程中，借助用戶之間的社交關(guān)系，提出具有社交 關(guān)系的用戶單跳轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求，從而輔助建立非社交用戶的D2D鏈路。其中轉(zhuǎn)發(fā)用戶只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā) 內(nèi)容請(qǐng)求，并不作為中繼。例如，用戶1為用戶2和用戶5的共同好友，但用戶2和用戶5并沒(méi)有 社交關(guān)系，但二者在物理位置上滿足D2D通信要求，通過(guò)用戶1的社交關(guān)系，輔助建立用戶2 和用戶5之間的社交聯(lián)系，其中用戶1并不作為中繼，進(jìn)而直接建立用戶2和用戶5的D2D鏈 路。
[0085]如圖2所示，D2D通信中基于社交感知的用戶發(fā)現(xiàn)及資源分配方法，具體步驟如下： [0086]步驟一、針對(duì)D2D通信中具備社交感知特性的用戶，建立滿足社交關(guān)系及物理位置 限制的D2D通信場(chǎng)景；
[0087]場(chǎng)景中包括一個(gè)基站和若干個(gè)用戶;其中，每個(gè)用戶都與基站進(jìn)行蜂窩通信；用戶 與用戶之間在滿足物理位置的距離限制范圍內(nèi)進(jìn)行D2D通信;D2D通信中用戶分為兩類(lèi):其 中發(fā)送請(qǐng)求的用戶作為請(qǐng)求用戶，共S個(gè);滿足請(qǐng)求的用戶作為空閑可服務(wù)用戶，共M個(gè)； [0088]步驟二、根據(jù)D2D通信用戶發(fā)現(xiàn)及配對(duì)算法，對(duì)場(chǎng)景中的D2D通信用戶進(jìn)行配對(duì)并 優(yōu)化；
[0089] 如圖3所示，具體步驟如下：
[0090] 步驟201、對(duì)D2D通信用戶發(fā)現(xiàn)及配對(duì)算法進(jìn)行初始化；
[0091] 包括:初始化每個(gè)狀態(tài)時(shí)刻:對(duì)每個(gè)用戶的能量初始化為Eo;每個(gè)空閑可服務(wù)用戶 在空閑的狀態(tài)下標(biāo)志位F為0,當(dāng)空閑可服務(wù)用戶被占用時(shí)標(biāo)志位F為1;請(qǐng)求用戶默認(rèn)標(biāo)識(shí) 1，被滿足后標(biāo)志位仍為1;并設(shè)定每個(gè)用戶都具有一個(gè)定時(shí)器數(shù)T n，以及設(shè)定D2D通信用戶 發(fā)現(xiàn)及配對(duì)時(shí)間周期為T(mén)。
[0092] 步驟202、在時(shí)間周期T內(nèi)，S個(gè)請(qǐng)求用戶同時(shí)向有社交關(guān)系的用戶分別發(fā)送內(nèi)容請(qǐng) 求，具有社交關(guān)系的用戶分別進(jìn)行單跳轉(zhuǎn)發(fā)，滿足內(nèi)容請(qǐng)求的空閑可服務(wù)用戶進(jìn)行響應(yīng)并 返回能量信息；
[0093] 社交關(guān)系的用戶包括在物理位置限制范圍內(nèi)的請(qǐng)求用戶和空閑可服務(wù)用戶;每個(gè) 請(qǐng)求用戶向其有社交關(guān)系的用戶發(fā)送內(nèi)容請(qǐng)求，其中空閑的用戶接收請(qǐng)求并進(jìn)行單跳轉(zhuǎn) 發(fā);根據(jù)相應(yīng)的內(nèi)容請(qǐng)求，滿足內(nèi)容請(qǐng)求的空閑用戶將進(jìn)行響應(yīng)并返回其相關(guān)信息；
[0094] 步驟203、每個(gè)請(qǐng)求用戶分別獲取各自響應(yīng)的空閑可服務(wù)用戶的響應(yīng)信息及剩余 能量信息；
[0095]某個(gè)響應(yīng)的空閑可服務(wù)用戶的剩余能量信息表示為Em;m=l，2, . .M;
[0096] 步驟204、針對(duì)某個(gè)請(qǐng)求用戶u，分別計(jì)算響應(yīng)的各空閑可服務(wù)用戶的剩余能量與 請(qǐng)求用戶u請(qǐng)求內(nèi)容需要消耗的能量之差Em_G u;
[0097] 其中Em代表候選的空閑客服務(wù)用戶的剩余能量，Gu表示請(qǐng)求用戶u的請(qǐng)求內(nèi)容需要 消耗的能量，u = l，2，...，S;
[0098]步驟205、根據(jù)能量差值將響應(yīng)的各空閑可服務(wù)用戶降序排列，生成候選配對(duì)用戶 列表;并選擇最大差值對(duì)應(yīng)的空閑可服務(wù)用戶m發(fā)送請(qǐng)求；
[0099] m = argmax (Em-Gu) (1)
[0100] 最大差值對(duì)應(yīng)的空閑可服務(wù)用戶m為最優(yōu)選擇，Em>Gu，mGM;
[0101]步驟206、對(duì)于某個(gè)空閑可服務(wù)用戶m，判斷是否有兩個(gè)以上用戶發(fā)送請(qǐng)求，如果有 進(jìn)入步驟207，否則，進(jìn)入步驟208;
[0102]在D2D用戶發(fā)現(xiàn)及配對(duì)周期T內(nèi)，多個(gè)請(qǐng)求用戶發(fā)出內(nèi)容請(qǐng)求，（請(qǐng)求的內(nèi)容可以不 同），造成請(qǐng)求沖突；
[0103]步驟207、兩個(gè)以上用戶請(qǐng)求沖突，空閑可服務(wù)用戶m拒絕所有請(qǐng)求用戶并返回請(qǐng) 求沖突信息，并進(jìn)入步驟209;
[0104] 步驟208、請(qǐng)求用戶與空閑可服務(wù)用戶m配對(duì)，建立D2D連接并進(jìn)行通信；
[0105]步驟209、各請(qǐng)求用戶收到?jīng)_突響應(yīng)后，依據(jù)請(qǐng)求用戶退避原則重新請(qǐng)求，啟動(dòng)每 個(gè)請(qǐng)求用戶的定時(shí)器，定時(shí)器時(shí)間最早歸零的請(qǐng)求用戶重新發(fā)送請(qǐng)求，與空閑可服務(wù)用戶m 配對(duì)并建立D2D通信，并且空閑可服務(wù)用戶m的標(biāo)志位置F為1;
[0106] 為了減少節(jié)點(diǎn)的信令開(kāi)銷(xiāo)，每個(gè)請(qǐng)求用戶啟動(dòng)定時(shí)器，請(qǐng)求用戶u的定時(shí)器為T(mén)u，
[0107] Tu = P/Au (2)
[0108] 0是毫秒級(jí)常量， k表示請(qǐng)求用戶的權(quán)值系數(shù)，f(Eu)為關(guān)于用戶剩 余能量的符號(hào)函數(shù)，其表達(dá)式為
[0110]剩余能量多的空閑可服務(wù)用戶對(duì)應(yīng)的A u大，相應(yīng)的定時(shí)器時(shí)間短，較快地重新發(fā) 送請(qǐng)求。
[0111] 步驟210、針對(duì)定時(shí)器時(shí)間不是最早歸零的其余各請(qǐng)求用戶，根據(jù)各自的候選配對(duì) 用戶列表，判斷是否存在其他空余的候選空閑可服務(wù)用戶，如果存在，則進(jìn)入步驟211，否則 進(jìn)入步驟212;
[0112] 步驟211、根據(jù)候選配對(duì)用戶列表選擇次優(yōu)的空閑可服務(wù)用戶請(qǐng)求配對(duì)，并設(shè)置對(duì) 應(yīng)的空閑可服務(wù)用戶標(biāo)志位F為1;
[0113] 依據(jù)剩余能量?jī)?yōu)先選擇其余的空閑用戶；
[0114] 步驟212、候選配對(duì)用戶列表中沒(méi)有空間可服務(wù)用戶存在，向宏基站請(qǐng)求數(shù)據(jù)；
[0115] 步驟213、所有的空閑可服務(wù)用戶的標(biāo)志位F為1或者用戶配對(duì)周期T結(jié)束，輸出D2D 通信用戶發(fā)現(xiàn)及配對(duì)結(jié)果，沒(méi)有配對(duì)的請(qǐng)求用戶則通過(guò)蜂窩基站請(qǐng)求內(nèi)容。
[0116] 每個(gè)空閑可服務(wù)用戶都有一個(gè)標(biāo)志位F，當(dāng)被占用是標(biāo)志位F=l，空閑時(shí)為0?？紤] 到每個(gè)空閑戶只能服務(wù)一個(gè)請(qǐng)求用戶，當(dāng)多個(gè)請(qǐng)求用戶向同一個(gè)空閑用戶發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，請(qǐng) 求失敗，并返回沖突響應(yīng);此時(shí)，對(duì)于有其余候選用戶的請(qǐng)求者來(lái)說(shuō)，接入其他空閑用戶；否 貝1J，啟動(dòng)定時(shí)器，待定時(shí)器歸零后重新請(qǐng)求。在當(dāng)一個(gè)周期內(nèi)完成配對(duì)，輸出結(jié)果。該過(guò)程可 以有效地實(shí)現(xiàn)D2D通信系統(tǒng)中的D2D用戶發(fā)現(xiàn)及配對(duì)，在此基礎(chǔ)上，考慮到D2D通信中頻譜資 源的復(fù)用，以及由于復(fù)用產(chǎn)生的干擾問(wèn)題，所以要建模頻譜及功率聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題。
[0117] 步驟三、針對(duì)優(yōu)化后的D2D通信配對(duì)用戶以及與基站進(jìn)行通信的蜂窩用戶，計(jì)算基 站的整個(gè)系統(tǒng)吞吐量CTotal ;
[0118]蜂窩用戶集合為Q c= {1，. . .，i，. . .Md，MC表示與基站進(jìn)行通信的請(qǐng)求用戶數(shù)量； D2D通信配對(duì)用戶的集合為Q D = {1，. . .，j，. . .Md} ;Md表示D2D通信中配對(duì)用戶的數(shù)量，基站 可以獲得所有的信道狀態(tài)信息。
[0119] 具體步驟如下：
[0120] 首先、計(jì)算與基站進(jìn)行通信的蜂窩用戶i的信干噪比蛘，?
[0121] 蜂窩用戶i的信干噪比表示為：
;(3:)
[0123] 其中，與欠分別表示信道分配因子，均為布爾型變量，滿足 〇汛1丨，以e_!0J卜< =1表示子信道n被分配給蜂窩用戶i使用，1個(gè)子信道只能分配給1 個(gè)蜂窩用戶，滿足i>:, ;子信道的數(shù)量為N個(gè)，分別為{1，2, . . .n，. . .N};紀(jì)=〗表示子信 道n被分配給D2D通信的第j對(duì)配對(duì)用戶；M表示蜂窩用戶i在子信道n上的傳輸功率;每個(gè)蜂 窩用戶的功率分配限制滿足表示蜂窩用戶的功率峰值;所有的蜂窩用戶 的功率限制滿足;PCtcltal表示所有蜂窩用戶的總功率。 n=\.
[0124] 只f表示D2D通信的第j對(duì)配對(duì)用戶在子信道n上的傳輸功率。D2D配對(duì)通信用戶的功 率分配限制滿足py#;pDpeak表示D2D配對(duì)通信用戶的功率峰值;所有的D2D配對(duì)通信用 N' 戶的功率現(xiàn)在滿足< 心_/ ;PDtQtal表示所有D2D配對(duì)通信用戶的總功率。 ?-1
[0125] 丨/f |表示蜂窩用戶i在子信道n上的信道增益，|Af |表示D2D通信的第j對(duì)配對(duì)用戶 在子信道n上的信道增益。Z I2表示D2D配對(duì)通信用戶對(duì)蜂窩用戶通信的干擾，N〇W y.e% 表示加性高斯白噪聲的功率，W為子信道的帶寬。
[0126] 然后、計(jì)算D2D通信中的第j對(duì)配對(duì)用戶的信干噪比#:
(4)
[0128] |/i,f |為在子載波n上D2D通信中第j對(duì)配對(duì)用戶的發(fā)送端到接收端的信道增益，|紀(jì)丨 為在子載波n上蜂窩用戶i對(duì)D2D通信中第j對(duì)配對(duì)用戶接收端的信道增益，IM 7 |表示在子 信道n上，其他D2D通信中第j'對(duì)配對(duì)用戶發(fā)送端對(duì)D2D通信中第j對(duì)配對(duì)用戶接收端的信道 增益，IK I2為蜂窩用戶對(duì)D2D配對(duì)通信用戶的干擾，IMF為蜂窩用戶對(duì)D2D 配對(duì)通信用戶的干擾，1 卜為D2D配對(duì)通信用戶對(duì)之間的干擾。
[0129] 最后、根據(jù)蜂窩用戶和D2D配對(duì)通信用戶的信干噪比，計(jì)算基站的整個(gè)系統(tǒng)吞吐量 Clotal ； Mc Md.
[0130] CToM =1氏 + K m j=i (5)
[0131] 眾表示蜂窩用戶i在所有子信道上的傳輸速率之和： 及；=[妒 log:(l +，：）： （6) ii=i
[0132] <表示D2D通信的第j對(duì)配對(duì)用戶在所有子信道上的傳輸速率之和：
[0133] < =X^l〇g-,(l + /"); (7) n~{
[0134] 步驟四、將系統(tǒng)吞吐量CTcital作為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合限制條件，采用QPS0算法進(jìn)行求 解，得到最佳的粒子位置，從而進(jìn)行系統(tǒng)子載波及功率分配，保證系統(tǒng)吞吐量CTot al的值最 大；
[0135] 在已有的D2D發(fā)現(xiàn)及配對(duì)結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過(guò)子信道分配及功率控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)吞 吐量的最大化，為此建模優(yōu)化問(wèn)題如下：
[0136] n : ?；, e i0,1 i,h' e !0,1!, V/?,/', j
[0137] C2：y]< < LV/?
[0138] C3:p：I<pCl)eak,pi
[0139] C4:J^p[< P0olal，Y,Pi < PDtotal ^n,i, j n~l n~\.
[0140] C5:i?； >i?Cmi,i,v?Gq.,
[0141] C6: R；' > Rnm，\yi ^Qn
[0142] 在限制條件中，Cl表示<，g為布爾型變量;C2表示1個(gè)子信道只能分配給1個(gè)蜂 窩用戶；
[0143] C3表示每個(gè)蜂窩用戶及D2D配對(duì)通信用戶的功率分配限制；
[0144] 每個(gè)蜂窩用戶的功率分配限制滿足k ;pe^k表示蜂窩用戶的功率峰值；
[0145] D2D配對(duì)通信用戶的功率分配限制滿足乂 ;p Dpeak表示D2D配對(duì)通信用戶的 功率峰值；
[0146] C4表示所有的蜂窩用戶及所有的D2D配對(duì)通信用戶的功率限制； ..N.
[0147] 所有的蜂窩用戶的功率限制滿足S尾論/ ;Pctotal表;^所有蜂窩用戶的總功 率。 N
[0148] 所有的D2D配對(duì)通信用戶的功率限制滿足;;PDt〇tai表示所有D2D配對(duì)通 n=l 信用戶的總功率。
[0149] C5表示每個(gè)與基站進(jìn)行通信的蜂窩用戶滿足QoS需求和自小傳輸速率限制;Remin 表示蜂窩用戶的最小傳輸速率門(mén)限；
[0150] C6表示每個(gè)D2D配對(duì)通信用戶滿足QoS需求和自小傳輸速率限制；RDmin表示D2D配 對(duì)通信用戶的最小傳輸速率門(mén)限。
[0151] 由于上述優(yōu)化問(wèn)題為混合整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題，求最優(yōu)解的復(fù)雜度高，而啟發(fā)式算法以 較低的復(fù)雜度求解出全局次優(yōu)解，在復(fù)雜度及求解方面得到較好的平衡。本發(fā)明選用的是 量子粒子群算法。
[0152] 利用原始的優(yōu)化問(wèn)題中的目標(biāo)函數(shù)及限制條件，引入懲罰函數(shù)，將原始優(yōu)化問(wèn)題 轉(zhuǎn)化為QPS0中的適應(yīng)度函數(shù);粒子的位置信息包括對(duì)蜂窩用戶的子載波及功率分配、D2D配 對(duì)通信用戶的子載波及功率分配策略，不同的粒子表示不同的策略，根據(jù)不同的粒子信息， 得到相應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值，確定最優(yōu)的粒子位置。
[0153] QPS0算法具體為：
[0154] 首先，根據(jù)聯(lián)合資源優(yōu)化問(wèn)題可知，將N個(gè)子信道分配給所有用戶，由此得出粒子 長(zhǎng)度為N*(Mc+Md)，其位置由四個(gè)部分組成，定義粒子的位置如下：
[0155] D = (al，..MXJc,bl,pi，.,.,p^L ,pfL +u〇) (8)
[0156] 其中第一部分為N個(gè)子信道分配給個(gè)蜂窩用戶；第二部分為將N個(gè)子信道分配給 Md個(gè)D2D配對(duì)通信用戶對(duì);第三部分是為MC個(gè)蜂窩用戶的分配功率;第四部分是為Md對(duì)D2D配 對(duì)通信用戶的分配功率。根據(jù)約束條件可以得出相應(yīng)的懲罰函數(shù)方法，將原始的約束最優(yōu) 化問(wèn)題轉(zhuǎn)化成無(wú)約束條件的形式，得到一個(gè)包含目標(biāo)函數(shù)和約束條件的適應(yīng)度函數(shù)，如公 式(9)所示：
[0157] F(?；,,/：>；, p\,,/?,；) = /(a：,,K, p1,,, p'" )-aP, (?'"/>；, K' A；) (9)
[0158] 其中，/(<，紀(jì)，表示目標(biāo)函數(shù);a是懲罰因子；巧(〇,;\式，/^代表懲罰函 數(shù)。懲罰函數(shù)包括七個(gè)部分，分別對(duì)應(yīng)于七個(gè)約束條件。
[0159] 具體表示如下：
[0160] ^ (< , p：, ^)=E - ?： ]+E E[^2 - ]+E t [<2 -!] /-I n~\ /-I n~\ n-i ?=1 Af c 2. M ￡, 2 \f ^ ~ N. _ 2 +g[maX(0,if 腿一<)]+g[maX(0,i?廣-<)]+V maX(〇，￡< 一Pc_") (10) i-i j=\ i=i L /j.-i _ M:D_ N. _'2 .灰/c. 2 M.d. 2 +￡ +￡[max(Q，K~-//^)] +￡[max(0,:^ ~-p^)] i^l _ H-l - Z-l /-I
[0161] 每一個(gè)粒子將進(jìn)行位置更新，具體的更新規(guī)則如迭代公式： \(/(.s +1) = P (.v) + (3|C(.v)- X(/f.v)| ? In (/u), r> 0.5
[0162] \ . . (11) Xt,(.v +1) - P (.v) -/?|C(.v) - Xt,(.v)|- ln(l/W), /? < 0.5
[0163]其中，s是迭代次數(shù);Xq(s)表示粒子q在第s次的位置，0代表收縮擴(kuò)張系數(shù);u和r是 〇到1之間的隨機(jī)數(shù)。同時(shí)，C(s)表示平均最好位置，等于每個(gè)粒子最好位置 P；vv⑴（y = 10的平均值，總共有Q個(gè)粒子： (12)
[0165] 對(duì)于第q個(gè)粒子在第s次迭代過(guò)程中的最好位置可以根據(jù)公式（13)中的適 應(yīng)度函數(shù)由以下的表達(dá)式得到：
[0166] P?C?) = ^-P^(5) + (l-^)-Gte：,(i') (13)
[0167] 其中供也是0到1之間的隨機(jī)數(shù)； X(/⑴，if _F[X(/⑴]…
[0168] P^(s) = \ L「；」n 匕人 (14)： if F[Xt.(5)]<F[P^f(.v-l)]
[0169] 公式（13)中的Gbe5St(s)表示所有粒子在第s次迭代過(guò)程中的全局最好位置，由公式 (15)和（16)獲得：
[0170] g = arS ]^x {f [p*a, (5)]} (] 5)
[0171] G;"v(.v) = P；-(.v) (16)
[0172] 初始化每個(gè)粒子的位置Xq(0)、最大迭代次數(shù)S，同時(shí)設(shè)置根據(jù)適 應(yīng)度函數(shù)，從】….0中選擇一個(gè)最好位置作為全局最好位置G(0)。
[0173] 迭代
[0174] 迭代次數(shù)s從0開(kāi)始，對(duì)于從1到Q的每個(gè)粒子，執(zhí)行以下步驟，直到迭代次數(shù)達(dá)到S-1次：
[0175] 根據(jù)公式（12)和公式（13)，計(jì)算C(s)和Pq(s)。
[0176] 根據(jù)公式(11)，更新粒子的位置Xq(s)。
[0177] 根據(jù)公式(9)中的適應(yīng)度函數(shù)，更新Pq(s)。
[0178] 如果卩[父<1(奸1)]>卩[?(1(8)]，則? (1(8+1)=父(1(奸1)，否則?(1(奸1)=? (1(8)。 根據(jù)公式(9)中的適應(yīng)度函數(shù)，更新G(s)。 如果卩[卩<1(8+1)]>?[6(8)]，則6(8+1)=?(1(8+1)，否則6(8+1)=6(8)。
[0179] 根據(jù)公式(9)中的適應(yīng)度函數(shù)，計(jì)算在全局最好位置處對(duì)應(yīng)的適應(yīng)值，并將得到的 結(jié)果輸出。
[0180] 步驟五、對(duì)D2D通信中基于社交感知的用戶發(fā)現(xiàn)及資源分配進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
[0181] 論證所提方案的收斂性，D2D用戶發(fā)現(xiàn)配對(duì)環(huán)節(jié)的有效性，以及用戶發(fā)現(xiàn)及資源分 配方法的有效性。進(jìn)而表明D2D用戶發(fā)現(xiàn)及配對(duì)算法的優(yōu)越性，并驗(yàn)證用戶發(fā)現(xiàn)及資源分配 對(duì)系統(tǒng)性能的改善。
[0182] 仿真采用瑞利衰落信道模型，參數(shù)設(shè)置:路徑損耗因子k = 4，D2D通信允許的物理 距離 d 彡 50m，Pct〇tai = 24dB，PDt〇tai = 21 dB，No = 1 e-6W，W = 180kHz，PCpeak = 19dB，PDpeak = 16dB， RCmin = RDmin = 200kHz;考慮單蜂窩場(chǎng)景，小區(qū)半徑r = 500m。小區(qū)中用戶數(shù)量包括請(qǐng)求用戶 數(shù)量及空閑服務(wù)用戶數(shù)量，且二者數(shù)量相同。用戶的物理位置滿足獨(dú)立同分布，通過(guò)簡(jiǎn)化， 沒(méi)有考慮請(qǐng)求內(nèi)容帶來(lái)的影響，而是借助用戶間的社交關(guān)系及單跳輔助最大可能獲得匹配 D2D對(duì)，即求出理想邊界值，且用戶間的社交關(guān)系在仿真中隨機(jī)給出。
[0183] 首先研究QPS0算法的收斂性，如圖4所示，設(shè)定D2D通信距離為50m，用戶數(shù)量為30， 其中比較了用戶發(fā)現(xiàn)配對(duì)算法與傳統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)算法，即同時(shí)滿足社交關(guān)系及地理位置關(guān)系的 情況下的隨機(jī)匹配。從圖中可以得出QPSO算大具有較好的收斂性能。
[0184] 其次，探討社交感知的D2D發(fā)現(xiàn)配對(duì)算法性能與用戶數(shù)量的關(guān)系。設(shè)定D2D最大通 信距離為50m，總用戶數(shù)量從20-200,如圖5所示，社交感知算法相較于隨機(jī)匹配算法有更好 的性能，即D2D配對(duì)用戶數(shù)量更多，并且隨著用戶數(shù)量的增長(zhǎng)，社交感知算法對(duì)應(yīng)曲線的增 長(zhǎng)更快。
[0185] 再次，考慮到D2D通信距離是一個(gè)影響D2D用戶對(duì)數(shù)量的重要因素。探討比較了社 交感知的D2D匹配算法和非社交感知的隨機(jī)算法在D2D用戶發(fā)現(xiàn)配對(duì)數(shù)量上的性能上與D2D 通信距離的關(guān)系，設(shè)定系統(tǒng)中用戶數(shù)量為100，D2D通信最大物理距離范圍從5到50m。如圖6 所示，隨著D2D通信最大距離增大，D2D對(duì)數(shù)量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，并且社交感知D2D算法相較于非 社交感知的D2D算法在結(jié)果上有更優(yōu)的性能。并且在25-45m范圍內(nèi)D2D對(duì)數(shù)量增長(zhǎng)最快。
[0186] 最后，研究系統(tǒng)吞吐量與用戶總數(shù)量的關(guān)系。并比較了社交感知的D2D匹配算法與 非社交感知算法的差別;設(shè)定子信道數(shù)量為15，D2D通信最大物理距離為50m。如圖7所示，社 交感知的匹配算法相較于非社交感知算法能夠獲得更高的系統(tǒng)吞吐量。并且在子信道數(shù)量 的受限的條件下，30個(gè)用戶之前系統(tǒng)吞吐量增長(zhǎng)較快，此后優(yōu)于子信道數(shù)量的限制，沒(méi)有足 夠的頻譜資源分配給用戶，并且用戶數(shù)量的增加導(dǎo)致干擾變復(fù)雜，后續(xù)收益增長(zhǎng)緩慢。
[0187] 在D2D通信網(wǎng)絡(luò)中，引入用戶社交關(guān)系，借助社交關(guān)系的輔助建立更加穩(wěn)定的D2D 配對(duì)用戶，并且考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量以及請(qǐng)求沖突的退避原則。同時(shí)依據(jù)D2D配對(duì)結(jié)果， 實(shí)現(xiàn)聯(lián)合頻譜及功率的資源分配方案。
[0188] 本發(fā)明綜合用戶節(jié)點(diǎn)剩余能量及請(qǐng)求沖突退避原則，提出一種社交感知的D2D用 戶發(fā)現(xiàn)及配對(duì)算法。在考慮了 D2D通信干擾的情況下，繼而考慮了頻譜及功率聯(lián)合分配問(wèn) 題，并且在QPS0算法的基礎(chǔ)上完成資源分配，提高了系統(tǒng)吞吐量。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種D2D通信中基于社交感知的用戶發(fā)現(xiàn)及資源分配方法，其特征在于，具體步驟如 下： 步驟一、針對(duì)D2D通信中具備社交感知特性的用戶，建立滿足社交關(guān)系及物理位置限制 的D2D通信場(chǎng)景； 步驟二、根據(jù)D2D通信用戶發(fā)現(xiàn)及配對(duì)算法，對(duì)場(chǎng)景中的D2D通信用戶進(jìn)行配對(duì)并優(yōu)化； 具體步驟如下： 步驟201、對(duì)D2D通信用戶發(fā)現(xiàn)及配對(duì)算法進(jìn)行初始化； 包括:對(duì)每個(gè)用戶的能量初始化為Eo;每個(gè)空閑可服務(wù)用戶在空閑的狀態(tài)下標(biāo)志位F為 0,當(dāng)空閑可服務(wù)用戶被占用時(shí)標(biāo)志位F為1;以及設(shè)定D2D通信用戶發(fā)現(xiàn)及配對(duì)時(shí)間周期為 T； 步驟202、在時(shí)間周期T內(nèi)，S個(gè)請(qǐng)求用戶同時(shí)向有社交關(guān)系的用戶分別發(fā)送內(nèi)容請(qǐng)求， 具有社交關(guān)系的用戶分別進(jìn)行單跳轉(zhuǎn)發(fā)，滿足內(nèi)容請(qǐng)求的空閑可服務(wù)用戶進(jìn)行響應(yīng)并返回 能量信息； 步驟203、每個(gè)請(qǐng)求用戶分別獲取響應(yīng)的各空閑可服務(wù)用戶的剩余能量信息； 某個(gè)響應(yīng)的空閑可服務(wù)用戶的剩余能量信息表示為Em;m=l，2，..M; 步驟204、針對(duì)某個(gè)請(qǐng)求用戶u，分別計(jì)算響應(yīng)的各空閑可服務(wù)用戶的剩余能量與請(qǐng)求 用戶u請(qǐng)求內(nèi)容需要消耗的能量之差Em-Gu; Gu表示請(qǐng)求用戶u的請(qǐng)求內(nèi)容需要消耗的能量，u= 1,2,...，S; 步驟205、根據(jù)能量差值將響應(yīng)的各空閑可服務(wù)用戶降序排列，生成候選配對(duì)用戶列 表;并選擇最大差值對(duì)應(yīng)的空閑可服務(wù)用戶m發(fā)送請(qǐng)求； m=arg max(Em_Gu) Em>Gu，meM; 步驟206、對(duì)于某個(gè)空閑可服務(wù)用戶m，判斷是否有兩個(gè)以上用戶發(fā)送請(qǐng)求，如果有進(jìn)入 步驟207，否則，進(jìn)入步驟208; 步驟207、兩個(gè)以上用戶請(qǐng)求沖突，空閑可服務(wù)用戶m拒絕所有請(qǐng)求用戶并返回請(qǐng)求沖 突信息，并進(jìn)入步驟209; 步驟208、請(qǐng)求用戶與空閑可服務(wù)用戶m配對(duì)，建立D2D連接并進(jìn)行通信； 步驟209、各請(qǐng)求用戶收到?jīng)_突響應(yīng)后，依據(jù)請(qǐng)求用戶退避原則重新請(qǐng)求，啟動(dòng)每個(gè)請(qǐng) 求用戶的定時(shí)器，定時(shí)器時(shí)間最早歸零的請(qǐng)求用戶重新發(fā)送請(qǐng)求，與空閑可服務(wù)用戶m配對(duì) 并建立D2D通信，并且空閑可服務(wù)用戶m的標(biāo)志位置F為1; 步驟210、針對(duì)定時(shí)器時(shí)間不是最早歸零的其余各請(qǐng)求用戶，根據(jù)各自的候選配對(duì)用戶 列表，判斷是否存在其他空余的候選空閑可服務(wù)用戶，如果存在，則進(jìn)入步驟211，否則進(jìn)入 步驟212; 步驟211、根據(jù)候選配對(duì)用戶列表選擇次優(yōu)的空閑可服務(wù)用戶請(qǐng)求配對(duì)，并設(shè)置對(duì)應(yīng)的 空閑可服務(wù)用戶標(biāo)志位F為1; 步驟212、候選配對(duì)用戶列表中沒(méi)有空間可服務(wù)用戶存在，向宏基站請(qǐng)求數(shù)據(jù)； 步驟213、所有的空閑可服務(wù)用戶的標(biāo)志位F為1或者用戶配對(duì)周期T結(jié)束，輸出D2D通信 用戶發(fā)現(xiàn)及配對(duì)結(jié)果，沒(méi)有配對(duì)的請(qǐng)求用戶則通過(guò)蜂窩基站請(qǐng)求內(nèi)容； 步驟三、針對(duì)優(yōu)化后的D2D通信配對(duì)用戶以及與基站進(jìn)行通信的蜂窩用戶，計(jì)算基站的 整個(gè)系統(tǒng)吞吐量CTotal ; 步驟四、將系統(tǒng)吞吐量CTcital作為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合限制條件，采用量子粒子群算法進(jìn)行求 解，得到最佳的粒子位置，從而進(jìn)行系統(tǒng)子載波及功率分配，保證系統(tǒng)吞吐量CTcital的值最 大； 步驟五、對(duì)D2D通信中基于社交感知的用戶發(fā)現(xiàn)及資源分配進(jìn)行仿真驗(yàn)證。2. 如權(quán)利要求1所述的一種D2D通信中基于社交感知的用戶發(fā)現(xiàn)及資源分配方法，其特 征在于，所述的步驟一為:場(chǎng)景中包括一個(gè)基站和若干個(gè)用戶；其中，每個(gè)用戶都與基站進(jìn) 行蜂窩通信；用戶與用戶之間在滿足物理位置的距離限制范圍內(nèi)進(jìn)行D2D通信;D2D通信中 用戶分為兩類(lèi):其中發(fā)送請(qǐng)求的用戶作為請(qǐng)求用戶，共S個(gè);滿足請(qǐng)求的用戶作為空閑可服 務(wù)用戶，共Μ個(gè)。3. 如權(quán)利要求1所述的一種D2D通信中基于社交感知的用戶發(fā)現(xiàn)及資源分配方法，其特 征在于，所述的步驟209中：每個(gè)請(qǐng)求用戶都具有一個(gè)定時(shí)器，請(qǐng)求用戶u的定時(shí)器為T(mén) u， Τυ = β/ A u β是毫秒級(jí)常量A Hk表示請(qǐng)求用戶的權(quán)值系數(shù)，f(Eu)為關(guān)于用戶剩余能 量的符號(hào)函數(shù)，其表達(dá)式為剩余能量多的空閑可服務(wù)用戶對(duì)應(yīng)的Au大，相應(yīng)的定時(shí)器時(shí)間短。4. 如權(quán)利要求1所述的一種D2D通信中基于社交感知的用戶發(fā)現(xiàn)及資源分配方法，其特 征在于，所述的步驟三中： 蜂窩用戶集合為Ω c= {1，. . .，i，. . .Md，MC表示與基站進(jìn)行通信的請(qǐng)求用戶數(shù)量;D2D 通信配對(duì)用戶的集合為QD={1，. . .，j，. . .Md};Md表示D2D通信中配對(duì)用戶的數(shù)量； 具體步驟如下： 首先、計(jì)算與基站進(jìn)行通信的蜂窩用戶i的信干噪比 峰窩用戶i的信干噪比表示為：其中，<與g分別表示信道分配因子；<=1表示子信道η被分配給蜂窩用戶i使用； ￥ =1表示子信道η被分配給D2D通信的第j對(duì)配對(duì)用戶；表示蜂窩用戶i在子信道η上的傳 輸功率；表示D2D通信的第j對(duì)配對(duì)用戶在子信道η上的傳輸功率;|/f|表示蜂窩用戶i在 子信道η上的信道增益，|Af|表示D2D通信的第j對(duì)配對(duì)用戶在子信道η上的信道增益； 表示D2D配對(duì)通信用戶對(duì)蜂窩用戶通信的干擾，NqW表示加性高斯白噪聲的功 率，w為子信道的帶寬； 然后、計(jì)算D2D通信中的第j對(duì)配對(duì)用戶的信干噪比# :丨紀(jì)|為在子載波η上D2D通信中第j對(duì)配對(duì)用戶的發(fā)送端到接收端的信道增益，|/?f I為在 子載波η上蜂窩用戶i對(duì)D2D通信中第j對(duì)配對(duì)用戶接收端的信道增益，|A,p|表示在子信道η 上，其他D2D通信中第j'對(duì)配對(duì)用戶發(fā)送端對(duì)D2D通信中第j對(duì)配對(duì)用戶接收端的信道增益，為蜂窩用戶對(duì)D2D配對(duì)通信用戶的干抽為D2D配對(duì)通信用 戶對(duì)之間的干擾； 最后、根據(jù)蜂窩用戶和D2D配對(duì)通信用戶的信干噪比，計(jì)算基站的整個(gè)系統(tǒng)吞吐量 CTotal ; n~i和表示蜂窩用戶i的傳輸速率，表示D2D通信的第j對(duì)配對(duì)用戶的傳輸速率;子信道η 的總數(shù)量為Ν。5.如權(quán)利要求1所述的一種D2D通信中基于社交感知的用戶發(fā)現(xiàn)及資源分配方法，其特 征在于，所述的步驟四為:為了保證系統(tǒng)吞吐量CTcital的值最大化，限制條件如下：在限制條件中，C1表示％為布爾型變量;C2表示1個(gè)子信道只能分配給1個(gè)蜂窩用 戶； C3表示每個(gè)蜂窩用戶及D2D配對(duì)通信用戶的功率分配限制； 每個(gè)蜂窩用戶的功率分配限制滿足4 表示蜂窩用戶的功率峰值； D2D配對(duì)通信用戶的功率分配限制滿足乂 ;pDpeak表示D2D配對(duì)通信用戶的功率 峰值； C4表示所有的蜂窩用戶及所有的D2D配對(duì)通信用戶的功率限制； 所有的蜂窩用戶的功率限制滿足；￡尸1 S 表示所有蜂窩用戶的總功率； ?-1 Ν 所有的D2D配對(duì)通信用戶的功率限制滿足ΣΚ: ^ /：>/._/ ;PDt〇tai表示所有D2D配對(duì)通信用 n=\ 戶的總功率； C5表示每個(gè)與基站進(jìn)行通信的蜂窩用戶滿足QoS需求和自小傳輸速率限制;Remin表示蜂 窩用戶的最小傳輸速率門(mén)限； C6表示每個(gè)D2D配對(duì)通信用戶滿足QoS需求和自小傳輸速率限制;RDmin表示D2D配對(duì)通信 用戶的最小傳輸速率門(mén)限。
【文檔編號(hào)】H04W72/12GK105960024SQ201610405711
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年6月8日
【發(fā)明人】李曦, 譚志遠(yuǎn), 紀(jì)紅, 王珂, 張鶴立
【申請(qǐng)人】北京郵電大學(xué)