一种基于D2D的高能效内容分发方法技术

本发明专利技术提供了一种基于D2D的高能效内容分发方法，属于无线通信领域。本发明专利技术将频谱复用问题建模为效用不可转移联盟形成博弈问题，然后使用合并拆分算法以及帕累托偏好关系求解效用不可转移联盟形成博弈问题。求解时，将新增的同需求用户分簇，将每个簇作为一个联盟，每个上行用户作为一个联盟，每个未包含在任何簇内的新用户作为一个联盟，然后将簇联盟和上行用户联盟进行试合并，根据帕累托偏好关系判断合并是否成功，如果某个簇联盟未与任何一个上行用户联盟合并，解散该簇联盟，簇内每个用户直接从基站接收数据。本发明专利技术在保证服务质量的同时提高了网络整体能效，减少了通信带来的能量损耗，有效节约了频段资源。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线通信领域，涉及一种有效提高能效的无线网络资源分配技术，具体涉及一种基于D2D的高能效内容分发方法。
技术介绍
无线网络设备的大规模增长以及终端接入需求的不断增加，给网络管理以及信息传输带来了严重的挑战，同时通信过程中产生的能量消耗也在迅速增加，如何在满足用户需求的同时提高无线网络的能效已经成为一个急需解决的问题。在这样的背景下，D2D(Device-to-Device)通信作为蜂窝网中的一种新型的通信方式，因其在提高传输速率和改善能效性能等方面无可比拟的优势，受到人们越来越多的关注。其核心思想是实现两个相距很近的移动终端之间的直接通信。现有D2D通信的研究中，D2D技术按照是否复用网络频谱资源分为专用和复用两种模式。在专用模式的研究中，存在D2D集群的场景，即一个设备同时向多个设备广播的情况；而复用模式的研究，则集中于在设备单对单传输的场景下，分析如何分配频谱资源。这些方法要么没有考虑到网络频谱资源的紧张情况，要么就忽略了极易出现的内容需求趋同性场景。如何将二者结合，优化内容分发过程以及基站资源调度，实现高效的资源利用与能量输出，是目前研究的出发点。
技术实现思路
针对现有问题，本专利技术采用了联合研究频谱分配和内容分发结构，将频谱复用问题建模为效用不可转移联盟形成博弈问题，通过合并拆分算法以及帕累托偏好关系进行求解，使频谱资源分配和转发结构发生具体变化，达到了能效提高的技术效果，具有充分利用频段的优势，和节约能源的意义。具体地，本专利技术提供了一种基于D2D的高能效内容分发方法，在内容需求趋同性场景下，引入频率复用的D2D通信模式。本方法将频谱复用问题建模为效用不可转移联盟形成博弈问题，描述如下：设建立的博弈模型表示为(N,V,S)；N表示全体博弈参与者的集合，包括上行用户和提出相同请求的新增用户；S为联盟结构，S内元素Sk表示联盟k，1≤k≤K，K为正整数；若联盟内不存在簇则是单个用户，若联盟内存在簇则包含簇内的用户以及该簇所复用频谱的上行用户；S内任意两个不同联盟Sk′和Sk的交集为空，k′≠k；V为联盟形成博弈的特征函数，用来衡量联盟的效用，V中元素v(Sk)表示联盟Sk的效用集合：Φ(Sk)是一个向量，是Φ(Sk)的向量空间，向量中的元素Φl(Sk)代表参与者l在联盟Sk中的效用。然后使用合并拆分算法以及帕累托偏好关系求解效用不可转移联盟形成博弈问题。本专利技术的一种基于D2D的高能效内容分发方法，实现步骤如下：第一步，设定D2D传输的距离极限，并按照距离极限将新增的同需求用户分为若干个簇，使每个簇内的用户最多。未包含在任一个簇内的新用户看做普通用户，直接从基站接收数据，不参与频谱复用。第二步，将新增同需求用户与上行用户作为联盟形成博弈的参与者。初始条件下每个簇作为一个联盟，每个上行用户作为一个联盟，每个未包含在任何簇内的新用户作为一个联盟，计算各联盟内用户的效用值。第三步，将簇联盟和上行用户联盟进行试合并，过程如下：(3.1)将簇联盟按照簇内用户个数降序排列，将上行用户联盟随机编号确定试合并顺序；依次对每个簇联盟，按照编号与上行用户联盟进行试合并；(3.2)一个簇联盟试合并时，计算该簇联盟与一个上行用户联盟合并后簇联盟内用户的效用值，并与合并前的效用值比较，根据帕累托偏好关系判断合并是否成功；若成功则更新簇联盟结构与用户的效用值，继续对下一个簇联盟进行试合并，被合并的上行用户联盟不再参与试合并；若失败继续与下一个上行用户联盟进行试合并；当簇联盟与所有上行用户联盟的试合并均失败时，继续对下一个簇联盟进行试合并；(3.3)将新形成的联盟按形成时间先后排序，继续依次尝试与上行用户联盟合并，形成时间早的联盟优先尝试合并；(3.4)循环执行(3.3)，直到没有新联盟形成或者上行用户联盟不存在时，停止合并。第四步，如果某个簇联盟未与任何一个上行用户联盟合并，该簇联盟解散，簇内每个用户形成一个联盟，直接从基站接收数据。本专利技术方法的优点和积极效果在于：(1)研究了频谱复用的D2D通信模式在内容需求趋同性场景下的应用，使紧张的频段资源能够得到充分的利用，有效节约频段资源。(2)以每个用户的能效为出发点结合D2D通信建立联盟形成博弈并求解，在保证服务质量的同时提高网络整体能效，减少通信带来的能量损耗。附图说明图1为本专利技术D2D复用上行频段分发数据的一个场景示例图；图2为本专利技术的基于D2D的高能效内容分发方法的整体流程示意图；图3为本专利技术实施例的仿真效果图。具体实施方式下面结合附图和实施例来说明本专利技术的技术方案及其效果。在内容需求趋同性场景下，引入频率复用的D2D通信模式，首先就要考虑所带来的干扰问题。假设原来在网络内部通过上行频带与基站通信的上行蜂窝用户构成集合NC，具有相同内容需求的新用户构成集合ND。新用户将形成多个簇状结构，由担任簇头的用户直接从基站获取信息，再通过D2D通信方式向簇内其他用户广播数据。如图1所示的示例场景中，新用户形成三个簇D1、D2和D3，原来在网络内部与基站通信的上行用户有c1、c2、c3和c4。若簇i复用了上行用户Cj的上行链路，则簇i中用户的接收信噪比为： u D i C j = p D i C j H D i C j p C j H C j , D i + σ 2 - - - ( 1 ) ]]>其中，Di表示簇i，是簇i的簇头的发射功率，是簇头与接收用户间的信道增益，是上行用户Cj的发射功率，是Cj与接收用户间的信道增益，σ2表示高斯噪声的单边功率谱密度。而此时上行用户Cj到基站处的接收信噪比为： u C j = 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于D2D的高能效内容分发方法，其特征在于，所述方法将频谱复用问题建模为效用不可转移联盟形成博弈问题，描述如下：设建立的博弈模型表示为(N,V,S)；N表示全体博弈参与者的集合，包括上行用户和提出相同请求的新增用户；S为联盟结构，S内元素Sk表示联盟k，1≤k≤K，K为正整数；若联盟内不存在簇则是单个用户，若联盟内存在簇则包含簇内的用户以及该簇所复用频谱的蜂窝用户；S内任意两个不同联盟Sk′和Sk的交集为空，k′≠k；V为联盟形成博弈的特征函数，用来衡量联盟的效用，V中元素v(Sk)表示联盟Sk的效用集合：Φ(Sk)是一个向量，是Φ(Sk)的向量空间，向量中的元素Φl(Sk)代表参与者l在联盟Sk中的效用；具体求解所述博弈问题的步骤如下：第一步，设定D2D传输的距离极限，按照距离极限将新增的同需求用户分簇，使每个簇内的用户最多；未包含在任一个簇内的新用户直接从基站接收数据，不参与频谱复用；第二步，将新增同需求用户与上行用户作为联盟形成博弈的参与者；初始时，每个簇作为一个联盟，每个上行用户作为一个联盟，每个未包含在任何簇内的新用户作为一个联盟，计算各联盟内用户的效用值；第三步，将簇联盟和上行用户联盟进行试合并，过程如下：(3.1)将簇联盟按照簇内用户个数降序排列，将上行用户联盟随机编号确定试合并顺序；依次对每个簇联盟，按照编号与上行用户联盟进行试合并；(3.2)一个簇联盟试合并时，计算该簇联盟与一个上行用户联盟合并后簇联盟内用户的效用值，并与合并前的效用值比较，根据帕累托偏好关系判断合并是否成功；若成功则更新簇联盟结构与用户的效用值，继续对下一个簇联盟进行试合并操作，被合并的上行用户联盟不再参与试合并；若失败继续与下一个上行用户联盟进行试合并；当簇联盟与所有上行用户联盟的试合并均失败时，继续对下一个簇联盟进行试合并操作；(3.3)将新形成的联盟按形成时间先后排序，继续依次尝试与上行用户联盟合并，形成时间早的联盟优先尝试合并；(3.4)循环执行(3.3)，直到没有新联盟形成或者上行用户联盟不存在时，停止合并；第四步，如果某个簇联盟未与任何一个上行用户联盟合并，解散该簇联盟，簇内每个用户形成一个联盟，直接从基站接收数据。...

【技术特征摘要】
2015.11.25 CN 20151082792051.一种基于D2D的高能效内容分发方法，其特征在于，所述方法将频谱复用问题建模为效用不可转移联盟形成博弈问题，描述如下：设建立的博弈模型表示为(N,V,S)；N表示全体博弈参与者的集合，包括上行用户和提出相同请求的新增用户；S为联盟结构，S内元素Sk表示联盟k，1≤k≤K，K为正整数；若联盟内不存在簇则是单个用户，若联盟内存在簇则包含簇内的用户以及该簇所复用频谱的蜂窝用户；S内任意两个不同联盟Sk′和Sk的交集为空，k′≠k；V为联盟形成博弈的特征函数，用来衡量联盟的效用，V中元素v(Sk)表示联盟Sk的效用集合：Φ(Sk)是一个向量，是Φ(Sk)的向量空间，向量中的元素Φl(Sk)代表参与者l在联盟Sk中的效用；具体求解所述博弈问题的步骤如下：第一步，设定D2D传输的距离极限，按照距离极限将新增的同需求用户分簇，使每个簇内的用户最多；未包含在任一个簇内的新用户直接从基站接收数据，不参与频谱复用；第二步，将新增同需求用户与上行用户作为联盟形成博弈的参与者；初始时，每个簇作为一个联盟，每个上行用户作为一个联盟，每个未包含在任何簇内的新用户作为一个联盟，计算各联盟内用户的效用值；第三步，将簇联盟和上行用户联盟进行试合并，过程如下：(3.1)将簇联盟按照簇内用户个数降序排列，将上行用户联盟随机编号确定试合并顺序；依次对每个簇联盟，按照编号与上行用户联盟进行试合并；(3.2)一个簇联盟试合并时，计算该簇联盟与一个上行用户联盟合并后簇联盟内用户的效用值，并与合并前的效用值比较，根据帕累托偏好关系判断合并是否成功；若成功则更新簇联盟结构与用户的效用值，继续对下一个簇联盟进行试合并操作，被合并的上行用户联盟不再参与试合并；若失败继续与下一个上行用户联盟进行试合并；当簇联盟与所有上行用户联盟的试合并均失败时，继续对下一个簇联盟进行试合并操作；(3.3)将新形成的联盟按形成时间先后排序，继续依次尝试与上行用户联盟合并，形成时间早的联盟优先尝试合并；(3.4)循环执行(3.3)，直到没有新联盟形成或者上行用户联盟不存在时，停止合并；第四步，如果某个簇联盟未与任何一个上行用户联盟合并，解散该簇联盟，簇内每个用户形成一个联盟，直接从基站接收数据。2.根据权利要求1所述的一种基于D2D的高能效内容分发方法，其特征在于，所述的元素Φl(Sk)，分如下情况计算：(1)当联盟Sk只有一个用户组成，该用户是上行用户时，Φl(Sk)＝EEl，代入下式获得： EE C j = R C j t h r p C j t o t a l ...

【专利技术属性】
技术研发人员：席泽国，陈亚文，邵华，路兆铭，温向明，陆镜宇，曾艳，焦儒轩，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11