無線d2d網(wǎng)絡(luò)中基于角度和干擾控制建立多播路由的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種無線D2D網(wǎng)絡(luò)中基于角度和干擾控制建立多播路由的方法，包括：1)綜合考慮D2D節(jié)點(diǎn)和蜂窩用戶之間的干擾以及D2D節(jié)點(diǎn)之間的干擾，構(gòu)建最小化源節(jié)點(diǎn)到各目的節(jié)點(diǎn)平均跳數(shù)的路由優(yōu)化模型；2)設(shè)計(jì)距離比最小準(zhǔn)則和角度閾值準(zhǔn)則，以指導(dǎo)路由的建立；3)采用啟發(fā)式算法，逐跳建立從源節(jié)點(diǎn)Msr到各目的節(jié)點(diǎn)的路由。本發(fā)明綜合考慮了D2D節(jié)點(diǎn)和蜂窩用戶的干擾以及D2D節(jié)點(diǎn)之間的干擾，可以在保證蜂窩用戶通信質(zhì)量和D2D傳輸速率的前提下，建立到各目的節(jié)點(diǎn)平均跳數(shù)較少的路由。通過聯(lián)合使用距離比最小準(zhǔn)則和角度閾值準(zhǔn)則，每一跳所生成的路徑可以有效地靠近目的節(jié)點(diǎn)，在減少平均跳數(shù)的同時(shí)降低路由中斷概率。
【專利說明】無線D2D網(wǎng)絡(luò)中基于角度和干擾控制建立多播路由的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是無線D2D網(wǎng)絡(luò)中一種基于角度和干擾控制 的建立多播路由的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著社交網(wǎng)絡(luò)、本地廣播等應(yīng)用的興起，終端設(shè)備間的信息交互技術(shù)引起了學(xué)術(shù) 界的廣泛關(guān)注。D2D(設(shè)備到設(shè)備）是一種允許設(shè)備通過共享蜂窩網(wǎng)頻譜資源來進(jìn)行通信 的直連通信技術(shù)，它不僅滿足了設(shè)備間直接通信的需求，還可以提高蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率 和系統(tǒng)容量。現(xiàn)有的許多研究都是針對(duì)D2D網(wǎng)絡(luò)中單跳單播通信展開的，這極大地限制了 D2D網(wǎng)絡(luò)的功能和應(yīng)用場景，主要原因有以下兩點(diǎn)：首先，由于D2D設(shè)備共享了蜂窩網(wǎng)絡(luò)的 頻譜，D2D節(jié)點(diǎn)必須控制其發(fā)射功率以保證蜂窩通信的質(zhì)量。發(fā)射功率的受限直接導(dǎo)致其 傳播距離受限，單跳往往不能提供源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的可靠通信。因此，D2D網(wǎng)絡(luò)內(nèi)常常 需要通過建立多跳路由來滿足可靠通信的需求。其次，在諸如軟件下載、視頻播放等多個(gè)用 戶有相同數(shù)據(jù)需求的場景中，單播這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信模式會(huì)造成頻譜資源的浪費(fèi)。相反，利 用多播這種一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信技術(shù)，讓源節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)包至多個(gè)目的節(jié)點(diǎn)，可以提高 頻譜的利用效率?；谝陨显?，研究D2D網(wǎng)絡(luò)下的多跳多播通信技術(shù)具有重要的理論與 應(yīng)用價(jià)值。在針對(duì)D2D網(wǎng)絡(luò)的研究中，一個(gè)至關(guān)重要的因素就是干擾。通常，在D2D多跳多 播通信網(wǎng)絡(luò)中存在兩種干擾，一種是網(wǎng)絡(luò)間干擾，即D2D節(jié)點(diǎn)和蜂窩用戶之間的干擾；一種 是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)干擾，即使用同一頻率同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腄2D節(jié)點(diǎn)間的干擾。在這種復(fù)雜的干 擾環(huán)境下，設(shè)計(jì)高效合理的路由建立機(jī)制，可以在進(jìn)行干擾控制的同時(shí)盡可能減小端到端 延時(shí)，提高通信的服務(wù)質(zhì)量（QoS)。因此，針對(duì)D2D網(wǎng)絡(luò)下的多跳多播通信，研究高效合理的 路由選擇算法具有重要意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供無線D2D網(wǎng)絡(luò)中基于角度和干擾控制建立多播路由的方法， 針對(duì)共享蜂窩網(wǎng)上行頻譜的D2D多跳多播通信系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一種高效合理的路由算法，以在 保證蜂窩通信質(zhì)量和D2D鏈路最低傳輸速率的前提下，使源節(jié)點(diǎn)到各目的節(jié)點(diǎn)的平均跳數(shù) 最小化，從而減小源節(jié)點(diǎn)到各目的節(jié)點(diǎn)的平均端到端延時(shí)。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：
[0005] 包括以下步驟：
[0006] 1)根據(jù)D2D節(jié)點(diǎn)和蜂窩用戶之間的干擾以及D2D節(jié)點(diǎn)之間的干擾，構(gòu)建最小化平 均跳數(shù)的路由優(yōu)化模型；
[0007] 2)設(shè)計(jì)距離比最小準(zhǔn)則和角度閾值準(zhǔn)則，以指導(dǎo)路由的建立；
[0008] 3)根據(jù)距離比最小準(zhǔn)則和角度閾值準(zhǔn)則，逐跳建立從源節(jié)點(diǎn)Ms,到各目的節(jié)點(diǎn)的 路由。
[0009] 所述步驟1)的具體步驟包括：
[0010] 1-1)、計(jì)算基站端的路徑增益，其計(jì)算公式為：
[0011] G0 = aP^ (1)
[0012] 其中，Ptl為蜂窩用戶的發(fā)射功率，Cltl為蜂窩用戶和基站之間的距離，n是路徑損耗 指數(shù)，a是天線的固定功率增益；
[0013] 1-2)、計(jì)算第X跳內(nèi)，蜂窩鏈路的信干比SIRfS并要求信干比SlRf值大于等于門 限值Pa :

【權(quán)利要求】
1. 一種無線D2D網(wǎng)絡(luò)中基于角度和干擾控制建立多播路由的方法，用于一蜂窩網(wǎng)絡(luò)和 D2D網(wǎng)絡(luò)并存的小區(qū)，其特征在于，包括以下步驟： 1) 根據(jù)D2D節(jié)點(diǎn)和蜂窩用戶之間的干擾以及D2D節(jié)點(diǎn)之間的干擾，構(gòu)建最小化平均跳 數(shù)的路由優(yōu)化模型； 2) 設(shè)計(jì)距離比最小準(zhǔn)則和角度閾值準(zhǔn)則，以指導(dǎo)路由的建立； 3) 根據(jù)距離比最小準(zhǔn)則和角度閾值準(zhǔn)則，逐跳建立從源節(jié)點(diǎn)到各目的節(jié)點(diǎn)的路由。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線D2D網(wǎng)絡(luò)中基于角度和干擾控制建立多播路由的方法， 其特征在于，所述步驟1)的具體步驟包括： 1-1)、計(jì)算基站端的路徑增益，其計(jì)算公式為：
(1) 其中，Ptl為蜂窩用戶的發(fā)射功率，Cltl為蜂窩用戶和基站之間的距離，Ii是路徑損耗指 數(shù)，α是天線的固定功率增益； 1-2)、計(jì)算第X跳內(nèi)，蜂窩鏈路的信干比Smf ,并要求信干比SIRf值大于等于門限值 P th ：
(2) 其中，Pi為節(jié)點(diǎn)i的發(fā)射功率，Di為節(jié)點(diǎn)i和基站之間的距離； 1-3)、由式（2)計(jì)算出發(fā)射節(jié)點(diǎn)集合Tx中各節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率的上界為：
(3) 1-4)、計(jì)算集合Tx中任一節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的最高傳輸速率，其計(jì)算公式為：
(4) 其中，B為蜂窩用戶的帶寬，\為節(jié)點(diǎn)j和蜂窩用戶之間的距離，du為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn) j之間的距離； 1-5)、根據(jù)式（4)計(jì)算第y條SL路徑上的第X跳，即Hxy的最高傳輸速率
(5) 其中，t = Txy，r = Rxy 1-6)對(duì)于有一個(gè)源節(jié)點(diǎn)和m個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的多播通信組，使用Lv代表從源節(jié)點(diǎn)成功傳輸 數(shù)據(jù)包到第V個(gè)目的節(jié)點(diǎn)所需跳數(shù)，在滿足D2D鏈路最小傳輸速率Rth的前提下，將最小化 平均路徑跳數(shù)的問題歸結(jié)為下式：
其中，K代表所生成的多播樹，P代表所有D2D節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率向量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線D2D網(wǎng)絡(luò)中基于角度和干擾控制建立多播路由的方法， 其特征在于，所述步驟2)的具體步驟包括： 2-1)、距離比最小準(zhǔn)則： a、 將集合Tx中第i個(gè)節(jié)點(diǎn)記作<，計(jì)算可以作為其接收節(jié)點(diǎn)的候選節(jié)點(diǎn)集合Ni，其計(jì) 算公式為：
(7) 其中，K代表整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的D2D節(jié)點(diǎn)； b、 將m個(gè)目的節(jié)點(diǎn)中要從節(jié)點(diǎn)<接收數(shù)據(jù)包的所有目的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的集合稱作? 的目標(biāo)目的節(jié)點(diǎn)集合并有鱗=P,;|i = 1A…卜氣;稱作目標(biāo)目的節(jié)點(diǎn)子集，且 ，...，化·,卜其中,辦:是m個(gè)目的節(jié)點(diǎn)中的一個(gè);對(duì)于子集依據(jù)距離比 最小準(zhǔn)則為該子集選擇< 的一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)<，選取準(zhǔn)則的計(jì)算公式如下：
(8) 其中，du，t代表考察節(jié)點(diǎn)U和目的節(jié)點(diǎn)之間的距離，du，BS代表考察節(jié)點(diǎn)U和基站之 間的距離； 2- 2)、角度閾值準(zhǔn)則 設(shè)定角度閾值Θ th，對(duì)于< 的任意兩個(gè)接收節(jié)點(diǎn)<和<，若<4，則將和 合并成一個(gè)新的目標(biāo)目的節(jié)點(diǎn)子集；若Zg2札，則不對(duì)這兩個(gè)集合進(jìn)行合并。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線D2D網(wǎng)絡(luò)中基于角度和干擾控制建立多播路由的方法， 其特征在于，所述步驟3)的具體步驟為： 3- 1)、結(jié)合距離比最小準(zhǔn)則和角度閾值準(zhǔn)則，為第X跳的每一個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)選擇其接收 節(jié)點(diǎn)， 3-2)、為第X跳中各發(fā)射節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的接收節(jié)點(diǎn)分配功率，以使得最大化最低傳輸速 率；其中，所述第X跳中各發(fā)射節(jié)點(diǎn)為集合Rx中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)； 3-3)、將第X跳所選擇的接收節(jié)點(diǎn)作為第x+1跳的發(fā)射節(jié)點(diǎn)，更新.V,"1和對(duì)應(yīng)的Λ; ?+1， 從而按照步驟3-1)和3-2)建立第χ+1跳的路徑； 3-4)、重復(fù)步驟3-1)到3-3)，直到完成多播樹的建立。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的無線D2D網(wǎng)絡(luò)中基于角度和干擾控制建立多播路由的方法， 其特征在于，所述步驟3-1)具體步驟如下： a) 、令丨中每一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)分別構(gòu)成一個(gè)目標(biāo)目的節(jié)點(diǎn)子集/^丨，對(duì)于每一個(gè)*按 照距離比最小準(zhǔn)則從候選節(jié)點(diǎn)集合Ni中選出一個(gè) < 啲接收節(jié)點(diǎn); b) 、從各接收節(jié)點(diǎn)中選擇出 和 < ,其中，（Μ):=噸，對(duì)這兩個(gè)節(jié) 點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的子集和按照角度閾值準(zhǔn)則進(jìn)行處理，并對(duì)集合MJi進(jìn)行更新； c) 、對(duì)更新后集合MJt中的每一按照距離比最小準(zhǔn)則選擇一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)； d) 、重復(fù)步驟b)和c)直到2?,，則停止對(duì)愈『的更新，并將此時(shí)的各接收 節(jié)點(diǎn)作為最終< 的接收節(jié)點(diǎn)； e) 、重復(fù)步驟a)到步驟d)，為每一個(gè)= U5...,|l；|選擇出對(duì)應(yīng)的若干接收節(jié)點(diǎn)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的無線D2D網(wǎng)絡(luò)中基于角度和干擾控制建立多播路由的方法， 其特征在于，所述步驟3-2)具體為： (a) 、結(jié)合式（3)和式（4)，將最大化最低傳輸速率的功率分配問題歸納為下式：
(b) 、采用按步長遍歷的方法對(duì)式（9)所示優(yōu)化問題進(jìn)行求解。
【文檔編號(hào)】H04W40/16GK104394569SQ201410649964
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】任品毅, 許茜, 杜清河 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)