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)點和蜂窩用戶之間的干擾以及D2D節(jié)點之間的干擾,構(gòu)建最小化源節(jié)點到各目的節(jié)點平均跳數(shù)的路由優(yōu)化模型;2)設(shè)計距離比最小準(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Msr到各目的節(jié)點的路由。本發(fā)明綜合考慮了D2D節(jié)點和蜂窩用戶的干擾以及D2D節(jié)點之間的干擾,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,在減少平均跳數(shù)的同時降低路由中斷概率。
【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:首先,由于D2D設(shè)備共享了蜂窩網(wǎng)絡(luò)的 頻譜,D2D節(jié)點必須控制其發(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)點和目的節(jié)點間的可靠通信。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、視頻播放等多個用 戶有相同數(shù)據(jù)需求的場景中,單播這種點對點的通信模式會造成頻譜資源的浪費。相反,利 用多播這種一點對多點的通信技術(shù),讓源節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)包至多個目的節(jié)點,可以提高 頻譜的利用效率。基于以上原因,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)用價值。在針對D2D網(wǎng)絡(luò)的研究中,一個至關(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進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腄2D節(jié)點間的干擾。在這種復(fù)雜的干 擾環(huán)境下,設(shè)計高效合理的路由建立機制,可以在進(jìn)行干擾控制的同時盡可能減小端到端 延時,提高通信的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。因此,針對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, 針對共享蜂窩網(wǎng)上行頻譜的D2D多跳多播通信系統(tǒng),設(shè)計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)點到各目的節(jié)點的平均跳數(shù) 最小化,從而減小源節(jié)點到各目的節(jié)點的平均端到端延時。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
[0005] 包括以下步驟:
[0006] 1)根據(jù)D2D節(jié)點和蜂窩用戶之間的干擾以及D2D節(jié)點之間的干擾,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Ms,到各目的節(jié)點的 路由。
[0009] 所述步驟1)的具體步驟包括:
[0010] 1-1)、計算基站端的路徑增益,其計算公式為:
[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)點和蜂窩用戶之間的干擾以及D2D節(jié)點之間的干擾,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)點到各目的節(jié)點的路由。
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)、計算基站端的路徑增益,其計算公式為:
(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i的發(fā)射功率,Di為節(jié)點i和基站之間的距離; 1-3)、由式(2)計算出發(fā)射節(jié)點集合Tx中各節(jié)點發(fā)射功率的上界為:
(3) 1-4)、計算集合Tx中任一節(jié)點i到節(jié)點j的最高傳輸速率,其計算公式為:
(4) 其中,B為蜂窩用戶的帶寬,\為節(jié)點j和蜂窩用戶之間的距離,du為節(jié)點i和節(jié)點 j之間的距離; 1-5)、根據(jù)式(4)計算第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)對于有一個源節(jié)點和m個目的節(jié)點的多播通信組,使用Lv代表從源節(jié)點成功傳輸 數(shù)據(jù)包到第V個目的節(jié)點所需跳數(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個節(jié)點記作<,計算可以作為其接收節(jié)點的候選節(jié)點集合Ni,其計 算公式為:
(7) 其中,K代表整個網(wǎng)絡(luò)中的D2D節(jié)點; b、 將m個目的節(jié)點中要從節(jié)點<接收數(shù)據(jù)包的所有目的節(jié)點構(gòu)成的集合稱作? 的目標(biāo)目的節(jié)點集合并有鱗=P,;|i = 1A…卜氣;稱作目標(biāo)目的節(jié)點子集,且 ,...,化·,卜其中,辦:是m個目的節(jié)點中的一個;對于子集依據(jù)距離比 最小準(zhǔn)則為該子集選擇< 的一個接收節(jié)點<,選取準(zhǔn)則的計算公式如下:
(8) 其中,du,t代表考察節(jié)點U和目的節(jié)點之間的距離,du,BS代表考察節(jié)點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,對于< 的任意兩個接收節(jié)點<和<,若<4,則將和 合并成一個新的目標(biāo)目的節(jié)點子集;若Zg2札,則不對這兩個集合進(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跳的每一個發(fā)射節(jié)點選擇其接收 節(jié)點, 3-2)、為第X跳中各發(fā)射節(jié)點所對應(yīng)的接收節(jié)點分配功率,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)點為集合Rx中的每一個節(jié)點; 3-3)、將第X跳所選擇的接收節(jié)點作為第x+1跳的發(fā)射節(jié)點,更新.V,"1和對應(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) 、令丨中每一個目的節(jié)點分別構(gòu)成一個目標(biāo)目的節(jié)點子集/^丨,對于每一個*按 照距離比最小準(zhǔn)則從候選節(jié)點集合Ni中選出一個 < 啲接收節(jié)點; b) 、從各接收節(jié)點中選擇出 和 < ,其中,(Μ):=噸,對這兩個節(jié) 點所對應(yīng)的子集和按照角度閾值準(zhǔn)則進(jìn)行處理,并對集合MJi進(jìn)行更新; c) 、對更新后集合MJt中的每一按照距離比最小準(zhǔn)則選擇一個接收節(jié)點; d) 、重復(fù)步驟b)和c)直到2?,,則停止對愈『的更新,并將此時的各接收 節(jié)點作為最終< 的接收節(jié)點; e) 、重復(fù)步驟a)到步驟d),為每一個= U5...,|l;|選擇出對應(yīng)的若干接收節(jié)點。
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式(9)所示優(yōu)化問題進(jìn)行求解。
【文檔編號】H04W40/16GK104394569SQ201410649964
【公開日】2015年3月4日 申請日期: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 申請人:西安交通大學(xué)