无线D2D网络中基于干扰感知的最小跳数的路由选择方法技术

本发明专利技术提供一种无线D2D网络中基于干扰感知的最小跳数的路由选择方法，包括：1)限制D2D节点的发射功率；2)计算每一跳最高传输速率，构建最小化路径跳数的路由优化模型；3)根据MR-DA算法逐跳建立从源节点到目的节点的路由。本发明专利技术可以在保证蜂窝用户通信质量和D2D传输速率的前提下，建立跳数尽可能少的路由。通过考察候选节点到目的节点的最高传输速率以及候选节点与当前节点和目的节点的位置关系，本发明专利技术综合考虑了地理位置信息和干扰控制，使生成的路径在靠近目的节点的同时远离基站，减小对蜂窝通信的干扰，增大每一跳的传播能力。理论分析和仿真结果表明，本发明专利技术方法具有复杂度低、平均跳数少、中断概率低的优点。

【技术实现步骤摘要】
无线D2D网络中基于干扰感知的最小跳数的路由选择方法
本专利技术属于无线通信
，尤其涉及一种无线D2D网络中基于干扰感知的最小跳数的路由选择方法。
技术介绍
近几年来，随着无线技术的飞速发展和仪器设备的日益智能化，D2D(设备到设备)作为一种可以提供高质量设备间通信的局域无线通信技术而受到广泛关注，在传统的蜂窝通信系统中引入D2D技术更是可以提高蜂窝网络的频谱效率和系统容量。当D2D节点以underlay的方式共享蜂窝网络资源时，D2D节点和蜂窝用户间存在交叉干扰。在共享蜂窝上行频谱的场景中，D2D通信影响基站对蜂窝信号的接收，降低了基站端的SIR(信干比)；蜂窝用户影响D2D链路的通信质量，限制了D2D每一跳的最高传输速率。为避免对蜂窝用户造成过度干扰，保证蜂窝通信的质量，D2D节点的发射功率受到限制，常常需要建立多跳路由来实现源节点和目的节点间的通信。在这种干扰环境下，多跳路由的设计需要联合考虑地理位置信息、干扰控制、D2D通信速率需求和算法复杂度等因素。同时，所选择的路由应具有尽可能少的跳数以减小端到端通信延时。针对以上问题，研究高效合理的路由选择算法具有重要意义。
技术实现思路
针对上述缺陷或不足，本专利技术提供了无线D2D网络中基于干扰感知的最小跳数的路由选择方法。为达到以上目的，本专利技术的技术方案为：一种无线D2D网络中基于干扰感知的最小跳数的路由选择方法，用于一蜂窝网络和D2D网络并存的小区，其中D2D网络由N个设备节点构成，所述设备节点通过共享蜂窝网上行频谱资源进行通信，包括以下步骤：1)限制D2D网络中设备节点的发射功率；2)在设备节点的发射功率受限的条件下，计算D2D网络中每一跳的最高传输速率，从而构建最小化路径跳数的路由优化模型；3)根据MR-DA算法，对路由优化模型逐跳建立从源节点Msr到目的节点Mdest的路由，得到路由的选择方法。所述步骤1)的具体方法如下：1-1)计算基站端的路径增益，其计算公式如下：其中，P0为蜂窝用户的发射功率，d0为蜂窝用户和基站之间的距离，η为路径损耗指数，A是天线的固定功率增益；1-2)计算蜂窝链路的信干比SIR，并且设置其值不低于门限值ρth，其计算公式如下：其中，Pi为节点i的发射功率，Di为节点i和基站之间的距离；1-3)由式(2)计算出节点i发射功率Pi的上界，其计算公式如下：所述步骤2)的具体步骤如下：2-1)计算节点i到节点j的最高传输速率Ri,j，其计算公式如下：其中，B为蜂窝用户的带宽，Δj为节点j和蜂窝用户之间的距离，di,j为节点i和节点j之间的距离；2-2)使用(π(k),π(k+1))代表路径中的第k跳，计算第k跳的最高传输速率，其计算公式如下：2-3)将最小化路径跳数的路由问题归纳为一个数学模型，其模型的具体表达式如下：s.t.:Rπ(k),π(k+1)≥Rth(6)π(1)＝Msrπ(K+1)＝Mdest其中，代表源节点Msr到目的节点Mdest的路径节点对，是的势；式(6)中第一个限制条件代表D2D通信每一跳的传输速率不低于门限值Rth。所述步骤3)的具体方法如下：3-1)对于当前节点π(k)，计算作为其接收节点π(k+1)的候选节点集合Nk，其计算公式如下：其中，Rth为D2D通信每一跳的最低传输速率；3-2)根据集合Nk中各节点与当前节点π(k)和目的节点的位置关系，将Nk划分为两个集合Φ1和Φ2，Φ1的计算公式如下：Φ2的计算公式如下：3-3)优先从集合Φ1中根据到目的节点最高传输速率最大化准则选取节点π(k+1)，若则，从Φ2中按到目的节点最高传输速率最大化准则选取节点π(k+1)，该准则下节点选取的计算公式为：3-4)令k＝k+1，重复步骤3-1)至步骤3-3)，直到建立起从Msr到Mdest的路由。与现有技术比较，本专利技术的有益效果为：本专利技术提供了一种无线D2D网络中基于干扰感知的最小跳数的路由选择方法，首先通过限制D2D节点的发射功率保证了蜂窝链路的SIR不低于某一门限值；其次，在设备节点的发射功率受限的条件下，计算D2D网络中每一跳的最高传输速率，从而构建最小化路径跳数的路由优化模型，考虑了靠近目的节点和远离基站以减小对蜂窝通信的干扰这两个因素，从而达到减少路由跳数的效果；所生成的路由具有较少的平均跳数，从而减小了端到端延时；同时该算法具有较低的路由中断概率和较低的计算复杂度，从而保证了高效性。进一步的，通过将候选节点集合Nk划分为集合Φ1和Φ2，并优先从Φ1中选取接收节点，避免了所选节点与目的节点“背道而驰”的情况，使路由生成更具有方向性；在从Φ1或Φ2中选取接收节点时，我们依据到目的节点最高传输速率最大化准则，通过考察候选节点到目的节点的最高传输速率，我们综合考虑了靠近目的节点和远离基站以减小对蜂窝通信的干扰这两个因素，从而达到减少路由跳数的效果；仿真实验表明，本专利技术中的MR-DA算法在平均跳数和路由中断概率这两个指标上的性能均与最优解Dijkstra算法的性能相近，并且优于已有的FN算法和CD算法；理论分析表明，MR-DA算法的计算复杂度与FN算法和CD算法相同，且低于Dijkstra算法。附图说明图1为本专利技术的系统模型图；图2为本专利技术中MR-DA路由算法的流程图；图3为MR-DA路由算法和三种对比算法所生成路由的仿真示例；图4为不同的D2D节点个数情况下，四种路由算法对路由平均跳数的仿真曲线；图5为不同的D2D节点个数情况下，四种路由算法对路由中断概率的仿真曲线。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做详细描述。本专利技术所使用的系统模型中共有N个D2D设备节点和若干个蜂窝用户。该系统中的D2D节点通过共享蜂窝网上行频谱进行直接通信，因此D2D节点与蜂窝用户间存在交叉干扰。在D2D网络中，定义一个源节点和一个目的节点组成一个D2D通信对。由于发射功率有限，这两个节点间常常需要通过其他节点来建立一条多跳路由，以实现从源节点到目的节点的通信。在这里，我们假设不同的通信对使用不同的频率，并且同一条多跳路由上的D2D节点均使用同一频率。这样，我们只需考虑一条D2D多跳路由和一个蜂窝用户之间的干扰，如图1所示。针对以上系统模型，本专利技术的主要步骤包括：1)为避免对蜂窝用户产生过度干扰，限制D2D节点的发射功率：记蜂窝用户的发射功率为P0，蜂窝用户和基站之间的距离为d0。假定小尺度衰落通过分集技术得到了补偿，只考虑大尺度路径损耗，则在基站处接收到蜂窝用户的功率G0为：其中，η是路径损耗指数，A是天线的固定功率增益，A的取值由放大器和天线等因素决定。为了保障D2D通信的服务质量(QoS)，规定D2D每跳的最低传输速率为Rth。将节点i和节点j之间的距离记作di,j,i＝1,2,...,N,j＝1,2,...,N，记节点i和基站的距离为Di，节点j和蜂窝用户之间的距离为Δj。若节点i的发射功率为Pi，则蜂窝链路所受干扰必须满足：由式(2)我们可以得到节点i发射功率的上限为：2)在节点功率受限的条件下，计算每一跳最高传输速率，从而构建最小化路径跳数的路由优化模型；式(3)给出了发射功率Pi的上界，我们令Pi取其上界值以计算D2D每一跳的最高传输速率。用B表示蜂窝用户的带宽，通过香农公式计算出节点i到节点j的最高传输速率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线D2D网络中基于干扰感知的最小跳数的路由选择方法，用于一蜂窝网络和D2D网络并存的小区，其中D2D网络由N个设备节点构成，所述设备节点通过共享蜂窝网上行频谱资源进行通信，其特征在于，包括以下步骤：1)限制D2D网络中设备节点的发射功率；2)在设备节点的发射功率受限的条件下，计算D2D网络中每一跳的最高传输速率，从而构建最小化路径跳数的路由优化模型；3)根据MR‑DA算法，对路由优化模型逐跳建立从源节点Msr到目的节点Mdest的路由，得到路由的选择方法。

【技术特征摘要】
1.一种无线D2D网络中基于干扰感知的最小跳数的路由选择方法，用于一蜂窝网络和D2D网络并存的小区，其中D2D网络由N个设备节点构成，所述设备节点通过共享蜂窝网上行频谱资源进行通信，其特征在于，包括以下步骤：1)限制D2D网络中设备节点的发射功率；2)在设备节点的发射功率受限的条件下，计算D2D网络中每一跳的最高传输速率，从而构建最小化路径跳数的路由优化模型；2-1)计算节点i到节点j的最高传输速率Ri,j，其计算公式如下：其中，B为蜂窝用户的带宽，Δj为节点j和蜂窝用户之间的距离，di,j为节点i和节点j之间的距离；A是天线的固定功率增益，P0为蜂窝用户的发射功率，Pi为节点i的发射功率，d0为蜂窝用户和基站之间的距离，Di为节点i和基站之间的距离，η为路径损耗指数，ρth为蜂窝链路信干比SIR的门限值；2-2)使用(π(k),π(k+1))代表路径中的第k跳，计算第k跳的最高传输速率，其计算公式如下：2-3)将最小化路径跳数的路由问题归纳为一个数学模型，其模型的具体表达式如下：其中，代表源节点Msr到目的节点Mdest的路径节点对，是的势；式(6)中第一个限制条件代表D2D通信每一跳的传输速率不低于门限值Rth；3)根据MR-DA算法，对路由优化模型逐跳建立从...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜清河，许茜，任品毅，孙黎，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61