一种D2D通信网络的缓存策略和激励方法技术

本发明专利技术提供了一种D2D通信的缓存策略和激励方法，其特征在于，包括：用户初始化用户内存，根据缓存策略缓存数据；用户选择合适的共享请求用户进行D2D通信，实现信息共享；基站统计其控制区域内各个用户的一段时间内进行D2D通信的次数，根据用户的进行D2D通信的次数分配用于下一次通信的奖励带宽。本发明专利技术考虑到用户内在的自私属性和实际应用情况，在D2D通信网络中引入包含一个带宽分配策略的激励方法，以促进用户主动通过D2D通信进行内容共享，从而优化D2D通信，减轻蜂窝网络负担。

Caching strategy and incentive method for D2D communication network

The present invention provides caching strategies and excitation method of D2D communication, which is characterized in that the user memory includes: user initialization, according to cache cache data; the user to select a suitable shared D2D communication user request, realize information sharing; the statistical control of each base station users in the region within a period of time for the number of D2D communication the number of users, according to the D2D communication distribution for the next communication bandwidth reward. The present invention taking into account the selfish nature of property and actual application, including introduction of incentive method a bandwidth allocation strategy in D2D communication network, to promote active users to share content through D2D communication, so as to optimize the D2D communication, reduce the burden of the cellular network.

【技术实现步骤摘要】
一种D2D通信网络的缓存策略和激励方法
本专利技术涉及无线通信
，具体涉及D2D通信的缓存策略和激励方法。
技术介绍
随着无线通信本地业务的日益增长，蜂窝网络承载压力越来越大。终端直接通信(D2D，Device-to-Device)技术作为5G通信关键技术之一，允许临近终端在基站的控制下，互相之间直接进行数据共享，形成数据共享网络，复用蜂窝网络的信道资源以达到减轻基站负担、提升频谱利用率、提高系统吞吐量的目的。在传统蜂窝通信方式中，两个蜂窝用户之间的数据交互必须经过基站转发，例如同一个会议室的人想要传输文件，发送方先把需要传递的数据发到基站，再由基站发送给接收端。蜂窝网络的无线频谱资源是有限的，对于近距离通信来说，这样的模式十分浪费资源。而D2D技术使得邻近终端可以直接进行通信，实现数据共享，大大减轻网络负载、降低通信时延。目前对于蜂窝和D2D通信混合网络的研究，包括无线资源分配和两种通信模式之间的干扰管理，已发展的相当完善。更深入的对于D2D技术的研究主要包括：D2D设备发现机制、D2D会话发起与管理、D2D与蜂窝的切换等。但是，上述研究都是建立在默认用户自愿自发进行D2D通信的基础上，并且没有定量说明D2D通信帮助蜂窝基站卸载的负担。现实生活中，将D2D技术引入蜂窝网络通信后，对于数据接收方来说，由于用户已经向蜂窝运营商支付相应的费用进行数据服务，毫无疑问会选择传统蜂窝基站进行数据获取；对于数据发送方来说，由于共享前需先缓存数据至内存中、共享时会消耗自身电量、安全性等问题，用户不会主动选择D2D技术将数据提供给他人进行共享。也就是说，当用户想获取数据时，通常仍采用蜂窝通信，因而频谱资源紧张、基站负载严重的问题还是不能解决。此外，通常用户基于本身的需求对数据进行选择性缓存，缓存概率无法估计，不一定满足临近用户的共享请求，导致不能有效卸载网络负担。由于用户不清楚他人缓存数据的情况，一旦出现某一热点数据，会出现该数据被过多缓存的情况，蜂窝通信次数增多，反而会造成网络负担。因此，如果没有一定的激励机制，用户不会自主进行D2D通信。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种考虑到用户固有的自私属性的D2D通信的缓存策略和激励方法，以解决了实际应用中D2D通信实施困难、不被用户优先选择的问题以及避免热点数据被过多缓存、同时利用D2D通信进行数据共享时合理选择数据进行缓存从而最终实现网络负担卸载最大化的问题。为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供了一种D2D通信的缓存策略和激励方法，包括：S1：用户初始化用户内存，根据缓存策略缓存数据；S2：用户选择匹配的共享请求用户进行D2D通信，实现信息共享；S3：基站统计其控制区域内各个用户在一定时间内进行D2D通信的次数，根据该D2D通信的次数分配用于下一次通信的奖励带宽。所述缓存策略是将用户对数据的缓存转化为基站控制区域内各个用户与其请求的所有数据的二分匹配，通过寻找二分图的最大加权匹配进行缓存。所述二分图的链路的权重为数据的共享价值，若某用户没有收到对某数据的请求，则该用户与该数据对应链路的权重为零。所述数据的共享价值由用户统计收到的共享请求的类型和次数和周围用户接收请求情况决定。所述数据的共享价值设为υ′ij，由以下公式计算得到：其中n和m分别代表用户数和信息数，其中i∈[1，n]，j∈[1，m]，tij代表过去一段时间内用户i收到对数据j请求的次数，|Ni|代表用户i的邻居用户个数,α是一个介于0和1之间的可调变量。α的值根据不同应用场景进行调控，在人员密集区域α小于0.5，在人员稀疏地区α接近于1。所述奖励带宽的分配方式使得在总奖励带宽不变的情况下所有用户由奖励带宽获得的总效用最大。所述奖励带宽与用户一定时间内D2D通信的次数正相关，且每个用户在通信次数最大的位置达到所有用户都不会在激励方法下改变缓存策略的纳什均衡点。用户的效用函数为Ui(xi)＝cilog(1+xi)且用户所能获得的最优奖励带宽与用户一定时间内进行D2D通信的次数的关系为其中i为用户，xi为用户i的奖励带宽，ci为用户一定时间内进行D2D通信的次数，Ui(xi)为用户i在被分配的奖励带宽为xi时的效用，为用户i所能获得的最优奖励带宽，W为奖励带宽，n为用户数。所述最大加权匹配采用Kuhn-Munkres算法寻找。本专利技术提供的一种D2D通信的缓存策略和激励方法，考虑到用户内在的自私属性和实际应用情况，在D2D通信网络中引入包含一个带宽分配策略的激励机制，即基站预留一部分带宽专门奖励D2D用户，基站根据所有用户过去一段时间内进行D2D通信的次数分配奖励带宽，以促进用户主动通过D2D通信进行内容共享，从而优化D2D通信，减轻蜂窝网络负担。此外，用户根据收到的共享请求的类型和次数，再结合周围用户接收请求情况，来确定每个数据的价值，将用户缓存数据转化为用户与数据的二分加权匹配问题，将数据价值作为权重，利用Kuhn-Munkres算法寻找最大加权匹配，用户与数据的匹配导致同一数据只能被所有用户中的一位存储，避免热点数据被过多缓存，以高效利用有限内存更大程度满足基站周边的用户请求，最大化地促进D2D通信和减轻蜂窝网络负担，且由于该匹配是最大加权的，使得用户在彼此缓存的信息不同的前提下缓存使所有用户的总效益达到最高的信息，使得总效益最高。附图说明图1是具有根据本专利技术的一个实施例的缓存策略和激励方法的D2D通信的流程图。图2是用户-数据匹配问题的二分图。图3是用户-信息匹配不均衡的示意图。图4是基于用户贡献量的奖励带宽分配的示意图。图5是系统卸载率随测试时间的变化示意图。图6是在不同策略下系统缓存命中率随测试时间的变化示意图。具体实施方式下面结合附图，给出本专利技术的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本专利技术的功能、特点。如图1所示是根据本专利技术的一种D2D通信的缓存策略和激励方法的流程图，包括：S1：用户初始化用户内存，根据缓存策略缓存数据；S2：用户选择合适的共享请求用户进行D2D通信，实现信息共享；S3：基站统计其控制区域内各个用户的D2D通信的次数，根据用户的贡献量分配用于下一次通信的奖励带宽。在步骤S1中，初始化后用户内存为空，所述缓存策略是将用户对数据的缓存转化为二分匹配问题，寻找二分图的最大加权匹配。如图2所示，在所述二分图中，基站控制区域内各个用户和其请求的所有数据各代表一边，其中实线代表用户收到了对该数据的请求，链路的权重为数据的共享价值，虚线代表该虚线对应的该用户没有收到对该数据的请求，则该链路权重为零。用Kuhn-Munkres算法，即KM算法解决该匹配问题，可以得到最大加权匹配，直接确定用户应缓存数据的类型。上述的数据的共享价值由用户统计收到的共享请求的类型和次数再结合周围用户接收请求情况决定。用户收到临近用户的共享请求后，可以统计出过去一定时间内各数据类型的共享请求数，其中一般统计刚过去的30秒之内的请求。数据j对于用户i的初始价值定义为vij；为避免消息的闭塞性，进一步再通过设备发现机制获取周围用户收到请求的情况，从而综合确定数据的共享价值为υ′ij。具体列式如下：这里n和m分别代表用户数和信息数，其中i∈[1，n]，j∈[1，m]，tij代表过去一段时间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种D2D通信的缓存策略和激励方法，其特征在于，包括：S1：用户初始化用户内存，根据缓存策略缓存数据；S2：用户选择匹配的共享请求用户进行D2D通信，实现信息共享；S3：基站统计其控制区域内各个用户在一定时间内进行D2D通信的次数，根据该D2D通信的次数分配用于下一次通信的奖励带宽。

【技术特征摘要】
1.一种D2D通信的缓存策略和激励方法，其特征在于，包括：S1：用户初始化用户内存，根据缓存策略缓存数据；S2：用户选择匹配的共享请求用户进行D2D通信，实现信息共享；S3：基站统计其控制区域内各个用户在一定时间内进行D2D通信的次数，根据该D2D通信的次数分配用于下一次通信的奖励带宽。2.根据权利要求1所述的D2D通信的缓存策略和激励方法，其特征在于，所述缓存策略是将用户对数据的缓存转化为基站控制区域内各个用户与其请求的所有数据的二分匹配，通过寻找二分图的最大加权匹配进行缓存。3.根据权利要求2所述的D2D通信的缓存策略和激励方法，其特征在于，所述二分图的链路的权重为数据的共享价值，若某用户没有收到对某数据的请求，则该用户与该数据对应链路的权重为零。4.根据权利要求3所述的D2D通信的缓存策略和激励方法，其特征在于，所述数据的共享价值由用户统计收到的共享请求的类型和次数和周围用户接收请求情况决定。5.根据权利要求4所述的D2D通信的缓存策略和激励方法，其特征在于，所述数据的共享价值设为v′ij，由以下公式计算得到：

【专利技术属性】
技术研发人员：虞新颖，谭冲，马林，郑敏，卜智勇，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31