[發明專利]無線D2D中繼網絡中基于社會性-信道信息的聯合中繼重選方法

有效

• 申請號: 201610934289.3
• 申請日: 2016-10-25
• 公開（公告）號: CN106658646B
• 公開（公告）日: 2020-03-31
• 發明（設計）人: 張赫;杜清河;任品毅
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H04W40/14
• 分類號: H04W40/14;H04W40/20;H04W40/22;H04W4/70;H04W88/04
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 王霞

1.一種無線D2D中繼網絡中基于社會性-信道信息的聯合中繼重選方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)構建無線D2D中繼網絡中的中繼移動場景下的D2D中繼通信系統模型，描述當前中繼移動模式及備選中繼分布狀態，并基于當前中繼移動模式及備選中繼分布狀態建立無線D2D中繼網絡數據傳輸模型，作為中繼重選過程的信道信息參考依據；

步驟1)的具體操作，包括：

1-1)構建當前中繼勻速直線移動模式

定義d_sD為目的用戶距熱點源距離，d_sr(0)為初始時刻當前中繼距熱點源距離，d_rD(0)為初始時刻當前中繼距目的用戶距離；

從初始時刻開始，當前中繼以速度V做勻速直線運動，當前中繼移動方向與初始時刻當前中繼到熱點源的夾角為α；目的用戶檢測到當前中繼的移動后，進行備選中繼的探測，每次探測的時間為τ，并將該時間設定為單位時間；經過i個單位時間后，熱點源到當前中繼的距離為d_sr(i)，當前中繼到目的用戶的距離為d_rD(i)；

1-2)構建備選中繼分布模式

在目的用戶進行中繼重選的過程中，有M個備選中繼可供選擇，將其編號為1、2、3…M；備選中繼i距熱點源為備選中繼距目的用戶的距離為備選中繼距目的用戶的距離服從均勻分布：

1-3)構建無線D2D中繼網絡數據傳輸模型，作為中繼重選過程的信道狀況信息

當前中繼支持下的無線D2D中繼網絡數據傳輸速率為：

其中，熱點源發射功率為P_s，中繼發射功率P_η，傳輸帶寬為W；經過i個單位時間后，當前中繼的傳輸速率為X_r(i)，由于當前中繼正處于勻速直線運動狀態，則在不同的時間i，當前中繼下的無線D2D中繼網絡數據傳輸速率會不同；

備選中繼支持下的無線D2D中繼網絡數據傳輸速率：

其中，P_r為備選中繼的發射功率，假設所有備選中繼的發射功率相同，目的用戶進行中繼重選關注備選中繼能夠穩定進行D2D中繼通信的時間，在研究的時間范圍內，認為X_i為恒定值；

基于以上信道狀況的表達式，可以得到D2D中繼通信達到最大傳輸速率時中繼所處的位置信息，即通過求解：

得到當D2D中繼通信達到最大傳輸速度時，中繼到目的用戶之間的距離為d_min，此時的D2D中繼通信最大傳輸速度為：

以該位置為分界線，當中繼更靠近源時，中繼到目的用戶的信道狀況限制了通信速率，當中繼更靠近目的用戶時，中繼到源的信道狀況限制了通信速率；

2)基于通信時長的概念，建立備選中繼平均重選通信時長模型，用以描述備選中繼建立D2D連接的社會穩定性，作為中繼重選過程的社會性信息參考依據；

步驟2)的具體操作，包括：

2-1)構建兩用戶通信時長模型

當兩個用戶i、j進入能夠通信的范圍內，并維持固定的位置后，網絡開始記錄用戶i與用戶j每次接觸所持續的時間{CT_i}作為通信時長，直至兩用戶有其中任何一方開始持續移動；與此同時，網絡記錄兩用戶的接觸次數N_i，j，根據獲得的通信時長的歷史數據，能夠評估兩用戶通信時長的統計平均值M_i，j，如下所示：

進一步，能夠評估兩用戶通信時長的方差I_i，j，將其定義為兩用戶D2D通信不穩定性因子，具體描述如下：

基于以上通信時長的均值和方差，得到兩用戶通信時長服從的統計分布為：

得到通信時長分布的概率密度函數如下：

式中，

2-2)建立備選中繼平均重選通信時長模型，作為中繼重選過程中的社會信息：

備選中繼i與用戶j的平均通信時長設為M_i，j，方差設為I_i，j，則該備選中繼與所有N個用戶的通信時長平均值可表述為如下形式：

備選中繼與所有N個用戶的通信時長方差可表述為如下形式：

由于無法直接獲得備選中繼與目的用戶之間的通信時長統計信息，因此，將根據備選中繼與網絡中用戶的平均通信時長統計信息預測備選中繼與目的用戶通信時長的統計特性，即：基于備選中繼的M_i、I_i，獲得備選中繼與目的用戶通信時長的統計分布：

設目的用戶與備選中繼i的重選通信時長為隨機變量T，通信時長為X，若的用戶在X時間段內任意時刻C開始進行中繼重選，則有：

T＝X-C；

備選中繼i與目的用戶通信時長X的概率密度函數f_i(x；k_i，θ_i)，中繼重選時刻C服從均勻分布C～U(0，X)，概率密度函數為：

則可推導得到重選通信時長T滿足：

其中，f_X，C(x，c)＝g_C|X(c|x)f_i(x；k_i，θ_i)；

進而得到，備選中繼i與目的用戶的重選通信時長的概率密度函數得到用戶i平均重選通信時長為T_i；網絡通過記錄所有備選中繼的重選通信時長的統計信息，獲得M個備選中繼平均重選通信時長的分布情況，針對不同的具體場景，該分布的均值和方差不同；

3)基于無線D2D中繼網絡數據傳輸模型及備選中繼平均重選通信時長模型，引入最優停止理論，建立無線D2D中繼網絡中基于社會性-信道信息的聯合中繼重選方法，將其命名為基于社會性-信道信息的聯合最優停止策略；

步驟3)的具體操作，包括：

3-1)設定中繼重選具體規則

規定目的用戶進行中繼重選的觸發條件：定義ΔX＝|X_r(i)-X_r(0)|，隨著中繼的移動，ΔX的值逐漸變大，當Δx≥Δx_th時，目的用戶開始進行中繼重選；

3-2)基于獲得的備選中繼的社會性信息以及信道狀況信息，建立無線D2D中繼網絡中繼重選優化目標

目的用戶在進行j次中繼探測后，選擇該次探測的備選中繼能夠獲得的決策收益為：

式中，τ為目的用戶進行一次中繼探測所需時間；X_r(i)為經過第i次中繼探測后，當前中繼可支持的D2D中繼通信速率；X_j為目的用戶在第j次中繼探測時，探測到的備選中繼可提供的D2D中繼通信速率，各備選中繼到目的用戶距離服從獨立同分布均勻分布；T_j為的用戶在第j次中繼探測時，探測到的備選中繼可提供的平均重選通信時長；

基于上述決策收益，提出的中繼重選方案的優化目標即為選擇合適的j^*，使得：

3-3)基于無線D2D中繼網絡中繼重選優化目標，設計基于社會性-信道信息的聯合中繼重選策略

當目的用戶探測到第j個中繼后，決定停止中繼重選并通過該中繼建立新的D2D中繼通信時，采取該決策可獲得的即時收益為：

根據有限最優停止理論的逆向歸納法，得到在結束第j步中繼探測后最優等式：

V_j(X_j，T_j)＝max{R_j(X_j，T_j)，E{V_j+1(X_j+1，T_j+1)}}；

式中，E{·}表示關于隨機變量X_j+1T_j+1的數學期望；

當停止中繼重選獲得的即時收益R_j(X_j，T_j)大于或等于繼續進行中繼重選的最優期望收益E{V_j+1(X_j+1，T_j+1)}時，目的用戶將停止進行中繼重選，連接至備選中繼進行新的D2D通信；否則，目的用戶將繼續進行中繼探測；

E{V_j+1(X_j+1，T_j+1)}為第j次中繼探測時，決策的閥值，即時收益大于閥值，目的用戶可停止探測，建立D2D通信連接，小于閥值則繼續探測；

因此，定義第j次中繼探測的決策閥值如下：

具體求解目的用戶進行中繼探測每一步探測的決策閥值為：

基于求得的中繼重選的決策閥值，得到基于社會性-信道信息的聯合中繼重選策略：中繼探測過程中，當以下情況發生時，目的用戶停止探測，與本次探測到的中繼建立D2D中繼通信，從統計意義上獲得最優的收益：

2.根據權利要求1所述的無線D2D中繼網絡中基于社會性-信道信息的聯合中繼重選方法，其特征在于，步驟3-1)中所述設定中繼重選具體規則，包括如下步驟：

(1)在整個中繼重選過程中，共有M個備選中繼供目的用戶選擇，目的用戶已知備選中繼的個數；

(2)目的用戶逐次檢測備選中繼，檢測順序隨機，在第i次檢測過程中，目的用戶向第i次檢測的備選中繼發送檢測信號，備選中繼將目的用戶到備選中繼的信道質量信息反饋給目的用戶，同時備選中繼向源發送檢測信號，源將備選中繼到源的信道質量信息反饋給備選中繼，備選中繼進一步將其反饋給目的用戶，同時，源也會將備選中繼的平均重選通信時長信息通過中繼反饋給目的用戶；

(3)每次探測到一個備選中繼的信息，目的用戶采取以下兩個決策：放棄中繼重選，選擇該中繼作為新的中繼進行D2D中繼通信；或者，放棄該中繼，繼續探測新的中繼；

(4)選擇或放棄第i次探測備選用戶的策略，只依據目的用戶前i-1次的中繼探測信息，未檢測到的中繼其具體信道狀況信息及社會屬性信息不可知；

(5)放棄的中繼無法進行回選；

(6)目的用戶第一次探測備選中繼時，能夠從網絡獲得備選的信道狀況及平均重選通信時長的統計分布；

(7)目的用戶通過CSI反饋或者GPS定位手段，能夠獲得當前中繼的勻速直線移動模式。